在单调周期荷载作用下轻型纤维加强混凝土中钢筋与
混凝土的粘结
2004年10月19收到;在2005年1月24日修订后的形式;2005年1月24接受
2005年3月19可以在网上搜索
摘要
实验研究的是嵌入轻型纤维加强混凝土的钢筋与混凝土局部粘结滑移应力的。对下列参数的影响进行了研究：——试样尺寸；—锚固长度；——钩状纤维的体积百分比；——横向钢筋的几何级数；——横向隔离外部压力。在控制变位测试中，棱柱体试件中的螺纹钢嵌入到5到8等效长度，在钢的尖部进行单调与循环反向强制变位。对上述提到的影响因素进行了研究，以及由于横向钢的限制对混凝土刚度和延展度的影响，纤维和外部压力的显示。
2005年Elsevier Ltd版权所有。
关键词：轻型混凝土 粘结强度 限制 钢纤维 单调荷载 周期荷载
1 说明
在美国混凝土协会544【1】提到的一些实验和分析研究，开展对了阻燃纤维增强混凝土的性能研究表明在混凝土中加入纤维大大提高了混凝土的力学性能：在最大荷载下的压缩应变，拉伸最大应力和相应的应变，能量的吸收和韧性、剪切阻力，疲劳强度和裂纹分布。在轻型混凝土或普通高强混凝土中结合传统的钢纤维能够增强混凝土的延展性，避免在地震区关键部位的二次加强结构设计中出现超筋现象。轻型混凝土，它主要是利用其非结构特性（作为保温和隔音材料），它最近也被用来作为结构的一部分，特别是在外地预制的混凝土结构中提供足够的支持力。轻型混凝土相对于普通混凝土，在地震区域对减少地震作用于结构基础的横向惯性力有很好的效果，使建筑能够建在较低承载能力的土地上，并使混凝土预制构件的运输更加容易。
轻型混凝土的物理和化学性能很大程度上取决于它们的骨料，特别是它们的密度：一般来说，较大密度的骨料提高了材料的强度，且不会对齐非结构特性造成很大的损害。对于轻型混凝土，纤维的使用是必要的，也要配合传统的钢筋，以减少材料在超张拉下的应力损失。轻型混凝土的所有性能和它与锚具的连接特性【5-8】是计算结构在单调周期荷载作用下的反应和变形所必不可少的。
目前对嵌入膨胀骨料制成的轻型纤维加强混凝土的钢筋的局部滑移应力的实验研究结果已经通过对各系列的不同样本的对比表示了出来。
2 实验计划
这项研究的目的是研究分析出嵌入轻型混凝土中螺纹钢筋在单调周期荷载作用下局部滑移应力。研究的参数是：——混凝土试样的形状和尺寸；——嵌入钢筋的长度；——内部横向钢筋的几何级数；——纤维的百分比；——围压作用下钢筋在垂直方向上的滑移。
2.1 试件的几何形状
两个不同的试件，几何形状和尺寸见表一，用来做滑移实验。预制170mmⅹ
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170mmⅹ210mm的矮胖的棱柱体试件，330mmⅹ84mmⅹ300mm,的长方体试件。
矮胖的棱柱体试件中的钢筋平行于混凝土浇筑方向垂直嵌入试件，长方体试件中的钢筋垂直于浇筑方向水平嵌入试件。
对于这两种情况下钢筋的核心部分仅是与混凝土粘结的部分，但不包括试件表面与混凝土接触的部分。
时间几何形状的选择，横向钢筋的排列和嵌入钢筋位置的布置的目的在于模拟两种不同的环境。
——对于矮胖的试件，已经利用了类似的研究结果【9】，用纵向钢筋和底层连接的目的在于模拟一种连接的环境，在这种情况下，连接的特点是非常重要的一个方面，因为选择一个足够的锚固长度能够减少固定端旋转的风险，以此可大幅减少整个系统的延性。【10】。
图1.试件的几何形状；（a）矮胖的棱柱体试件（b）细长的试件
——对于长方体试件，目的在于模拟主梁钢筋在框架钢筋混凝土中密闭联结区域的环境，正如已经做了的类似研究，用的是普通重量和强度的普通混凝土。
