Experiment on bonding and anchoring performance between high-strength stainless steel wire mesh and engineered cementitious composites
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摘要: 为研究高强不锈钢绞线网在工程水泥基复合材料(ECC)中的黏结锚固性能，考虑了横向钢绞线间距、相对锚固长度和钢绞线直径三个影响因素，对设计制作的17组51个试件进行了单边拉拔试验。结果表明：横向钢绞线的设置使黏结破坏具有明显的延性破坏特征；横向钢绞线间距对黏结强度影响不大，但延性强化段长度(延性)随横向钢绞线间距的减小而增大；钢绞线网与ECC的峰值平均黏结应力与锚固长度及钢绞线直径均呈负相关，其延性随钢绞线直径的增大而提高，但随锚固长度的增大而降低。试验结果及分析验证了钢绞线网在ECC中的临界锚固长度计算可采用单根钢绞线的临界锚固长度计算公式。
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关键词:
- 高强不锈钢绞线网 /
- 工程水泥基复合材料(ECC) /
- 黏结锚固 /
- 拉拔试验 /
- 黏结-滑移
Abstract: In order to investigate the bonding and anchoring performance of high-strength stainless steel wire mesh in engineered cementitious composites (ECC), three parameters of transverse steel strand spacing, relative anchorage length and steel strand diameter were considered, and a total of 51 specimens in 17 groups were designed and carried out by the uniaxial pull-out test. The results show that the setting of transverse steel strand has obvious ductile failure characteristics. The transverse steel strand spacing has little effect on the bond strength, but the length of ductile strengthening section (ductility) increases with the decreasing of transverse steel strand spacing. The peak average bonding stress between the steel wire mesh and ECC is negatively correlated with the anchorage length and the steel strand diameter. The ductility increases with the increasing of the steel strand diameter, but decreases with the increasing of the anchorage length. The test results and analysis verify that the critical anchorage length calculation of the steel wire mesh in ECC can be calculated by using the critical anchorage length formula of a single steel strand. -
工程水泥基复合材料(ECC)在受拉作用下表现出超高的韧性、优异的裂缝控制能力，且在极限荷载下能保持良好的整体性。因此国内外学者围绕ECC的受拉、受弯等基本力学性能开展了大量相关研究工作，并取得了众多优异成果[1-4]。然而，由于聚乙烯醇(PVA)纤维在ECC中为乱向分布，对ECC抗拉强度提高有限，在较大程度上限制了其材料性能(应变硬化)的充分发挥。为此，众多学者相继开展高强筋材、网材等用于增强ECC受力性能的研究。其中，钢筋增强ECC研究表明，该类构件的承载力和延性均优于普通混凝土构件[5]。徐世烺等[6]对碳纤维编织网增强ECC进行了四点弯曲试验，研究表明，碳纤维编织网增强ECC结合了两种材料的优点，改善了复合材料的韧性和结构的抗裂性能。夏立鹏等[7]将碳纤维编织网增强ECC应用于桥梁工程，可有效改善桥梁面板整体工作性能。朱忠锋等[8]采用玄武岩纤维编织网增强ECC加固钢筋混凝土圆柱，结果表明，构件的极限荷载和变形能力得到提高。另一方面，相关学者对高强不锈钢绞线网/渗透性聚合砂浆加固钢筋混凝土构件开展了大量研究工作，结果表明，其能有效提高加固构件的抗弯、抗剪承载力和刚度[9-10]。目前该加固技术已成功应用于实际加固工程中，并取得了优异的加固效果[11-12]。
黏结锚固性能是决定复合材料能否共同工作及能否使加固结构获得预期加固效果的前提和基础。因此，需要对上述复合材料的黏结性能进行研究，为增强ECC新型复合材料性能分析和结构设计提供依据。徐世烺等[6, 13]对钢筋、纤维编织网增强ECC的黏结性能进行了相关研究；金贺楠[14]对纤维编织网在自应力混凝土中的黏结性能进行了试验研究；Yoo等[15]及吴丽丽等[16]对玻璃纤维增强聚合物复合材料筋与ECC的黏结性能进行了相关研究。Karunagaran等[17]及曹俊等[18]对高强不锈钢绞线网与基体材料的黏结锚固性能开展了相关研究，给出了提高其黏结性能的措施及钢绞线在聚合砂浆中的锚固长度计算公式。
上述增强材料中，采用普通钢筋时，ECC的优越性能不能完全发挥，使用纤维编织网增强材料又降低了经济性。而高强不锈钢绞线具有抗拉强度高、良好的耐腐蚀性能和经济性。本文将高强不锈钢绞线网用于增强ECC形成新型复合材料，既充分发挥了ECC和高强不锈钢绞线的力学性能(二者的极限拉应变接近(约为3%)，又具有施工便利性和良好的经济性。因此，本文设计制作了51个单边拉拔试件。考虑横向钢绞线间距、相对锚固长度和钢绞线直径等参数影响，对高强不锈钢绞线网与ECC的黏结性能进行研究。
1. 试验概况
1.1 试件设计
