CFRP筋—珊瑚混凝土粘結(jié)應(yīng)力分布試驗研究

陳爽，呂海波，王磊

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004； 2.賀州學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，廣西賀州542800；3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004)

0 引言

珊瑚骨料混凝土使用珊瑚礁、砂作為粗、細(xì)骨料并以海水拌制，除水泥以外的材料均可在海島上就地取材，在遠(yuǎn)海島礁建設(shè)中極具應(yīng)用價值[1-3]。同時，為解決珊瑚碎屑所包含的大量氯鹽所導(dǎo)致的鋼筋嚴(yán)重銹蝕問題，可使用纖維增強塑料筋(corbon fiber reinforced polymer rebar，CFRP)替代傳統(tǒng)的鋼筋，組成CFRP筋—珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)，為島礁建設(shè)提供了新的途徑。

CFRP筋和珊瑚混凝土間的可靠粘結(jié)是兩者協(xié)同工作的基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者已對CFRP筋與混凝土的粘結(jié)性能有了較為充分的認(rèn)識[4-5]，但鑒于珊瑚混凝土的骨料特征、力學(xué)性能、物理化學(xué)特點等均與普通混凝土存在較大差異[6-7]，其與CFRP筋材的粘結(jié)性能尚需深入研究。相關(guān)研究的缺失將制約CFRP筋—珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)理論發(fā)展及實際工程應(yīng)用。

相較于平均粘結(jié)應(yīng)力和滑移量，準(zhǔn)確獲取粘結(jié)應(yīng)力在錨固區(qū)的分布規(guī)律更加困難。通常的做法是將筋材沿縱向剖成兩半[8-9]，然后在筋材中心部位開槽并粘結(jié)應(yīng)變片并將導(dǎo)線導(dǎo)出，再使用粘結(jié)劑將兩半筋材合攏。這種方法存在兩個弊端：第一，鋼筋是各向同性材料，只要能保證粘結(jié)質(zhì)量，完全剖開對筋的受力影響不大；而CFRP筋中的主要構(gòu)成組份纖維筋是一種單向受力材料，剖切對CFRP筋造成的影響遠(yuǎn)比對鋼筋大，且中心開槽會對其造成更大損傷。第二，CFRP筋直徑往往較小，較多導(dǎo)線會使布置變得困難，只能進一步加大中心開槽尺寸，從而削弱CFRP筋截面。

通過在一個光纖上連續(xù)刻制多個布拉格(Bragg)光柵，可以滿足高應(yīng)變梯度測試中測點密集的需求[10-11]。因為無需將筋材從中剖開，只需在表面刻微小的槽甚至無需刻槽，然后將光纖光柵埋入做好保護即可,相比傳統(tǒng)做法對筋材截面的損傷可以降至最低[12-15]?；诖耍疚倪M行了CFRP筋—珊瑚混凝土拉拔試驗，并采用光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)測試技術(shù)對錨固區(qū)粘結(jié)應(yīng)力分布進行動態(tài)監(jiān)測。

1 試驗方案

1.1 試件原材料

試驗采用的粗骨料為中國北海潿洲島上分布的普通碎石型珊瑚礁碎屑，粒徑分布為3～7 cm，滿足天然連續(xù)級配的要求。珊瑚碎屑表面多空洞和孔隙，見圖1。實測的珊瑚骨料基本物理性能指標(biāo)見表1，珊瑚混凝土配合比以及實測力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

(a) 粗骨料

表1 珊瑚碎屑骨料物理性能Tab.1 Physical properties of coral clastic aggregate

表2 珊瑚混凝土的配合比及力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Mix ratio and mechanical properties of coral concrete

采用濟南達慧光電科技有限公司生產(chǎn)的光纖光柵，光纖直徑0.125 mm，光柵柵長10 mm、中心波長1 527～1 545 nm。使用的解調(diào)儀帶寬為1 525～1 565 nm，考慮到光柵在測試中因波長變化后相互干涉導(dǎo)致無法得出數(shù)據(jù)，單根光纖中相鄰光柵的中心波長應(yīng)盡量錯開一定帶寬。

1.2 試件制作及加載

試件采用偏心拉拔試件，可以模擬混凝土保護層厚度，更符合真實的受力情況。試件共3組，分別為A組：C8-25-8d；B組：C8-35-8d；C組：C12-25-8d。試件編號“C8-25-8d”表示“直徑為8 mm、保護層厚度為25 mm、錨固長度為8d(d為筋材直徑)的CFRP筋—珊瑚混凝土拉拔試件”。

