BFRP筋與分級粒徑河砂ECC粘結(jié)滑移性能試驗研究

滕曉丹，姚淇耀，陸宸宇，潘丁菊，李 祚，謝政專

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，南寧 530028；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；3.廣西大學(xué)廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室，南寧 530004；4.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，南寧 530004；5.廣西交科集團有限公司，南寧 530007)

0 引 言

由于混凝土為脆性材料，抗拉強度和延性低，荷載作用下易開裂，混凝土開裂使內(nèi)部鋼筋更易被銹蝕。鋼筋銹蝕會使鋼筋的有效橫截面積減小，導(dǎo)致其機械性能降低，鋼筋和混凝土之間粘結(jié)強度退化[1-2]，進(jìn)而削弱鋼筋混凝土構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能，降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性[3-4]。自20世紀(jì)80年代中期以來，國外研究人員[5-6]開始采用輕質(zhì)高強耐腐蝕的纖維增強復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)筋材代替鋼筋，但FRP筋的本構(gòu)關(guān)系為線彈性，沒有屈服平臺，同時彈性模量也較低[7]，所以FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)出脆性破壞特征。而高延性水泥基復(fù)合材料(engineering cementitious composite，ECC)則能夠很好地彌補這個缺點。與普通混凝土相比，ECC具有高韌性、穩(wěn)態(tài)開裂及應(yīng)變硬化等特征[8-9]。將ECC與FRP筋結(jié)合使用可使兩者優(yōu)勢互補，即ECC微裂縫控制能力可提高FRP筋的平均拉伸應(yīng)變，而FRP筋可提高ECC的平均拉應(yīng)變及抗拉強度[10]。由于FRP筋與ECC的粘結(jié)性能是兩者穩(wěn)定和協(xié)同工作的基礎(chǔ)，若粘結(jié)性能不足，會削弱結(jié)構(gòu)的承載力，并使結(jié)構(gòu)的破壞模式發(fā)生改變，如FRP筋/ECC粘結(jié)強度不足會導(dǎo)致ECC劈裂破壞而非FRP筋拔出破壞[11]，從而影響其使用性能。此外，不同的FRP筋材料、直徑、表面形式及ECC基本力學(xué)性能等均會對FRP筋/ECC的粘結(jié)性能產(chǎn)生影響。因此，研究不同因素對FRP筋/ECC的粘結(jié)-滑移行為及破壞模式尤為重要。

近年來，已有學(xué)者對FRP筋/ECC的粘結(jié)性能進(jìn)行研究。吳麗麗等[12]研究了玻璃纖維增強聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋/ECC的粘結(jié)性能，結(jié)果表明，增加GFRP筋表面形式的復(fù)雜程度，或一定程度上增加ECC保護層厚度和強度，有助于提高GFRP筋/ECC的粘結(jié)強度。Kim等[13]研究了GFRP筋/ECC的粘結(jié)行為，結(jié)果表明，聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維對試件界面粘結(jié)強度的影響并不顯著，樹脂的完全滑移破壞會導(dǎo)致涂砂GFRP筋摩擦性拔出。Hossain等[14-15]通過拉拔試驗研究了涂砂GFRP筋與自密實ECC、混凝土的粘結(jié)性能，結(jié)果表明，其破壞模式主要為GFRP筋拉拔破壞，部分GFRP/混凝土試件為劈裂破壞，GFRP筋/ECC的粘結(jié)強度高于GFRP/混凝土的粘結(jié)強度。Wang等[11]研究了玄武巖纖維增強復(fù)合材料(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋/ECC的粘結(jié)性能，結(jié)果表明，BFRP筋/ECC的粘結(jié)強度隨BFRP筋直徑的增加而降低，隨保護層厚度的增加而增加(ECC保護層厚度小于20 mm時)，且PVA纖維可降低BFRP筋/ECC界面損傷，從而提高BFRP筋/ECC的粘結(jié)性能。司豆豆等[16]通過中心拉拔試驗，分析了不同強度和韌性的ECC對GFRP筋/ECC粘結(jié)性能的影響，結(jié)果表明，GFRP筋/ECC 的粘結(jié)強度是ECC強度和韌性綜合影響的結(jié)果，其并不隨著單一因素的提高而提高。綜上所述，目前對FRP筋/ECC粘結(jié)性能的研究主要集中在GFRP筋/ECC上，對BFRP筋/ECC粘結(jié)性能及粘結(jié)-滑移行為的研究仍需進(jìn)一步探討。