课题组通过前期初探性试验，确定了对高强不锈钢绞线在ECC中黏结性能有利的因素：良好的ECC配方(其配合比如表1所示)和绑扎织网方式[19]。故在前期试验的基础上，进一步分析横向钢绞线间距(分别为20 mm、30 mm、40 mm)、钢绞线直径(纵横向钢绞线直径相同，分别为2.4 mm、3.2 mm、4.5 mm)和相对锚固长度(分别为15d、18d、20d、22d、25d、28d)等因素对其黏结性能的影响规律。依据试验目的，设计制作了17组共51个单边拉拔试件，试件设计参数如表2所示。图1为试件设计详图。试件采用木制模板，钢绞线网采用扎丝绑扎；浇筑前，用夹具将钢绞线网固定于模板，在钢绞线非黏结区的端头缠绕保鲜膜，以避免ECC浆体在浇筑时渗入，影响试验结果；在伸出钢绞线的模板开孔处涂抹发胶泡，防止浆体流出，如图2所示。
表 1 水泥基复合材料(ECC)配合比Table 1. Mix proportion of engineered cementitious composites (ECC)Material Proportion (Mass ratio) Cement 1 Sand 0.4 Fly ash 2.5 Water 1.15 Addition agent 0.151 PVA fiber 2% (Volume ratio) Note: PVA—Polyvinyl alcohol. ![]()
图 1 高强不锈钢绞线网增强ECC试件详图Figure 1. Detail of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens表 2 高强不锈钢绞线网增强ECC试件参数Table 2. Parameters of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimensGroup number d/mm la/mm ld/mm Size(a×b×c)/mm A1 4.5 15d 0 150×150×50 A2 4.5 15d 20 A3 4.5 15d 30 A4 4.5 15d 40 B1 4.5 18d 30 150×150×50 B2 4.5 20d 30 B3 4.5 22d 30 B4 4.5 25d 30 150×170×50 B5 4.5 28d 30 C1 3.2 15d 30 150×100×37 C2 3.2 18d 30 C3 3.2 20d 30 C4 3.2 22d 30 D1 2.4 15d 30 150×100×27 D2 2.4 18d 30 D3 2.4 20d 30 D4 2.4 22d 30 Notes: d—Diameter of steel strand; la—Relative anchorage length; ld—Spacing of transverse steel strand. 1.2 试验装置及量测方案
试验在郑州大学结构试验室进行，采用100 kN电液伺服万能试验机。为了实现单边中心拉拔，试验通过自制钢吊篮连接，试验加载装置如图3所示。试验过程中，分别测量加载端C和自由端B的相对位移。其中，AB段为非受力段，可忽略变形对滑移量的影响，因此A点位移代替B点位移，BC段为实际锚固长度；对于加载端C点的滑移，由于CD段受力较大且有一定的长度，因此测得的D点位移扣除CD段的变形，即为C点的实际位移。
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图 3 试验加载装置LVDT—Linear variable differential transformerFigure 3. Test loading deviceCD段的变形为
SCD=FlCDESAS (1) 式中：F为外荷载，即拉拔力；lCD为CD段的长度；ES和AS分别为高强不锈钢绞线的弹性模量和实际截面面积。
从而可以得到加载端的实际滑移Sl：
Sl=SD−SCD (2) 式中，SD为D点的位移。
而整个黏结段的平均滑移量可表示为
S=Sl+SA2 (3) 黏结锚固长度范围内的平均黏结应力
τ 为τ=Fπdla (4) 式中：d为钢绞线的公称直径；la为锚固长度。
1.3 材料性能试验结果
试验前，将预留的钢绞线试样和ECC试件(受压尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，受拉尺寸为280 mm×40 mm×15 mm，标准养护28天)进行力学性能试验。其中，试验测得的钢绞线应力-应变曲线如图4所示；ECC受拉性能是由薄板试件在电液伺服万能试验机上进行单轴拉伸试验测得，其受拉应力-应变曲线如图5所示。每种直径的钢绞线试样分别为3个，测得的主要力学性能指标取平均值如表3所示。ECC受压和受拉试件均为3个，其抗压强度、极限抗拉强度及对应的伸长率分别为32.45 MPa、2.83 MPa、2.2%。
表 3 钢绞线性能参数Table 3. Performance parameters of steel strandd/mm Ultimate load/kN Ultimate tensile strength/MPa Modulus of elasticity/GPa Ultimate tensile strain/% 2.4 4.42 1 568.30 130 3.07 3.2 7.87 1 589.23 97 4.08 4.5 16.23 1 687.45 108 3.78 2. 试验结果及分析
2.1 高强不锈钢绞线网与ECC黏结锚固性能试验结果
本次试验的黏结破坏模式共有两种：钢绞线拔出破坏和断裂破坏，其破坏状态如图6所示。
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图 6 高强不锈钢绞线网增强ECC试件破坏模式Figure 6. Failure modes of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens钢绞线拔出破坏(P)：加载初期，加载端位移缓慢增大，自由端位移为零且保持不变。当荷载增大至峰值荷载的10%~20%时，试件自由端开始产生滑移且随荷载增加而缓慢增大，加载端位移增大较大。达到峰值荷载后，荷载开始下降，当降至约为峰值荷载的85%时即趋于稳定。且随着滑移增大，荷载基本保持不变。当滑移继续增大至一定量时(滑移量与钢绞线直径、锚固长度等因素有关)，荷载再次下降，降至峰值荷载30%左右时趋于稳定，同时钢绞线滑移继续增大，直至钢绞线拔出。
钢绞线断裂破坏(R)：加载初期，加载端位移缓慢增大，自由端位移为零且保持不变。当荷载增大至峰值荷载的30%左右时，自由端开始出现滑移，但随着荷载增加其增速较缓，加载端位移持续增大。当荷载增大至峰值荷载的80%左右后，荷载增速变缓，加载端滑移增速明显，自由端滑移仍较小。随着荷载继续增大，荷载达到钢绞线的极限抗拉强度时，钢绞线发生断裂。
