芳綸纖維塑料筋與混凝土之間的黏結(jié)強度

薛偉辰，方志慶，王 圓，康明睿

（同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

鋼筋銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的最重要的因素之一［1］，世界各國每年需花費大量資源用于維修因鋼筋銹蝕而產(chǎn)生功能退化的結(jié)構(gòu)［2－3］.纖維增強塑料（FRP）筋具有抗拉強度高、重量輕、抗腐蝕性能好等優(yōu)點，是徹底解決混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕問題行之有效的方法.按照纖維種類的不同，F(xiàn)RP筋主要可分為玻璃纖維增強塑料（GFRP）筋、碳纖維增強塑料（CFRP）筋和芳綸纖維增強塑料（AFRP）筋3 種.與GFRP，CFRP 筋相比，AFRP 筋橫向抗剪強度高，沖擊韌性好［4］，常替代混凝土橋梁中的先張法或后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋.

FRP筋與混凝土之間良好的黏結(jié)性能是兩者協(xié)同工作的基礎(chǔ)，也是影響FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)鍵問題.國內(nèi)外對GFRP，CFRP筋與混凝土黏結(jié)性能的研究起步較早，研究范圍涉及FRP筋表面形態(tài)、直徑、黏結(jié)長度等因素對其黏結(jié)性能的影響，并提出了相應(yīng)的設(shè)計建議.相比之下，文獻中有關(guān)AFRP筋與混凝土黏結(jié)性能的研究成果非常少.Pleimann［5］對42個AFRP筋拉拔試件進行了試驗研究，結(jié)果表明，AFRP筋與混凝土的黏結(jié)性能和GFRP筋相似.Okelo等［6］針對AFRP筋與普通混凝土的黏結(jié)性能進行了9個拉拔試驗研究，試驗表明，AFRP筋與混凝土的黏結(jié)強度為鋼筋與混凝土黏結(jié)強度的40%～100%，GFRP筋與混凝土黏結(jié)強度計算同樣適用于AFRP筋與混凝土黏結(jié)強度的計算.張鵬等［7］通過27個拉拔試件和16個梁式試件的試驗結(jié)果，分析了AFRP筋的黏結(jié)錨固性能和破壞模式.

總體來說，目前國內(nèi)外對AFRP筋黏結(jié)性能的研究還很少，且著重于FRP筋與普通混凝土的黏結(jié)性能，對FRP筋與具有良好早期性能、耐久性能并適于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的高性能混凝土之間的黏結(jié)性能則缺乏相應(yīng)的研究.此外，AFRP筋與水泥漿以及環(huán)氧樹脂之間的黏結(jié)性能研究幾乎空白，而這二者分別對AFRP 筋在后張黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及AFRP筋預(yù)應(yīng)力錨具的研制具有重要意義.

鑒于此，本文通過48個拉拔試件，系統(tǒng)研究了2種直徑的AFRP筋與普通混凝土、高性能混凝土、環(huán)氧樹脂以及水泥漿之間的黏結(jié)強度，對AFRP筋與混凝土之間黏結(jié)強度的計算方法進行了探討.

1 試驗設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

試件參數(shù)包括：筋材類型（AFRP 筋和變形鋼筋），筋材直徑db（AFRP筋直徑為13，15mm，變形鋼筋直徑為12，16 mm），黏結(jié)介質(zhì)（包括普通C50混凝土、高性能C50混凝土、E44環(huán)氧樹脂和42.5R水泥漿）.表1為48個拉拔試件的具體參數(shù).黏結(jié)試件的具體尺寸見圖1.

黏結(jié)試驗采用日本FIBEX 公司提供的AFRP筋（見圖2），其力學(xué)性能見表2，混凝土配合比見表3，42.5R 水泥與水的質(zhì)量比為2∶1，E44環(huán)氧樹脂與固化劑的質(zhì)量比為4∶1，混凝土與環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能見表4.水泥砂漿的立方體抗壓強度試塊尺寸為75mm×75mm×75mm.第1，2批水泥砂漿立方體抗壓強度分別為37.6，38.0MPa.

