堿性環(huán)境下GFRP/BFRP水泥復(fù)合板與混凝土界面的粘結(jié)性能研究

王自新,宋小軟,閆 朝

(1. 中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510610；2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 北京 100144)

堿性環(huán)境下GFRP/BFRP水泥復(fù)合板與混凝土界面的粘結(jié)性能研究

王自新1,宋小軟2,閆 朝2

(1. 中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510610；2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 北京 100144)

設(shè)計(jì)了GFRP增強(qiáng)水泥板/混凝土、BFRP增強(qiáng)水泥板/混凝土兩類復(fù)合試件,研究堿性環(huán)境對(duì)兩類復(fù)合試件界面粘結(jié)性能的劣化影響。分別把兩類復(fù)合試件在5%NaOH溶液中浸泡7 d、15 d、35 d、70 d后進(jìn)行推出試驗(yàn),通過對(duì)其界面剪切粘結(jié)應(yīng)力、相對(duì)滑移及界面應(yīng)變的測(cè)試和分析,得出了堿性環(huán)境下兩類復(fù)合試件的界面粘結(jié)性能衰減規(guī)律,并對(duì)兩類纖維復(fù)合試件在堿性環(huán)境中的劣化性能進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)表明在堿性侵蝕15 d內(nèi), GFRP類復(fù)合試件和BFRP類復(fù)合試件的各項(xiàng)界面性能指標(biāo)均急劇衰減,其中BFRP類復(fù)合試件的界面性能劣化程度更為嚴(yán)重。

堿性環(huán)境；GFRP；BFRP；水泥復(fù)合板；界面粘結(jié)性能

近年來,對(duì)FRP增強(qiáng)復(fù)合水泥板作為永久性建筑施工模板的研究和應(yīng)用越來越多[1-5]。GFRP(玻璃纖維增強(qiáng)聚合物)和BFRP(玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物)是建筑工程中常采用的兩種纖維材料,GFRP具有重量輕、強(qiáng)度高、但耐堿性腐蝕差等特點(diǎn),BFRP具有電絕緣、耐高溫、耐腐蝕性好、但力學(xué)性能稍遜于GFRP的特點(diǎn)[6-9]；目前增強(qiáng)復(fù)合水泥板材中多采用GFRP類纖維。無論采用何種增強(qiáng)纖維,均需良好的界面粘結(jié)性能來保證復(fù)合水泥模板與混凝土共同工作,由于復(fù)合構(gòu)件在使用過程中不可避免會(huì)遭遇堿性環(huán)境,為了研究堿性環(huán)境對(duì)構(gòu)件界面粘結(jié)性能的影響,本文設(shè)計(jì)了GFRP增強(qiáng)水泥板/混凝土、BFRP增強(qiáng)水泥板/混凝土兩類復(fù)合試件,分別在5%NaOH溶液中浸泡不同齡期后再進(jìn)行推出試驗(yàn),通過對(duì)試件界面剪切應(yīng)力、相對(duì)滑移及界面應(yīng)變的實(shí)測(cè)分析,得到了兩類復(fù)合試件界面粘結(jié)性能的衰減規(guī)律,并對(duì)兩類纖維復(fù)合試件在堿性環(huán)境中的劣化性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)方案

1.1試件設(shè)計(jì)

兩類復(fù)合試件的形式相同,如圖1所示,外形尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm,兩側(cè)均為厚20 mm的FRP增強(qiáng)水泥復(fù)合板,中間澆筑混凝土,混凝土下方留40 mm高空隙。為了研究純粹自然粘結(jié)界面在堿性環(huán)境中的受侵蝕情況,所有試件界面均未采取任何增強(qiáng)粘結(jié)的輔助措施。水泥復(fù)合板的配合比(質(zhì)量比)為：水泥∶粉煤灰∶砂子∶減水劑∶偶聯(lián)劑=1∶0.25∶0.15∶0.007∶0.015,靠近水泥板上下表面處分別鋪設(shè)一層纖維網(wǎng)格布。GFRP增強(qiáng)水泥板采用低堿度水泥,BFRP增強(qiáng)水泥板采用普通硅酸鹽水泥。夾芯混凝土強(qiáng)度為C30,配合比為：水泥∶砂∶石∶水=1∶2.17∶3.62∶0.6。

