GFRP筋與混凝土黏結(jié)性能拉拔試驗(yàn)研究

師曉權(quán)，張志強(qiáng)，李志業(yè)，李化云

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 地下工程系，成都 610031)

鋼筋腐蝕引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性破壞是土木工程中最普遍的問(wèn)題之一。隨著纖維筋廣泛應(yīng)用，使得纖維筋替代鋼筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)已成不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。玻璃纖維(GFRP)筋具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、重量輕、耐電磁、易切割等優(yōu)點(diǎn)，是一種既能防腐又有良好力學(xué)性能及特點(diǎn)的混凝土增強(qiáng)材料。用它替代混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，將會(huì)較大地提高混凝土結(jié)構(gòu)使用性能，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命。但GFRP筋與鋼筋材料性能存在著本質(zhì)區(qū)別，與混凝土間的黏結(jié)性能也有很大差異。GFRP筋與混凝土的黏結(jié)性能是GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)中最基本的力學(xué)行為，是進(jìn)行GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的基本前提。因此，筆者通過(guò)135個(gè)GFRP筋和20個(gè)鋼筋混凝土試件拉拔試驗(yàn)，對(duì)GFRP筋與混凝土黏結(jié)性能進(jìn)行了細(xì)致研究，并得出有價(jià)值的結(jié)論。

1 試驗(yàn)概況

1.1 筋材

試驗(yàn)筋材為深圳生產(chǎn)的螺紋 GFRP筋，在 GFRP筋錨固試驗(yàn)之前，通過(guò)筋材拉拔試驗(yàn)，確定GFRP筋基本力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。試驗(yàn)中鋼筋為二級(jí)螺紋鋼筋。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為全面研究GFRP筋與混凝土黏結(jié)性能，探明纖維筋直徑、錨固長(zhǎng)度、混凝土強(qiáng)度等相關(guān)因素對(duì)黏結(jié)性能的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下:

表1 GFRP筋力學(xué)性能

1)GFRP 筋直徑為 φ10，φ12，φ14，φ18，φ22，φ25，φ28，φ32 mm;使用塑料管分隔筋材與混凝土來(lái)嚴(yán)格控制錨固長(zhǎng)度，錨固長(zhǎng)度分別為 5d，10d，15d，20d(d為筋材直徑)，同時(shí)在纖維筋自由端粘貼鋼管避免筋材被夾具夾碎。

2)試件制作標(biāo)準(zhǔn)參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB50152—92》。采用兩種試件尺寸，當(dāng)筋材直徑小、錨固長(zhǎng)度短時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)模具(200 mm×200 mm×200 mm)，如圖1;當(dāng)直徑大、錨固長(zhǎng)度長(zhǎng)時(shí)，則采用特制混凝土模板拼制相應(yīng)模具，如圖2。

3)為避免試驗(yàn)結(jié)果離散，每種試件均制備5個(gè)樣本，混凝土按C20，C30，C40三種級(jí)別考慮。

1.3 加載與量測(cè)

圖1 拉拔試件示意(單位:mm)

圖2 拉拔試件示意 (單位:mm)

已有研究結(jié)果表明［1］，纖維筋與混凝土“黏結(jié)—滑移”曲線分為上升段、下降段和殘余段。考慮到大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用僅涉及使用階段(即上升段)，人們主要關(guān)注筋材的錨固位移、錨固長(zhǎng)度及最大錨固力等相關(guān)問(wèn)題，故本次試驗(yàn)通過(guò)中空千斤頂及千分表量測(cè)滑移曲線上升段拉拔力及拔出位移，對(duì)黏結(jié)滑移曲線上升段進(jìn)行精確確定，忽略下降段及殘余段的量測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)及機(jī)理分析

試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表2;試件破壞形態(tài)有筋材拔出、筋材斷裂、鋼套管拔脫、混凝土劈裂等四種形式，見(jiàn)圖3。試驗(yàn)結(jié)果表明，錨固長(zhǎng)度為5d時(shí)，纖維筋試件發(fā)生筋材拔出和混凝土劈裂破壞，而鋼筋試件均為筋材拔出破壞。分析原因可知，纖維筋彈性模量與混凝土相差不大、剛度相當(dāng)，在縱向滑移過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大徑向膨脹力，若混凝土保護(hù)層厚度不足，則出現(xiàn)混凝土劈裂破壞。相對(duì)而言，鋼筋剛度遠(yuǎn)大于混凝土，鋼筋在外力作用下直接將混凝土剪碎，導(dǎo)致承載力喪失發(fā)生拔出破壞。錨固長(zhǎng)度等于15d時(shí)，直徑≤φ25 mm的纖維筋試件破壞形態(tài)全部為筋材斷裂，可見(jiàn)筋材與混凝土間的錨固力已大于筋材極限抗拉強(qiáng)度。對(duì)于φ28 mm，φ32 mm的纖維筋試件，由于混凝土保護(hù)層厚度不足及鋼套管黏結(jié)強(qiáng)度不夠，出現(xiàn)了筋材斷裂、混凝土劈裂和鋼套管拔脫三種破壞形態(tài)。錨固長(zhǎng)度等于20d時(shí)，φ28 mm，φ32 mm纖維筋試件再次出現(xiàn)以上三種破壞形態(tài)。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總

