混凝土中玻璃纖維筋黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究

程 濤 (安徽省公路橋梁工程有限公司,安徽 合肥 230001)

作為建筑工程中不可缺少的建筑材料，鋼筋已廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程、錨桿工程等各個(gè)領(lǐng)域，由于鋼筋存在腐蝕嚴(yán)重、防腐蝕處理費(fèi)用高、自重大、運(yùn)輸和安裝困難等諸多缺點(diǎn)[1]。因此，近年來(lái)歐美國(guó)家紛紛采用纖維增強(qiáng)塑料筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋，用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，試圖從根本上解決因鋼材腐蝕所引起的耐久性問(wèn)題。纖維增強(qiáng)塑料筋（Glass Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱GFRP）是由樹(shù)脂基質(zhì)和玻璃纖維材料經(jīng)加工而成的一種新型復(fù)合材料，較傳統(tǒng)鋼筋具有抗拉強(qiáng)度高、自重輕、耐腐蝕、造價(jià)低、施工操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在工程上得到了廣泛應(yīng)用。但同樣存在塑性差、熱穩(wěn)定性不高、粘結(jié)強(qiáng)度較低等明顯缺點(diǎn)[2]，其中粘結(jié)強(qiáng)度是作為衡量GFRP筋能否用于混凝土結(jié)構(gòu)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，它的大小將直接影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限承載力以及裂縫寬度，因此，開(kāi)展GFRP筋與混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的研究工作具有重要指導(dǎo)作用，而影響GFRP筋材粘結(jié)強(qiáng)度因素有：混凝土的強(qiáng)度及保護(hù)層厚度、GFRP筋材的埋長(zhǎng)、直徑、肋間距等[3]。因此，基于室內(nèi)試驗(yàn)研究不同混凝土強(qiáng)度及埋長(zhǎng)下的GFRP筋材的粘結(jié)強(qiáng)度分布情況，獲得不同外在因素下GFRP筋材的極限承載力變化規(guī)律，揭示GFRP筋材在不同結(jié)構(gòu)工程中的真實(shí)作用機(jī)理，從而為GFRP筋材代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋用于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋中一般含有70%～80%玻璃纖維，20%～30%樹(shù)脂，其公稱直徑一般10mm～36mm。本試驗(yàn)采用淮北宇鑫新型材料有限公司生產(chǎn)的拉擠型GFRP錨桿，其直徑為15mm，其中桿體表面經(jīng)過(guò)噴砂處理，并纏繞纖維，基質(zhì)材料為熱固型環(huán)氧樹(shù)脂[4]。本次試驗(yàn)所采用的GFRP筋材的基本參數(shù)為：17.3%樹(shù)脂，75.7%玻璃纖維，7%石英細(xì)砂。HRB335鋼筋與GFRP筋材的各項(xiàng)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

由表1可知，與HRB335鋼筋性能相比，GFRP筋具有抗拉強(qiáng)度較大、表觀密度較小、熱膨脹系數(shù)較小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在彈性模量、剪切強(qiáng)度、極限拉應(yīng)變均較小等缺點(diǎn)，造成GFRP筋代替鋼筋用于建筑工程表現(xiàn)出彈性變形較小、抗剪承載力較低、破壞時(shí)的變形量較小等不良工程特性。

GFRP筋與HRB335筋性能參數(shù) 表1

2 試驗(yàn)方案

研究GFRP錨桿粘結(jié)性能的試驗(yàn)方法主要是拉撥試驗(yàn)。其具體的試驗(yàn)步驟為：

①筋材準(zhǔn)備。為研究混凝土強(qiáng)度及錨固長(zhǎng)度對(duì)GFRP筋材承載力的影響，故在本次試驗(yàn)中采用四種不同混凝土抗壓強(qiáng)度，分別為C30、C40、C50、C60；五種不同錨固長(zhǎng)度，分別為：5倍、10倍、15倍、20倍、25倍筋材直徑。試驗(yàn)時(shí)將不同外表形式的GFRP筋材切割180根，并進(jìn)行編號(hào)，每根切割長(zhǎng)度為500mm，分為60組，每組三根。

