CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)性能試驗(yàn)研究

王 磊，吳 翔，曾 榕，易 金(.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院, 廣西 桂林 54004；2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 54004)

0 引 言

隨著海洋資源的深度開(kāi)發(fā)和利用，海洋權(quán)益的爭(zhēng)奪也日漸加劇，包括軍事在內(nèi)的海洋工程建設(shè)日漸增多，對(duì)于遠(yuǎn)離大陸的島礁工程建設(shè)來(lái)說(shuō)，所需的各項(xiàng)材料需要從大陸運(yùn)輸，其運(yùn)輸成本非常昂貴[1]。開(kāi)發(fā)可以就地取材的建筑材料是島礁建設(shè)的迫切問(wèn)題，而以珊瑚碎屑為骨料的珊瑚混凝土給人們一個(gè)選擇途徑。珊瑚碎屑為珊瑚蟲(chóng)死后的產(chǎn)物，主要化學(xué)成分為碳酸鈣，在我國(guó)南海諸島中大量分布，其質(zhì)輕、多孔、筒壓強(qiáng)度大于2.0 MPa，根據(jù)我國(guó)混凝土骨料的分類(lèi)，可作為天然輕骨料來(lái)配置混凝土[2,3]。然而，由于長(zhǎng)期以來(lái)海洋權(quán)益保護(hù)意識(shí)的淡薄所導(dǎo)致的島礁建設(shè)低需求，珊瑚混凝土開(kāi)發(fā)利用的相關(guān)研究并不為人所重視，加之珊瑚混凝土本身所存在的先天性缺陷，其應(yīng)用范圍局限于不加鋼筋的路基路面等低層次的混凝土工程。

濕熱海洋環(huán)境以及珊瑚碎屑所含的大量鹽分導(dǎo)致的鋼筋銹蝕問(wèn)題，是困擾珊瑚混凝土工程應(yīng)用的最主要障礙。近些年來(lái)，以碳纖維(CFRP)筋、玻璃纖維(GFRP)筋、玄武巖纖維(BFRP)筋等為代表的纖維增強(qiáng)塑料筋(Fiber Reinforced Polymer Rebar，簡(jiǎn)稱(chēng)FRP筋)，以其出色的力學(xué)性能、優(yōu)異的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)在有特殊要求的工程領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[4]，也為珊瑚混凝土相關(guān)耐久性問(wèn)題的解決提供了新的途徑。但是，以當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，無(wú)論是傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論，還是FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究成果，在描述FRP筋珊瑚混凝土的基本力學(xué)性能特征時(shí)均存在明顯的局限性，這方面的不足嚴(yán)重制約了FPR筋珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)在島礁建設(shè)的實(shí)際工程應(yīng)用。本文針對(duì)這一問(wèn)題，開(kāi)展了FRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)性能試驗(yàn)研究。不僅為FRP筋結(jié)構(gòu)在島礁的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，也將對(duì)完善FRP筋混凝土相關(guān)理論產(chǎn)生積極影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 筋 材

試驗(yàn)筋材為浙江海寧安捷復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的螺紋CFRP筋，在CFRP筋的筋錨固試驗(yàn)之前，通過(guò)筋材拉拔試驗(yàn)，確定CFRP筋基本力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 CFRP的物理力學(xué)性能Tab.1 Physico-mechanical properties of CFRP bars

1.2 珊瑚骨料及配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用的粗骨料為北海潿洲島上分布的珊瑚砂，其形狀分為條狀和塊狀，具有輕質(zhì)、多孔的特點(diǎn)，按照我國(guó)混凝土骨料分類(lèi)，屬于天然輕骨料的一種，見(jiàn)圖1。

圖1 珊瑚骨料Fig.1 Coral aggregate

試驗(yàn)對(duì)珊瑚骨料24 h吸水率進(jìn)行測(cè)定。1 h吸水率為17.8%，3 h吸水率為18.6%，7 h以后基本趨于飽和，達(dá)到峰值時(shí)為19.4%，此后骨料吸水基本處于飽和狀態(tài)，不再增加，具體見(jiàn)表2。

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)擬用珊瑚混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15、C20、C25，均采用實(shí)驗(yàn)室配合比，其中水灰比為凈用水量計(jì)算得出，由于珊瑚骨料的特性，還要加上珊瑚骨料1 h的吸水率17.8%作為附加用水[5]，附加用水量為127.4 kg/m3。珊瑚混凝土的水灰比及物理力學(xué)性能，見(jiàn)表3。

表2 珊瑚骨料吸水率Tab.2 Water-absorption of coral aggregate

表3 珊瑚混凝土的水灰比及物理力學(xué)性能Tab.3 Water-cement ratio and physico-mechanical properties of coral aggregate