可以看出，在缺少横向钢筋的情况下，长方体混凝土试件的尺寸可以假定为是允许在钢筋的位置出现一个裂缝的类型，而在矮胖的棱柱体试件中，钢筋的位置与试件尺寸的关系是允许钢筋拔出失败的。
同一批圆柱体试件的浇筑都有机械材料的特点。
制备的混凝土试件是具有不同的几何级数的横向钢筋，不同体积百分比的纤维，一共有78个试件准备做拔出实验。
对于矮胖的棱柱体试件，只有纤维的体积百分比和单调周期荷载影响两种不同的锚固长度，考虑了相当于8和5当量的直径。
对于固定锚固长度的长方体试件（5当量的直径）横向钢筋的影响，纤维体积百分比和在单调周期荷载下的横向压力，都要给于考虑。而且类似的研究考虑横向钢筋垂直拔出的影响被认为是研究轻型混凝土的传统【4】。
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在横向钢筋的例子中，闭合箍筋的直径有4mm，放置位置如图所示【12】。箍筋固定在主筋上，主筋由4根直径为6mm的螺纹钢组成，间距为72mm，箍筋间距分别为32，46，80mm。
用来做拔出实验的螺纹钢的有效直径为12mm，嵌入混凝土的长度为60和96mm（相当于5 db和8db）。
两种不同的锚固长度被认为是通过假定局部轻型混凝土的滑移曲线推出的相当于5当量的锚固长度来验证的，普通混凝土的假定是被Eligehause验证的。
正如已经说明的，嵌入钢筋的长度只是把钢筋全长减少的部分放入试件，在试件浇筑的过程中，可以通过使用塑料管固定外部钢筋，或在钢筋和塑料管之间安放海绵来使底部钢筋隔离。混凝土注入钢模具中，再通过振动棒震动捣实。试件在恒温恒湿的房间中养护28天后再进行实验。
2.2 材料的比例和力学性能
制作试件需要轻型混凝土和膨胀粘土骨料。轻型混凝土（重度为16KN\\ m）
3
是通过添加下列成分得到的（KN\\ m3）：3.5KN 42.5MPa的硅酸盐水泥，4.90KN粒径为7mm到17mm
的膨胀土（重度为6.5KN\\ m3），7.80KN的沙子和1.35KN的水。
每立方米混凝土中水的总量是2.05KN，其中，在容器中放置30秒钟，被骨料吸收0.70KN,1.35KN的水加到了新拌混凝土中。
使用的膨胀粘土骨料，大部分是不规则的圆形，最大粒径为17mm，重度为650kg\\ m3 。中等粒径的骨料直径为3mm到7mm，大骨料的粒径为7mm到17mm，使用的膨胀粘土混合物的对应材料也都改变了。
为了准备纤维混凝土，使用Dramix钩型钢纤维，长度为30mm，直径为0.5mm，（长宽比为60）。随机分布在新拌的混凝土中，该纤维的最低拉伸强度为
2
1115N\\mm，该纤维的体积百分比为0.5、1、和2%，相当于0.40、0.80、1.60 KN\\ m3。
为了了解混凝土的力学性能，用三种不同类型的直径为100mm，高为200mm的圆柱体试件进行压缩试验和间接分裂试验。
试验通过采用一个万能试验机，在一个受控模式下记录完整的加载曲线和卸载曲线，而不是像给出的那样简洁。
图2 应力曲线（a）单调荷载；（b）周期荷载
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抗压试验相对应得实验结果是在单调周期荷载作用下（如图2），内部纤维的最大强度值相对于普通混泥土有略微增长，因为普通混凝土的骨料性质，它非常脆。纤维能够保证混凝土有良好的性能，特别是在计算强度和韧性时。
图3 拉伸试验曲线（a）单调荷载；（b）周期荷载
在拉伸的时候，（见图3），在单调周期荷载作用下，混凝土中的纤维能够
保证其中的最大残余应力比普通素混凝土小，特别是在2%的纤维混凝土中的拉伸应力达到2.29MPa时，普通混凝土中的应力达到了4.43MPa。更多的关于其力学性能的细节在Campione等【4】做的纤维混凝土具有更轻便的性能的实验中给出。