對(duì)兩類復(fù)合試件均分別進(jìn)行不同齡期的堿性溶液侵蝕,然后進(jìn)行推出試驗(yàn)。

圖1 復(fù)合試件結(jié)構(gòu)形式(單位：mm)

1.2耐堿試驗(yàn)方案

采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20102—2006中用于評(píng)估玻璃纖維網(wǎng)格布抵抗堿性侵蝕能力的方法進(jìn)行耐堿試驗(yàn)[10]。配制5%NaOH溶液并把試件浸泡其中,試驗(yàn)周期分別選0 d、7 d、15 d、35 d及70 d,到達(dá)設(shè)定的試驗(yàn)齡期后,將試件從溶液中取出,用清水沖洗干凈并擦干,觀察記錄試件外表及界面變化情況,并于通風(fēng)處放置24 h后進(jìn)行推出剪切試驗(yàn)。試件類型及試驗(yàn)方案見表1。

表1 復(fù)合試件類型及耐堿試驗(yàn)方案

1.3 推出剪切試驗(yàn)方案

在試件兩側(cè)的FRP水泥板處及夾芯混凝土處分別布置3個(gè)位移計(jì),以便獲得界面的相對(duì)滑移；在FRP水泥板與夾芯混凝土的兩側(cè)粘結(jié)界面處布置應(yīng)變片,用以測(cè)試界面接縫部位的應(yīng)變,位移計(jì)及應(yīng)變片位置見圖1所示。在加載過程中,觀察試驗(yàn)現(xiàn)象,記錄界面抗剪承載力、粘結(jié)滑移與界面應(yīng)變的變化情況,并觀察復(fù)合試件的破壞狀態(tài),從而分析各種不同工況對(duì)纖維復(fù)合水泥板與混凝土界面粘結(jié)性能的影響。使用SANS壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合試件進(jìn)行推出剪切試驗(yàn),使用BETC-2205C無線靜態(tài)應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)加載方式見圖2。

圖2 推出試驗(yàn)加載方式

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1破壞形態(tài)

1) 堿性試驗(yàn)后復(fù)合試件中混凝土與水泥板的界面損傷形態(tài)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),兩類復(fù)合試件在5%NaOH溶液中浸泡后的外觀變化情況相似。浸泡7 d后兩類復(fù)合試件均未發(fā)現(xiàn)粘結(jié)裂縫,浸泡15 d后開始在試件頂部界面出現(xiàn)細(xì)小粘結(jié)裂縫,浸泡35 d后粘結(jié)裂縫明顯向下延伸,浸泡70 d的試件與浸泡35 d試件外觀無明顯差異。其中,BFRP類復(fù)合試件的粘結(jié)裂縫相對(duì)GFRP類試件更明顯,但差異不大。圖3為在堿性溶液中浸泡不同齡期后的部分試件圖片。

圖3 在堿性溶液中浸泡不同齡期后的復(fù)合試件形態(tài)

2) 復(fù)合試件的界面剪切破壞形態(tài)

試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),所有復(fù)合試件的最終界面剪切破壞形態(tài)相似,基本均為一側(cè)或兩側(cè)的水泥板與混凝土發(fā)生分離破壞。未經(jīng)堿性腐蝕的復(fù)合試件界面破壞時(shí),纖維復(fù)合水泥板底部有壓碎現(xiàn)象,且水泥板上粘結(jié)有剝離的混凝土；而經(jīng)過堿性腐蝕的復(fù)合試件破壞時(shí),兩側(cè)的水泥板與夾芯混凝土分離,且剝離破壞的水泥板表面光滑,水泥板與混凝土均未發(fā)生破壞,如圖4所示；不同之處是,隨浸泡齡期變化破壞時(shí)界面粘結(jié)強(qiáng)度及界面變形能力有所不同。

圖4 在堿性溶液中浸泡不同齡期后的復(fù)合試件界面剪切破壞形態(tài)

