海水海砂再生混凝土與玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋黏結(jié)性能

肖建莊， 廖清香， 張青天， 強(qiáng)成兵, 柳 獻(xiàn)

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)服役性能演化與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

混凝土是建筑結(jié)構(gòu)的主要材料，制備混凝土的原材料包括砂石骨料、淡水以及膠凝材料，而在其生產(chǎn)制作和施工過程中消耗了大量的自然資源和能源，并排放了大量的CO2，對環(huán)境造成了嚴(yán)重影響.目前我國河砂、淡水資源缺乏，且原材料的獲取很大程度受限于地理位置，在我國經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的東部沿海地區(qū)，有大量工程建設(shè)，但大多比較缺乏原材料.考慮到沿海地區(qū)以及海島有豐富的海水、海砂資源儲(chǔ)備，合理有效地利用海水、海砂資源制備混凝土無論是在環(huán)境還是經(jīng)濟(jì)方面都有很大效益.同時(shí)，將再生粗骨料作為生產(chǎn)原料加入到混凝土的制作中，可以實(shí)現(xiàn)資源的最大化有效利用.由于海水、海砂中存在著大量氯鹽，鋼筋不宜用于海水海砂混凝土中，而采用纖維增強(qiáng)塑料(FRP)可以有效解決這個(gè)問題.

海砂相較于河砂主要不同之處在于海砂中含有較高的貝殼含量，使混凝土的工作性能，強(qiáng)度有所下降，對收縮徐變亦有影響[1-4].海水中含有較多的Cl-以及SO42-對混凝土的強(qiáng)度也有一定的影響[5-6].因此，采用海水海砂將影響混凝土的基本性能.FRP對混凝土可以起到約束作用[7]以及加筋作用[8]，其中采用FRP筋作為加筋材料時(shí)，F(xiàn)RP與混凝土間的黏結(jié)性能是兩者共同工作的基礎(chǔ)，也是影響FRP筋混凝土構(gòu)件破壞形態(tài)、受力性能和變形能力等的重要因素.目前FRP與普通混凝土間的黏結(jié)性能已有較為系統(tǒng)的研究，這些研究表明FRP黏結(jié)應(yīng)力的組成和傳遞機(jī)理與鋼筋相似[9]，影響FRP黏結(jié)性能包括[10]：混凝土的強(qiáng)度等級、保護(hù)層厚度、錨固長度、FRP外形以及構(gòu)造方式等.由于海水、海砂、再生粗骨料的使用，會(huì)對混凝土的性能有一定影響[11]，且對于FRP筋與海水海砂再生混凝土黏結(jié)性能的研究尚屬空白.因此，本文基于一系列的試驗(yàn)對玻璃纖維增強(qiáng)塑料(glass-fiber-reinforced polymer,GFRP)筋與海水海砂再生混凝土的黏結(jié)性能進(jìn)行了研究與分析.

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料如下：①海砂：福建海砂，基本性能見表1.②海水：依據(jù)美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)關(guān)于海水制備規(guī)程[12]中所給的化學(xué)成分配而得，其中含量在0.1 g·L-1以下化學(xué)物質(zhì)忽略不計(jì)，具體化學(xué)物含量見表2.③天然粗骨料：4.75～31.5 mm天然石子；④再生粗骨料：4.75～31.5 mm再生粗骨料，為上海再生粗骨料廠提供，基本性能見表3；⑤水泥：海螺牌，等級為42.5；⑥減水劑：聚羧酸高效減水劑；⑦GFRP筋：南京鋒暉復(fù)合材料有限公司提供的帶肋GFRP筋，肋高為3 mm，肋間距14 mm，基本性能見表4.

