不同表面形態(tài)的黏砂變形GFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)性能

薛偉辰，方志慶，楊 雨

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092)

與鋼筋相比，纖維增強(qiáng)塑料筋(Fiber Reinforced Plastic Rebar，簡稱FRP筋)具有抗腐蝕性能優(yōu)良、抗拉強(qiáng)度高、抗磁性能好和重量輕等諸多優(yōu)點［1］.根據(jù)纖維種類的不同，F(xiàn)RP筋可分為玻璃纖維增強(qiáng)塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP)筋、芳綸纖維增強(qiáng)塑料(Aramid Fiber Reinforced Plastics，AFRP)筋與碳纖維增強(qiáng)塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)筋等3種.目前工程中常見的FRP筋表面形態(tài)分為黏砂變形、繞肋、黏砂與織物等4種，其中黏砂變形GFRP筋是利用繞線等方式使GFRP筋表面形成變形并輔以黏砂而成，其在工程中的應(yīng)用最為廣泛.

GFRP筋與混凝土之間良好的黏結(jié)性能是二者協(xié)同工作的基礎(chǔ).1991年，Pleimann等［2］基于44個FRP筋拉拔試件的試驗結(jié)果，提出了FRP筋錨固長度的計算公式.1995 年，Alunno［3］研究了混凝土強(qiáng)度、GFRP筋在混凝土中的位置、混凝土的澆筑方向?qū)FRP筋黏結(jié)性能的影響.1995年，薛偉辰等［4］基于69個拉拔試件和27個梁式試件的試驗，研究了外纏肋GFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)性能，并提出了外纏肋GFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度與錨固長度的設(shè)計建議.1998 年，Tighiouart B 等［5］基于12 個拉拔試件和64個梁式試件的試驗，建立了GFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)－滑移本構(gòu)模型.2007年，薛偉辰等［6］基于18個梁式試驗，42個Losberg拉拔試驗和6個標(biāo)準(zhǔn)拉拔試驗，研究了試驗形式、GFRP筋直徑、表面形態(tài)和黏結(jié)長度等因素對黏砂變形GFRP筋黏結(jié)性能的影響，并提出了黏砂變形GFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度和錨固長度的計算公式.

總體來看，國內(nèi)外學(xué)者對GFRP筋與混凝土黏結(jié)性能的研究已取得了一定的成果，但表面形態(tài)對GFRP筋與混凝土的黏結(jié)性能影響的相關(guān)研究還很少，而針對表面形態(tài)對黏砂變形GFRP筋與混凝土之間黏結(jié)性能影響的研究則幾乎是空白.

綜上，筆者通過27個Losberg拉拔試驗，對具有不同粗細(xì)黏砂層顆粒、不同肋間距和肋寬度的黏砂變形GFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度、破壞模式和黏結(jié)應(yīng)力－滑移曲線(τ－S)等方面進(jìn)行研究.

1 試驗設(shè)計

1.1 材 料

試件中采用了普通變形鋼筋和由國內(nèi)兩家大型復(fù)合材料生產(chǎn)廠商提供的2種黏砂變形Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋.Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋的表面均經(jīng)過黏砂變形處理:①黏砂部分.Aslan－1 GFRP筋表面黏砂顆粒較粗，且黏砂層較薄，即少量砂粒分布于纖維黏結(jié)劑表面，而Aslan－2 GFRP筋表面黏砂顆粒較細(xì)，且分布較均勻，黏砂層也較厚;②變形部分.Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋表面均經(jīng)過螺旋繞線處理(文中簡稱“變形”)，繞線間距(簡稱“肋”)略有差別，直徑各有 2種.Aslan－1 GFRP筋、Aslan－2 GFRP筋和變形鋼筋的物理力學(xué)性能見表1.

表1 GFRP筋和變形鋼筋的物理力學(xué)性能

1.2 試件設(shè)計

設(shè)計了27個Losberg拉拔試件，共9組，每組3個試件.與標(biāo)準(zhǔn)拉拔試件相比，Losberg拉拔試件在試件的加載端和自由端分別設(shè)有無黏結(jié)段，可以更好地避免應(yīng)力集中對黏結(jié)試驗結(jié)果的影響［7－8］.試件設(shè)計參數(shù)包括:①筋材類型(GFRP筋和變形鋼筋);②筋材直徑db(GFRP筋直徑為12.7 mm和16.0 mm，變形鋼筋直徑為 12.0 mm 和 16.0 mm)，黏結(jié)長度le均為5倍的筋直徑;③混凝土強(qiáng)度(C30和C50).表2列出了27個Losberg拉拔試件的具體參數(shù)情況，試件構(gòu)造及尺寸如圖1所示.表2中試件編號A－Bb－Cc－D中各字母代表的意義分別為:A為混凝土強(qiáng)度等級;B中G代表GFRP筋，S代表變形鋼筋;b為受力筋直徑;C中P代表拉拔試驗;c中5代表le=5db;D中A1代表Aslan－1 GFRP筋，A2代表Aslan－2 GFRP筋.表2中，破壞模式a|b|c中的a，b，c分別為每組3個試件的破壞形態(tài)，S代表劈裂破壞，P代表拔出破壞;備注中a(b)的意義:發(fā)生的破壞模式為b時，測得的黏結(jié)強(qiáng)度為a，單位為MPa;對于存在不同破壞模式的同一組試件，取破壞形態(tài)多者作為該組試件的破壞模式進(jìn)行討論.

圖1 拉拔試件構(gòu)造圖

表2 試件參數(shù)

1.3 量測內(nèi)容

試驗共設(shè)置了4個位移計，分別用于測量加載端和自由端受力筋與混凝土表面的相對滑移，拉拔試驗加載裝置如圖2所示，圖中的1，2，3，4分別代表4個位移計.根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—92)的規(guī)定，此次拔出試驗量測的滑移量取為自由端的滑移量.

