GFRP筋與珊瑚混凝土黏結(jié)性能的試驗(yàn)研究

王 磊， 毛亞東， 陳 爽， 李 威， 谷文慧

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004；2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004)

相關(guān)研究和工程實(shí)踐表明，海水拌養(yǎng)珊瑚碎屑混凝土在遠(yuǎn)海島礁建設(shè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值.目前國內(nèi)外對(duì)珊瑚混凝土已經(jīng)開展了許多研究，美國學(xué)者Ehlert[1]討論了珊瑚混凝土的合理配合比并證明其具有較好的耐久性；印度學(xué)者Arumugam等[2]研究表明珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期增加而增長，但在早期發(fā)展較快，后期則增長緩慢；日本學(xué)者Tehada等[3]、Wattanachai等[4]研究了珊瑚骨料中氯離子與鋼筋銹蝕的問題；王磊等[5-6]對(duì)珊瑚骨料混凝土的基礎(chǔ)性能及纖維增強(qiáng)塑料(FRP)筋應(yīng)用等方面進(jìn)行了分析研究.由于珊瑚混凝土含有的大量鹽分容易引發(fā)鋼筋銹蝕，使珊瑚混凝土的應(yīng)用受到了較多限制.采用具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕等特點(diǎn)的FRP筋可以有效解決鋼筋銹蝕引發(fā)的耐久性問題，但FRP筋與珊瑚混凝土間黏結(jié)行為的研究缺失影響了FRP筋珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)性能的分析及工程應(yīng)用.

已有FRP筋與混凝土黏結(jié)性能的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，在描述濕熱海洋環(huán)境下FRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)滑移及劣化、破壞機(jī)理等方面存在明顯的局限性.因此，本文開展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)筋與珊瑚混凝土黏結(jié)性能的拉拔試驗(yàn)研究，對(duì)GFRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)破壞受力過程和黏結(jié)-滑移曲線特征進(jìn)行分析，并揭示保護(hù)層厚度、黏結(jié)長度和珊瑚混凝土材料特性等因素對(duì)兩者黏結(jié)強(qiáng)度的影響.

1 黏結(jié)滑移試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)筋材為浙江生產(chǎn)的帶肋GFRP筋，其直徑d分別為6,12mm，表面形式如圖1所示，力學(xué)性能見表1所示.試驗(yàn)用珊瑚混凝土的擬配強(qiáng)度等級(jí)為C20，為實(shí)驗(yàn)室配合比，采用的粗骨料為北海潿洲島上分布的普通碎石型珊瑚礁碎屑；水泥為P·O 32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為普通天然河砂，含水率*本文所涉及的含水率、摻量及水灰比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.2.84%；拌和水采用人工海水，含鹽率3.5%.澆筑拉拔試件的同時(shí)，預(yù)留6個(gè)邊長為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d， 用以測(cè)定珊瑚混凝土的28d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2.

表1 GFRP筋的力學(xué)性能

圖1 GFRP筋的表面形式Fig.1 GFRP bar and its surface condition

ConcretestrengthWater-cementratioCubecompressivestrengthat28d/MPaSplittingtensilestrengthat28d/MPaC200.4722.52.01

拉拔試件的保護(hù)層厚度c設(shè)計(jì)為25，30，35mm， 標(biāo)準(zhǔn)黏結(jié)試塊參照Canadian Standards Association(CSA)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)定[7]，尺寸為150mm×150mm×150mm.試驗(yàn)澆筑A，B兩組共36個(gè)帶肋GFRP筋-珊瑚混凝土黏結(jié)試件，其中A組試件相對(duì)保護(hù)層厚度c/d=4.17，5.00，5.83，相對(duì)黏結(jié)長度l/d=8，12，20，用以分析相對(duì)保護(hù)層厚度和相對(duì)黏結(jié)長度對(duì)試件黏結(jié)性能的影響；B組試件相對(duì)保護(hù)層厚度c/d=2.01，2.50，2.92，相對(duì)黏結(jié)長度l/d=8，用以分析相對(duì)保護(hù)層厚度較小時(shí)試件的黏結(jié)性能.試件編號(hào)由Gd-l-c共3部分組成，其中Gd表示GFRP筋直徑，l表示黏結(jié)長度，c表示珊瑚混凝土保護(hù)層厚度.為避免加載端的混凝土應(yīng)力集中，將黏結(jié)段設(shè)置在自由端，未黏結(jié)段設(shè)置在加載端，用塑料套管將GFRP筋與珊瑚混凝土隔離并調(diào)整黏結(jié)長度，如圖2所示.