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)性能，探明纖維筋種類(lèi)、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。

采用中心拉拔試驗(yàn)方法，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)》(GB50152-2012)。本次試驗(yàn)共澆筑10組30個(gè)帶CFRP筋的珊瑚混凝土立方體試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，詳見(jiàn)表4。為了消除試件加載端的端部效應(yīng)，在加載端設(shè)置未黏結(jié)段，自由段設(shè)置黏結(jié)區(qū)，用塑料套管將FRP筋與珊瑚混凝土隔離，黏結(jié)長(zhǎng)度通過(guò)調(diào)整塑料套管的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。在制作拉拔試件的同時(shí)，同批澆筑3個(gè)邊長(zhǎng)為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，并在相同的條件下，同期養(yǎng)護(hù)28 d，用來(lái)測(cè)量各種配合比混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

表4 試件設(shè)計(jì)Tab.4 The specimen design

1.4 加載方案

本次試驗(yàn)的加載裝置示意圖，見(jiàn)圖2。整個(gè)拉拔裝置體系由4根高強(qiáng)螺桿、2根角鋼和1塊中心鉆孔的30 mm厚的鋼板組成。在試驗(yàn)中用到2個(gè)電子百分表，電子百分表1測(cè)量鋼板的變形值，電子百分表2測(cè)量CFRP筋的自由端絕對(duì)滑移值，兩者的差值即為CFRP筋的相對(duì)滑移值?，F(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)加載裝置，見(jiàn)圖3。

1-電子百分表1；2-電子百分表2；3-FRR筋；4-塑料套管；5-瑚珊混凝土；6-30 mm厚鋼板；7-高強(qiáng)螺桿圖2 拉拔試驗(yàn)裝置示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic of the pull-out test device

圖3 現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)加載裝置Fig.3 The pull-out test loading device on site

本次試驗(yàn)計(jì)算試件的平均黏結(jié)應(yīng)力采用公式(1)，即：

(1)

式中：τ為平均黏結(jié)應(yīng)力；P為拉拔力；d為FRP筋的直徑；ln為黏結(jié)長(zhǎng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)及機(jī)理分析

本次試驗(yàn)總共制作了30個(gè)中心拉拔試件，對(duì)30個(gè)試件全部進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)。本次試驗(yàn)未出現(xiàn)劈裂破壞，試件的主要破壞形式為FRP筋與珊瑚混凝土的滑移破壞以及FRP筋斷裂。

(1)FRP筋與珊瑚混凝土滑移破壞。本次試驗(yàn)，10組中心拉拔試件中總共25個(gè)試件都發(fā)生了黏結(jié)滑移破壞；其中CFRP筋在加載開(kāi)始后不久，試件的自由端就產(chǎn)生了滑移，滑移值基本上是隨著荷載值的增加而線性增加；繼續(xù)加載當(dāng)達(dá)到極限滑移荷載后，自由端滑移值突然增大，加載端滑移值迅速下降，甚至降到接近0值。但是，CFRP筋并未被全部拔出，黏結(jié)力也沒(méi)有全部消失；此時(shí)若繼續(xù)加載，自由端滑移值會(huì)進(jìn)一步增大，而荷載值會(huì)出現(xiàn)上升下降的逐步遞減趨勢(shì)，直至CFRP筋全部拔出。GFRP筋也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的破壞過(guò)程，但是在上升過(guò)程中，速度會(huì)更快，峰值會(huì)較小，并且在下降的過(guò)程中，殘余應(yīng)力也較小。FRP筋的滑移破壞，見(jiàn)圖4。

圖4 CFRP筋黏結(jié)滑移破壞Fig.4 The slip failure of CFRP bars

(2)FRP筋斷裂。在本次試驗(yàn)中，直徑8 mm，黏結(jié)長(zhǎng)度大于10d的8個(gè)中心拉拔試件發(fā)生了CFRP筋斷裂。在試驗(yàn)加載過(guò)程中可以清楚地聽(tīng)到纖維與樹(shù)脂的剝離聲，最后隨著“啪”的一聲巨響，CFRP筋的纖維散開(kāi)，筋被拉斷；GFRP筋沒(méi)有發(fā)生斷裂現(xiàn)象。CFRP筋被拉斷時(shí)均未達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度，這可能是因?yàn)槠湓谶\(yùn)輸以及澆筑過(guò)程中，CFRP筋受到了部分損傷，還有制作過(guò)程中纖維和樹(shù)脂未能均勻混合，導(dǎo)致在試驗(yàn)時(shí)，受力不均勻，造成局部應(yīng)力集中[6]。CFRP筋的斷裂，見(jiàn)圖5。