在CFRP筋表面銑出寬度和深度均為1 mm的微小凹槽，用丙酮清潔風(fēng)干后，使用紫外線速干膠分層將光纖固定至凹槽內(nèi)。試件示意圖及在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28 d拆模后的試件見圖2:L為錨固區(qū)長度,C為混凝土保護層厚度。

拉拔試驗機采用WAW-100型電子液壓伺服萬能試驗機，試驗裝置如圖3所示。按照我國混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[16]的要求，試驗中加載速率為0.3 mm/min，直至纖維筋被拔出或者珊瑚混凝土劈裂，試件宣布破壞。

圖2 拉拔試件設(shè)置Fig.2 Setup of normal specimen in pullout test

圖3 試驗加載裝置Fig.3 Test loading device

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 粘結(jié)應(yīng)力計算

在CFRP筋上選取微單元并建立平衡方程，則微段上的粘結(jié)應(yīng)力為：

(1)

式中：τ為CFRP筋測點間粘結(jié)應(yīng)力；dT、dσf、dεf為dx微段上的拉力差、拉應(yīng)力差和拉應(yīng)變差；Cf、Af、Df分別為CFRP筋的截面周長、靜截面面積和名義直徑；Ef為CFRP筋的彈性模量。

實際計算時，假定兩個測點間的粘結(jié)應(yīng)力是均勻分布的，根據(jù)不同測點處實測CFRP筋應(yīng)變間的差值，將第i個測點間CFRP筋的粘結(jié)應(yīng)力τi表達為：

現(xiàn)在看來，事實已經(jīng)很清楚了。李老黑請我喝酒的目的是想把我灌暈，灌暈我的目的是制造我企圖強奸李金枝的假象，制造假象的目的是逼我娶李金枝?？膳暹@點絲毫無助于問題的解決，反倒讓人更糊涂了。說實話，像我這樣一無所長的民辦教師，在李老黑眼里基本就是個廢人，這么多年來恐怕李老黑沒拿正眼看過我?，F(xiàn)在他忽然腦子進水似的，一門心思要把閨女塞給我，心甘情愿讓李金枝嫁過來當(dāng)晚娘，這種做法實在太離譜，太讓人無法理解了。

(2)

式中:Δxi為測點i與測點i+1間的距離；εfi為測點i處實測應(yīng)變值。

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 CFRP筋應(yīng)變應(yīng)力分布

在前期標(biāo)定試驗中確定，光柵中心波長1 nm的變化約對應(yīng)800με，經(jīng)過換算，將各個荷載等級下各測點的應(yīng)變繪制于圖4中(注：設(shè)自由端埋置深度為0，下同)。

(a) A組

B組的混凝土保護層比A組大10 mm，但兩組曲線形式接近，各個荷載等級下CFRP筋的應(yīng)變都是加載端大、自由端小。只是B組的曲線斜率普遍更大，且各個荷載等級下應(yīng)變都略高于A組，這說明在同一荷載等級下各測點之間的應(yīng)力差值較大，且筋材抗拉強度發(fā)揮的更充分。

無論是自由端還是加載端，A、B組筋材應(yīng)變水平都要明顯高于C組。以試件破壞時的最大應(yīng)變?yōu)槔?，A組到達了3 224.24με，幾乎是C組1 543.6με的一倍。這是由于在外力相同的情況下，CFRP筋材直徑越小其截面面積就越小，相應(yīng)的筋材截面的正應(yīng)力以及應(yīng)變就會更大。

另外，C組CFRP筋的應(yīng)力非線性分布程度顯著高于A、B組，從錨固區(qū)中部到自由端，CFRP筋的應(yīng)變值急劇下降，自由端測點應(yīng)變非常小，實驗過程中幾乎沒有明顯變化(圖5)。已有研究證實，粘結(jié)長度越大粘結(jié)應(yīng)力分布越不均勻，這種粘結(jié)應(yīng)力的不均勻分布必然會傳遞到CFRP筋上，這是造成C組錨固區(qū)筋材應(yīng)變分布不均的原因之一。

2.2.2 CFRP筋與珊瑚混凝土粘結(jié)應(yīng)力分布

兩組粘結(jié)試件在各個荷載等級下粘結(jié)應(yīng)力在錨固區(qū)內(nèi)的分布如圖5所示。

(a) A組

A、B組的曲線都呈現(xiàn)出較為典型的CFRP筋與混凝土粘結(jié)應(yīng)力分布的特性：隨著荷載等級增加，粘結(jié)應(yīng)力峰值從自由端向加載端轉(zhuǎn)移，直至臨近破壞時，峰值粘結(jié)應(yīng)力出現(xiàn)在距加載端20 mm處。A、B兩組比較，B組的粘結(jié)應(yīng)力值相對較高，特別是當(dāng)荷載較高時，B組的粘結(jié)應(yīng)力分布更加均勻。這充分說明保護層厚度增加使得筋材周圍混凝土對粘結(jié)界面的約束作用增強，提升了CFRP筋—珊瑚混凝土之間的粘結(jié)力。