BFRP是21世紀(jì)綠色環(huán)保新型材料之一[17]，且在四大纖維(碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維)中性價比最高。BFRP除了具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和力學(xué)性能外，其在生產(chǎn)過程中真正意義上實現(xiàn)了CO2零排放，與碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)的生產(chǎn)過程相比，其生產(chǎn)流程簡單，總耗能僅為CFRP的1/16[18]。因此，本文采用低碳綠色的BFRP筋制備BFRP筋/ECC，通過中心拉拔試驗，研究了分級粒徑ECC、BFRP筋表面形式、筋材直徑對BFRP筋/ECC界面粘結(jié)性能的影響。分析了BFRP筋/ECC的呈波浪狀衰減的粘結(jié)滑移曲線及其產(chǎn)生機理，對曲線中的殘余波浪段的各峰值應(yīng)力點進(jìn)行線性擬合，通過擬合直線斜率的絕對值|k|表征ECC對BFRP筋橫肋的磨損程度。研究成果可為BFRP筋/ECC結(jié)構(gòu)在實際工程中的設(shè)計提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗設(shè)計

為分析ECC骨料分級粒徑、BFRP筋表面形式及直徑對BFRP筋/ECC粘結(jié)性能和粘結(jié)-滑移曲線的影響，共設(shè)計了24個中心拉拔試件，每組3個，共8組，見表1。ECC骨料分級粒徑考慮5個水平：不分篩、粒徑為0.15～0.3 mm、粒徑為0.3～0.6 mm、粒徑為0.6～1.0 mm、粒徑為1.0～2.5 mm。BFRP筋表面形式考慮2個水平：淺螺紋BFRP筋、深螺紋BFRP筋。BFRP筋直徑考慮3個水平：8 mm、10 mm、12 mm。所有中心拉拔試件的錨固長度均為5倍BFRP筋直徑。

表1 BFRP筋/ECC拉拔試驗設(shè)計

1.2 試驗材料

試驗采用的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥由扶綏新寧海螺水泥有限公司提供，Ⅰ級粉煤灰化學(xué)成分如表2所示。參照GB/T 14684—2011[19]測定砂的細(xì)度模數(shù)為3.46，采用尺寸分別為0.16 mm、0.315 mm、0.6 mm、1.25 mm、2.5 mm的方孔篩篩分，最大粒徑為2.67 mm，m(2.5～4.7 mm)∶m(1.0～2.5 mm)∶m(0.6～1.0 mm)∶m(0.3～0.6 mm)∶m(0.15～0.3 mm)=16.2%∶44.7%∶17.5%∶12.0%。聚羧酸系高效減水劑為固體粉末，摻量為0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，減水率為35%。PVA纖維產(chǎn)自日本Kuraray公司，其性能指標(biāo)見表3。ECC 28 d基本力學(xué)性能通過單軸拉伸試驗及單軸壓縮試驗確定，單軸拉伸試件為15 mm×100 mm×400 mm的矩形板。單軸壓縮試件為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體，ECC配合比及基本力學(xué)性能見表4。采用由南京開博瑞工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BFRP筋，縱向線膨脹系數(shù)為9.0×10-6℃-1，密度為1.9 g/cm3，纖維含量為65%(體積分?jǐn)?shù))，深螺紋BFRP筋肋傾角為71°，淺螺紋BFRP筋肋傾角為68°。深螺紋BFRP筋通過拉擠成型工藝制成，采用乙烯基樹脂；淺螺紋BFRP筋通過定繩纏繞工藝制作，采用不飽和樹脂。由單軸拉伸試驗獲得BFRP筋的性能指標(biāo)見表5。BFRP筋表面形式如圖1所示，深螺紋BFRP筋表面光滑，未經(jīng)噴砂亞光處理；淺螺紋BFRP筋表面采用細(xì)繩纏繞刻痕螺紋深度，其橫肋深度較小，表面經(jīng)噴砂亞光處理，較粗糙。

表2 水泥和粉煤灰的主要化學(xué)成分

表3 PVA纖維的物理力學(xué)性能

表4 ECC配合比及基本力學(xué)性能

表5 BFRP筋的物理力學(xué)性能

圖1 淺螺紋及深螺紋BFRP筋

BFRP筋/ECC的制備程序為：澆筑時將膠凝材料與砂稱量好后放入攪拌桶中干拌1 min，使其均勻分布。然后加入總水量攪拌2 min，再加入高效減水劑攪拌直到漿體呈現(xiàn)較好的流動性，最后邊攪拌邊緩慢加入PVA纖維，添加完成后繼續(xù)攪拌3 min，使纖維均勻分散。在已定位好BFRP筋的模具中澆筑ECC后振搗2 min，抹平，24 h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d。