圖2 拉拔試件尺寸Fig.2 Size of poll-out specimen(size:mm)

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)的加載拉拔輔助裝置如圖3所示.該裝置由高強(qiáng)螺桿、角鋼和方形鋼墊板組成，鋼板中心有對(duì)準(zhǔn)孔，以避免試件受拉時(shí)出現(xiàn)偏心受力.加載方式參照CSA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的要求，試驗(yàn)中分別測(cè)量GFRP筋自由端的絕對(duì)滑移值和鋼板的變形量，二者之差即為GFRP筋自由端的相對(duì)滑移值.記錄荷載、位移讀數(shù)以及試驗(yàn)現(xiàn)象.當(dāng)發(fā)生珊瑚混凝土劈裂、自由端滑移量超過45mm或者GFRP筋斷裂等情況時(shí)試驗(yàn)結(jié)束.

圖3 拉拔試驗(yàn)裝置Fig.3 Set-up of pull-out test

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

假設(shè)黏結(jié)應(yīng)力沿GFRP筋埋長均勻分布，GFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度定義為在黏結(jié)長度內(nèi)黏結(jié)應(yīng)力的平均值，即拉拔力除以GFRP筋埋長部分表面積，公式為τ=P/πdl，式中：τ為平均黏結(jié)應(yīng)力；P為拉拔力.

2.1 破壞形態(tài)分析

不同于中心拉拔試驗(yàn)，采用不同保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)的試件更加貼近結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)，其破壞模式可分為GFRP筋拔出、斷裂和混凝土劈裂3種情況，具體破壞模式主要取決于GFRP筋-混凝土的黏結(jié)應(yīng)力、GFRP筋極限拉應(yīng)力、混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度等各因素之間的極限應(yīng)力大小.

(1)GFRP筋拔出破壞.相對(duì)保護(hù)層厚度c/d≥4.17的A組試件均未出現(xiàn)混凝土劈裂破壞且觀察不到裂縫產(chǎn)生.當(dāng)黏結(jié)長度小于20d時(shí)，試件破壞形式主要表現(xiàn)為GFRP筋的拔出破壞.加載端GFRP筋在加載初期便發(fā)生滑移，自由端未出現(xiàn)滑移，此時(shí)化學(xué)膠著力為黏結(jié)力主要來源；荷載繼續(xù)增大后，自由端出現(xiàn)相對(duì)滑移，黏結(jié)力主要來源轉(zhuǎn)變?yōu)镚FRP筋橫肋與周圍珊瑚混凝土的機(jī)械咬合力和摩擦力；隨著拉拔力的繼續(xù)增大，GFRP筋逐漸從試塊中拔出，如圖4所示.

圖4 拔出破壞Fig.4 Pull-out failure

(2)GFRP筋斷裂破壞.黏結(jié)長度為20d的試件主要發(fā)生GFRP筋斷裂破壞.加載后期可以聽到纖維與樹脂的剝離聲，最后隨著“啪”的一聲，GFRP筋斷裂，試件破壞.加載后期自由端雖有少量滑移但未繼續(xù)發(fā)展，珊瑚混凝土中未觀察到有裂縫產(chǎn)生.發(fā)生此類破壞的原因是隨黏結(jié)長度增加，GFRP筋-珊瑚混凝土的黏結(jié)力已經(jīng)大于GFRP筋的極限拉應(yīng)力，使GFRP筋斷裂破壞，如圖5所示.

圖5 斷裂破壞Fig.5 Fracture failure

(3)混凝土劈裂破壞.相對(duì)保護(hù)層厚度c/d≤2.92的B組試件，以珊瑚混凝土劈裂破壞為主.隨著荷載的增加，裂縫通常在保護(hù)層厚度較小一側(cè)產(chǎn)生，開裂后若拉拔力繼續(xù)增加，則裂縫將沿珊瑚混凝土保護(hù)層厚度較小的對(duì)稱面迅速貫穿至整個(gè)試件，珊瑚混凝土劈裂破壞，如圖6所示.對(duì)于直徑較大的GFRP筋，由于筋肋作用在混凝土周圍產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力也較大，當(dāng)其超過混凝土的極限拉應(yīng)力時(shí)，通常在混凝土薄弱部位最先出現(xiàn)裂縫甚至劈裂.試驗(yàn)中，部分試塊裂縫并沒有出現(xiàn)在保護(hù)層相對(duì)較薄的位置，而是沿試件對(duì)角線方向或橫向產(chǎn)生裂縫.