②混凝土澆筑。本試驗(yàn)混凝土試塊設(shè)計(jì)強(qiáng)度采用 C30、C40、C50、C60，試驗(yàn)時(shí)采用普通硅酸鹽水泥，砂子采用中粗砂，石子采用粒徑小于18mm的普通碎石。根據(jù)現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試驗(yàn)時(shí)混凝土試塊尺寸為160cm×120cm×60cm(長(zhǎng)×寬×高)，為避免相鄰筋材拉撥時(shí)的影響，筋材間距設(shè)定為40cm；為模擬不同錨固長(zhǎng)度時(shí)筋材的極限承載力，選擇的錨固長(zhǎng)度分別為5倍、10倍、15倍、20倍、25倍筋材直徑。

③拉撥試驗(yàn)。拉拔試驗(yàn)時(shí)在混凝土試塊與桿件接觸面采用PVC套管進(jìn)行隔離，避免筋材與混凝土之間的粘結(jié)，從而有效消除GFRP錨桿端部的局部壓力，試驗(yàn)時(shí)為有效避免加載過(guò)程中產(chǎn)生的偏心問(wèn)題，采用自制的反力架來(lái)確保加載過(guò)程中桿件的平穩(wěn)，以便獲得符合工程實(shí)際的GFRP筋材粘結(jié)滑移時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

玻璃纖維筋受到拉撥力后將發(fā)生變形后，會(huì)在玻璃纖維筋的表面產(chǎn)生斜向壓力。斜向壓力的徑向分力使得纖維聚合物筋周圍混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，而周圍混凝土接受傳遞來(lái)的荷載能力主要受接觸面形式及周邊混凝土的約束破壞能力所決定。因此，筋材在混凝土中的相對(duì)位置將決定拉撥試驗(yàn)中的破壞形式。若筋材直徑相對(duì)較小，而混凝土保護(hù)層厚度較大，則混凝土?xí)a(chǎn)生沿筋材表面邊緣的剪切破壞或筋材橫肋被剪壞，筋材從混凝土中剝離拔出，這種現(xiàn)象稱為拔出破壞。否則因玻璃纖維筋周邊的混凝土保護(hù)層較薄而發(fā)生劈裂破壞。除了劈裂和拔出破壞外，玻璃纖維筋也可能因錨固力過(guò)大而發(fā)生拉伸破壞[5]。

3.2 試件破壞形式

GFRP筋材在拉拔試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出筋材拔出破壞、混凝土劈裂破壞、筋材拉斷這三種不同破壞形式。

在混凝土強(qiáng)度等級(jí)較小，錨固長(zhǎng)度相對(duì)較低時(shí)，GFRP筋材多發(fā)生筋材拔出破壞，即在拉拔過(guò)程中，混凝土一直未劈裂，GFRP筋也未被拉斷，直至試驗(yàn)結(jié)束，加載端均可靠加載，最終因GFRP筋從混凝土中拔出而破壞。

當(dāng)混凝土強(qiáng)度相對(duì)較低，沿GFRP筋拉撥力的徑向分量會(huì)在GFRP筋周圍混凝土中產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土相對(duì)保護(hù)層厚度較小，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，使得混凝土發(fā)生劈裂破壞，即在荷載—滑移曲線上升段因混凝土突然劈裂而發(fā)生破壞。

當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較大而錨固長(zhǎng)度又較長(zhǎng)時(shí)，因粘結(jié)力大于GFRP筋材極限抗拉力，在筋材出現(xiàn)較小位移時(shí)粘結(jié)力達(dá)到較大值，同時(shí)部分筋材因變形量較大先拉斷，進(jìn)而整個(gè)GFRP筋材被拉斷。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

GFRP筋材與混凝土的黏聚強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度及錨固長(zhǎng)度的變化關(guān)系見(jiàn)表2，由表2可知，在混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50之間，錨固長(zhǎng)度在2.5d～12.5d之間時(shí)的筋材極限承載力在12.67kN～250.23kN之間，變化幅度相對(duì)較大，說(shuō)明錨固長(zhǎng)度及混凝土等級(jí)均能顯著影響GFRP筋材與混凝土間的黏聚強(qiáng)度，但平均黏結(jié)強(qiáng)度在 8.07MPa～32.13MPa，變化幅度相對(duì)較小。