表1 海砂基本性能Tab.1 Basic properties of sea sand

表2 海水中化學(xué)物質(zhì)含量Tab.2 Chemicals in seawater

表4 GFRP筋材料性能Tab.4 Material properties of GFRP bars

2 試驗(yàn)方案

本次拔出試驗(yàn)共分為2組：

(1)研究不同種類的混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)性能，水灰比固定為0.47(對應(yīng)普通混凝土強(qiáng)度等級為C30).立方體試件：150 mm×150 mm×150 mm，每組制作6個(gè)，其中3個(gè)用于中心拔出試驗(yàn)，3個(gè)用于測量混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，其配合比見表5.表中，NAC表示天然混凝土，RAC表示再生混凝土，SSNAC表示海水海砂天然混凝土，SSRAC表示海水海砂再生混凝土(下同).

(2)研究不同強(qiáng)度等級的海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系，其中變化水灰比為0.52，0.47，0.4以及0.37(分別對應(yīng)普通混凝土強(qiáng)度等級為：C20、C30、C40、C50).立方體試件：150 mm×150 mm×150 mm，每組制作6個(gè)，其中3個(gè)用于中心拔出試驗(yàn)，3個(gè)用于測量混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，其配合比見表6.

表5 不同種類C30混凝土配合比Tab.5 Mix proportion of different C30 concrete

表6 不同強(qiáng)度混凝土配合比Tab.6 Mix proportion of concrete with different strength grades

混凝土采用小攪拌機(jī)拌制，攪拌均勻后澆筑到木模內(nèi)振搗密實(shí).不同強(qiáng)度的海水海砂混凝土實(shí)測塌落度為：SSRAC20：35 mm、SSRAC30：110 mm、SSRAC40：130 mm、SSRAC50：120 mm.塌落度實(shí)測結(jié)果表明，減水劑仍可以明顯調(diào)控海水海砂混凝土的工作性能.混凝土的黏聚性和保水性良好.養(yǎng)護(hù)28 d，每天上下午分別灑水、覆蓋濕薄膜來進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

圖1 標(biāo)準(zhǔn)立方體拔出試驗(yàn)試件 (單位：mm)Fig.1 Specimens of standard cube pull-out tests (unit: mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 破壞模式與分析

試驗(yàn)過程中GFRP筋未出現(xiàn)明顯滑移，所有試件均為混凝土突然發(fā)生劈裂破環(huán).由于在達(dá)到最大黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，混凝土突然劈裂，此時(shí)固定在GFRP筋端部的位移計(jì)由于震動(dòng)而掉落，因此黏結(jié)-滑移曲線只有上升段，而沒有下降段，部分混凝土試件劈裂為三塊，部分劈裂為兩塊，如圖3所示.

圖2 標(biāo)準(zhǔn)立方體拔出試驗(yàn)裝置Fig.2 Set-up of standard cube pull-out tests

GFRP筋與混凝土的黏結(jié)作用主要由三部分組成，即GFRP筋與混凝土之間的化學(xué)膠著力、接觸面上的摩擦力以及GFRP筋通過表面變形處理與混凝土產(chǎn)生的機(jī)械咬合力[14].

對于本試驗(yàn)而言，采用的是帶肋GFRP筋，試驗(yàn)剛開始施加荷載時(shí)，起主要作用的是化學(xué)膠著力和摩擦力；隨著荷載的增加，肋前由于縱向擠壓作用形成楔形塊，一個(gè)肋間距范圍內(nèi)的混凝土受到的作用力有：鋼筋對混凝土的擠壓應(yīng)力P，滑移面上的摩擦應(yīng)力μP，μ為摩擦系數(shù)，如圖4所示.圖中，θ為滑移面切向與鋼筋縱向的夾角，d為筋直徑，c混凝土外表面到筋中心距離.將P和μP分別沿縱向和徑向分解，二者的縱向分量之和形成黏結(jié)應(yīng)力τu，徑向分力即為環(huán)向拉力σρ.當(dāng)環(huán)向拉力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土中產(chǎn)生環(huán)向裂縫，裂縫發(fā)展到混凝土表面時(shí)，則形成試驗(yàn)中所看到的劈裂裂縫,進(jìn)而破壞[15-16].

a 破壞截面b 劈裂為兩塊c 劈裂為三塊

圖3試件破壞模式

Fig.3Failuremodeofspecimens

圖4 混凝土受力分析模型[15]Fig.4 Stress analysis model of concrete[15]

