混凝土表層嵌貼FRP筋粘結性能試驗研究

楊健彬　鄭愚　將良圣　羅石捷

(東莞理工學院　生態(tài)環(huán)境與建筑工程學院，廣東東莞　523808)

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混凝土表層嵌貼FRP筋粘結性能試驗研究

楊健彬鄭愚將良圣羅石捷

(東莞理工學院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學院，廣東東莞523808)

表層嵌貼FRP筋加固法(簡稱NSM法)是目前復合纖維材料加固的最新方法，混凝土表層嵌貼FRP筋的粘結性能是這一加固新技術的重要研究課題。完成3組共6個試件的FRP筋表層嵌貼加固的拉拔試驗，對CFRP、GFRP、BFRP三種不同類型FRP筋材進行了對比研究，主要研究不同F(xiàn)RP筋類型對表層嵌貼加固的粘結性能及破壞模式的影響。試驗研究結果表明：表層嵌貼碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、玄武巖纖維(BFRP)筋加固均具有良好的粘結性能，具有良好的性能優(yōu)勢和廣泛應用前景。

FRP筋；表層嵌貼加固法(NSM法)；拉拔試驗；粘結強度

國外結構工程的發(fā)展過程表明，當工程建設進行到一定的階段后，工程的維修改造將成為主要的建設方式。我國的工程結構，則因為特殊的歷史和發(fā)展方式，在許多方面更需要對既有建筑進行加固和維修改造。現(xiàn)如今，由于城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，設計、施工和管理存在先天不足，同時由于地震、火災等災害的影響，建筑結構加固改造已成為我國基本建設急需解決的重大問題[1]。因此，探尋切實可行的加固方法成為土木工程學科一個重要研究熱點，而表層嵌貼(near-surface mounted，NSM)纖維增強復合材料加固是其中有代表性的一種，近年在國外得到越來越廣泛的研究和應用。由于FRP復合材料(Fiber-Reinforced Plastic/Polymer Composites)輕質、高強、耐腐等優(yōu)點，近20年被廣泛應用于結構加固工程，并進行了大量的研究工作[2-4]。當前結構加固中采用的FRP表面粘貼法在工程中應用較廣泛，但FRP材料粘貼表面加固在實際應用中仍存在不足，如容易受外界環(huán)境干擾、受磨擦、撞擊等意外作用導致?lián)p壞，同時容易發(fā)生剝離破壞[5]。1949年，Asplund首次提出表層嵌貼鋼筋加固鋼筋混凝土梁以提高其抗彎性能的方法[6]，20世紀末表層嵌貼FRP加固技術開始應用于工程實際。

采用表層嵌貼FRP加固時，在鋼筋混凝土構件表層開槽，對槽道進行清理后貫入粘結劑，將 FRP筋材或者板材嵌入槽中壓實，利用粘結劑使FRP與構件緊密結合，見圖1，達到加固修復目的[7-9]。FRP筋和粘結劑處于構件槽道內部，因此能有效抵抗火災的高溫作用、避免車輪直接輾壓和重物的沖擊，尤其適合于橋面板或樓面板負彎矩區(qū)域的加固，見圖2。

圖1　表層嵌貼FRP加固法

目前，國內外對FRP表層嵌貼加固技術的研究與應用已逐漸深入，主要集中在表層嵌貼加固梁抗彎、抗剪性能和計算方法[3][10]以及不同筋材的粘結滑移關系研究[11-14]。表層嵌貼加固應用中，粘結劑的選擇以環(huán)氧樹脂膠和水泥砂漿居多。目前，針對表層嵌貼CFRP(碳纖維)筋加固已進行了大量的研究，而對其他類型FRP筋材如玻璃纖維筋(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)和玄武巖纖維筋(Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP)開展的研究尚為不足，基于FRP筋的抗彎加固和滑移關系研究尚未形成系統(tǒng)設計方法和設計規(guī)范?？傮w而言，針對FRP嵌貼加固技術開展相關的試驗和理論研究具有較重要的工程實踐意義。為對FRP表層嵌貼加固技術的加固效果及設計方法開展研究，本文首先研究了FRP筋與混凝土的粘結性能。研究成果初步表明影響混凝土表層嵌貼FRP筋性能的主要因素有：粘結長度、FRP筋種類與表面特征、槽尺寸與表面特征、粘結劑種類和FRP筋到混凝土邊緣距離等。本文主要研究：不同類型筋材與混凝土的粘結強度、粘結滑移及破壞模式。