2.2 直徑對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度影響

圖3 試件破壞形態(tài)

GFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度定義為在黏結(jié)長(zhǎng)度內(nèi)黏結(jié)應(yīng)力的平均值，即拉拔力除以筋材與混凝土接觸面積所得到的值為錨桿與砂漿之間的平均黏結(jié)強(qiáng)度。

式中，d，l分別為GFRP筋或鋼筋的直徑和黏結(jié)長(zhǎng)度;F為拉拔力。

兩種筋材從開始受力到極限破壞“黏結(jié)—滑移”曲線接近線性關(guān)系，GFRP筋曲線位于鋼筋曲線下方，如圖4。這是由于纖維筋彈性模量較低，相同外荷載下會(huì)產(chǎn)生較大變形，并且隨著外荷載增大泊松效應(yīng)將導(dǎo)致筋材橫截面略微減小，降低纖維筋與混凝土機(jī)械咬合力。在錨固長(zhǎng)度相同時(shí)，無(wú)論鋼筋還是纖維筋，隨著直徑增大黏結(jié)強(qiáng)度均處于下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖5。因?yàn)榻畈闹睆皆酱?，相?duì)黏結(jié)面積越小，為獲得同樣的黏結(jié)力需要更多的錨長(zhǎng)，而黏結(jié)強(qiáng)度隨著錨長(zhǎng)的增加而降低，同時(shí)對(duì)于大直徑纖維筋而言，還存在剪切滯后效應(yīng)［2］。通過(guò)研究還可發(fā)現(xiàn)在錨固長(zhǎng)度、筋材直徑相同的條件下，鋼筋與纖維筋黏結(jié)力比例系數(shù)為1.2～1.5，換言之，同等條件下纖維筋的錨固長(zhǎng)度為鋼筋的1.2～1.5倍，這對(duì)編制纖維筋混凝土規(guī)范及指南具有指導(dǎo)意義。

圖4 筋材“黏結(jié)—滑移”曲線

2.3 錨固長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度影響

圖5 不同筋材直徑黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)比

當(dāng)錨固力與筋材極限抗拉相同時(shí)，即錨固失效與GFRP筋受拉斷裂同時(shí)發(fā)生，此時(shí)的錨固長(zhǎng)度稱為最小錨固長(zhǎng)度。最小錨固長(zhǎng)度是進(jìn)行纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范編制的基本參數(shù)。通過(guò)不同筋材直徑、不同錨固長(zhǎng)度試驗(yàn)得到如下認(rèn)識(shí):隨著錨固長(zhǎng)度增加，黏結(jié)強(qiáng)度逐漸下降，原因是錨長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)力分布很不均勻，高應(yīng)力區(qū)相對(duì)較短，故平均極限黏結(jié)強(qiáng)度較低;錨長(zhǎng)較短時(shí)，高應(yīng)力區(qū)相對(duì)較長(zhǎng)，應(yīng)力分布均勻，平均極限黏結(jié)強(qiáng)度較高。對(duì)φ10 mm～φ25 mm纖維筋而言，當(dāng)錨固長(zhǎng)度≤15d時(shí)均出現(xiàn)筋材斷裂現(xiàn)象。φ28 mm纖維筋錨固長(zhǎng)度由5d變成20d，黏結(jié)強(qiáng)度下降25%，但筋材的應(yīng)力卻增加122%為525 MPa，已達(dá)到筋材極限抗拉強(qiáng)度，見(jiàn)圖6、圖7。通過(guò)研究給出如下建議，在鋼套管黏結(jié)強(qiáng)度及混凝土保護(hù)層厚度得到保證的前提下，纖維筋最小錨固長(zhǎng)度可以取為20d，該錨固長(zhǎng)度對(duì)于纖維筋發(fā)生斷裂破壞而非拔出破壞，具有可靠的保證率，能滿足工程要求。

