對螺旋扭狀有機(jī)玻璃管的探究
螺旋扭狀鋼筋增強(qiáng)效應(yīng)與母材光圓鋼筋相比，螺旋扭狀鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能有了顯著的提高，不同類型螺旋扭狀材料增強(qiáng)效應(yīng)的試驗(yàn)研究曲線如所示。從可以看出，螺旋扭狀鋼筋與混凝土間的最大錨固力提高了2倍以上。在加載初期，2種鋼筋的荷載-滑移曲線斜率均比較大，近似線性增長，螺旋扭狀鋼筋的斜率更大。這說明在相同荷載下，螺旋扭狀鋼筋與混凝土間發(fā)生的相對滑移更小，有效控制了裂縫的開裂及發(fā)展，使試件的整體工作性能更好。螺旋扭狀鋼筋不僅初期最大錨固強(qiáng)度明顯高于光圓鋼筋，而且隨著位移的增大，其錨固強(qiáng)度可達(dá)到比初期更高的峰值，即出現(xiàn)所謂第2峰現(xiàn)象。從2條曲線下面的面積可以看出，不僅螺旋扭狀鋼筋的粘結(jié)錨固力比光圓鋼筋大，而且在粘結(jié)錨固破壞的過程中還能吸收更大的破壞能量，從而提高了試件的安全性能。光圓鋼筋與混凝土間的作用力只有膠結(jié)力和摩擦力，在膠結(jié)力被破壞后就只有鋼筋表面與混凝土間的摩擦力了。而螺旋扭狀鋼筋能產(chǎn)生第2峰的原因是其與混凝土間膠結(jié)力發(fā)生破壞后尚存在摩擦力及沿軸線螺旋分布的環(huán)狀咬合作用力。外加荷載F作用在鋼筋的受力端，欲使其發(fā)生粘結(jié)錨固破壞，黑色區(qū)域的混凝土阻止了鋼筋的滑移。螺旋扭狀鋼筋與混凝土黑色區(qū)域共同占據(jù)一個圓柱形空間，由于螺旋扭狀鋼筋的矩形截面是沿軸線均勻轉(zhuǎn)動的，所以事實(shí)上黑色區(qū)域在立體結(jié)構(gòu)上是2條相互纏繞在鋼筋表面的扇形截面沿軸線螺旋扭動的混凝土帶，2條混凝土帶受到鋼筋沿F力方向的擠壓作用，形成了對鋼筋的環(huán)狀咬合反作用力，從而阻止了螺旋扭狀鋼筋的滑移。故這種環(huán)狀咬合作用是產(chǎn)生螺旋增強(qiáng)效應(yīng)的根本原因。
螺旋扭狀鋼筋與混凝土間的環(huán)狀咬合作用對螺旋扭狀鋼筋的軋制參數(shù)而言，其節(jié)距、橫截面寬度、軋扁厚度都不同程度影響著它與混凝土的粘結(jié)錨固性能，因此螺旋扭狀鋼筋截面形態(tài)對其粘結(jié)錨固性能有一定的影響。當(dāng)相對節(jié)距l(xiāng)0/d增加時，鋼筋旋面軸線趨于平行于鋼筋軸線，導(dǎo)致環(huán)狀咬合作用力減小，荷載降低，且鋼筋滑移增大，在荷載-滑移曲線上表現(xiàn)為第1峰值和第2峰值都有所降低，且峰值位置后移；當(dāng)鋼筋橫截面寬度增加時，鋼筋和包裹層混凝土間的接觸面積增強(qiáng)，使相互間的摩擦力和環(huán)狀咬合作用力增大，2個峰值上升，粘結(jié)錨固性能增強(qiáng)；當(dāng)軋扁厚度減小時，一方面包裹層混凝土量相對增加，造成荷載增強(qiáng)；另一方面鋼筋刃狀邊緣變薄，接觸面減小，造成荷載降低。