表1 試件的具體參數(shù)Table 1 Details of test specimens

圖1 拉拔試件構(gòu)造圖Fig.1 Pull－out test specimens（size：mm）

圖2 AFRP筋Fig.2 AFRP rebars

表2 AFRP筋和鋼筋的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of AFRP rebars and steel rebars

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix proportion kg／m3

表4 混凝土與環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of concrete and epoxy resin

1.2 加載方法與測量內(nèi)容

拉拔試驗裝置見圖3.拉拔裝置上裝有球鉸，以避免加載過程中因受力筋與受荷面不嚴格垂直而導(dǎo)致混凝土撕裂破壞.試驗測量內(nèi)容包括：加載端受力筋與混凝土下表面的相對滑移W1p，自由端受力筋的絕對位移W2p，混凝土上表面的絕對位移W3p，W4p，受力筋的應(yīng)變ε1p，ε2p.若加載端和自由端受力筋與混凝土表面的相對滑移分別記為Sap，Sfp，則有：

GB 50152—92《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》規(guī)定：鋼筋和混凝土黏結(jié)強度對比試驗的加載速率vf＝0.03d2（kN／min），其中d 為拉拔試驗中筋的直徑（mm）.GB 50152—92和JSCE－E 539—1995［8］規(guī)定：在拉拔試驗中，受力筋的滑移量為其在自由端處的滑移值.

圖3 拉拔試驗裝置Fig.3 Loading installation of pull－out specimens

2 試件的破壞模式

與鋼筋相似，F(xiàn)RP筋與混凝土之間的黏結(jié)力主要包括混凝土中水泥凝膠體與FRP 筋表面的化學(xué)膠著力、FRP筋與混凝土接觸面間的摩擦力和FRP筋與混凝土之間的機械咬合力［9］.試驗中AFRP筋的破壞模式分拔出破壞與劈裂破壞2 種（見圖4，5）：

（1）拔出破壞.加載初期，AFRP 筋與混凝土的黏結(jié)力主要為化學(xué)膠著力［10］，隨著加載的進行，膠著力逐漸減小，機械咬合力和摩擦力逐漸增加，AFRP筋表面由于摩擦力的作用而發(fā)生磨損，而這種磨損又使機械咬合力進一步減小，直至AFRP筋被拔出.試件發(fā)生拔出破壞時，AFRP筋從黏結(jié)介質(zhì)中拔出，AFRP 筋的表面磨損較嚴重（見圖4（a）），混凝土表面可能產(chǎn)生細微裂縫（見圖4（b））.

（2）劈裂破壞.與發(fā)生拔出破壞的試件不同，當發(fā)生劈裂破壞時，試件中混凝土的拉應(yīng)力先于AFRP筋達到其抗拉強度，混凝土出現(xiàn)明顯裂縫甚至劈裂（見圖5（b）），化學(xué)膠著力和機械咬合力基本消失，摩擦力也大幅減小.總體上看，AFRP 筋的表面磨損相對較小，但也有不同程度的損壞（見圖5（a））.

綜上可見：發(fā)生拔出破壞的試件其破壞過程較為平緩，AFRP筋的表面磨損較嚴重，而混凝土表面沒有明顯破壞；發(fā)生劈裂破壞的試件其破壞過程則很突然，混凝土表面出現(xiàn)明顯裂縫甚至劈裂，而AFRP筋表面磨損則相對較小.

圖4 拔出破壞Fig.4 Pull－out failure

圖5 劈裂破壞Fig.5 Splitting failure

3 黏結(jié)強度－滑移曲線

試件在加載過程中的黏結(jié)強度τ 可按式（3）計算.

式中：db，ldb分別為AFRP 筋或鋼筋的直徑和黏結(jié)長度；F 為施加荷載.

3.1 破壞模式

從表1可見，AFRP 筋黏結(jié)試件的破壞模式可分為拔出破壞和劈裂破壞2種，而鋼筋黏結(jié)試件的破壞模式僅有拔出破壞1種.圖6為相同黏結(jié)介質(zhì)中不同破壞模式下AFRP筋的黏結(jié)強度－滑移（τ－S）曲線.由圖6可見：

（1）破壞模式不同，AFRP筋的τ－S 曲線形態(tài)有明顯不同.當發(fā)生拔出破壞時，τ－S 曲線可分為上升段、下降段和殘余段，其中上升段又可分為微滑移段和滑移段.當發(fā)生劈裂破壞時，τ－S 曲線則僅有上升段.

（2）鋼筋黏結(jié)試件的破壞模式皆為拔出破壞，其τ－S 曲線可分為上升段、下降段和殘余段.