圖2 拉拔試驗加載裝置圖

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞模式和破壞形態(tài)

從表2中可見，在某些情況下，不同表面形態(tài)的黏砂變形GFRP筋試件的破壞模式會有所不同.對于混凝土強(qiáng)度為C30，直徑為16.0 mm，黏結(jié)長度為80.0 mm的Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋試件破壞模式截然不同，Aslan－1 GFRP筋的3個試件破壞模式皆為拔出破壞，而Aslan－2 GFRP筋的3個試件破壞模式則都為劈裂破壞.

試件的破壞形態(tài)可分為GFRP筋拔出破壞和混凝土劈裂破壞2種.試件典型的破壞形態(tài)如圖3所示.

圖3 拉拔試件的破壞形態(tài)

1)發(fā)生拔出破壞的試件在加載初期，GFRP筋與混凝土的黏結(jié)作用主要由化學(xué)膠結(jié)力提供，隨著加載的進(jìn)行，機(jī)械咬合力和摩擦力增加，而膠結(jié)力逐漸被破壞，GFRP筋表面由于摩擦力的作用而發(fā)生表面磨損又使機(jī)械咬合力進(jìn)一步降低，發(fā)生破壞時，GFRP筋完全從混凝土中拔出，其表面磨損嚴(yán)重.

2)發(fā)生劈裂破壞的試件在加載初期GFRP筋滑移量并不明顯，黏結(jié)力逐漸增加的同時混凝土拉應(yīng)力也逐漸增加，當(dāng)達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度時裂縫產(chǎn)生，其中主劈裂裂縫基本沿受力筋方向產(chǎn)生.通常裂縫產(chǎn)生后混凝土直接劈裂成2～4塊，黏結(jié)力瞬間喪失.

2.2 黏結(jié)應(yīng)力－滑移(τ－S)曲線

在其他條件相同的情況下(筋直徑為16.0 mm、混凝土強(qiáng)度等級為C30)，對比了2種不同表面形態(tài)黏砂變形GFRP筋和鋼筋的τ－S曲線，如圖4所示.

圖4 不同體積配箍率的GFRP筋混凝土試件τ－S曲線

由圖4可知:①2種不同表面形態(tài)的GFRP黏砂變形筋的τ－S曲線相近，均可分為上升段、下降段和振蕩段，區(qū)分這3段的特征點分別為峰值滑移點Au和殘余滑移點Ar，其中上升段又可分為微滑移段和滑移段，而區(qū)分這2段的特征點為Ae.②GFRP筋試件的τ－S曲線的振蕩段部分近似呈正弦曲線，而相應(yīng)鋼筋試件的殘余段曲線呈緩慢降低的趨勢，未出現(xiàn)明顯上下波動的現(xiàn)象.③Aslan－1 GFRP筋的τ－S曲線振蕩段波谷之間的距離約為26 mm，而Aslan－2 GFRP筋則為18 mm左右，其可能的原因是:Aslan－1 GFRP筋的肋間距為3.0 mm，而Aslan－2 GFRP筋的肋間距則較小，為1.5 mm.④2種不同表面形態(tài)的GFRP筋試件的τ－S曲線殘余滑移點Ar的黏結(jié)應(yīng)力相近，約為3～5 MPa.⑤相比鋼筋，GFRP黏砂變形筋試件峰值滑移點的滑移量Su較大，Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋分別約為5 mm和10 mm，而相應(yīng)鋼筋試件則為1.5 mm左右.

2.3 黏結(jié)強(qiáng)度

表2給出了27個Losberg拉拔試件的黏結(jié)強(qiáng)度.將2種不同表面形態(tài)的黏砂變形GFRP筋試件與鋼筋試件的黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行對比，得出如下結(jié)論.

1)與鋼筋相比，在混凝土強(qiáng)度相同的情況下，2種不同表面形態(tài)的黏砂變形GFRP筋試件與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度均略低，約為相應(yīng)鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度的84.2% ～98.6%.

2)相比于黏砂變形Aslan－1 GFRP筋，Aslan－2 GFRP筋黏砂顆粒較細(xì)，且分布更均勻，黏砂層略厚，其與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度也略高10%左右.

3)在混凝土強(qiáng)度相同的情況下，當(dāng)筋直徑由12.7 mm增加至16.0 mm時，黏砂變形GFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度有所降低，Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋分別降低了7.8%和12.7%.

4)隨著混凝土強(qiáng)度的提高，黏砂變形GFRP筋試件與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度有顯著提高，將混凝土強(qiáng)度等級由C30提高至C50，2種不同表面形態(tài)的黏砂變形GFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度均提高了50%左右.

3 結(jié)語

1)2種不同表面形態(tài)的黏砂變形GFRP筋試件的破壞形態(tài)總體上可分為拔出破壞和混凝土劈裂破壞2種.

2)2種不同表面形態(tài)的黏砂變形GFRP筋與混凝土的τ－S曲線均可分為上升段、下降段和振蕩段3段，其中上升段又可分為微滑移段和滑移段;黏砂變形GFRP筋的肋間距越大，則相應(yīng)的τ－S曲線振蕩段波谷之間的距離越大.

3)黏砂變形GFRP筋試件的黏結(jié)強(qiáng)度約為鋼筋試件的84.2% ～98.6%;相比于黏砂變形Aslan－1 GFRP筋，Aslan－2 GFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度略高10%左右.

4)隨著筋直徑的增大和混凝土強(qiáng)度的降低，2種不同表面形態(tài)的黏砂變形GFRP筋試件與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度均有所降低.

［1］薛偉辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

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［7］中國建筑科學(xué)研究院.GB 50152—92混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計劃出版社，1992.

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