根據(jù)高等混凝土結(jié)構(gòu)理論[17]，肋前楔形塊的產(chǎn)生與筋材的肋高h(yuǎn)和間距m比值有關(guān).其機(jī)理如圖5所示：

a 肋間距較小時(shí)

b 肋間距較大時(shí)

當(dāng)肋過高和間距過小時(shí)(圖5a)，剪應(yīng)力會(huì)控制黏結(jié)性能，筋材被拔出；當(dāng)肋的間距大于肋高時(shí)(圖5b)，局部壓碎的混凝土就可能在肋前形成一個(gè)楔形塊，進(jìn)而使周圍混凝土產(chǎn)生劈裂破壞.與以上機(jī)理相似，肋間距和高度的比值是控制GFRP筋與混凝土的黏結(jié)劈壞模式的重要因素，本次試驗(yàn)用GFRP筋材肋間距和高度的比值為4.76.

3.2 主要試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括預(yù)留混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度、混凝土與GFRP筋的最大黏結(jié)強(qiáng)度，見表7.

表7 混凝土試件基本力學(xué)性能Tab.7 Basic mechanical properties of concrete specimens

由表7可知，第一組實(shí)驗(yàn)，對于相同水灰比，再生粗骨料的使用降低了混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)強(qiáng)度，比普通混凝土與GFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度低17%；海水海砂混凝土與普通混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度相近，海水海砂對于混凝土黏結(jié)性能的影響不明顯.同樣地，海水海砂再生混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度較普通混凝土也有較大的降低，為普通混凝土的83%.另外，相對黏結(jié)強(qiáng)度均在0.5左右，而再生混凝土與GFRP筋之間的相對黏結(jié)強(qiáng)度高于普通混凝土與GFRP筋的相對黏結(jié)強(qiáng)度，可能是因?yàn)樵偕止橇媳砻姘嗌皾{，使再生粗骨料與新的水泥砂漿之間彈性模量相差較小，界面結(jié)合可能得到加強(qiáng).同時(shí)，再生粗骨料表面的許多微裂縫會(huì)吸入新的水泥顆粒使接觸區(qū)的水化更加完全，形成致密的界面結(jié)構(gòu)[18].

第二組實(shí)驗(yàn)，對于海水海砂再生混凝土，其黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度增加而增加，與普通混凝土規(guī)律類似.相對黏結(jié)強(qiáng)度均在0.5左右.

4 試驗(yàn)分析

4.1 混凝土組分對黏結(jié)滑移曲線影響

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到每組混凝土的自由端黏-結(jié)滑移曲線，不同組分混凝土黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線以及量綱一黏結(jié)-滑移曲線如圖6和圖7所示，其中τu、su為極限黏結(jié)強(qiáng)度和相對應(yīng)的極限滑移.

圖6 不同組分混凝土黏結(jié)應(yīng)力滑移曲線Fig.6 Bond stress-slip curves of concrete with different concretes

圖7 不同組分混凝土量綱一黏結(jié)滑移曲線Fig.7 Non-dimensional bond-slip curves of concrete with different concretes

由圖7可知，普通混凝土與海水海砂混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線基本重合，再生混凝土與海水海砂再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線基本重合.可得海水海砂的使用對混凝土與GFRP筋的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系影響不大，因此對于海水海砂混凝土的黏結(jié)-滑移曲線的上升段可以采用與普通混凝土相同的本構(gòu)關(guān)系模型.同時(shí)表明，海水海砂中的少量貝殼等雜質(zhì)并不會(huì)影響混凝土與GFRP筋的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系，對于海砂中貝殼含量變化對混凝土的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系可能產(chǎn)生的影響需要進(jìn)一步的研究.而再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線略高于普通混凝土量綱一黏結(jié)-滑移曲線，曲線與橫軸所圍成的面積較大，說明再生混凝土在黏結(jié)-滑移過程吸收的能量較大，這主要是由于再生粗骨料與新的水泥砂漿之間彈性模量相差較小，骨料對水泥石的變形約束較小，這種“彈性協(xié)調(diào)”延緩微裂縫的發(fā)展[19].

