1、第 卷 第 期 年 月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 .：负泊松比钢筋与 的黏结性能王俊颜，常思远，（先进土木工程材料教育部重点实验室（同济大学），上海；同济大学 材料科学与工程学院，上海）摘 要：为探究负泊松比钢筋（，钢筋）与超高性能混凝土（，）的黏结性能，通过对 个拉拔试件进行中心拉拔试验，研究了 种类、钢筋种类和外形、锚固长度以及保护层厚度等参数对 钢筋与 间黏结性能的影响规律，并使用声发射技术对 钢筋与高应变强化型 间的黏结滑移破坏损伤行为及破坏模式进行分析。试验结果表明：高应变强化型 与 钢筋的黏结性能优于低应变强化型及应变软化型；随着锚固长度的增加，拉拔试验的极限荷载逐渐增加，
2、荷载 滑移曲线趋势并未发生明显改变；保护层厚度较小时，会导致试件破坏呈现一定的脆性。钢筋与高应变强化型 间的黏结滑移破坏可分为初始、破坏和残余三个阶段，声发射试验可以较好地表征拉拔试验过程中基体损伤的演化进程。关键词：负泊松比钢筋；超高性能混凝土；黏结性能；拉拔试验；声发射中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（），；，）：（）（），：；收稿日期：；录用日期：；网络首发日期：网络首发地址：基金项目：宁波市重大科技专项（）作者简介：王俊颜（），男，特聘研究员，博士生导师通信作者：王俊颜，负泊松比钢筋（，钢筋）是一种具有负泊松比特性（受力时体积产生微膨胀，且拉断时不发生局部颈缩现象）以及高强度和
3、高延性等良好性能的新型建筑材料，然而在普通钢筋混凝土结构中，钢筋强度过高会使钢筋混凝土结构在服役状态下产生较大的裂缝。超高性能混凝土（，）是一种新型纤维增强水泥基复合材料，其具有较高的抗拉强度 和抗压强度，其中高应变强化型 有较好的裂缝控制能力，是高强钢筋的良好载体。使用高强钢筋 结构有利于提高结构的承载力与延性，目前已有学者进行了普通高强钢筋与 的黏结性能试验，主要是探究锚固长度、保护层厚度、钢筋直径等参数的变化对两者黏结性能的影响，然而 钢筋与 间的黏结性能尚未见到相关研究文献。本文通过拉拔试验对 钢筋与 的黏结性能展开研究，并采用声发射技术对其黏结滑移破坏模式及内部损伤演化过程进行分析。
4、试验内容.试验材料及性能试验采用钢筋直径均为 ，钢筋种类分别为普通 钢筋、肋间距离增大 倍的 钢筋（力学性质与普通 钢筋相同）及 钢筋，钢筋外形参数见图（），其中 钢筋外形与普通 钢筋相同，外形系数为.；钢筋轴拉应力 应变曲线见图（），钢筋平均极限抗拉强度约为 ，平均断后伸长率约为，兼具高强度及高延性。为保证结构具有足够的安全储备，按照无明显屈服点钢筋的屈服强度确定方法（取残余应变为.），确定 钢筋的屈服强度为 。试验所用 基体体积配合比见表，钢纤维性能参数见表，所用钢纤维体积掺量分别为、和.，分别配置出应变软化型、低应变强化型、高应变强化型 种，其基本力学性能见表。bl对于标准 NPR 钢筋
5、、HRB400 钢筋 l=10 mm对于 HNPRA 钢筋 l=20 mm1 2001 000800600400200拉伸应力/MPaNPR 钢筋HRB400 钢筋10 20 30 40 50拉伸应变/%(a)钢筋外形(b)钢筋轴拉应力-应变曲线0图 钢筋外形参数及轴拉曲线 表 基体体积配合比 水泥水硅灰细活性填料石英砂高效减水剂.表 纤维力学性能 抗拉强度弹性模量长度直径长径比密度（）表 基本力学性能 试件种类平均抗压强度 平均轴拉强度 平均极限强化应变 高应变强化型.低应变强化型.应变软化型.拉拔试验拉拔试件制作时先将钢筋水平居中放置在模具中，之后沿钢筋轴向进行浇筑，模具两端使用 长塑料管