表4为高强不锈钢绞线网与ECC黏结锚固性能试验结果。可知，当相对锚固长度较小时(钢绞线直径为4.5 mm，相对锚固长度为25d；钢绞线直径为3.2 mm，相对锚固长度为20d；钢绞线直径为2.4 mm，相对锚固长度为20d)，试件为钢绞线拔出破坏，其他则为钢绞线断裂破坏。当横向钢绞线间距设置不同时(A2试件钢绞线间距为20 mm，A3试件钢绞线间距为30 mm，A4试件钢绞线间距为40 mm)，试件的峰值荷载由10.85 kN降至10.39 kN，其对应的平均滑移量由0.71 mm增至0.85 mm，且平均黏结应力由11.29 MPa降至10.81 MPa。此外，A1组试件未设置横向钢绞线，其峰值荷载及所对应的平均滑移量和黏结应力分别为10.82 kN、0.91 mm和11.26 MPa。说明横向钢绞线的设置对其受力影响不大，但有效减小了各级荷载所对应的滑移量，且随着横向钢绞线间距的减小，其黏结性能有所提高。当钢绞线相对锚固长度增加时(A3、B1~B5试件相对锚固长度为15d~28d)，峰值荷载由10.55 kN增至16.26 kN，对应的平均滑移量由0.73 mm增至1.55 mm，平均黏结应力由11.23 MPa降至9.13 MPa，C组和D组试件结果类似。说明锚固长度对钢绞线的黏结性能影响较大。在相对锚固长度相同时(15d)，钢绞线直径越小的构件(A2组钢绞线直径为4.5 mm，C1组钢绞线直径为3.2 mm，D1组钢绞线直径为2.4 mm)，其各级荷载所对应的平均滑移量越大，且对应的平均黏结应力也越大，由此可知，钢绞线直径对其黏结性能也有一定影响。
表 4 高强不锈钢绞线网与ECC黏结锚固性能试验结果Table 4. Test results of bonding and anchoring performance between high-strength stainless steel wire mesh and ECCGroup number Specimen number Fu/kN τu/MPa Su/mm SB/mm SC/mm lBC/mm Result A1 4.5-15d-0-1 10.74 11.18 0.91 − − − P 4.5-15d-0-2 10.92 11.37 − − − P 4.5-15d-0-3 10.80 11.24 − − − P A2 4.5-15d-20-1 11.14 11.59 0.71 1.79 8.99 7.20 P 4.5-15d-20-2 10.66 11.09 1.76 8.87 7.11 P 4.5-15d-20-3 10.74 11.18 1.72 8.66 6.94 P A3 4.5-15d-30-1 11.10 11.55 0.73 1.71 6.31 4.60 P 4.5-15d-30-2 10.65 11.08 1.75 6.40 4.65 P 4.5-15d-30-3 10.63 11.06 1.86 6.29 4.43 P A4 4.5-15d-40-1 10.38 10.80 0.85 1.96 4.16 2.20 P 4.5-15d-40-2 10.14 10.55 1.78 4.17 2.39 P 4.5-15d-40-3 10.64 11.07 1.82 4.22 2.40 P B1 4.5-18d-30-1 12.11 10.58 0.75 1.82 8.42 6.60 P 4.5-18d-30-2 12.84 11.22 1.91 5.14 3.23 P 4.5-18d-30-3 12.75 11.14 − − − R B2 4.5-20d-30-1 12.81 10.07 0.77 2.79 6.16 3.37 P 4.5-20d-30-2 13.49 10.61 1.95 5.33 3.38 P 4.5-20d-30-3 13.56 10.66 1.92 5.42 3.50 P B3 4.5-22d-30-1 14.11 10.09 0.81 1.97 4.28 2.31 P 4.5-22d-30-2 14.21 10.16 2.14 6.08 3.94 P 4.5-22d-30-3 14.89 10.64 1.92 4.41 2.49 P B4 4.5-25d-30-1 14.93 9.35 0.99 1.72 3.53 1.81 P 4.5-25d-30-2 16.24 9.39 − − − R 4.5-25d-30-3 15.03 9.41 1.81 4.03 2.22 P B5 4.5-28d-30-1 16.18 9.09 1.55 − − − R 4.5-28d-30-2 16.34 9.18 − − − R 4.5-28d-30-3 16.26 9.13 − − − R C1 3.2-15d-30-1 5.49 11.38 0.77 1.28 4.42 3.14 P 3.2-15d-30-2 5.46 11.31 1.32 5.02 3.70 P 3.2-15d-30-3 5.45 11.30 1.24 4.85 3.61 P C2 3.2-18d-30-1 6.47 11.17 0.82 1.46 4.15 2.69 P 3.2-18d-30-2 6.39 11.05 1.54 4.04 2.50 P 3.2-18d-30-3 5.37 9.28 − − − P C3 3.2-20d-30-1 7.08 11.04 0.96 1.59 3.95 2.36 P 3.2-20d-30-2 7.59 11.79 − − − R 3.2-20d-30-3 7.07 10.02 1.69 4.04 2.36 P C4 3.2-22d-30-1 7.56 10.75 1.04 − − − R 3.2-22d-30-2 7.77 11.01 − − − R 3.2-22d-30-3 7.86 11.17 − − − R D1 2.4-15d-30-1 3.19 11.76 0.89 1.63 3.06 1.64 P 2.4-15d-30-2 3.08 11.27 − − − P 2.4-15d-30-3 3.04 11.12 − − − P D2 2.4-18d-30-1 3.73 11.25 0.93 1.60 2.54 1.41 P 2.4-18d-30-2 3.67 11.08 1.54 2.42 1.22 P 2.4-18d-30-3 3.72 11.21 − − − P D3 2.4-20d-30-1 3.94 10.88 1.10 1.34 2.97 1.52 P 2.4-20d-30-2 3.97 10.97 1.94 2.70 1.09 P 2.4-20d-30-3 4.05 11.19 1.81 3.28 0.99 P D4 2.4-22d-30-1 4.37 10.94 1.16 − − − R 2.4-22d-30-2 4.34 10.87 − − − R 2.4-22d-30-3 4.37 10.94 − − − R Notes: Fu—Peak load; τu—Peak average bond stress; Su—Average slippage corresponding to peak load; SB—Slippage of point B; SC—Slippage of point C; lBC—Ductile strengthening section length; Specimen number: 4.5-15d-0-1 (a-b-c-d), in which 4.5 (a) represents the diameter of the steel strand, 15d (b) represents the relative anchorage length, 0 (c) represents the transverse steel strand spacing and 1 (d) is the specimen number in the same group; P—Pull-out failure; R—Rupture failure. 2.2 高强不锈钢绞线网增强ECC典型黏结-滑移曲线