圖6 不同錨長(zhǎng)黏結(jié)強(qiáng)度曲線

圖7 不同錨長(zhǎng)筋材應(yīng)力曲線

2.4 混凝土強(qiáng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度影響

已有研究表明，鋼筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度同混凝土抗壓強(qiáng)度 f′c的平方根成線性關(guān)系［3］。纖維筋的彈性模量為鋼筋彈性模量1/5，且這兩種筋材與混凝土黏結(jié)面破壞機(jī)理不盡相同，因此這一結(jié)論不適合纖維筋。試驗(yàn)表明，提高混凝土等級(jí)能提高混凝土的抗剪、抗拉強(qiáng)度，對(duì)于增強(qiáng)黏結(jié)強(qiáng)度有一定促進(jìn)作用，見(jiàn)圖8?；炷翉?qiáng)度由 C20變?yōu)?C40，對(duì)于不同直徑纖維筋黏結(jié)強(qiáng)度整體略有增加，但效果并不顯著，而且隨著直徑改變還具有明顯的波動(dòng)性。

圖8 混凝土強(qiáng)度對(duì)黏結(jié)力的影響

2.5 GFRP筋與混凝土黏結(jié)剛度

現(xiàn)有研究成果中，有關(guān)纖維筋黏結(jié)剛度的成果甚少。通過(guò)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)纖維筋與混凝土之間黏結(jié)剛度進(jìn)行分析，為相關(guān)纖維筋數(shù)值模擬試驗(yàn)分析提供最基礎(chǔ)的分析參數(shù)。

纖維筋與混凝土的黏結(jié)剛度k定義可表示為

式中，F(xiàn)為拉拔力(N);d為錨桿的直徑(mm);l為錨桿的錨固長(zhǎng)度(mm);Δu為錨桿與混凝土界面的相對(duì)軸向位移(mm)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制“黏結(jié)—滑移”曲線，該曲線的斜率即為黏結(jié)剛度k。通過(guò)前面試驗(yàn)成果分析可知，纖維筋“黏結(jié)—滑移”曲線上升段近似線性，對(duì)其進(jìn)行一元線性擬合，擬合直線斜率即為黏結(jié)剛度k。本次試驗(yàn)纖維筋與混凝土黏結(jié)剛度見(jiàn)圖9。

結(jié)果表明，黏結(jié)剛度較大值發(fā)生在小直徑、埋深淺的試件中;剛度較小值發(fā)生在直徑大、埋深長(zhǎng)的試件中。

當(dāng)直徑為φ14 mm，錨固長(zhǎng)度為5d，其黏結(jié)—滑移曲線擬合公式為:y=1.915 7x+2.835 1，R2=0.962，黏結(jié)剛度可取1.915 7 MPa/mm;

當(dāng)直徑為φ32 mm，錨固長(zhǎng)度為15d，其黏結(jié)—滑移曲線擬合公式為:y=0.604 7 x+0.510 1，R2=0.978 7，黏結(jié)剛度可取0.604 7 MPa/mm;

圖9 黏結(jié)剛度擬合曲線

因此，可確定出纖維筋與混凝土的黏結(jié)剛度k的范圍為0.604 7～1.915 7 MPa/mm。

3 結(jié)論

1)拉拔試件有筋材拔出、筋材斷裂、鋼套管拔脫、混凝土劈裂四種破壞形態(tài)，破壞形態(tài)與錨固長(zhǎng)度、混凝土保護(hù)層厚度及鋼套管黏結(jié)強(qiáng)度有密切關(guān)系。

2)纖維筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度隨著直徑增加而降低，同等條件下鋼筋與纖維筋黏結(jié)比例系數(shù)為1.2～1.5，即纖維筋錨固長(zhǎng)度為鋼筋的1.2～1.5倍，這對(duì)編制纖維筋混凝土規(guī)范及指南具有指導(dǎo)意義。

3)在鋼套管黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土保護(hù)層厚度得到保證的前提下，纖維筋最小錨固長(zhǎng)度可以取為20d，該錨固長(zhǎng)度對(duì)于纖維筋發(fā)生斷裂破壞而非拔出破壞，具有一定可靠保證率。

4)混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高對(duì)纖維筋黏結(jié)強(qiáng)度略有改善，但效果并不顯著。

5)采用一元線性擬合確定出纖維筋與混凝土的黏結(jié)剛度k取值范圍為0.604 7～1.915 7 MPa/mm，為相關(guān)纖維筋數(shù)值模擬試驗(yàn)提供最基本參數(shù)。

［1］薛偉辰，劉華杰，王小輝.新型FRP筋黏結(jié)性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).2004，25(2):104-109.

［2］郝慶多，王言磊，侯吉林，等.GFRP帶肋筋黏結(jié)性能試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2008，25(10):158-179.

［3］藍(lán)宗建.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2008.