6、将 与钢筋隔离，防止加载时端部局部破坏，试件在室温养护 后拆模，之后在标准条件下养护 后进行试验。试验使用 微机控制电子伺服万能试验机进行加载，将位移传感器固定于钢筋自由端测量钢筋自由端滑移，荷载及位移数据由电脑自动采集，试验正式加载前进行预加载，预加载速度.，当荷载达到.时预加载结束进入正式加载，加载速度 ，滑移达到 时试验结束。拉拔试验编号规则：编号第 部分为 种类，高应变强化型编号，低应变强化型编号，应变软化型编号，每组 个试件；编号第 部分为钢筋种类，普通 钢筋编号为、肋间距离增大的 钢筋编号为，标准外形 钢筋编号为，每组 个试件；编号第 部分为钢筋锚固长度，取锚固长度、对应编号分别为
7、、，每组 个试件；编号第 部分为保护层厚度，取保护层厚度、对应编号分别为、，每组 个试件；具体分组及拉拔试验结果见表。其中除保护层厚度变化试件为 长棱柱体外，其他试件尺寸均为 立方体。.声发射试验结构或材料在产生微小损伤和裂缝时会以声波形式将能量释放并产生相应的声信号，通过传感器将声信号收集，并经过相应软件处理，可得到声发射信号参数；同时系统可对声发射信号通过时差定位的方式得到结构内部损伤点的分布情况。首先参考 规范使用.的 铅笔通过断芯的方法测定试件内部波速以及环境噪音，测定后将波速输入系统。在试块正反两面对称选取 个定位点，声发射试验装置及传感器布置点位见哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报
8、 第 卷图，通过耦合剂和胶枪将传感器固定在试件表面，之后对立方体试件同时进行拉拔试验及声发射试验，并同时结束。试验前置放大器增益为 ，带宽为 采样频率 ，门限为 。(a)试验装置传感器3(7)4(8)1(5)2(6)150202020202020150(b)传感器点位布置(mm)图 声发射试验装置 拉拔试验结果与分析拉拔试验结果见表，由于钢筋锚固长度较小，假设黏结应力沿钢筋长度方向均匀分布，由式（）可得平均最大黏结应力。（）式中：为平均最大黏结应力，为极限拉拔荷载，为锚固长度，为钢筋直径。表 试验结果 编号 种类钢筋种类锚固长度 保护层厚度 破坏形态 .拔出，未屈服拔出，未屈服拔出，未屈服 .
9、拔出，未屈服拔出，未屈服拔出，未屈服 .拔出，纵向贯通拔出，纵向贯通拔出，纵向贯通 .拔出，屈服拔出，屈服拔出，屈服 .拔出，屈服拔出，屈服拔出，屈服 .拔出，屈服拔出，屈服拔出，屈服 .拔出，未屈服拔出，未屈服拔出，未屈服 .拔出，纵向贯通拔出，纵向裂缝 .拔出，未屈服拔出，未屈服 .拔出，未屈服拔出，未屈服第 期王俊颜，等：负泊松比钢筋与 的黏结性能.种类对黏结性能的影响图（）反映了 种类对拉拔试验平均荷载 滑移曲线的影响；钢筋在 中的荷载 滑移曲线可按图（）分为两种类型，曲线按斜率变化可分为快速上升段、缓直段及下降段。H-NPR-3DL-NPR-3DS-NPR-3D20015010050
10、荷载/kN2 4 6 8 10滑移/mm0(a)不同 UHPC 的平均荷载-滑移曲线滑移/mm荷载/kN下降段缓直段下降段快速上升段类型 1类型 2(b)荷载-滑移曲线类型图 种类对荷载 滑移曲线的影响 对于高应变强化型和低应变强化型，两者破坏模式均为拔出破坏，破坏时 钢筋均未屈服，曲线发展规律相似，曲线类型为图（）的类型；加载初期，钢筋受力后黏结力从加载端逐渐向自由端传递，此时为曲线的快速上升段，斜率较大，荷载快速增长，滑移增长缓慢；当达到极限拉拔荷载的左右时，曲线进入缓直段，此时曲线斜率开始减小，荷载增长放缓，滑移开始加速增长，直到达到极限拉拔荷载并维持一段时间后曲线出现拐点，荷载减少，滑
11、移持续快速增加，此时曲线进入下降段。然而对于应变软化型，曲线类型为图（）的类型，没有明显的缓直段；这是由于应变软化型 纤维掺量较少，抗拉强度及延性低，难以抵御黏结力导致的内部环向拉应力，使得裂缝扩展至试件表面，产生竖向贯通裂缝，使得破坏呈现一定的脆性。结合表，、和 组试件的平均最大黏结应力分别为.、.和.，高应变强化型 相较低应变强化型和应变软化型 的平均最大黏结应力提升约.、.，且发生拔出破坏时试件表面未出现裂缝，因此高应变强化型 与 钢筋的黏结性能明显高于另外两种。.钢筋种类对黏结性能的影响图 为不同钢筋在高应变强化型 中的平均荷载 滑移曲线，在 的锚固长度下，对于 钢筋，发生拔出破坏时钢