圖6 劈裂破壞Fig.6 Splitting failure

圖7為GFRP筋拔出破壞試件斷面圖.與鋼筋-混凝土的黏結(jié)破壞存在顯著不同，在拔出的GFRP筋黏結(jié)段上，可清楚觀察到GFRP筋橫肋被嚴(yán)重磨損而變得光滑，混凝土黏結(jié)面上也有明顯的摩擦痕跡.原因主要是GFRP筋抗剪強(qiáng)度不高，且筋表面硬度低于珊瑚混凝土，在產(chǎn)生相對(duì)滑移時(shí)，GFRP筋橫肋易被剪切磨損，從而降低了兩者間的機(jī)械咬合力和摩擦力，而鋼筋表面的硬度和抗剪強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于混凝土，所以鋼筋-混凝土的破壞一般發(fā)生在混凝土基體中.

圖7 試件斷面圖Fig.7 Sectional view of the specimen

2.2 受力過程

試驗(yàn)結(jié)果表明，GFRP筋-珊瑚混凝土拉拔試驗(yàn)的受力過程及試驗(yàn)現(xiàn)象與FRP筋-普通混凝土相似，其典型黏結(jié)-滑移曲線(τ-s曲線)如圖8所示.根據(jù)τ-s曲線特征，可以將其大致分為4個(gè)階段：(1)微滑移階段.在拉拔試驗(yàn)的初始階段，滑移量較小，曲線接近線性，此時(shí)二者間的化學(xué)膠著力為黏結(jié)應(yīng)力主要來源.(2)滑移階段.隨著荷載增加，滑移量增長加快，曲線呈現(xiàn)出非線性特征并趨于平緩，黏結(jié)應(yīng)力主要來源轉(zhuǎn)變?yōu)镚FRP筋橫肋與周圍珊瑚混凝土間的機(jī)械咬合力和摩擦力.(3)下降階段.峰值過后的較短時(shí)間內(nèi)，黏結(jié)應(yīng)力下降緩慢，隨著GFRP筋橫肋逐漸被磨損，楔塊效應(yīng)減弱，摩擦力也逐漸減小，曲線迅速進(jìn)入下降階段，滑移量大幅增加，直到滑移量接近GFRP筋的1個(gè)肋間距，這表明1個(gè)橫肋被拔出的過程.此階段黏結(jié)應(yīng)力的主要來源為摩擦力和部分機(jī)械咬合力.(4)殘余階段.滑移量繼續(xù)增加，黏結(jié)應(yīng)力回升，曲線呈現(xiàn)出往復(fù)上升和下降的衰減過程，應(yīng)力峰值逐漸減小，直至GFRP筋被完全拔出.在殘余階段，GFRP筋橫肋不斷被剪切磨損，但殘余機(jī)械咬合力和摩擦力仍能提供一定黏結(jié)力.

圖8 拔出破壞試件的典型τ -s曲線Fig.8 Typical bond-slip curve of pull-out failure specimen

FRP筋與鋼筋、珊瑚混凝土與普通混凝土在力學(xué)性能等方面存在較大差異，導(dǎo)致不同類型黏結(jié)試件的τ-s曲線特征存在明顯不同，如圖9所示，其中參考文獻(xiàn)[8-10]的黏結(jié)試件類型分別為GFRP筋- 普通混凝土、碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)筋-普通混凝土和鋼筋-普通混凝土.由圖9可見：(1)帶肋GFRP筋-珊瑚混凝土試件G12-12d-35的τ-s曲線特征與FRP筋-普通混凝土相似，而與鋼筋-普通混凝土有較大差異；試件G12-12d-35殘余段表現(xiàn)為不斷上升—衰減的曲線，且相鄰波峰或波谷之間的距離近似等于GFRP筋的1個(gè)肋間距，而鋼筋-普通混凝土殘余段曲線趨于平緩；(2)鋼筋-普通混凝土τ-s曲線的上升段斜率明顯較大，主要是因?yàn)殇摻钆cFRP筋兩者的彈性模量相差較大，F(xiàn)RP筋的彈性模量約為鋼筋的25%～75%[11]；(3)在τ-s曲線上升段的初始階段，GFRP筋-珊瑚混凝土的曲線斜率略小于GFRP筋-普通混凝土，即對(duì)于相同的黏結(jié)強(qiáng)度，珊瑚混凝土對(duì)應(yīng)的滑移量較大，這主要是由于珊瑚混凝土的彈性模量低于普通混凝土[5]，相同應(yīng)力下珊瑚混凝土應(yīng)變更大所致；(4)GFRP筋 -珊瑚混凝土的殘余黏結(jié)應(yīng)力峰值約為其極限黏結(jié)應(yīng)力的60%～80%，F(xiàn)RP筋-普通混凝土的殘余黏結(jié)應(yīng)力峰值約為其極限黏結(jié)應(yīng)力的50%～ 60%[8]，鋼筋-普通混凝土則約為20%～40%[12].