黏結(jié)強(qiáng)度隨砼強(qiáng)度及錨固長(zhǎng)度變化關(guān)系 表2

變形鋼筋的抗剪強(qiáng)度高，故鋼筋從混凝土中拔出是由于鋼筋表面橫肋之間的混凝土被剪壞所導(dǎo)致的。而GFRP筋抗剪強(qiáng)度較鋼筋為低，且表面肋的剛度和強(qiáng)度也均弱于鋼筋，故GFRP筋從混凝土中拔出時(shí)，不僅肋間混凝土被剪壞破損，筋表面變形也會(huì)有一定程度的磨損。這是由于筋材在拔出過(guò)程中GFRP筋沿縱向會(huì)產(chǎn)生較大的滑移，混凝土孔壁上GFRP筋肋的輪廓已被磨平，同時(shí)GFRP筋表面也會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損。

GFRP筋表面變形肋與混凝土之間的機(jī)械咬合力沿GFRP筋軸向的分量可視作兩者間的界面粘結(jié)應(yīng)力，沿GFRP筋拉撥力的徑向分量會(huì)在GFRP筋周圍混凝土中產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。拉拔過(guò)程中，界面粘結(jié)應(yīng)力和混凝土中的環(huán)向拉應(yīng)力同時(shí)增長(zhǎng)。當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，接觸面上的混凝土將開(kāi)始產(chǎn)生縱向劈裂裂紋，當(dāng)混凝土保護(hù)層厚度較小，而粘結(jié)應(yīng)力未達(dá)到最大值時(shí)，該縱向劈裂裂紋就會(huì)擴(kuò)展成為貫穿整個(gè)混凝土保護(hù)層的縱向劈裂裂縫，導(dǎo)致混凝土的劈裂破壞，且劈裂裂縫成軸射狀。若混凝土澆筑過(guò)程中摻入鋼纖維，混凝土表面發(fā)生劈裂破壞時(shí)，因鋼纖維對(duì)混凝土裂縫擴(kuò)展的約束作用而使得軸射狀裂縫寬度較小，發(fā)生劈裂破壞后的混凝土仍能保持整體性，而不會(huì)完全裂開(kāi)。因發(fā)生劈裂破壞時(shí)GFRP筋材沿縱向上的相對(duì)滑移量較小，肋間混凝土破壞較少，故混凝土孔壁上GFRP筋肋的輪廓仍保留完整。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 混凝土強(qiáng)度影響分析

拉撥試驗(yàn)時(shí)，GFRP筋材上的拉應(yīng)力使得筋材與混凝土接觸面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，即為粘結(jié)應(yīng)力，這種剪應(yīng)力使得GFRP筋材中的應(yīng)力沿縱向不斷發(fā)生變化。粘結(jié)應(yīng)力是GFRP筋材與混凝土兩者間作用力進(jìn)行傳遞的橋梁，通過(guò)粘結(jié)應(yīng)力使得兩者協(xié)調(diào)變形。實(shí)際應(yīng)用中一般采用拉拔、簡(jiǎn)支梁式和懸臂梁式等粘結(jié)試驗(yàn)方法測(cè)量拔出時(shí)的極限荷載，來(lái)計(jì)算獲得平均粘結(jié)強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土抗壓強(qiáng)度的提高將使得混凝土與玻璃纖維筋之間的粘結(jié)力逐漸增大，但摩阻力不受其影響。同時(shí)，較大的混凝土抗壓強(qiáng)度將有效延遲混凝土的內(nèi)裂，從而有效提高GFRP筋材的極限粘結(jié)強(qiáng)度。研究表明：混凝土與鋼筋間的粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度平方根近似成線性關(guān)系，由于玻璃纖維筋的彈性模量?jī)H為鋼筋的1/4，因此玻璃纖維筋的表面變形較鋼筋為大[6]。

GFRP筋材粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度間的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖1所示，由圖1可知，平均粘結(jié)強(qiáng)度隨著混凝土強(qiáng)度的增加近似成線性增大，且錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，平均粘結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度增加而增大的幅度越明顯，說(shuō)明混凝土強(qiáng)度的提高能夠顯著增加筋材與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而能夠提高GFRP筋材的極限承載力。

