FRP筋混凝土在低溫下的粘結(jié)性能

周培龍， 李 揚(yáng)， 黃中華

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

鋼筋的腐蝕是導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)退化的主要因素之一，為克服這一難題，一種新型纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)鋼筋正在被用作傳統(tǒng)鋼筋的替代品。這類新型高性能材料的應(yīng)用范圍從新建工程到修復(fù)退化的混凝土結(jié)構(gòu)，變得越來(lái)越廣泛。薛偉辰[1]為了研究FRP筋的粘結(jié)性能，分別進(jìn)行了梁試試件和拉拔試件的試驗(yàn)，結(jié)果表明，F(xiàn)RP筋的粘結(jié)強(qiáng)度低于鋼筋。王曉璐[2]通過(guò)對(duì)20～350 ℃范圍內(nèi)的FRP筋混凝土進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，F(xiàn)RP筋和混凝土之間的粘結(jié)性能隨著溫度的升高而降低。Ahmed Godat[3]通過(guò)拉拔試驗(yàn)研究不同F(xiàn)RP筋(玻璃、碳纖維和玄武巖)在再生骨料混凝土中的粘結(jié)性能。盡管纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)材料具有較強(qiáng)的抗腐蝕性，但當(dāng)暴露在腐蝕性環(huán)境中時(shí)，F(xiàn)RP筋表面樹(shù)脂會(huì)惡化，從而影響FRP筋和混凝土之間的粘結(jié)性能[4]。FRP筋在低于零度會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能的變化，并在FRP材料中產(chǎn)生額外的微裂紋。在較低溫度下的微裂紋可以進(jìn)一步導(dǎo)致在較高溫度下吸水率的增加，從而導(dǎo)致增加基體的塑化和水解。裂縫和空隙中凍結(jié)水的膨脹也會(huì)導(dǎo)致脫粘和橫向微裂紋的生長(zhǎng)[5]。劉元珍[6]通過(guò)中心撥出試驗(yàn)，得出了鋼筋和混凝土的粘結(jié)滑移曲線，結(jié)果表明，粘結(jié)性能隨著鋼筋直徑的增大而減小。在超低溫下環(huán)境下，鋼筋和混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度變化非常明顯[7]。由于FRP筋和混凝土的表面形態(tài)差異較大，粘結(jié)破壞模式也會(huì)有所不同，Solyom[8]通過(guò)拉拔試驗(yàn)，研究了混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、表面輪廓和FRP筋直徑對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

國(guó)內(nèi)外對(duì)常溫下FRP筋混凝土粘結(jié)性能的研究較多，而低溫環(huán)境下的則處于初步探索階段。為實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境下同時(shí)施加荷載，課題組自主研發(fā)了溫度-荷載一體的低溫試驗(yàn)箱。本文提出的實(shí)驗(yàn)方案主要是為了研究低溫對(duì)FRP筋和混凝土的粘結(jié)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

膠凝材料選擇強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，纖維增強(qiáng)聚合物選擇GFRP鋼筋?；炷恋呐浜媳葹閂(水)∶V(水泥)∶V(骨料)∶V(砂)=0.46∶1∶2.58∶1.2。依據(jù)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)混凝土試件進(jìn)行設(shè)計(jì)，混凝土梁試件的長(zhǎng)度為550 mm，由一根FRP鋼筋將兩個(gè)梁連接為一個(gè)混凝土梁試件，并在鋼筋上粘貼低溫應(yīng)變片。試件的非粘結(jié)區(qū)，采用PVC管對(duì)其FRP筋進(jìn)行包裹，如圖1所示，試件類型如表1所示。

圖 1 梁構(gòu)件設(shè)計(jì)示意圖

表1 試件類型

1.2 低溫加載設(shè)備

通過(guò)自主設(shè)計(jì)的低溫加載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了低溫環(huán)境下同時(shí)加載，如圖2所示。低溫加載設(shè)備由三部分組成，分別為試驗(yàn)箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和鋼配重。通過(guò)往試驗(yàn)箱內(nèi)輸送液氮使試驗(yàn)構(gòu)件達(dá)到預(yù)期的降溫目標(biāo)。試驗(yàn)箱的尺寸為1500 mm×1000 mm×1200 mm，溫度控制范圍為室溫到-196 ℃，其工作空間和變溫區(qū)間滿足試驗(yàn)所需要的的條件，試驗(yàn)箱的降溫速率可控制在1～10℃/min。采用TDS-530數(shù)據(jù)采集儀，可以通過(guò)控制臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試件的溫度變化和應(yīng)變。通過(guò)鋼配重對(duì)其混凝土構(gòu)件施加荷載，鋼配重的砝碼分別為50 kg、100 kg、200 kg、500 kg，另外制有多個(gè)25 kg的C型砝碼。

圖 2 低溫加載裝置

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開(kāi)始前先將試件固定在低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，并調(diào)整其上下支座的位置，如圖3所示。對(duì)試件在-10℃、-20℃、-30℃進(jìn)行四點(diǎn)彎加載試驗(yàn)。采用分級(jí)加載的方式，共有8個(gè)加載等級(jí)。往試驗(yàn)箱輸送液氮而實(shí)現(xiàn)所需要的低溫環(huán)境，通過(guò)控制臺(tái)對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行設(shè)定，而降溫過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化可從連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的顯示器中實(shí)時(shí)得出。通過(guò)加載過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化來(lái)確定試件加載狀況，如果試件破壞，則立即停止加載。