4.2 黏結(jié)強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度關(guān)系

ACI 440.1R-06[20]中給出黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如下：

(1)

在本試驗(yàn)中，GFRP筋直徑保持不變，為14 mm，混凝土外表面到GFRP筋中心距離為75 mm，黏結(jié)長度為70 mm，因此，

(2)

即：

(3)

(4)

因此黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系可表示為

(5)

本文中，不同強(qiáng)度等級海水海砂再生混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度見表7.

對ACI 440.1R-06[20]給出的黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的公式添加修正系數(shù)a，可表示為

(6)

(7)

同時(shí)，給出另一種黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的公式，表示為

(8)

式中：b為指數(shù).

圖8顯示了使用不同公式對混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土的抗壓強(qiáng)度關(guān)系的擬合結(jié)果.

圖8 海水海砂再生混凝土黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.8 Relationship between bond strength and compressive strength of SSRAC

表8給出了不同的擬合方程的相關(guān)系數(shù)，可以看出相對使用ACI推薦的公式，使用相關(guān)劈裂抗拉強(qiáng)度公式進(jìn)行擬合，有著更好的決定系數(shù).

表8黏結(jié)強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系各擬合方程的決定系數(shù)

Tab.8Coefficientofdeterminationofthefittedequationsfortherelationshipbetweenbondstrengthandcompressivestrength

擬合方程τu=3.26fcuτu=1.30f0.75cuτu=0.32f1.13cu決定系數(shù)R20.680.870.97

4.3 黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

對于不同強(qiáng)度等級(水灰比)海水海砂再生混凝土的GFRP筋自由端的黏結(jié)-滑移曲線進(jìn)行處理，不同強(qiáng)度的海水海砂再生混凝土的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線與量綱一黏結(jié)-滑移曲線如圖9和圖10所示.

由圖9可以看出，在加載早期，隨著混凝土的強(qiáng)度等級增大，相同的滑移量對應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力越小，隨著端部滑移的逐漸增加，相同滑移條件下，強(qiáng)度較高的混凝土的黏結(jié)應(yīng)力逐漸增大，增長速率超過強(qiáng)度較低的混凝土.與其他混凝土類似，海水海砂再生混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度隨著混凝土的抗壓強(qiáng)度增大而提高.

由圖10可知，4種不同立方體抗壓強(qiáng)度的混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線有較大的差異，表明海水海砂再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線與混凝土的抗壓強(qiáng)度有關(guān).當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級小于C50時(shí)，海水海砂再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線整體趨勢較為一致，呈凸形；而混凝土強(qiáng)度等級為C50時(shí)，量綱一黏結(jié)-滑移曲線呈凹形，黏結(jié)-滑移曲線與橫軸所圍成的面積明顯減小，說明黏結(jié)滑移過程吸收的能量減小.這是由于與普通混凝土類似，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C50及以上時(shí)，混凝土的脆性性能更為明顯.

圖9 海水海砂再生混凝土黏結(jié)應(yīng)力滑移曲線Fig.9 Bond stress-slip curves of SSRAC

圖10 海水海砂再生混凝土量綱一黏結(jié)滑移曲線Fig.10 Non-dimensional bond slip curves of SSRAC

對于GFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)本構(gòu)關(guān)系，已有學(xué)者提出4種較為成熟的被認(rèn)可的模型.本試驗(yàn)中所有試件均為達(dá)到最大黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，突然發(fā)生混凝土劈裂破壞，此時(shí)固定在GFRP筋端部的位移計(jì)由于震動(dòng)而掉落，因此黏結(jié)-滑移曲線只有上升段，而沒有下降段.對于不同模型給出的黏結(jié)-滑移曲線的上升段，分別如下：

(1)BPE(Bertero- Popov- Eligehausen)模型[22]

(9)

式中：τ1為最大黏結(jié)強(qiáng)度；s1為對應(yīng)于τ1相應(yīng)的滑移；α為不大于1的曲線修正參數(shù).