图7
为高强不锈钢绞线(网)增强ECC典型黏结-滑移(τ-S)曲线。可知，与未设置横向钢绞线试件的τ-S曲线相比，横向钢绞线的存在使τ-S曲线具有一段较长的“延性段”，而残余荷载基本一致。因此，根据钢绞线网(设置横向钢绞线)在ECC中的拉拔受力全过程，可将其受力过程归纳为五个阶段，分别为上升段、微降段、延性强化段、下降段和残余段。 ![]()
图 7 高强不锈钢绞线(网)增强ECC典型黏结-滑移(τ-S)曲线Figure 7. Typical average bond stress-slippage(τ-S) curves of high-strength stainless steel strand (mesh) reinforced ECC上升段(OA段)：加载初期，曲线呈线性增长，滑移沿钢绞线稳定发展，而化学胶结力逐渐降低。当荷载增大至自由端产生滑移时，钢绞线与ECC间化学胶结力完全消失，但二者间的机械咬合力和摩阻力逐渐增大，钢绞线肋间ECC被挤压，τ-S曲线呈非线性。
微降段(AB段)：荷载达到峰值荷载后，由于钢绞线与ECC之间相对滑移量增大，二者之间的咬合齿发生破坏，摩擦力和机械咬合力逐渐减小，表现为拉拔力逐渐减小，τ-S曲线表现出微降特征。
延性强化段(BC段)：当相对滑移达到一定值(试件荷载降至峰值荷载的85%左右)时，横向钢绞线开始发挥作用，纵向钢绞线周围ECC的环向拉应力被分担，延缓了纵向钢绞线与ECC间机械咬合力的丧失，因此曲线出现了较长的延性段。此阶段荷载保持不变或略增大，而滑移明显增大，τ-S曲线斜率趋近于0。
下降段(CD段)：随着滑移增加，钢绞线与ECC间机械咬合力逐渐丧失，滑移增大的同时，荷载迅速减小，τ-S曲线呈近似线性下降。
残余段(DE段)：随着滑移增加，钢绞线肋间ECC发生剪切破坏，纵向钢绞线与ECC间的黏结力仅靠摩阻力提供，之后钢绞线被拔出。
3. 高强不锈钢绞线网与ECC黏结性能影响因素
3.1 横向钢绞线间距对高强不锈钢绞线网与ECC黏结性能的影响
图8为不同横向钢绞线间距高强不锈钢绞线网增强ECC试件的τ-S曲线。可以看出，各组试件的峰值黏结应力较为接近，但曲线延性强化段长度随横向钢绞线间距的增加而减小。表明横向钢绞线间距对钢绞线网在ECC中的受力影响不大；但随着横向钢绞线间距的减小，横向钢绞线有效分担纵向钢绞线周围ECC的环向拉应力，延缓ECC破坏，从而提高黏结破坏时的延性性能。
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图 8 不同横向钢绞线间距高强不锈钢绞线网增强ECC试件的τ-S曲线Figure 8. τ-S curves of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens with different transverse steel strand spacing图9为峰值荷载对应的平均滑移量(Su)和延性强化段长度(lBC)与横向钢绞线间距(ld)的关系。可以看出，随着横向钢绞线间距的增加，Su从0.71 mm增大至0.85 mm，增大了约20%，且呈线性增大趋势。而lBC则随着钢绞线间距的增加急剧减小，从7.1 mm减小至2.3 mm，降低了约68%，呈线性负相关。表明横向钢绞线间距越小，其对纵向钢绞线的约束作用越明显，同时分担纵向钢绞线周围ECC环向应力的作用越强，发生破坏时的延性越好。
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图 9 峰值荷载对应的平均滑移量(Su)和延性强化段长度(lBC)与横向钢绞线间距(ld)的关系Figure 9. Relationship of average slippage corresponding to peak load (Su), ductile strengthening section length (lBC) and transverse steel strand spacing (ld)3.2 相对锚固长度对高强不锈钢绞线网与ECC黏结性能的影响
图10为不同锚固长度的高强不锈钢绞线网增强ECC试件的荷载-滑移曲线。可以看出，随着锚固长度的增加，钢绞线网与ECC的黏结力增大，当达到一定的锚固长度后(4.5 mm、3.2 mm、2.4 mm钢绞线网的相对锚固长度分别为25d、22d、22d)，拉拔力达到钢绞线的极限抗拉强度，钢绞线发生断裂。钢绞线直径相同时，同级荷载对应的滑移量随着锚固长度的增加而减小。锚固长度越大，峰值荷载对应的滑移量越大，上升段的斜率也越大。分析原因是由于锚固长度越长，ECC对纵向钢绞线的总握裹力越大，黏结刚度越大，自由端产生滑移的时间推后，因此其斜率随着增大。此外，随着锚固长度的增加，延性强化段的长度逐渐减小，黏结破坏时的延性有所降低。
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图 10 不同锚固长度的高强不锈钢绞线网增强ECC试件的荷载-滑移曲线Figure 10. Load-slip curves of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens with different anchorage lengths3.2.1 相对锚固长度对峰值平均黏结应力的影响
图11为高强不锈钢绞线网增强ECC试件的相对锚固长度(la)与峰值平均黏结应力(τu)的关系曲线。可以看出，τu与la呈负相关，且随着la的增加，τu逐渐减小。其中，钢绞线直径为4.5 mm试件(A3、B1、B2、B3 和 B4组)的峰值平均黏结应力由11.23 MPa 降至9.38 MPa，降低了16.8%，其余两种直径降低幅度略小。分析原因是由于在拉拔过程中，沿锚固长度方向的黏结应力分布不均，随着锚固长度减小，高应力区相对长度增加，应力分布曲线较为丰满，因此其极限平均黏结应力较高；且锚固长度越小，其平均黏结应力越接近真实的黏结应力。