1.3 試驗裝置

BFRP筋/ECC試件設(shè)計如圖2所示。為防止在加載過程中，加載端的BFRP筋出現(xiàn)應(yīng)力集中，或加載端的ECC發(fā)生沖切破壞，將錨固區(qū)域設(shè)置在BFRP筋/ECC粘結(jié)界面的中心位置處，非錨固區(qū)域使用聚氯乙烯(PVC)套管分隔BFRP筋與ECC，并用705膠對PVC套管進(jìn)行封口處理，防止?jié)仓^程中ECC滲入PVC管。BFRP筋被夾持段采用環(huán)氧樹脂膠套鋼管，為避免BFRP筋與鋼管間發(fā)生滑移，鋼管的錨固長度根據(jù)規(guī)范JG/T 406—2013[20]確定。

圖2 拉拔試件尺寸(l為剖切符號)

試驗加載裝置如圖3所示。采用600 kN的萬能試驗機進(jìn)行試驗，加載速率為0.75 mm/min。使用3個位移傳感器(LVDTs)同時測量加載端及自由端處BFRP筋/ECC間的滑移值。平均粘結(jié)強度τ計算如下：

圖3 拉拔試驗加載裝置示意圖

(1)

式中：la、d分別表示BFRP筋的錨固長度和直徑；P表示拉伸荷載。

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞模式

在之前的拉拔試驗[12,14,21-22]中，鋼筋/混凝土、鋼筋/ECC、GFRP/ECC、CFRP筋/混凝土的破壞模式主要有劈裂破壞、FRP筋或鋼筋拔出破壞及CFRP筋自身破壞。BFRP筋/ECC拉拔試驗結(jié)果見表6。BFRP筋/ECC試件的破壞模式分為兩種：

表6 BFRP筋/ECC拉拔試驗結(jié)果

(1)BFRP筋拔出破壞。試驗過程中，試件表面無裂紋，BFRP筋/ECC界面的ECC基體被BFRP筋橫肋剪壞剝離，最終BFRP筋被拔出，如圖4(a)所示。由于本試驗中ECC保護層厚度較大，BFRP筋/ECC的相對保護層厚度[21]c/d(c為ECC保護層厚度，d為BFRP筋直徑)為5.75～8.88>3.41，且與混凝土相比，ECC延性較高，導(dǎo)致BFRP筋/ECC的破壞模式主要為拔出破壞，而非劈裂破壞。該破壞模式主要出現(xiàn)在骨料粒徑大于0.3 mm及不分篩的BFRP筋/ECC中。

圖4 BFRP筋/ECC及BFRP筋破壞模式

(2)BFRP筋拉伸破壞。試驗過程中，由于施加的拉伸荷載達(dá)到了BFRP筋的極限拉應(yīng)力，BFRP筋在ECC基體中被拉斷后拔出。BFRP筋/ECC的拉伸破壞與單軸拉伸中BFRP筋的破壞形式有所區(qū)別，其破壞界面較為平整(圖4(b))，且纖維間粘結(jié)緊密，沒有被“炸開”(圖4(c))，說明ECC基體對BFRP筋產(chǎn)生了橫向約束，且該約束力大于纏繞繩的橫向約束，不會使BFRP筋表面纖維大面積剝落，保證BFRP筋拉伸性能的同時，降低了BFRP筋的脆性。該破壞模式僅出現(xiàn)在DBFRP/ECC 8-(0.15-0.3)-3中。

2.2 BFRP筋/ECC粘結(jié)-滑移曲線

BFRP筋/ECC試件典型的粘結(jié)-滑移曲線如圖5所示，按受力特點可將其分為4個階段。

圖5 BFRP筋/ECC試件典型的粘結(jié)-滑移曲線

(1)微滑移段OA。加載初期，加載端BFRP筋產(chǎn)生滑移(S)相對較小，粘結(jié)力與滑移值呈線性關(guān)系。該階段粘結(jié)力主要由化學(xué)膠著力提供?；瘜W(xué)膠著力為BFRP筋與ECC試件澆筑和養(yǎng)護過程中，ECC基體及其水化產(chǎn)物滲透和附著所產(chǎn)生的化學(xué)粘結(jié)作用，與水化程度有關(guān)，故分級粒徑對其化學(xué)膠著力的影響較小。

(2)滑移上升段AB。隨著荷載的增大，BFRP筋/ECC界面開始發(fā)生脫粘，脫粘現(xiàn)象由加載端向自由端擴展，直至峰值荷載。BFRP筋/ECC界面逐漸脫粘的同時，化學(xué)膠著力逐漸降低為零，摩擦力開始發(fā)揮作用，這也解釋了該階段斜率較微滑移段低的原因。因此，該階段的粘結(jié)力主要由機械咬合力與摩擦力提供。