1　試驗設計

1.1試驗程序

目前抗剪粘結強度試驗研究所用方法主要有單剪、雙剪和修正梁等方法。本文采用單剪直接拉拔式試驗研究混凝土表層嵌貼FRP筋的抗剪粘結強度[15](以下簡稱粘結強度)。

共設計了3組6個拉拔試件，拉拔試件采用在150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方體試塊表面開設1.5d×1.5d方形淺槽(d為所嵌入FRP筋的公稱直徑)并分別埋入CFRP、GFRP、BFRP筋材制作而成，選用高強度環(huán)氧樹脂膠(Sikadur@-30)作為粘結劑，F(xiàn)RP筋與混凝土的粘結長度為150 mm，試件具體參數(shù)詳見表1。

1.2試驗加載及測量裝置

本文試驗采用萬能拉力機進行豎向靜力加載，加載裝置見圖3，F(xiàn)RP筋縱向與萬能拉力機作用力方向保持一致。

試驗過程，通過萬能拉力機自帶傳感器測量荷載大小，使用LVDT位移傳感器結合靜態(tài)采集儀對FRP筋與混凝土的粘結滑移進行數(shù)據(jù)采集，在FRP筋表面等距離粘貼三片電阻應變片以此觀測各級荷載作用下FRP筋的應變及應力分布情況，同時觀測裂縫開展及最終破壞形態(tài)，傳感器及應變片布置詳見圖4。通過對試驗結果的分析，研究本文混凝土表層嵌貼三種不同F(xiàn)RP筋的粘結性能及破壞模式。

表1　粘結試驗參數(shù)及破壞模式匯總

注：具體破壞模式詳見圖5。

圖3　試驗加載裝置圖

圖4　應變片及位移傳感器布置圖

圖5　直接拉拔式表層嵌貼FRP粘結試件破壞模式

2　試驗結果及分析

2.1粘結強度

如表1所示，混凝土表層嵌貼GFRP、BFRP、CFRP筋粘結強度介于9 MPa～12 MPa之間，均具有良好的粘結性能，與楊勇[16]等學者前期試驗研究結果較為吻合。對比不同F(xiàn)RP筋材類型，表層嵌貼GFRP、BFRP筋材的粘結強度略高于CFRP筋。CFRP筋表面為螺旋纏繞噴砂處理，BFRP筋雖未進行噴砂處理，但螺旋纏繞較深較寬，因此相比CFRP筋，混凝土表層嵌貼BFRP粘結強度略大。試驗結果表明FRP筋種類與表面特征是影響表層嵌貼FRP筋粘結性能的主要因素之一，而纏繞深度及寬度、噴砂處理均對表層嵌貼FRP筋粘結性能的提高具有顯著作用。

2.2破壞模式

其他學者[17]的試驗結果表明，混凝土表層嵌貼FRP的粘結破壞形式由三介質(混凝土、粘結劑、FRP)和兩界面(FRP-粘結劑、粘結劑-混凝土)的物理、幾何性質決定，主要破壞模式有：(a) FRP-粘結劑間界面滑移破壞； (b) 粘結劑-混凝土間界面滑移破壞； (c) 槽表面混凝土開裂破壞； (d) 粘結劑劈裂破壞；(e) 試件邊緣混凝土拉剪破壞。

本文試驗過程，混凝土表面無明顯裂縫；隨著荷載增加，拉拔試件端部混凝土表面出現(xiàn)微裂縫，槽表面混凝土開裂破壞， FRP筋表面無開裂現(xiàn)象，F(xiàn)RP筋也未出現(xiàn)斷裂未出現(xiàn)明顯拔出破壞，試件破壞時產生較大響聲。粘結劑沿筋材縱向與槽上半部混凝土界面發(fā)生劈裂破壞，下半部粘結劑與槽底部混凝土界面未發(fā)生劈裂破壞。

本文試驗拉拔試件G9-1、G9-2、B9-1、B9-2破壞模式為槽表面混凝土開裂破壞，拉拔試件C10-1、C10-2破壞模式為同時發(fā)生槽表面混凝土開裂破壞與試件混凝土邊緣拉剪破壞，詳見圖5、圖6，該結果與其他學者研究結論相矛盾。一些學者研究[17-19]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP噴砂筋、環(huán)氧樹脂粘結劑一般發(fā)生FRP筋拔出破壞，F(xiàn)RP帶肋筋、螺紋筋、環(huán)氧樹脂粘結劑一般發(fā)生劈裂破壞。分析試驗結果發(fā)現(xiàn)，本文選用高強度環(huán)氧樹脂膠(Sikadur@-30)與混凝土及FRP筋均具有良好的粘結性能。粘結劑對破壞模式具有顯著的影響，不同組分的環(huán)氧樹脂的剪切強度、粘結強度、彈性模量等材料屬性決定了兩界面的物理性質，因此環(huán)氧樹脂的不同直接影響著破壞模式的差異。建議后期進一步開展基于不同環(huán)氧樹脂作為粘結劑表層嵌貼FRP筋的粘結性能試驗研究。