2種鋼纖維砂漿試件的錨固性能為2種鋼纖維砂漿試件的荷載-滑移曲線。從可看出，粘結(jié)錨固破壞過程可分為3個階段：（1）彈性粘結(jié)階段。此段鋼纖維的相對滑移及所受應(yīng)力很小，是靠界面間的膠結(jié)力和砂漿中水泥的收縮應(yīng)力產(chǎn)生粘結(jié)錨固。有資料顯示，影響膠結(jié)力大小的主要因素是表面吸附產(chǎn)生的吸附功，即鋼纖維和砂漿間的化學(xué)粘附張力決定了膠結(jié)強(qiáng)度。本試驗(yàn)表明，不論是平直型還是螺旋扭狀鋼纖維，在其荷載-位移曲線上都有彈性粘結(jié)階段。理論上此階段荷載-滑移曲線應(yīng)為光滑斜線，隨著膠結(jié)力的喪失，曲線改變斜率，并變成曲線。因此，膠結(jié)強(qiáng)度的大小與鋼纖維的形狀無關(guān)，只和砂漿的吸附功有關(guān)。對于同種鋼纖維和砂漿，膠結(jié)強(qiáng)度相同。（2）脫粘階段。隨著膠結(jié)力喪失，粘結(jié)錨固力轉(zhuǎn)為由摩擦阻力承擔(dān)，此時，荷載增加不大，滑移加快，荷載-滑移曲線呈非線性狀態(tài)。隨著滑移加大，與鋼纖維接觸的砂漿被拉碎磨細(xì)，荷載急劇下降。對于平直型鋼纖維試件，當(dāng)達(dá)到最大破壞荷載后，荷載急劇下降。而對于螺旋扭狀鋼纖維，由于它表面的螺旋斜面增大了砂漿對鋼纖維的擠壓力，因而荷載的下降程度較小。（3）旋面抵抗階段。此階段為螺旋扭狀鋼纖維特有。當(dāng)螺旋扭狀鋼纖維發(fā)生位移，旋角的迎力面開始受力，對砂漿的斜向擠壓力隨位移的增大而增大。然而，螺旋扭狀鋼2種鋼纖維砂漿試件的荷載-滑移曲線2種有機(jī)玻璃條的典型荷載-滑移曲線纖維的荷載-滑移曲線未出現(xiàn)第2峰現(xiàn)象，這是由于試件中各鋼纖維的扭轉(zhuǎn)方向不同步所致。4根鋼纖維在不同階段產(chǎn)生螺旋增強(qiáng)效應(yīng)，在共同作用下使鋼纖維與砂漿的粘結(jié)錨固持續(xù)增強(qiáng)。螺旋扭狀鋼纖維試件的荷載-滑移曲線在上升過程中出現(xiàn)了驟降現(xiàn)象，這是因?yàn)槠湔辰Y(jié)錨固強(qiáng)度太高，包裹鋼纖維的砂漿發(fā)生開裂松散所致。這表明螺旋扭狀鋼纖維的粘結(jié)錨固還沒有發(fā)揮出最大作用，若提高砂漿強(qiáng)度，其螺旋增強(qiáng)效應(yīng)將更加明顯。據(jù)報道，采用兩端加工凹痕的方法可提高鋼纖維界面粘結(jié)強(qiáng)度，提高幅度可達(dá)186%.本試驗(yàn)表明，帶有凹痕的平直型鋼纖維扭轉(zhuǎn)加工后，其界面粘結(jié)強(qiáng)度在加工成凹痕的基礎(chǔ)上又有大幅提高，所以使用螺旋扭狀鋼纖維替代普通鋼纖維作為砂漿混凝土增強(qiáng)材料更為有效。螺旋扭狀有機(jī)玻璃增強(qiáng)效應(yīng)平直型有機(jī)玻璃扭轉(zhuǎn)后與砂漿的粘結(jié)錨固得到了明顯增強(qiáng)。平直型有機(jī)玻璃與砂漿的最大粘結(jié)錨固力為287.22N，扭轉(zhuǎn)加工后的螺旋扭狀有機(jī)玻璃其最大錨固力達(dá)到了578.50N，為平直型有機(jī)玻璃的2倍。