(3)下降段BC。達(dá)到BFRP筋/ECC的峰值粘結(jié)強度(B點)τmax后，滑移量迅速增加，BFRP筋表面樹脂基體被磨損或BFRP筋/ECC界面處的ECC被剪切破壞，機械咬合力急劇下降，試件進(jìn)入殘余段。該階段的粘結(jié)力主要由摩擦力提供。

(4)殘余波浪段CE。粘結(jié)應(yīng)力出現(xiàn)隨滑移值的增加，波浪衰減的現(xiàn)象，即滑移軟化。這是由于BFRP筋表面被磨損的橫肋再次與環(huán)向凸起的ECC基體重合，機械咬合力再次發(fā)揮作用，使粘結(jié)應(yīng)力再次上升，直至BFRP筋滑移一個橫肋間距時(波峰間距與BFRP筋橫肋間距相近)，粘結(jié)力再次下降。由于BFRP筋橫肋不斷被磨損，故摩擦力不斷減小，即波峰不斷減小。該階段粘結(jié)力主要由摩擦力和機械咬合力提供，其中摩擦力占比較大[22]。隨著滑移量增加，被磨損的橫肋再次與環(huán)向的ECC基體重合，如此反復(fù)，直至BFRP筋被完全拔出。由于橫肋不斷被磨損，故殘余波浪段波峰值隨滑移量的增加而減小。

2.3 分級粒徑ECC對BFRP筋/ECC粘結(jié)性能的影響

2.3.1 平均粘結(jié)強度

根據(jù)表6繪制BFRP筋/ECC的粘結(jié)-滑移曲線，并從每組中挑選最典型的粘結(jié)-滑移曲線作為對比，如圖6所示。由表6可知，BFRP筋/ECC的平均粘結(jié)強度隨骨料粒徑的變化并不顯著。不同骨料粒徑的BFRP筋/ECC，平均粘結(jié)強度僅相差0.2%～6.2%(0.05～1.77 MPa)。其中，DBFRP/ECC 8-(0.15-0.3)的平均粘結(jié)強度最高(30.24 MPa)，DBFRP/ECC 8-(0.6-1.0)的平均粘結(jié)強度最低(28.47 MPa)。與DBFRP/ECC 8-NS相比，分級粒徑ECC可使BFRP筋/ECC的平均粘結(jié)強度提高3.2%～9.6%。

2.3.2 殘余粘結(jié)應(yīng)力

圖6(a)為不同分級粒徑下DBFRP/ECC的粘結(jié)-滑移曲線對比，由圖可知，骨料分級粒徑對BFRP筋/ECC的影響體現(xiàn)在殘余波浪段殘余粘結(jié)應(yīng)力的變化。在BFRP筋/ECC的拔出破壞模式中，由于試件中的損傷隨滑移量的增加而不斷積累，導(dǎo)致其殘余波浪段的峰值應(yīng)力不斷減小，故本文以試件進(jìn)入殘余波浪段后的第一個峰值應(yīng)力作為BFRP筋/ECC的殘余粘結(jié)應(yīng)力(記為τr)，如圖5中的D點，殘余粘結(jié)應(yīng)力與粘結(jié)強度之比記為α(%)，粘結(jié)強度損失量記為β(%)，計算結(jié)果見表7。