3.2 黏結(jié)介質(zhì)

圖7為相同條件下AFRP筋和鋼筋與4種黏結(jié)介質(zhì)（普通C50混凝土、高性能C50混凝土、環(huán)氧樹脂和水泥漿）的τ－S 曲線.由圖7可見：

（1）AFRP筋與高性能C50混凝土、環(huán)氧樹脂和水泥漿的τ－S 曲線均可分為上升段、下降段和殘余段，其中上升段又可分為微滑移段和滑移段.當AFRP筋的黏結(jié)應(yīng)力達到峰值后進入下降段，在其黏結(jié)應(yīng)力下降到某一谷值后，τ－S 曲線會再次上升，但增幅較?。ㄒ话阈∮?MPa），在達到第2峰值后，黏結(jié)應(yīng)力繼續(xù)下降.鋼筋與4種黏結(jié)介質(zhì)之間的τ－S 曲線則均可分為上升段、下降段和殘余段.鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力達到峰值后則進入下降段，當其黏結(jié)應(yīng)力下降到某一谷值后，τ－S 曲線出現(xiàn)波動.與AFRP 筋相比，鋼筋的τ－S 曲線上升段更加陡峭，下降段則更加突然.

圖6 不同破壞模式的黏結(jié)強度－滑移曲線Fig.6 Relationship of failure patterns and bond－slip

圖7 不同黏結(jié)介質(zhì)的黏結(jié)強度－滑移曲線Fig.7 Relationship of bonding types and bond－slip

圖8 直徑對試件黏結(jié)強度的影響Fig.8 Relationship of diameter of rebars and bond－slip

（2）AFRP筋與普通C50混凝土發(fā)生劈裂破壞時，τ－S 曲線僅有上升段，且上升段又可分為微滑移段和滑移段.

3.3 直徑

圖8為AFRP 筋和鋼筋直徑對試件黏結(jié)強度的影響.由圖8可見：

（1）總體上，2種直徑的AFRP筋和鋼筋其τ－S曲線形態(tài)差別不大，只是AFRP筋的直徑會對其τ－S 曲線的下降段產(chǎn)生一定影響.對于直徑為15mm的AFRP筋τ－S 曲線，當其黏結(jié)應(yīng)力下降到某一谷值后會再次上升，而直徑為13mm 的AFRP 筋，其τ－S 曲線則沒有類似現(xiàn)象.

（2）AFRP筋試件的黏結(jié)強度隨著AFRP 直徑的增加而降低，直徑為15mm 的AFRP筋黏結(jié)強度為直徑為13 mm 的AFRP 筋黏結(jié)強度的83%左右.與AFRP 筋試件相比，直徑的變化對鋼筋試件黏結(jié)強度的影響規(guī)律不明顯，直徑為13，15mm 的AFRP筋的黏結(jié)強度相差5%左右.

4 黏結(jié)強度

4.1 破壞模式

圖9為破壞模式對黏結(jié)強度的影響.由圖9可見：對同一組試件，當AFRP筋發(fā)生拔出破壞時，其黏結(jié)強度比劈裂破壞時略低，兩者的比值為0.85～0.92.

4.2 黏結(jié)介質(zhì)

圖10為黏結(jié)介質(zhì)對黏結(jié)強度的影響.由圖10可見：

圖9 破壞模式對黏結(jié)強度的影響Fig.9 Influence of failure patterns on bond strength

圖10 黏結(jié)介質(zhì)對黏結(jié)強度的影響Fig.10 Influence of bond materials on bond strength

（1）AFRP筋與環(huán)氧樹脂之間的黏結(jié)強度最高.直徑為13，15mm 的AFRP筋與環(huán)氧樹脂之間的黏結(jié)強度分別為18.3，14.80MPa.AFRP筋與水泥漿之間的黏結(jié)強度最低.相比AFRP 筋與高性能C50混凝土之間的黏結(jié)強度，AFRP 筋與普通C50混凝土之間的黏結(jié)強度略高.AFRP 筋與環(huán)氧樹脂之間的黏結(jié)強度分別是其與高性能C50 混凝土、普通C50混凝土以及水泥漿之間的1.04～1.31，1.12～1.31，1.50～1.72倍.

（2）鋼筋與普通C50混凝土之間的黏結(jié)強度最大，直徑12，16mm 的鋼筋與普通C50混凝土之間的黏結(jié)強度分別為17.15，18.43MPa，與環(huán)氧樹脂、高性能C50混凝土之間的黏結(jié)強度次之，與水泥漿之間的黏結(jié)強度最小.而鋼筋與普通混凝土之間的黏結(jié)強度則分別是其與環(huán)氧樹脂、高性能C50混凝土、水泥漿之間的1.11～1.12，1.42～1.50，3.79～4.13倍.