对于钢筋的机械性质的拉伸实验采用相同的万能试验机来试验混凝土。 对每个直径的三个不同试件进行了拉伸试验。对12mm的钢筋的得到的拉伸应力为519MPa，最大屈服应力为597MPa，对4mm的钢筋得到的最大拉伸和压缩
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应力分别为620MPa和700MPa。
2.3 检测
拔出实验是通过提取混凝土标准砌块中的直径为12mm的螺纹钢筋进行的。刚进的自由端连接到万能试验机上用于拉伸，将混凝土通过一个硬钢框架固定在测试仪器上。控制位移的速度维持在0.5mm/min，记录下相应的荷载和钢筋的滑移。
图4显示了固定混凝土试件的钢框架的几何形状和尺寸。它包括4个螺纹钢筋连接的钢板，其中上面的一个正方形钢板，由横向钢筋固定，它穿在中央部分的钢筋能够固定在特殊的测试仪器上。较低部分的框架由两个钢板组成，较低的一个钢板是通过螺栓来固定测试仪器的第二块钢板与上一个钢板的距离是160mm，这使上下部分的框架可以通过螺纹杆连接起来。
图4 拔出试验的试件的制备
正如已经说过的有些试件通过特殊设置的装置（图5），施加外部横向约束下的压力。它是一个由4个螺纹杆连接的2个加筋钢板组成的硬钢框架。试件沿
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着垂直于嵌入钢筋的方向放入两块钢板之间。此外，试件的另一边放入一块有20KN承载力的液压夹，在液压夹与节点板之间的球可以减少不良偏心。
在实验过程中，通过一个可以控制液压的仪表来控制内部的压力，假定一个固定的压力值2.3MPa,大约等于轻型混凝土压缩10%的强度。
利用一个高速的数据采集系统来记录完整的加载和卸载曲线。通过放置在一个小铝框架内的连接着移动螺纹钢和上部钢框架的LVDT仪器来记录滑移的位移，它的有效测量长度是10mm，用这种方法来衡量小变形的滑移，会减少一些不相干的变形的影响。
3 实验结果
实验结果是单调周期荷载作用下局部滑移应力的τ–s 曲线。
局部应力的图中的数值在达到给定的应力时测量滑移很困难，图中数值是通过利用公式τ = F/(π · db · Lb)得到。
图5施加外部横向压力的装置
图6 素混凝土的局部应力滑移曲线
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参考文献：
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致谢信
时间过得好快，转眼间四年的大学本科生活就要结束了，在毕业前夕，突然感到有好多话想要说，却又不知道该说些什么。
从眼前的毕业设计说起吧，大四的最后一个学期，我们只有一个任务，就是在指导老师的帮助下完成一份完整的毕业设计。这次的毕业设计给了我一次难得的与老师近距离接触的机会，很庆幸我遇到了好的、认真的、热心肠的潘老师。真的很佩服潘老师的认真与负责！为此，我一直很庆幸。在大四下学期，我觉得受益最深的，也就是潘老师以身作则带给我的影响了。
大学四年走下来，一路上得到了很多老师和同学的帮助，心中满是感激。在这里，我要谢谢那些给过我帮助的老师，谢谢和我一同走过大学四年的同学朋友，谢谢一直默默支持我的父亲母亲。
男儿有志，今后的路还很长。一直以来我很庆幸遇到了很好的老师和同学，我会用今后的成绩来感谢他们。
十分感激！十分庆幸！
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