(2)Malvar模型[23]

(10)

式中：τm、sm為峰值黏結(jié)應(yīng)力和相應(yīng)的滑移；F、G是根據(jù)各種類型筋試驗(yàn)擬合τ-s曲線得到的經(jīng)驗(yàn)常數(shù).

(3)CMR(Cosenza-Manfredi-Realfonzo)模型[24]

(11)

式中：τm為峰值黏結(jié)應(yīng)力；sr和β是根據(jù)試驗(yàn)擬合得到的參數(shù).

(4)連續(xù)曲線模型[25]

(12)

式中：τ1、s1為峰值點(diǎn)的黏結(jié)應(yīng)力和相對應(yīng)的滑移.

表9給出了不同模型與不同強(qiáng)度的海水海砂再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接擬合的決定系數(shù).由表9可得，不同學(xué)者提出的本構(gòu)模型均有較高的擬合度，相對而言，Malver模型有更好的擬合度.

表9 黏結(jié)本構(gòu)關(guān)系各擬合方程的決定系數(shù)Tab.9 R2 of the fitted equations for bond constitutive relation

在Malvar試驗(yàn)中，保持相同的混凝土抗壓強(qiáng)度，根據(jù)不同外形的GFRP筋與混凝土的黏結(jié)試驗(yàn)擬合τ-s曲線得到的F、G經(jīng)驗(yàn)常數(shù).而在本試驗(yàn)中，筋材相同，混凝土強(qiáng)度不同，擬合得到F、G值見表10.對于經(jīng)驗(yàn)常數(shù)F、G與混凝土的抗壓強(qiáng)度關(guān)系并不十分明確，還需要進(jìn)一步的研究.

表10 不同強(qiáng)度海水海砂再生混凝土經(jīng)驗(yàn)常數(shù)F、G取值Tab.10 F、G value of SRAC with different strength

5 結(jié)語

完成了不同組分的混凝土以及不同強(qiáng)度等級的海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的標(biāo)準(zhǔn)立方體中心拔出試驗(yàn)，分析了混凝土的破壞特征，混凝土組分對GFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度的影響以及峰值黏結(jié)應(yīng)力、峰值位移與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，同時(shí)對比分析給出適用于海水海砂再生混凝土與GFRP筋的黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型.主要得到以下結(jié)論：

(1)再生粗骨料的使用降低了混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)強(qiáng)度，海水海砂的使用對混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度基本沒有影響，再生混凝土的相對黏結(jié)強(qiáng)度要高于普通混凝土，海水海砂混凝土以及海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的相對黏結(jié)強(qiáng)度與普通混凝土相似，影響可以忽略不計(jì).

(2)由不同組分的混凝土與GFRP筋的量綱一的黏結(jié)-滑移曲線可知，再生粗骨料的影響較大，海水海砂幾乎沒有影響.普通混凝土與海水海砂普通混凝土有著相近量綱一的黏結(jié)-滑移曲線，同樣，再生混凝土與海水海砂再生混凝土的量綱一的黏結(jié)-滑移曲線相似.

(3)與普通混凝土相似，海水海砂再生混凝土與GFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度隨著混凝土抗壓強(qiáng)度增加而增加，使用相關(guān)劈裂抗拉強(qiáng)度公式進(jìn)行擬合，得出了黏結(jié)強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系.

(4)使用了4種不同的學(xué)者提出的較為成熟的適用于GFRP筋的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行擬合，與試驗(yàn)結(jié)果對比表明：4種模型均能較好地?cái)M合本次試驗(yàn)曲線，相對而言，Malvar模型擬合程度最高.Malvar模型中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)F、G與混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系需要進(jìn)一步的研究.

海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)性能受多種因素影響.因此，需要進(jìn)一步研究其他因素，如筋材直徑、筋材的肋高和間距、海水海砂的貝殼含量以及服役時(shí)間等對海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)性能的影響，以給出適用度更廣的黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型.