12、筋均未屈服，对于 钢筋，拔出时钢筋均已屈服，这是由于 钢筋有较高的屈服强度，达到屈服强度所需锚固长度也要更大。钢筋的荷载滑移曲线与 钢筋的荷载滑移曲线前期发展趋势相似，曲线经历了快速上升段和缓直段；然而在下降段，钢筋和 钢筋表现出较大的不同。对于 钢筋，荷载达到峰值后曲线下降得较为缓慢，且在下降段出现一定的回弹，在滑移达到 时仍能保持较高的残余荷载，约为极限拉拔荷载的.，表现出良好的延性。而对于 钢筋，曲线下降较为迅速且并未出现回弹现象，在滑移达到 时的残余荷载仅为极限拉拔荷载的.。这是由于 钢筋的负泊松比特性导致其在受力后横截面较大使得 钢筋对混凝土材料的破坏更为严重，发生黏结滑移破坏后 钢
13、筋与 间靠摩擦力维持的黏结力大大降低。20015010050荷载/kN2 4 6 8 10滑移/mm0H-NPR-3DH-NPRA-3DH-400-3D图 不同钢筋种类下的平均荷载 滑移曲线 对于肋间距增大的 钢筋，破坏形态与普通 钢筋相同，试件平均极限拉拔荷载并未出现明显下降，且曲线发展趋势与普通 钢筋相似；结合表，和 组的平均最大黏结应力分别为.、.，因此肋间距的改变对 钢筋的平均最大黏结应力影响并不明显。然而在荷载相同时，组的滑移明显大于 组，可见肋间距增大对 钢筋与混凝土之间的咬合及滑移有一定的影响。.锚固长度对 钢筋黏结性能的影响图（）可见不同锚固长度的钢筋其荷载 滑哈 尔 滨 工
14、业 大 学 学 报 第 卷移曲线呈相似趋势，破坏形态均为拔出破坏，比较不同锚固长度的情况，随着钢筋锚固长度的增加，极限拉拔荷载明显增加，而 基体始终未出现劈裂现象，这是因为高应变强化型 内部大量的钢纤维桥接了裂缝，试件内部应力分布更均匀，因此可以承受更大的拉拔力。从表 可见，、和 组试件的平均最大黏结应力分别为.、.、.，随着锚固长度的增加试件平均最大黏结应力逐渐降低。图（）显示了锚固长度变化对加载端钢筋最大拉应力的影响，随着锚固长度的增加 钢筋加载端最大拉应力增加幅度变小，锚固长度为、和 条件下加载端钢筋平均最大应力分别为.、.以及.，对于 的 钢筋其在高应变强化型 中锚固长度为 以上时才能
15、使 钢筋达到其屈服强度（）。H-NPR-5DH-NPR-4DH-NPR-3D20015010050荷载/kN2 4 6 8 10滑移/mm0(a)不同锚固长度下的平均荷载-滑移曲线650816.6754.5628.72 3 4 5 6钢筋相对锚固长度 la/d1 2001 0008006004002000加载端钢筋最大拉应力/MPa(b)锚固长度对钢筋加载端最大拉应力影响图 锚固长度对黏结性能的影响 .保护层厚度对 钢筋黏结性能的影响图（）为不同保护层厚度下的平均荷载 滑移曲线，对于保护层厚度为、的棱柱体试件，破坏形态均为拔出破坏，钢筋未屈服，荷载 滑移曲线趋势与立方体试件相似，曲线为图（）中
16、类型；但对于保护层厚度为 的试件，其在破坏时纵向裂缝扩展至表面，曲线在经过快速上升段后直接进入下降段，曲线为图（）中的类型，相较保护层厚度较大时，其破坏呈现一定的脆性。从图（）可见，当保护层厚度从 增加至 ，钢筋平均最大黏结应力有明显的提高，之后随着保护层厚度的增大，拉拔试件的平均最大黏结应力基本保持不变；这是因为保护层厚度超过 时，基体已经足以抵抗内部环向拉应力，因此进一步增大保护层厚度不会对平均极限黏结应力产生明显影响。(b)保护层厚度对平均黏结应力影响H-NPR-3DH-NPR-3D-50H-NPR-3D-40H-NPR-3D-3020015010050荷载/kN2 4 6 8 10滑移/mm0(a)不同保护层厚度下的平均荷载-滑移曲线47.550.551.552.360504030平均最大黏结应力/MPa20 30 40 50 60 70保护层厚度/mm图 保护层厚度对黏结性能的影响 声发射试验结果与分析.高应变强化型 与 钢筋的黏结滑移破坏过程 钢筋在拔出过程中，随着拉力的增加，使得 内部产生裂缝和损伤，发出的声信号以波的形式表现，每个波形振幅 持续时间曲线下的面积即为损伤时