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图 11 高强不锈钢绞线网增强ECC的峰值平均黏结应力(τu)与相对锚固长度(la)的关系曲线Figure 11. Relationship curves of peak average bond stress (τu) and relative anchorage length (la) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC3.2.2 相对锚固长度对滑移量的影响
图12为高强不锈钢绞线网增强ECC试件的相对锚固长度(la)与峰值荷载对应的平均滑移量(Su)关系曲线。可以看出，Su与la呈正相关，且随着la的增加，Su逐渐增大。其中，钢绞线直径为4.5 mm的B4试件(相对锚固长度为25d、平均滑移量为0.99 mm)的平均滑移量较A3试件(相对锚固长度为15d、平均滑移量为0.73 mm)增大了约36%，钢绞线直径为3.2 mm的试件(相对锚固长度为15d 、平均滑移量为0.77 mm的C1试件；相对锚固长度为20d 、平均滑移量为0.96 mm的C3试件)增大了约25%，钢绞线直径为2.4 mm的试件(相对锚固长度为15d 、平均滑移量为0.89 mm的D1试件；相对锚固长度为20d 、平均滑移量为1.1 mm的D3试件)增大了约24%。
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图 12 高强不锈钢绞线网增强ECC的峰值荷载对应的平均滑移量(Su)与相对锚固长度(la)的关系曲线Figure 12. Relationship curves of average slippage corresponding to peak load (Su) and relative anchorage length (la) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC3.2.3 相对锚固长度对延性强化段的影响
图13为高强不锈钢绞线网增强ECC试件相对锚固长度(la)与延性强化段长度(lBC)的关系曲线。可以看出，lBC与la基本呈线性负相关，即锚固长度越长，延性强化水平段越短。其中，钢绞线直径为4.5 mm的A3试件(相对锚固长度为15d、延性强化段长度为4.56 mm)的平均滑移量较B4试件(相对锚固长度为25d、延性强化段长度为2.01 mm)减小了约56%。表明钢绞线网与ECC锚固长度越长，黏结应力分布越不均匀，横向钢绞线对机械咬合力的延缓作用越小，发生黏结破坏时的延性越差。
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图 13 高强不锈钢绞线网增强ECC的延性强化段长度(lBC)与相对锚固长度(la)的关系曲线Figure 13. Relationship curves of ductile strengthening section length (lBC) and relative anchorage length (la) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC3.3 钢绞线直径对高强不锈钢绞线网与ECC黏结性能的影响
图14为不同钢绞线直径的高强不锈钢绞线网增强ECC试件的荷载-滑移曲线。可以看出，峰值荷载随钢绞线直径增加而增幅较大，且各级荷载对应的滑移量均随钢绞线直径增加而减小。延性强化段长度随钢绞线直径的增加而增大。表明钢绞线直径越大，其黏结破坏时的延性越好。钢绞线直径越大，其有效分担纵向钢绞线周围ECC的环向应力作用越明显，进而对机械咬合力丧失的延缓作用也越明显。
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图 14 不同钢绞线直径的高强不锈钢绞线网增强ECC试件的荷载-滑移曲线Figure 14. Load-slip curves of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens with different steel strand diameters3.3.1 钢绞线直径对峰值平均黏结应力的影响
图15为相对锚固长度相同的高强不锈钢绞线网增强ECC试件钢绞线直径(d)与峰值平均黏结应力(τu)关系曲线。可以看出，钢绞线网与ECC的峰值平均黏结应力与钢绞线直径呈负相关。随着钢绞线网直径增加，钢绞线网与ECC的峰值平均黏结应力逐渐减小，且相对锚固长度越大，其黏结应力随直径增加而减小的趋势越明显。分析原因是由于泊松效应，钢绞线网在受拉过程中其径向会产生收缩变形，导致其与ECC间的间隙增大，从而降低二者的黏结应力。且随着钢绞线网直径增加，泊松效应增强，钢绞线网产生的径向变形也会增大，从而导致钢绞线网与ECC的平均黏结应力减小。
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图 15 高强不锈钢绞线网增强ECC试件的钢绞线直径(d)与峰值平均黏结应力(τu)关系曲线Figure 15. Relationship curves of steel strand diameter (d) and peak average bond stress (τu) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens3.3.2 钢绞线直径对滑移量的影响
图16为高强不锈钢绞线网增强ECC不同锚固长度试件的钢绞线直径(d)与峰值荷载对应的平均滑移量(Su)关系曲线。可以看出，峰值荷载对应的滑移量与钢绞线直径呈负相关，随着钢绞线直径的增加，峰值荷载对应的滑移量逐渐减小。其中，相对锚固长度为20d的B2试件(钢绞线直径为4.5 mm、平均滑移量为0.77 mm)的平均滑移量较C3试件(钢绞线直径为3.2 mm、平均滑移量为0.96 mm)降低了约20%；相对锚固长度为18d的试件(钢绞线直径为3.2 mm、平均滑移量为0.82 mm的C2试件；钢绞线直径为2.4 mm、平均滑移量为0.93 mm的D2试件)降低了约12%；相对锚固长度为15d的试件(钢绞线直径为4.5 mm、平均滑移量为0.73 mm的A3试件；钢绞线直径为2.4 mm、平均滑移量为0.89 mm的D1试件)降低了约18%。
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图 16 不同锚固长度高强不锈钢绞线网增强ECC试件的钢绞线直径(d)与峰值荷载对应的平均滑移量(Su)关系曲线Figure 16. Relationship curves of steel strand diameter (d) and average slippage corresponding to peak load (Su) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens with different relative anchorage lengths3.3.3 钢绞线直径对延性强化段的影响