為2種有機(jī)玻璃條的典型荷載-滑移曲線?？梢钥闯觯菪钣袡C(jī)玻璃的荷載-滑移曲線不同類型螺旋扭狀材料增強(qiáng)效應(yīng)的試驗(yàn)研究，隨后快速上升，出現(xiàn)了第2峰現(xiàn)象，其變化過程類似于螺旋扭狀鋼筋與混凝土間的粘結(jié)錨固。不同的是螺旋扭狀有機(jī)玻璃的抗拉強(qiáng)度低于最大粘結(jié)錨固強(qiáng)度，在未達(dá)到最大粘結(jié)錨固強(qiáng)度前，有機(jī)玻璃條拉斷，粘結(jié)錨固失效。平直型有機(jī)玻璃被完全拔出，而螺旋扭狀有機(jī)玻璃在拔出一定長度后被拉斷。因此在應(yīng)用中，除了用螺旋加工的方法提高其增強(qiáng)效果外，還必須同時提高螺旋材料的自身強(qiáng)度，使其抗拉強(qiáng)度高于最大粘結(jié)錨固強(qiáng)度，這樣才能充分發(fā)揮螺旋扭狀材料的螺旋增強(qiáng)效果。有機(jī)玻璃條的特異荷載-滑移曲線在有機(jī)玻璃拉拔試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，除了較為典型的荷載-滑移曲線外還出現(xiàn)了一些特異曲線，這些特異曲線的滑移距離往往較小，荷載具有驟升驟降的特征。分析其原因有2點(diǎn)：（1）砂漿強(qiáng)度過低，在達(dá)到一定荷載時發(fā)生崩裂，從而喪失了與螺旋扭狀有機(jī)玻璃的粘結(jié)錨固作用。但是由于崩裂發(fā)在局部，砂漿中一些完整的區(qū)域尚與螺旋扭狀有機(jī)玻璃存在咬合作用，從而使曲線出現(xiàn)小幅上升。（2）制作試件時由于震動等原因使有機(jī)玻璃條位置歪斜。有機(jī)玻璃條歪斜一方面造成砂漿保護(hù)層厚度不均，過薄處砂漿極易崩裂；另一方面在拉拔過程中，歪斜的有機(jī)玻璃條對砂漿產(chǎn)生了剪應(yīng)力，加劇了砂漿的破壞，造成試件剪力破壞。所以，螺旋扭狀材料的放置必須使其方向與外力方向一致，以避免造成剪力破壞。結(jié)論螺旋增強(qiáng)效應(yīng)在螺旋扭狀材料中具有普遍性。
螺旋扭狀鋼筋與混凝土間存在不同于普通形狀鋼筋的環(huán)狀咬合作用，這種作用能夠抵抗鋼筋與混凝土間的相對滑移，提高粘結(jié)錨固破壞的荷載能力，是螺旋扭狀鋼筋具有增強(qiáng)效應(yīng)的根本原因。在一定范圍內(nèi)，相對節(jié)距及軋扁厚度的減少或鋼筋截面寬度的增大都能提高其粘結(jié)錨固強(qiáng)度。由于相互平行的螺旋扭狀鋼纖維扭轉(zhuǎn)方向不同步，使得由4根螺旋扭狀鋼纖維構(gòu)成的增強(qiáng)體系不會出現(xiàn)類似單根螺旋扭狀材料荷載-滑移曲線所出現(xiàn)的第2峰現(xiàn)象，而是在總體上起到持續(xù)增強(qiáng)效果。用螺旋扭狀鋼纖維替代普通鋼纖維作為建筑增強(qiáng)材料更為有效。在加工螺旋扭狀材料時，必須考慮材料自身抗拉強(qiáng)度，以確保其承受能力超過最大粘結(jié)錨固強(qiáng)度，這樣螺旋扭狀材料才能充分發(fā)揮其增強(qiáng)效果。