圖9 不同類型黏結(jié)試件τ -s曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of bond-slip curves for different bonded specimens

3 黏結(jié)強(qiáng)度影響因素分析

3.1 珊瑚混凝土保護(hù)層厚度

相對(duì)保護(hù)層厚度對(duì)試件的破壞模式影響明顯，相對(duì)保護(hù)層厚度較小的B組試件，當(dāng)GFRP筋橫肋對(duì)周圍珊瑚混凝土產(chǎn)生斜向擠壓力的徑向分力大于珊瑚混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在其黏結(jié)-滑移曲線上升段會(huì)因保護(hù)層劈裂而突然破壞，對(duì)應(yīng)的黏結(jié)-滑移曲線如圖10(a)所示.由圖10(a)可見，當(dāng)B組試件的c/d由2.08d增加到2.92d時(shí)，其平均黏結(jié)應(yīng)力由9.97MPa增加到12.52MPa，這表明適當(dāng)增大保護(hù)層厚度，可以提高GFRP筋外圍珊瑚混凝土的抗劈裂能力，進(jìn)而提高GFRP筋-珊瑚混凝土的黏結(jié)性能.

隨著保護(hù)層厚度的增加，試件破壞模式逐漸表現(xiàn)為GFRP筋拔出或斷裂.相對(duì)保護(hù)層厚度較大的A組試件均未出現(xiàn)劈裂破壞，其平均黏結(jié)應(yīng)力隨保護(hù)層厚度變化曲線如圖10(b)～(d)所示.結(jié)果表明，增大試件的保護(hù)層厚度，可增強(qiáng)GFRP筋外圍珊瑚混凝土的抗劈裂能力和黏結(jié)性能；疊加外圍混凝土對(duì)GFRP筋-珊瑚混凝土界面區(qū)的約束效應(yīng)，最終使試件的平均黏結(jié)應(yīng)力得到不同程度的提高，且黏結(jié)長度較短時(shí)該增強(qiáng)效果明顯，當(dāng)黏結(jié)長度或保護(hù)層厚度增加到一定程度時(shí)，該增強(qiáng)作用逐漸減弱.

圖10 保護(hù)層厚度對(duì)試件黏結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.10 Effect of cover layer thickness on bond strength of specimens

3.2 黏結(jié)長度

圖11為黏結(jié)長度對(duì)試件黏結(jié)強(qiáng)度的影響.由圖11可見，與FRP筋-普通混凝土相同，GFRP筋-珊瑚混凝土的黏結(jié)應(yīng)力峰值隨黏結(jié)長度增加而明顯降低，當(dāng)黏結(jié)長度由8d增加到12d時(shí)，黏結(jié)應(yīng)力峰值降低了15.30%；當(dāng)黏結(jié)長度由8d增加到20d時(shí)，黏結(jié)應(yīng)力峰值降低了30.33%.黏結(jié)應(yīng)力沿GFRP筋黏結(jié)長度的分布并不均勻，當(dāng)黏結(jié)長度較短時(shí)，高應(yīng)力區(qū)相對(duì)較長，平均黏結(jié)應(yīng)力較大；黏結(jié)長度較長時(shí)，高應(yīng)力區(qū)相對(duì)較短，平均黏結(jié)應(yīng)力較小[13].圖12反映了相對(duì)黏結(jié)長度l/d與筋材應(yīng)力σ的關(guān)系，其中引用了參考文獻(xiàn)[10，14-15]中FRP筋-普通混凝土試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù).由圖12可以看出：隨著相對(duì)黏結(jié)長度的增加，GFRP筋的最大應(yīng)力不斷增加，總黏結(jié)力逐漸變大，但這種趨勢(shì)在黏結(jié)長度達(dá)到一定程度后趨緩，試件破壞形式也逐漸由筋被拔出轉(zhuǎn)變?yōu)榻畈臄嗔?因此，在保證珊瑚混凝土保護(hù)層厚度的前提下，直徑較小的GFRP筋的最小黏結(jié)長度可取為20d，而直徑較大的GFRP筋因平均黏結(jié)應(yīng)力較小，所以應(yīng)適當(dāng)增加其黏結(jié)長度.