图17为高强不锈钢绞线网增强ECC试件钢绞线直径与延性强化段长度关系曲线。可以看出，延性强化段的长度与钢绞线直径基本呈正相关，即钢绞线直径越大，延性强化水平段越长，钢绞线网与ECC的黏结延性也越好。其中，锚固长度为20d的B2试件(钢绞线直径为4.5 mm、延性强化段长度为3.42 mm)的延性强化段长度较D3试件(钢绞线直径为2.4 mm、延性强化段长度为1.20 mm)增大了约185%。分析原因是由于在横向钢绞线间距相同的情况下，所布置的横向钢绞线直径越大，其分担的环向拉应力相应越大，对ECC的增强区域也越大，同时对纵向钢绞线的约束作用随之增强，进而减缓了纵向钢绞线周围ECC的破坏，因此发生黏结破坏时的延性越大。
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图 17 高强不锈钢绞线网增强ECC试件钢绞线直径(d)-延性强化段长度(lBC)关系曲线Figure 17. Relationship curves of steel strand diameter (d) and ductile strengthening section length (lBC) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens4. 高强不锈钢绞线网与ECC临界锚固长度计算
由表4可以看出，钢绞线直径为4.5 mm的高强不锈钢绞线网增强ECC试件在28d锚固长度下破坏形式均为钢绞线拉断。在25d锚固长度下，一个试件为钢绞线拉断破坏，另外两个试件为钢绞线拔出破坏。因此将la=25d作为钢绞线直径为4.5 mm高强不锈钢绞线网增强ECC试件的临界锚固长度。同理钢绞线直径分别为3.2 mm和2.4 mm的高强不锈钢绞线网增强ECC试件的临界锚固长度均为22d。
课题组前期对单根钢绞线与ECC的黏结锚固性能进行了试验，并分析给出单根钢绞线在ECC中的临界锚固长度计算公式[20]：
la=0.041fy/ftd (5) 式中：la为临界锚固长度；d为钢绞线直径；fy为钢绞线极限抗拉强度；ft为ECC极限抗拉强度。
利用式(5)对本试验中钢绞线网与ECC的临界锚固长度进行验证，其结果如表5所示。可以看出，本试验所测得的临界锚固长度与式(5)的计算结果较为接近。因此，钢绞线网在ECC中的临界锚固长度可采用单根钢绞线在ECC中的临界锚固长度计算公式进行计算。
表 5 高强不锈钢绞线网增强ECC试件临界锚固长度对比Table 5. Comparison of critical anchorage length of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimensd/mm ft/MPa fy/MPa la,c/mm la,u/mm la,c/la,u 2.4 2.83 1 568.30 54.53 53 0.97 3.2 2.83 1 589.23 73.68 70 0.95 4.5 2.83 1 687.45 112.46 115 1.02 Notes: la,c—Calculated value of critical anchorage length; la,u—Measured value of critical anchorage length. 5. 结 论
通过对17组51个试件进行拉拔试验，分析了横向钢绞线间距、相对锚固长度及钢绞线直径等因素对高强不锈钢绞线网与工程水泥基复合材料(ECC)黏结锚固性能的影响规律。
(1)横向钢绞线的设置使脆性的黏结破坏特性转变为延性破坏，且其延性随着横向钢绞线间距减小而增大，但横向钢绞线间距对其黏结强度影响不大。
(2)钢绞线网与ECC的峰值平均黏结应力与相对锚固长度成负相关，锚固长度越长，峰值平均黏结应力越小，发生黏结破坏时的延性越差。
(3)采用不同直径(分别为4.5 mm、3.2 mm和2.4 mm)时，直径越大，其峰值平均黏结应力越小，但发生破坏时的延性越好；钢绞线直径为4.5 mm的试件平均延性强化段长度较钢绞线直径为2.4 mm试件增大了约185%。
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图 1 高强不锈钢绞线网增强ECC试件详图
Figure 1. Detail of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens
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图 3 试验加载装置
LVDT—Linear variable differential transformer
Figure 3. Test loading device
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图 6 高强不锈钢绞线网增强ECC试件破坏模式
Figure 6. Failure modes of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens
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图 7 高强不锈钢绞线(网)增强ECC典型黏结-滑移(τ-S)曲线
Figure 7. Typical average bond stress-slippage(τ-S) curves of high-strength stainless steel strand (mesh) reinforced ECC
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图 8 不同横向钢绞线间距高强不锈钢绞线网增强ECC试件的τ-S曲线
Figure 8. τ-S curves of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens with different transverse steel strand spacing
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图 9 峰值荷载对应的平均滑移量(Su)和延性强化段长度(lBC)与横向钢绞线间距(ld)的关系
Figure 9. Relationship of average slippage corresponding to peak load (Su), ductile strengthening section length (lBC) and transverse steel strand spacing (ld)