2.2界面剪切承載力

1) 實(shí)測(cè)界面剪切粘結(jié)強(qiáng)度及衰減規(guī)律

兩類復(fù)合試件通過剪切試驗(yàn)得到的界面平均剪切承載力、界面剪切應(yīng)力及強(qiáng)度保留率見表2,界面剪切承載力與在堿性溶液中浸泡齡期的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 復(fù)合試件界面剪切承載力與堿性侵蝕齡期關(guān)系

由表2及圖5可知,隨著在堿性溶液中浸泡齡期的增加,兩類纖維復(fù)合試件的界面剪切承載力呈現(xiàn)出類似的衰減趨勢(shì),均為在浸泡15 d齡期內(nèi),界面剪切強(qiáng)度衰減速率很大,強(qiáng)度損失率達(dá)80%左右,此后強(qiáng)度降低速率明顯減緩；耐堿試驗(yàn)進(jìn)行70 d后,界面剪切強(qiáng)度保留率僅為13%左右。還可發(fā)現(xiàn),BFRP類復(fù)合試件未經(jīng)堿性侵蝕的原始界面粘結(jié)強(qiáng)度與GFRP類試件相差并不大,但經(jīng)堿性侵蝕后BFRP類復(fù)合試件的界面強(qiáng)度保留率略低于GFRP類試件。

表2 在堿性溶液中浸泡不同齡期后復(fù)合試件的界面剪切應(yīng)力及剪切強(qiáng)度保留率

2) 界面剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨堿性侵蝕齡期的計(jì)算公式

為了得到更具有適用性的界面剪切粘結(jié)強(qiáng)度與堿性試驗(yàn)齡期間的計(jì)算公式,分別對(duì)兩類復(fù)合試件的剪切應(yīng)力與堿性試驗(yàn)齡期關(guān)系曲線進(jìn)行了擬合,由于兩類復(fù)合試件的應(yīng)力實(shí)測(cè)曲線規(guī)律性均較強(qiáng)且二者規(guī)律非常一致,故采用了同樣的兩段拋物線式計(jì)算模型,見公式(1)：

τ=A·d^2-B·d+C

(1)

式中τ為復(fù)合試件界面剪切應(yīng)力,d為復(fù)合試件在5%NaOH溶液中的浸泡天數(shù),A、B、C為常數(shù)。

通過參數(shù)取值變化來體現(xiàn)兩類復(fù)合試件的不同,通過曲線擬合得到的GFRP類復(fù)合試件與BFRP類復(fù)合試件的界面剪切粘結(jié)強(qiáng)度變化公式,分別見公式(2)和公式(3),兩類復(fù)合試件的剪切應(yīng)力實(shí)測(cè)變化曲線及擬合曲線分別見圖6和圖7,可看出,兩類復(fù)合試件的擬合曲線均與試驗(yàn)曲線吻合得非常好,同類情況下不具備試驗(yàn)條件時(shí),可采用給出的公式近似計(jì)算復(fù)合試件的界面剪切強(qiáng)度。

對(duì)GFRP類復(fù)合試件,帶入相應(yīng)參數(shù)后可得公式(2),即

(2)

對(duì)BFRP類復(fù)合試件,帶入?yún)?shù)后可得公式(3),即

(3)

圖6 GFRP復(fù)合試件剪切應(yīng)力變化曲線

2.3界面粘結(jié)滑移

兩類復(fù)合試件破壞時(shí)的界面相對(duì)滑移量見表3,相對(duì)滑移曲線分別見圖8和圖9。由圖表可知,隨著在堿性溶液中浸泡齡期的增長(zhǎng),兩類試件破壞時(shí)界面的相對(duì)滑移量均逐漸減小,經(jīng)歷7 d、15 d、35 d、70 d堿性侵蝕后,GFRP類復(fù)合試件的界面粘結(jié)滑移損失率分別為17%、43%、72%、78%；BFRP類復(fù)合試件的界面粘結(jié)滑移損失率分別為74%、91%、86%、93%；表明堿性侵蝕極大削弱了復(fù)合試件的界面粘結(jié)性能,且BFRP類復(fù)合試件的界面滑移損失率要高于GFRP類復(fù)合試件。