圖6　試件最終破壞形態(tài)

2.3應變

如圖7，加載逐級進行，F(xiàn)RP筋材A1、A2、A3處(詳見圖7注解)相繼產生應變，并逐漸增大，表明隨荷載增大，F(xiàn)RP筋受荷載作用，荷載從加載端向自由端傳遞。試驗結果表明，表層嵌貼FRP筋拉拔試件，表現(xiàn)出較好的延性。如圖8，試驗結果表明，不同種類FRP筋的荷載-應變曲線形狀及趨勢大致接近，不考慮應變片失效及試驗離散性的影響，可以得出筋材的種類對單剪拉拔試件粘結應力應變無顯著影響。

圖7　典型試件筋材荷載-應變曲線

注：應變片A2位于混凝土表層嵌貼部分FRP筋的中點處；應變片A1、A3分別位于其四等分點處，其中A1靠近加載端，A3遠離加載端。

圖8　各試件荷載-應變曲線

2.4粘結滑移

試驗加載初期，LVDT位移傳感器未采集到明顯滑移數(shù)據(jù)，隨著荷載持續(xù)增大，F(xiàn)RP筋與混凝土之間出現(xiàn)明顯相對滑移，隨荷載增大，相對滑移逐漸增大，詳見圖9。在加載初期，F(xiàn)RP筋材相對滑移較大，隨著荷載的增加，相對滑移速度變緩，直到試件破壞。拉拔試件達到極限承載力時，F(xiàn)RP筋與混凝土相對滑移達到4～6 mm，此時發(fā)生粘結失效破壞。

圖9　局部粘結剪應力-滑移曲線

3　結語

1)選用高強度環(huán)氧樹脂膠(Sikadur@-30)作為表層嵌貼加固粘結劑，單剪拉拔試件粘結強度達9-12MPa，破壞形態(tài)均為劈裂破壞，具有良好的粘結性能及較好的應用前景。

2)本文試件所發(fā)生的槽表面混凝土開裂破壞為較理想的破壞模式，選用FRP筋作為表層嵌貼加固法的加固材料具有廣闊的工程應用前景，筆者研究團隊將開展進一步的深入研究。

3)本文試驗表明，F(xiàn)RP筋材的種類對粘結性能無顯著影響，等直徑筋材破壞粘結強度較為接近，故在實際加固工程中，可選擇較為經(jīng)濟性筋材種類作為表層嵌貼材料。

4)筋材表面特征、環(huán)氧樹脂種類等對混凝土表層嵌貼FRP筋的粘結性能影響較為明顯，建議進一步開展基于FRP筋表面特征、粘結劑種類等影響因素的混凝土表層嵌貼FRP筋粘結性能研究。

5)總之，混凝土表層嵌貼FRP筋這一新技術尚需進行大量、深入的研究，以得到工程可應用的相關設計理論及公式。

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An Investigation into Bond Performance of Near-Surface Mounted Fiber-Reinforced Polymer Bars to Concrete

YANG JianbinZHENG YuJIANG LiangshengLUO Shijie

(College of Envionment and Civil Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808,China)

The near-surface-mounted (NSM) fiber-reinforced polymer (FRP) strengthening method is a promising strengthening technology for reinforced concrete (RC) structures. The bond behavior between NSM FRP bars and concrete should be investigated significantly. This paper reveals an experimental study of pull-out bond test of NSM FRP strengthened concrete specimens. Three types of strengthening materials, such as CFRP, GFRP and BFRP, are used in this study to investigate the effect of this parameter on the failure mode and bond-slip behavior. The experimental results demonstrate that the bond-slip behavior between FRP bars and concrete satisfies the requirement of NSM strengthening method and this strengthening scheme has potential to be more widely applied in the future.

FRP bar; near-surface-mounted (NSM) method; pullout test; bond strength

2016-04-27

廣東省高等學校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃資助項目研究計劃(Yq2013155)；廣東省交通廳科技計劃(科技-2013-02-029)；2015廣東省普通高校國際暨港澳臺合作創(chuàng)新平臺及國際合作重大項目(特色創(chuàng)新項目)，2014大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目。

楊健彬(1988—)男，廣東陽江人，實驗員，主要從事結構分析，復合材料應用研究。

TB332

A

1009-0312(2016)05-0091-06