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图 10 不同锚固长度的高强不锈钢绞线网增强ECC试件的荷载-滑移曲线
Figure 10. Load-slip curves of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens with different anchorage lengths
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图 11 高强不锈钢绞线网增强ECC的峰值平均黏结应力(τu)与相对锚固长度(la)的关系曲线
Figure 11. Relationship curves of peak average bond stress (τu) and relative anchorage length (la) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC
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图 12 高强不锈钢绞线网增强ECC的峰值荷载对应的平均滑移量(Su)与相对锚固长度(la)的关系曲线
Figure 12. Relationship curves of average slippage corresponding to peak load (Su) and relative anchorage length (la) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC
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图 13 高强不锈钢绞线网增强ECC的延性强化段长度(lBC)与相对锚固长度(la)的关系曲线
Figure 13. Relationship curves of ductile strengthening section length (lBC) and relative anchorage length (la) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC
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图 14 不同钢绞线直径的高强不锈钢绞线网增强ECC试件的荷载-滑移曲线
Figure 14. Load-slip curves of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens with different steel strand diameters
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图 15 高强不锈钢绞线网增强ECC试件的钢绞线直径(d)与峰值平均黏结应力(τu)关系曲线
Figure 15. Relationship curves of steel strand diameter (d) and peak average bond stress (τu) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens
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图 16 不同锚固长度高强不锈钢绞线网增强ECC试件的钢绞线直径(d)与峰值荷载对应的平均滑移量(Su)关系曲线
Figure 16. Relationship curves of steel strand diameter (d) and average slippage corresponding to peak load (Su) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens with different relative anchorage lengths
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图 17 高强不锈钢绞线网增强ECC试件钢绞线直径(d)-延性强化段长度(lBC)关系曲线
Figure 17. Relationship curves of steel strand diameter (d) and ductile strengthening section length (lBC) of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens
表 1 水泥基复合材料(ECC)配合比
Table 1 Mix proportion of engineered cementitious composites (ECC)
Material Proportion (Mass ratio) Cement 1 Sand 0.4 Fly ash 2.5 Water 1.15 Addition agent 0.151 PVA fiber 2% (Volume ratio) Note: PVA—Polyvinyl alcohol. 
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表 2 高强不锈钢绞线网增强ECC试件参数
Table 2 Parameters of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens
Group number d/mm la/mm ld/mm Size(a×b×c)/mm A1 4.5 15d 0 150×150×50 A2 4.5 15d 20 A3 4.5 15d 30 A4 4.5 15d 40 B1 4.5 18d 30 150×150×50 B2 4.5 20d 30 B3 4.5 22d 30 B4 4.5 25d 30 150×170×50 B5 4.5 28d 30 C1 3.2 15d 30 150×100×37 C2 3.2 18d 30 C3 3.2 20d 30 C4 3.2 22d 30 D1 2.4 15d 30 150×100×27 D2 2.4 18d 30 D3 2.4 20d 30 D4 2.4 22d 30 Notes: d—Diameter of steel strand; la—Relative anchorage length; ld—Spacing of transverse steel strand.