表3 在堿性溶液中浸泡不同齡期后復(fù)合試件的界面滑移及滑移損失率

圖8 GFRP復(fù)合試件粘結(jié)滑移曲線示意

圖9 BFRP復(fù)合試件粘結(jié)滑移曲線示意

2.4 界面剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

兩類復(fù)合試件在堿性溶液中浸泡不同齡期后的界面應(yīng)變見表4,相應(yīng)的剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線分別見圖10和圖11。由圖表可知,與界面強(qiáng)度及相對(duì)滑移規(guī)律類似,隨著浸泡齡期的增長(zhǎng),兩類復(fù)合試件破壞時(shí)的界面應(yīng)變也逐漸降低；未經(jīng)堿性侵蝕情況下,兩類復(fù)合試件的界面最大應(yīng)變均在200 με以上,經(jīng)過7 d、15 d、35 d、70 d的堿性侵蝕后,GFRP類復(fù)合試件的界面應(yīng)變分別降至166 με、121 με、110 με、60 με,BFRP類復(fù)合試件的界面應(yīng)變分別降為103 με、57 με、31 με、32 με。試驗(yàn)結(jié)果同樣表明了堿性環(huán)境對(duì)兩類復(fù)合試件的界面變形能力存在明顯劣化效應(yīng),其中BFRP類復(fù)合試件受到的劣化影響更顯著。

圖10 GFRP復(fù)合試件應(yīng)力應(yīng)變曲線示意

圖11 BFRP復(fù)合試件應(yīng)力應(yīng)變曲線示意

表4 在堿性溶液中浸泡不同齡期后復(fù)合試件的界面極限剪切應(yīng)力及應(yīng)變

3 結(jié)語

1) 隨著在堿性溶液中浸泡齡期的增加,GFRP類復(fù)合試件和BFRP類復(fù)合試件的界面剪切粘結(jié)性能均明顯劣化,且在堿性侵蝕15 d內(nèi)各項(xiàng)界面性能指標(biāo)均急劇衰減,其中強(qiáng)度損失率達(dá)80%左右,變形損失率達(dá)50%以上,之后衰減速度雖逐漸趨于穩(wěn)定,但各項(xiàng)指標(biāo)保留率已基本不足20%。

2) BFRP類復(fù)合試件未經(jīng)堿性侵蝕的原始界面粘結(jié)強(qiáng)度及變形性能與GFRP類試件相差不大,但經(jīng)堿性侵蝕后,不同齡期的BFRP類復(fù)合試件的界面強(qiáng)度及變形保留率均低于GFRP類試件。

3) 對(duì)于GFRP/BFRP增強(qiáng)水泥板與混凝土類復(fù)合構(gòu)件,在堿性侵蝕環(huán)境下完全依靠界面自然粘結(jié)是不可靠的,為了保證安全及復(fù)合構(gòu)件能夠更好協(xié)同工作,建議使用中設(shè)置更為可靠的界面抗剪連接措施。

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(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Study on Interfacial Bond Behavior between BFRP/GFRP Composite Cement Plate and Concrete under Alkaline Environment

WANG Zixin1, SONG Xiaoruan2, YAN Chao2

(1.China Water Resources Pearl River Planning Surveryinng &Designing Co.,Ltd , Guangzhou 510610，China; 2.School of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

In order to study the influence of alkaline environment on the interface of FPR reinforced cement slab and concrete, two types of composite specimens are designed, which are the GFRP reinforced cement slab / concrete and the BFRP reinforced cement slab / concrete. All composite specimens are immersed in 5% NaOH solution for 7 days, 15 days, 35 days and 70 days respectively. With the help of the push-out tests, it can be summarized the interfacial shear strength, relative slip and interfacial strain. Through analysis, the attenuation relationships of the interfacial bond properties are obtained, and the deterioration characteristics of the two kinds of fiber composite specimens are compared and analyzed. The tests indicate that all interfacial properties of these two types of fiber composite specimens are under abrupt degradation. The BFRP reinforced cement slab / concrete has worse degradation performance than the other.

Alkaline environment; GFRP; BFRP; cement composite plate; interfacial bond properties

TU502

2016-10-20;

2016-10-29 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助(編號(hào):51208006)。

王自新(1974),男,博士,高級(jí)工程師,從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。