（3）和鋼筋相比，AFRP 筋與環(huán)氧樹脂、水泥漿之間的黏結(jié)強度較高.當黏結(jié)介質(zhì)為環(huán)氧樹脂時，AFRP筋與之的黏結(jié)強度比鋼筋與之的黏結(jié)強度高5%；而黏結(jié)介質(zhì)為水泥漿時，AFRP 筋與之的黏結(jié)強度則是鋼筋與之黏結(jié)強度的2.28 倍.這可為AFRP筋預(yù)應(yīng)力錨具的研制及AFRP 筋在后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中的應(yīng)用提供理論依據(jù).

4.3 直徑

圖11為直徑對黏結(jié)強度的影響，其中C50NC表示普通C50混凝土，C50HPC 表示高性能C50混凝土，ER 表示環(huán)氧樹脂，GR 表示水泥漿.由圖11可見：

（1）總體上，AFRP筋的黏結(jié)強度隨著直徑的增大而減小.當AFRP筋直徑從13mm 增大到15mm時，在高性能C50 混凝土、環(huán)氧樹脂和水泥漿中，AFRP筋的黏結(jié)強度分別降低約5.4%，19.1%，6.8%.

（2）與AFRP 筋拉拔試件相比，直徑變化對鋼筋試件黏結(jié)強度的影響較小，在4種黏結(jié)介質(zhì)中，當鋼筋直徑從12mm 增大到16mm 時，黏結(jié)強度的變化范圍約為5%.

5 黏結(jié)強度的計算方法探討

圖11 直徑對黏結(jié)強度的影響Fig.11 Influence of bar diameter on bond strength

本文采用文獻［11］中的AFRP 筋黏結(jié)強度計算公式（見式（4））計算黏結(jié)強度τu，th1（MPa），并基于試驗結(jié)果對該式的適用性進行了驗證.

式中：ft為混凝土抗拉強度設(shè)計值，MPa；lb為AFRP筋黏結(jié)長度，mm.

表5為國內(nèi)外AFRP 筋與混凝土黏結(jié)試驗結(jié)果，其中τu，exp，τu，th1，τu，th2，τu，th3分別為黏結(jié)強度的試驗值和式（4）～（6）［6，12］的計算值.

式中：f′c為混凝土圓柱體28d 抗壓強度，MPa；C為混凝土外表面至筋中心距離與相鄰筋中心距離的小值，mm；le為筋的黏結(jié)長度，mm.

表5 AFRP筋黏結(jié)強度計算值與試驗值的對比Table 5 Comparison of experimental and calculation values of bond strength of AFRP rebars

續(xù)表

由表5可見：

（1）按式（4）計算的AFRP 筋黏結(jié)強度與試驗值吻合良好，兩者比值的平均值分別為1.01，0.99，1.11，0.97，1.00，總方差為0.22.

（2）式（5）的計算結(jié)果與試驗值的誤差較大，兩者比值的平均值分別為0.60，0.84，0.82，1.10，1.72，總方差為0.27；而式（6）的計算結(jié)果與試驗值之比的平均值則分別為0.95，0.98，0.99，0.82，1.10，總方差為0.28.

（3）式（4），（6）主要考慮了混凝土強度、AFRP筋直徑以及黏結(jié)長度等參數(shù)對黏結(jié)強度的影響，因此，其黏結(jié)強度計算值與試驗值吻合良好.相比之下，式（4）計算值的總方差較小，能更準確地反映AFRP筋的黏結(jié)強度.

6 結(jié)論

（1）AFRP筋黏結(jié)試件的破壞模式可分為拔出破壞和劈裂破壞2種.當AFRP筋拉拔試件發(fā)生拔出破壞時，其黏結(jié)－滑移曲線可分為3 個階段：上升段、下降段和殘余段.而當AFRP 筋拉拔試件發(fā)生劈裂破壞時，其黏結(jié)－滑移曲線僅由微滑移段和滑移段2個階段構(gòu)成.

（2）AFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)強度約為鋼筋與混凝土黏結(jié)強度的0.79～1.11倍.相比于高性能C50混凝土，AFRP筋與普通C50混凝土的黏結(jié)強度高10%.AFRP筋與環(huán)氧樹脂之間的黏結(jié)強度比鋼筋與之黏結(jié)強度高5%，而AFRP 筋與水泥漿之間的黏結(jié)強度則是鋼筋與之黏結(jié)強度的2.28倍.這為AFRP 筋預(yù)應(yīng)力錨具的研制及其在后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中的應(yīng)用提供了理論依據(jù).

（3）由式（4）計算的黏結(jié)強度更精確.

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