圖5 CFRP筋斷裂Fig.5 The CFRP bars fracture

2.2 黏結(jié)-滑移曲線

本次試驗(yàn)有25個(gè)試件為黏結(jié)滑移破壞，并測(cè)得了相應(yīng)的自由端黏結(jié)-滑移曲線，現(xiàn)給出一個(gè)CFRP筋的自由端黏結(jié)-滑移曲線做具體分析，見(jiàn)圖6。

圖6 CFRP筋黏結(jié)-滑移曲線Fig.6 The bond-slip curve of CFRP bars

通過(guò)觀察圖6可知，與普通混凝土和FRP筋一樣[7]，珊瑚混凝土和FRP筋的黏結(jié)滑移曲線也可大致分為4個(gè)階段，但每個(gè)階段局部有所不同，具體如下：

(1)微滑移階段。在FRP筋拔出的初始階段，F(xiàn)RP筋加載端的滑移量很小，而自由端尚未開(kāi)始滑移，在這一階段，滑移慢慢從加載端向自由端發(fā)展，但未達(dá)到自由段頂部；此時(shí)FRP筋與周?chē)汉骰炷粱w之間的黏結(jié)力主要為化學(xué)膠著力。珊瑚混凝土相對(duì)與普通混凝土微滑移階段時(shí)間比較短，也就是這一階段同一黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移量更大，提前進(jìn)入滑移階段。

(2)滑移階段。隨著荷載的增加，化學(xué)膠著力逐漸喪失，自由端開(kāi)始出現(xiàn)滑移，黏結(jié)滑移曲線開(kāi)始呈現(xiàn)非線性狀態(tài)；此時(shí)的黏結(jié)力主要為FRP筋與珊瑚混凝土基體之間的機(jī)械咬合力和摩擦力。

(3)拔出階段。當(dāng)荷載加載至極限荷載附近，F(xiàn)RP筋與珊瑚混凝土基體之間的相對(duì)滑移進(jìn)一步增加；當(dāng)荷載繼續(xù)增加到達(dá)極限荷載時(shí)，F(xiàn)RP筋周邊的珊瑚混凝土被剪碎，黏結(jié)滑移曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折；此時(shí)的黏結(jié)力仍由FRP筋與周?chē)汉骰炷粱w之間的摩擦力以及機(jī)械咬合力組成。珊瑚混凝土中的FRP筋極限黏結(jié)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滑移量約為2.5～3 mm，小于普通混凝土的3～5 mm。

(4)殘余階段。荷載到達(dá)峰值后，荷載迅速下降，滑移值大幅增長(zhǎng)，繼續(xù)加載荷載會(huì)出現(xiàn)上升下降的逐漸遞減過(guò)程，直至FRP筋被拔出。這一階段的黏結(jié)力仍然由機(jī)械咬合力以及摩擦力組成。珊瑚混凝土中的FRP筋進(jìn)入殘余階段對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值為峰值的30%左右，而普通混凝土對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值為峰值的40%左右。

2.3 直徑對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

本文設(shè)計(jì)了黏結(jié)長(zhǎng)度均為5d時(shí)，不同直徑CFRP筋在相同珊瑚混凝土強(qiáng)度下的2組中心拉拔試驗(yàn)，結(jié)果數(shù)據(jù)如圖7所示：隨著CFRP筋的直徑增大，其極限平均黏結(jié)強(qiáng)度顯著減小。主要原因?yàn)橐韵聨c(diǎn)：

(1)CFRP筋的黏結(jié)面積與面周界長(zhǎng)度成正比，而拉力與截面面積成正比，二者的比值反映了CFRP筋的相對(duì)黏結(jié)面積，在相同的黏結(jié)長(zhǎng)度時(shí)，直徑較大的相對(duì)黏結(jié)面積反而減小，降低了CFRP筋與珊瑚混凝土之間的黏結(jié)性能。

(2)CFEP筋的直徑越大，包裹在CFRP筋表面的珊瑚混凝土泌水就會(huì)越嚴(yán)重，CFRP筋表面就會(huì)有較大的空隙，導(dǎo)致CFRP筋與珊瑚混凝土之間的黏結(jié)性能降低[8]。

(3)對(duì)于中心拉拔試驗(yàn)中較大直徑的CFRP筋，筋的截面中心與筋的表面變形不一致，從而導(dǎo)致CFRP筋截面正應(yīng)力分布不均勻，產(chǎn)生了剪應(yīng)力滯后現(xiàn)象，不利于極限黏結(jié)強(qiáng)度[9]。但相比較普通混凝土與FRP筋的黏結(jié)滑移曲線[7]，可以發(fā)現(xiàn)普通混凝土中極限平均黏結(jié)強(qiáng)度隨直徑下降的幅度很小，在10%以內(nèi)，而珊瑚混凝土極限平均黏結(jié)強(qiáng)度下降幅度更加顯著，如圖7所示。