圖1 黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度變化關(guān)系

4.2 錨固長(zhǎng)度影響分析

當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高且保護(hù)層厚度較大時(shí)，錨固長(zhǎng)度較大的纖維聚合物筋易發(fā)生受拉破壞，而錨固長(zhǎng)度較小的纖維聚合物筋易產(chǎn)生拔出。由于玻璃纖維筋的剪切剛度相對(duì)較小，受力后的玻璃纖維筋在橫截面上變形極為不均勻，造成橫截面上應(yīng)力分布的不均勻，這種現(xiàn)象稱為剪切滯后，且直徑越大，橫截面中心與邊緣的變形差異性越明顯。因此，玻璃纖維筋表面的粘結(jié)應(yīng)力受筋材直徑的影響較大。

玻璃纖維筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度隨筋材埋長(zhǎng)的變化關(guān)系，見(jiàn)圖2所示。

圖2 黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度變化關(guān)系

由圖2可知，玻璃纖維筋的埋長(zhǎng)對(duì)其粘結(jié)強(qiáng)度有一定的影響。在相同直徑時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度的增加而先小幅增大，達(dá)到一定值后小幅減小，這是因粘結(jié)應(yīng)力沿玻璃纖維筋縱向上分布不均勻所造成的。

粘結(jié)應(yīng)力沿GFRP筋表面分布并不均勻，而我們通過(guò)試驗(yàn)所得到的粘結(jié)強(qiáng)度多為GFRP筋整個(gè)粘結(jié)區(qū)段內(nèi)的平均最大粘結(jié)應(yīng)力，與實(shí)際所能達(dá)到的最大粘結(jié)應(yīng)力存在一定的差異。受力后GFRP筋沿縱向上的粘結(jié)應(yīng)力隨著埋長(zhǎng)增加而越發(fā)分布不均勻，破壞時(shí)所獲得的平均最大粘結(jié)應(yīng)力遠(yuǎn)小于實(shí)際最大粘結(jié)應(yīng)力，造成相同直徑的GFRP筋粘結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度的增加而逐漸降低。鄭喬文等認(rèn)為在其他條件不變的情況下，GFRP筋埋置長(zhǎng)度每增加1倍，其粘結(jié)強(qiáng)度就降低18%～44%[7]。

埋長(zhǎng)較小時(shí)，雖錨固長(zhǎng)度方向上的局部粘結(jié)應(yīng)力差異性較小，使得平均粘結(jié)強(qiáng)度更接近試件破壞時(shí)的實(shí)際最大粘結(jié)強(qiáng)度，但試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大；反之，當(dāng)GFRP筋埋長(zhǎng)較大時(shí)，雖平均粘結(jié)強(qiáng)度不能準(zhǔn)確地反映GFRP筋的實(shí)際最大粘結(jié)應(yīng)力，但試驗(yàn)結(jié)果的離散性較小。目前多數(shù)學(xué)者根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行直接拉拔試驗(yàn)時(shí)，取5倍的GFRP筋材直徑做為埋置長(zhǎng)度[8]。

5 結(jié)論

①與HRB335鋼筋性能相比，GFRP筋具有抗拉強(qiáng)度較大、表觀密度較小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但用于建筑工程也存在彈性變形較小、抗剪承載力較低、破壞時(shí)的變形量較小等不良工程特性。

②GFRP筋材在拉拔試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出筋材拔出破壞、混凝土劈裂破壞、筋材拉斷這三種不同破壞形式。錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)易產(chǎn)生筋材拉斷，錨固長(zhǎng)度較小易產(chǎn)生筋材拔出破壞，混凝土保護(hù)層厚度較小，易產(chǎn)生混凝土劈裂破壞。

③平均粘結(jié)強(qiáng)度隨著混凝土強(qiáng)度的增加近似成線性增加，且錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，平均粘結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度增加而增大的幅度越發(fā)明顯。

④在相同直徑下，粘結(jié)強(qiáng)度隨著埋長(zhǎng)的增加而先小幅增大，達(dá)到一定值后小幅減小；GFRP筋埋長(zhǎng)越大，縱向上的粘結(jié)應(yīng)力分布越不均勻。