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表 3 钢绞线性能参数
Table 3 Performance parameters of steel strand
d/mm Ultimate load/kN Ultimate tensile strength/MPa Modulus of elasticity/GPa Ultimate tensile strain/% 2.4 4.42 1 568.30 130 3.07 3.2 7.87 1 589.23 97 4.08 4.5 16.23 1 687.45 108 3.78
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表 4 高强不锈钢绞线网与ECC黏结锚固性能试验结果
Table 4 Test results of bonding and anchoring performance between high-strength stainless steel wire mesh and ECC
Group number Specimen number Fu/kN τu/MPa Su/mm SB/mm SC/mm lBC/mm Result A1 4.5-15d-0-1 10.74 11.18 0.91 − − − P 4.5-15d-0-2 10.92 11.37 − − − P 4.5-15d-0-3 10.80 11.24 − − − P A2 4.5-15d-20-1 11.14 11.59 0.71 1.79 8.99 7.20 P 4.5-15d-20-2 10.66 11.09 1.76 8.87 7.11 P 4.5-15d-20-3 10.74 11.18 1.72 8.66 6.94 P A3 4.5-15d-30-1 11.10 11.55 0.73 1.71 6.31 4.60 P 4.5-15d-30-2 10.65 11.08 1.75 6.40 4.65 P 4.5-15d-30-3 10.63 11.06 1.86 6.29 4.43 P A4 4.5-15d-40-1 10.38 10.80 0.85 1.96 4.16 2.20 P 4.5-15d-40-2 10.14 10.55 1.78 4.17 2.39 P 4.5-15d-40-3 10.64 11.07 1.82 4.22 2.40 P B1 4.5-18d-30-1 12.11 10.58 0.75 1.82 8.42 6.60 P 4.5-18d-30-2 12.84 11.22 1.91 5.14 3.23 P 4.5-18d-30-3 12.75 11.14 − − − R B2 4.5-20d-30-1 12.81 10.07 0.77 2.79 6.16 3.37 P 4.5-20d-30-2 13.49 10.61 1.95 5.33 3.38 P 4.5-20d-30-3 13.56 10.66 1.92 5.42 3.50 P B3 4.5-22d-30-1 14.11 10.09 0.81 1.97 4.28 2.31 P 4.5-22d-30-2 14.21 10.16 2.14 6.08 3.94 P 4.5-22d-30-3 14.89 10.64 1.92 4.41 2.49 P B4 4.5-25d-30-1 14.93 9.35 0.99 1.72 3.53 1.81 P 4.5-25d-30-2 16.24 9.39 − − − R 4.5-25d-30-3 15.03 9.41 1.81 4.03 2.22 P B5 4.5-28d-30-1 16.18 9.09 1.55 − − − R 4.5-28d-30-2 16.34 9.18 − − − R 4.5-28d-30-3 16.26 9.13 − − − R C1 3.2-15d-30-1 5.49 11.38 0.77 1.28 4.42 3.14 P 3.2-15d-30-2 5.46 11.31 1.32 5.02 3.70 P 3.2-15d-30-3 5.45 11.30 1.24 4.85 3.61 P C2 3.2-18d-30-1 6.47 11.17 0.82 1.46 4.15 2.69 P 3.2-18d-30-2 6.39 11.05 1.54 4.04 2.50 P 3.2-18d-30-3 5.37 9.28 − − − P C3 3.2-20d-30-1 7.08 11.04 0.96 1.59 3.95 2.36 P 3.2-20d-30-2 7.59 11.79 − − − R 3.2-20d-30-3 7.07 10.02 1.69 4.04 2.36 P C4 3.2-22d-30-1 7.56 10.75 1.04 − − − R 3.2-22d-30-2 7.77 11.01 − − − R 3.2-22d-30-3 7.86 11.17 − − − R D1 2.4-15d-30-1 3.19 11.76 0.89 1.63 3.06 1.64 P 2.4-15d-30-2 3.08 11.27 − − − P 2.4-15d-30-3 3.04 11.12 − − − P D2 2.4-18d-30-1 3.73 11.25 0.93 1.60 2.54 1.41 P 2.4-18d-30-2 3.67 11.08 1.54 2.42 1.22 P 2.4-18d-30-3 3.72 11.21 − − − P D3 2.4-20d-30-1 3.94 10.88 1.10 1.34 2.97 1.52 P 2.4-20d-30-2 3.97 10.97 1.94 2.70 1.09 P 2.4-20d-30-3 4.05 11.19 1.81 3.28 0.99 P D4 2.4-22d-30-1 4.37 10.94 1.16 − − − R 2.4-22d-30-2 4.34 10.87 − − − R 2.4-22d-30-3 4.37 10.94 − − − R Notes: Fu—Peak load; τu—Peak average bond stress; Su—Average slippage corresponding to peak load; SB—Slippage of point B; SC—Slippage of point C; lBC—Ductile strengthening section length; Specimen number: 4.5-15d-0-1 (a-b-c-d), in which 4.5 (a) represents the diameter of the steel strand, 15d (b) represents the relative anchorage length, 0 (c) represents the transverse steel strand spacing and 1 (d) is the specimen number in the same group; P—Pull-out failure; R—Rupture failure.
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表 5 高强不锈钢绞线网增强ECC试件临界锚固长度对比
Table 5 Comparison of critical anchorage length of high-strength stainless steel wire mesh reinforced ECC specimens
d/mm ft/MPa fy/MPa la,c/mm la,u/mm la,c/la,u 2.4 2.83 1 568.30 54.53 53 0.97 3.2 2.83 1 589.23 73.68 70 0.95 4.5 2.83 1 687.45 112.46 115 1.02 Notes: la,c—Calculated value of critical anchorage length; la,u—Measured value of critical anchorage length.
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