圖7 不同直徑的CFRP筋黏結(jié)-滑移曲線Fig.7 The bond-slip curve of different diameters CFRP bars

2.4 錨固長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

本文設(shè)計(jì)了CFRP筋直徑均為8 mm時(shí)，不同錨固長(zhǎng)度的CFRP筋在相同珊瑚混凝土強(qiáng)度下的3組中心拉拔試驗(yàn)，結(jié)果數(shù)據(jù)如圖8所示：在一定錨固長(zhǎng)度內(nèi)，隨著錨固長(zhǎng)度的增大，極限平均黏結(jié)強(qiáng)度減小。相關(guān)研究表明[10]：這是由于在中心拉拔的試件中應(yīng)力拱作用產(chǎn)生的峰值效應(yīng)而導(dǎo)致的；黏結(jié)應(yīng)力在錨固長(zhǎng)度內(nèi)分布是不均勻的，當(dāng)錨固長(zhǎng)度較小時(shí)，高應(yīng)力區(qū)分布較長(zhǎng)，平均黏結(jié)應(yīng)力較大；當(dāng)錨固長(zhǎng)度較大時(shí)，高應(yīng)力區(qū)分布較短，所以平均黏結(jié)應(yīng)力較小。相對(duì)于普通混凝土[7]，珊瑚混凝土中FRP筋極限平均黏結(jié)強(qiáng)度隨著錨固長(zhǎng)度的增加，變化相對(duì)平緩；其中從表8可以看出黏結(jié)長(zhǎng)度從5d增大到12d，而極限平均黏結(jié)強(qiáng)度只下降了4.8%。

圖8 不同錨固長(zhǎng)度的CFRP筋黏結(jié)-滑移曲線Fig.8 The bond-slip curve of different anchorage length CFRP bars

2.5 珊瑚混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

本文設(shè)計(jì)了黏結(jié)長(zhǎng)度均為10d時(shí)，不同等級(jí)珊瑚混凝土強(qiáng)度在相同直徑的CFRP筋下的3組中心拉拔試驗(yàn)，結(jié)果數(shù)據(jù)如圖9所示：珊瑚混凝土強(qiáng)度從C15增加到C20，CFRP筋的極限平均黏結(jié)強(qiáng)度上升了26%；從C20增加到C25，CFRP的極限平均黏結(jié)強(qiáng)度上升了39%。也就是說(shuō)在強(qiáng)度小于C30的情況下，隨著珊瑚混凝土強(qiáng)度的提高，CFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著。相關(guān)研究表面[9]，F(xiàn)RP筋與混凝土間的黏結(jié)破壞與普通鋼筋混凝土存在較大差異，主要表現(xiàn)在：①鋼筋混凝土中平均黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度的平方根呈比例的結(jié)論已不再適用于強(qiáng)度較高的FRP筋混凝土。②由于FRP筋的材料性質(zhì)與鋼筋不同，對(duì)于C30及以上混凝土來(lái)說(shuō)，F(xiàn)RP筋的表面剛度和抗剪強(qiáng)度均低于混凝土的強(qiáng)度，拔出破壞時(shí)以筋材表面肋被削弱或剪切破壞為主要特征，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，對(duì)拔出破壞的黏結(jié)性能影響不大。

圖9 不同強(qiáng)度等級(jí)珊瑚混凝土的CFRP筋黏結(jié)-滑移曲線Fig.9 The CFRP bars bond-slip curve with different strength grades of coral concrete

3 結(jié) 論

本文對(duì)30個(gè)FRP筋中心拉拔試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要研究CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)性能，得到以下結(jié)論：

(1)CFRP筋的拔出受力過(guò)程大致可以分為四個(gè)階段：微滑移階段、滑移階段、拔出階段和殘余階段。

(2)CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度隨著CFRP筋直徑的增加而顯著減小。

(3)CFRP筋在一定錨固長(zhǎng)度內(nèi)，隨著錨固長(zhǎng)度的增大，極限平均黏結(jié)應(yīng)力相應(yīng)減小。

(4)在珊瑚混凝土強(qiáng)度較低的情況下，CFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度隨著珊瑚混凝土強(qiáng)度提高而增長(zhǎng)。

(5)CFRP筋的種類(lèi)、生產(chǎn)規(guī)格、筋表面處理情況等因素對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度影響較大，試驗(yàn)結(jié)果所表現(xiàn)出的離散性明顯高于鋼筋與混凝土間的黏結(jié)。

□

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