圖 3 試件加載

2 數(shù)據(jù)處理

為了方便計(jì)算，提出用平均粘結(jié)應(yīng)力來(lái)表示FRP筋和混凝土間的粘結(jié)應(yīng)力[9]。計(jì)算平均粘結(jié)應(yīng)力，取試驗(yàn)梁的一半進(jìn)行分析(圖4)。

圖 4 半梁受力圖

(1)

(2)

式中，p為鋼配重重力，kN；a1為支座到A點(diǎn)的水平距離，221 mm；F為FRP與混凝土的粘結(jié)力，kN；a2為力F到A點(diǎn)的垂直距離，96 mm。

根據(jù)以下兩式計(jì)算FRP筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力，以及FRP筋的應(yīng)力

(3)

式中,τ為平均粘結(jié)應(yīng)力，MPa；Ab為粘結(jié)段FRP筋與混凝土的接觸面積，mm2；σ為FRP筋應(yīng)力，MPa；As為FRP筋橫截面面積，mm2。

由(2)和(3)即可得到平均粘結(jié)應(yīng)力

(4)

由于測(cè)試得出的應(yīng)變數(shù)據(jù)是由溫度和荷載共同得出的，為了得到荷載引起的應(yīng)變，需要去除溫度作用而產(chǎn)生的影響。于是提出了原位補(bǔ)償法[10]，從而準(zhǔn)確的得出了特定溫度下加載產(chǎn)生的應(yīng)變。在加載時(shí)，用穩(wěn)定溫度下有荷載作用時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)減去同一溫度下無(wú)荷載作用時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，即可以消除溫度效應(yīng)所產(chǎn)生的影響。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 溫度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

圖5為低溫對(duì)FRP筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出低溫對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有顯著的改善，在-30 ℃時(shí)強(qiáng)度增強(qiáng)最明顯，-10～-30 ℃范圍內(nèi)粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度的降低而增強(qiáng)。在低溫環(huán)境下，F(xiàn)RP筋和混凝土界面處的凍結(jié)水會(huì)產(chǎn)生額外的粘結(jié)應(yīng)力，混凝土的微裂縫和孔隙中的水凍結(jié)成冰，提高了混凝土強(qiáng)度。此外，考慮到GFRP筋和混凝土的熱膨脹系數(shù)存在差異，會(huì)對(duì)其粘結(jié)性能產(chǎn)生影響，GFRP筋的徑向熱膨脹系數(shù)大于混凝土的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度降低時(shí)，GFRP筋的收縮會(huì)大于混凝土的，會(huì)降低兩者的粘結(jié)性能。但是，這種影響是輕微的，不會(huì)影響到FRP筋混凝土在低溫下粘結(jié)性能的整體趨勢(shì)。

圖 5 8-5D在低溫下粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

3.2 直徑對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

通過(guò)對(duì)不同直徑的FRP筋進(jìn)行測(cè)試，得到FRP筋在-20 ℃和-30 ℃下粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線，如圖6和圖7所示。結(jié)果表明，當(dāng)溫度和FRP筋粘結(jié)長(zhǎng)度不變時(shí)，增加FRP筋的直徑，粘結(jié)強(qiáng)度就會(huì)降低。分析其原因是，隨著FRP筋直徑的增加，其相對(duì)粘結(jié)面積反而越小，從而導(dǎo)致FRP筋混凝土界面之間的粘結(jié)性能減弱；FRP筋與混凝土界面上的應(yīng)力是非線性分布的，直徑較大的FRP筋需要更長(zhǎng)的埋置長(zhǎng)度來(lái)產(chǎn)生同樣的粘結(jié)應(yīng)力，平均粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)隨著埋置長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而降低。

圖 6 -20℃下粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

圖 7 -30℃下粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

3.3 粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響

圖8和圖9為FRP筋混凝土在-20 ℃和-30 ℃下粘結(jié)應(yīng)力隨粘結(jié)長(zhǎng)度變化的曲線圖，可以得出，F(xiàn)RP筋的粘結(jié)長(zhǎng)度越大，其粘結(jié)強(qiáng)度反而越小。究其原因是，F(xiàn)RP筋中間段具有較大的粘結(jié)應(yīng)力，而兩端的粘結(jié)應(yīng)力較小，就會(huì)引起粘結(jié)應(yīng)力的不均勻分布。當(dāng)繼續(xù)加載和增加粘結(jié)長(zhǎng)度時(shí)，這種現(xiàn)象會(huì)更加明顯，最終導(dǎo)致局部粘結(jié)應(yīng)力的差值越來(lái)越大，而粘結(jié)應(yīng)力越來(lái)越小。

圖 8 -20℃下粘結(jié)應(yīng)力-滑移

圖 9 -30℃下粘結(jié)應(yīng)力-滑移

4 結(jié)論

1)在-10～-30 ℃范圍內(nèi)，兩者的粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度的降低有明顯增強(qiáng)的趨勢(shì)。

2)當(dāng)溫度和粘結(jié)長(zhǎng)度不變時(shí)，F(xiàn)RP筋直徑的增大會(huì)使粘結(jié)強(qiáng)度降低。

3)僅當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度為唯一變量時(shí)，減少粘結(jié)長(zhǎng)度，其粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng)。