圖11 黏結(jié)長度對(duì)試件黏結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.11 Effect of bond length on bond strength of specimens

圖12 相對(duì)黏結(jié)長度與筋材應(yīng)力關(guān)系Fig.12 Relationship between relative bond length and stress of FRP bars

3.3 材性

與普通鋼筋相比，F(xiàn)RP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度較低，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)超過一定范圍后，黏結(jié)破壞主要發(fā)生在FRP筋表面，提高混凝土強(qiáng)度對(duì)二者間黏結(jié)強(qiáng)度影響并不顯著[12].在黏結(jié)條件相近的情況下，GFRP筋-珊瑚混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度低于GFRP筋-普通混凝土黏結(jié)試件[11]，且滑移量較大.此外，對(duì)于FRP筋-普通混凝土黏結(jié)試件，當(dāng)相對(duì)保護(hù)層厚度c/d≤4.5時(shí)易發(fā)生劈裂破壞[9]，而本文A組中的對(duì)應(yīng)試件未發(fā)生劈裂破壞，這主要是因?yàn)樯汉鞴橇闲阅芘c普通碎石骨料性能存在著較大差異所致.在GFRP筋與珊瑚混凝土產(chǎn)生相對(duì)滑移后，筋橫肋與混凝土間的機(jī)械咬合力是黏結(jié)力的主要來源，具有輕質(zhì)疏松、多孔、易碎、強(qiáng)度和彈性模量低等特點(diǎn)的珊瑚骨料在受到擠壓時(shí)，肋前的珊瑚骨料混凝土易破碎變形，機(jī)械咬合力降低，造成其總黏結(jié)力低于普通混凝土，進(jìn)而導(dǎo)致GFRP筋在珊瑚混凝土中更易被拔出，GFRP筋與珊瑚混凝土間的相對(duì)滑移也較近似條件下的GFRP筋-普通混凝土來得更早，滑移量更大.此外，需要特別提出的是，GFRP筋的肋間距、肋高等筋表面狀況對(duì)試件的黏結(jié)性能影響顯著.由于本文采用的6mm筋的肋間距相對(duì)較大，筋被拔出時(shí)，肋間混凝土應(yīng)力重新分布，減緩了楔塊效應(yīng)的增長速度，因此產(chǎn)生了更大的滑移量[16].

4 結(jié)論

(1)GFRP筋-珊瑚混凝土的受力過程及試驗(yàn)現(xiàn)象與FRP筋-普通混凝土相似，其τ-s曲線可大致分為微滑移段、滑移段、下降段和殘余段這4個(gè)階段，其黏結(jié)強(qiáng)度能夠滿足一般工程需要.

(2)GFRP筋-珊瑚混凝土的平均黏結(jié)應(yīng)力隨相對(duì)保護(hù)層厚度增加而相應(yīng)增加，隨黏結(jié)長度增加而顯著減小.相對(duì)保護(hù)層厚度較小時(shí)，試件發(fā)生劈裂破壞；相對(duì)保護(hù)層厚度較大時(shí)，隨黏結(jié)長度增加，破壞形式逐漸由筋被拔出轉(zhuǎn)變?yōu)榻畈臄嗔?

(3)拔出破壞中，破壞特征表現(xiàn)為GFRP筋橫肋被剪切磨損而變得光滑，珊瑚混凝土黏結(jié)面有明顯摩擦痕跡.GFRP筋表面狀況以及基體的表面硬度與抗剪強(qiáng)度對(duì)試件的黏結(jié)強(qiáng)度影響較大.

(4)珊瑚混凝土與普通混凝土材料性能存在一定差異，相對(duì)于普通碎石骨料，珊瑚骨料具有輕質(zhì)疏松、多孔、易碎、強(qiáng)度和彈性模量低等特點(diǎn)，從而造成GFRP筋-珊瑚混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度低于GFRP筋-普通混凝土，且滑移量較大.

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