各個荷載等級時，C組的粘結(jié)應(yīng)力峰值都出現(xiàn)在自由端附近，而加載端附近粘結(jié)應(yīng)力都處于非常低的水平，全程峰值應(yīng)力位置都未轉(zhuǎn)移。文獻[9]研究了碳纖維筋與普通混凝土粘結(jié)應(yīng)力沿埋長分布的規(guī)律，其應(yīng)力分布曲線(圖6，T表示最大拔出荷載)也出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象，該作者認(rèn)為造成該現(xiàn)象的原因是由于自由端界面上CFRP筋橫肋受到混凝土局部不均勻擠壓造成的。

將C組試件剖開觀察內(nèi)部骨料分布(圖7)，在錨固區(qū)中段靠近自由端方向，粘結(jié)界面周圍正好有兩塊較大的塊狀珊瑚，一大一小分布在CFRP筋的左右，而靠近加載端方向均是體積較小的珊瑚碎屑，因此造成了以上兩段錨固區(qū)周圍珊瑚混凝土剛度的細(xì)微差別，在受到環(huán)向應(yīng)力的作用下，靠近錨固區(qū)自由端周邊的珊瑚混凝土變形會更小，從而使得該段粘結(jié)應(yīng)力相對更大。這也是造成C組CFRP筋應(yīng)變集中的主要原因。

圖6 CFRP筋—普通混凝土應(yīng)力分布曲線Fig.6 Stress distribution curves of CFRP-concrete

圖7 C組試件粘結(jié)界面Fig.7 Interface of the specimen bonding of Group C

2.2.3 CFRP筋與珊瑚混凝土粘結(jié)滑移量分布

錨固段內(nèi)CFRP筋和混凝土之間的滑移量可以理解為兩者之間的變形差，其值雖然無法直接測量，但各級荷載下的各個測點CFRP筋應(yīng)變是可以準(zhǔn)確測量的，利用該值并通過各微段的平衡方程可以計算出該微段上CFRP筋以及混凝土的變形值；將實測的加載端滑移量s1和自由端滑移量sf作為邊界條件，可以推導(dǎo)得出滑移計算公式：

(3)

(4)

(5)

式中：sx為微段上的平均相對滑移量；sz為自由端相對滑移量；Δlfi、Δlci分別為微段上CFRP筋、珊瑚混凝土伸長值；Δx為微段計算長度(取相鄰兩測點之間的間距)。

計算所得3組試件的相對滑移量沿錨固長度分布情況見圖8。

3組試件的相對滑移量都是自由端小而加載端大。A組試件在錨固區(qū)內(nèi)的粘結(jié)應(yīng)力的分布比較均勻，相應(yīng)的其相對滑移量的分布也較為線性。相比而言，A組試件在各級荷載下的總滑移量都大于C組試件，試件臨近破壞時加載端的相對滑移量接近4.5 mm。B組的滑移量分布趨勢與A組無明顯區(qū)別，但得益于較大的粘結(jié)應(yīng)力，其最大滑移量略高于A組。在各級荷載下C組的相對滑移非線性程度也明顯高于A組試件，但總的滑移量最小。從曲線中可以看到錨固區(qū)中段至加載端的滑移量變化很小，這和CFRP筋應(yīng)變分布情況相吻合。

(a) A組

3 結(jié)語

①在監(jiān)測筋材和混凝土之間的粘結(jié)滑移時，光纖光柵監(jiān)測技術(shù)完全可以替代剖切筋材、貼應(yīng)變片的傳統(tǒng)方法，測點存活率高、測量更加精確。但試驗成本較高。

②CFRP筋—珊瑚混凝土的粘結(jié)應(yīng)力分布變化規(guī)律與CFRP筋—普通混凝土相似，拉拔試驗過程中，應(yīng)力峰值位置都會隨荷載增大從自由端向加載端移動。

③混凝土保護層厚度對粘結(jié)應(yīng)力分布形態(tài)無明顯影響，但保護層厚度更大的試件粘結(jié)應(yīng)力絕對值較高。直徑較大的試件更容易受到骨料分布不均勻的影響，從而產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力分布集中的現(xiàn)象。