圖6 BFRP筋/ECC粘結(jié)-滑移曲線

表7 殘余波浪段波峰線性擬合結(jié)果

由表7可知，DBFRP/ECC 8-(0.15-0.3)-1的粘結(jié)強度損失量最小(34.0%)，殘余粘結(jié)應(yīng)力最高(17.92 MPa)，DBFRP/ECC 8-(0.3-0.6)-1的粘結(jié)強度損失量最大(60.8%)，殘余粘結(jié)應(yīng)力最小(11.24 MPa)。由表4可知，ECC(0.15-0.3)的抗壓強度、極限拉應(yīng)力、延性在分級粒徑ECC中最高，故其基體的密實程度最高，抗裂性及裂紋控制能力最好，粘結(jié)強度的損失量最小。當(dāng)骨料粒徑增大至0.3 mm以上時，抗壓強度緩慢下降，延性大幅下降(49.4%～72.7%)。此時，隨著ECC骨料粒徑的增大，BFRP筋/ECC的粘結(jié)強度損失量減小，殘余粘結(jié)應(yīng)力增大。這主要歸因于不同骨料粒徑的ECC對BFRP筋橫肋磨損程度不同。本文將BFRP筋/ECC殘余波浪段的各峰值應(yīng)力點進(jìn)行線性擬合，通過擬合直線斜率的絕對值|k|表征ECC對BFRP筋橫肋的磨損程度(見圖5)。圖7為BFRP筋/ECC峰值粘結(jié)應(yīng)力變化情況擬合結(jié)果，|k|值越大，說明ECC對BFRP筋橫肋的磨損程度越大。由圖7(a)及表7可知，采用骨料粒徑為0.3～0.6 mm的ECC|k|值最大，即DBFRP/ECC 8-(0.3-0.6)的磨損程度最大，且當(dāng)骨料粒徑大于0.3 mm時，隨著骨料粒徑的增大，|k|值減小，這反映了BFRP筋/ECC粘結(jié)強度損失量變化的原因。此外，由圖6(a)、圖7(a)及表7可知，采用粒徑未分級的DBFRP/ECC 8-NS的粘結(jié)性能與DBFRP/ECC 8-(0.6-1.0)相近(平均粘結(jié)強度相差0.87 MPa，殘余粘結(jié)應(yīng)力相差0.17 MPa，α和β值相差0.1%，|k|值相差0.03)，但骨料粒徑未分級的BFRP筋/ECC的滑移值較小(與DBFRP/ECC 8-(0.6-1.0)相比降低約11.9%)。故骨料粒徑為0.6～1.0 mm的ECC，對BFRP筋/ECC粘結(jié)性能的影響較小，可將0.6～1.0 mm粒徑的ECC與未分級粒徑的ECC等同用于BFRP筋/ECC。綜上所述，采用骨料粒徑為0.15～0.3 mm的BFRP筋/ECC平均粘結(jié)強度、殘余粘結(jié)強度最高，粘結(jié)強度損失量最小，故其粘結(jié)性能最優(yōu)。

圖7 BFRP筋/ECC峰值粘結(jié)應(yīng)力變化情況

2.3.3 破壞模式

圖6(b)為DBFRP/ECC 8-(0.15-0.3)三個試件的粘結(jié)-滑移曲線，DBFRP/ECC 8-(0.15-0.3)-3為BFRP筋拉伸破壞，其余為BFRP筋拔出破壞，由圖可知，不同的破壞模式會導(dǎo)致不同的粘結(jié)-滑移行為，拔出破壞的殘余波浪段為波峰值不斷衰減，或者拉伸破壞的殘余波浪段為波峰值不斷增強，表現(xiàn)出明顯的滑移硬化。這可能是由于BFRP筋的“楔入效應(yīng)”[23]較強，且ECC(0.15-0.3)的抗壓強度最高，導(dǎo)致其滑移一個橫肋間距的同時，在接近自由端處被拉斷。BFRP筋被拉斷后，與自由端分離，BFRP筋失去“楔入效應(yīng)”，其受到的“泊松效應(yīng)”減弱，直徑略有恢復(fù)，故其與ECC間的摩擦力、機械咬合力增強，橫肋的磨損程度也相應(yīng)增大(|k|=0.111，均大于其他兩個同條件的試件)。此外，對BFRP筋磨損程度增大的同時，對ECC造成的損傷也相應(yīng)增大，故隨著滑移量的增加，殘余波浪段的殘余粘結(jié)強度不斷增加?！安此尚?yīng)”是指縱向應(yīng)力作用導(dǎo)致筋材直徑輕微減小的現(xiàn)象[14]，“楔入效應(yīng)”及“泊松效應(yīng)”示意圖見圖8。由圖7(b)可知，相同條件下，產(chǎn)生拉拔破壞的BFRP筋/ECC，粘結(jié)強度、滑移量、殘余粘結(jié)強度、BFRP筋橫肋磨損程度均較為相近；產(chǎn)生拉伸破壞的BFRP筋/ECC，粘結(jié)強度提高約13.7%～24.6%，滑移量增加0.3～0.83 mm，殘余粘結(jié)強度提高約14.5%～17.1%。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)使BFRP筋/ECC的破壞趨于穩(wěn)定，故應(yīng)避免BFRP筋拉伸破壞?？赏ㄟ^減小BFRP筋自由端處的肋深，從而減小BFRP筋自由端處的“楔入效應(yīng)”，使BFRP筋/ECC的破壞模式穩(wěn)定為拔出破壞。

圖8 “楔入效應(yīng)”及“泊松效應(yīng)”示意圖

2.3.4 BFRP筋/ECC界面

為進(jìn)一步分析分級粒徑對BFRP筋/ECC粘結(jié)強度的影響及其原因，將破壞后的試件沿BFRP筋縱向切開觀察，如圖9所示。當(dāng)BFRP筋產(chǎn)生滑移時，破壞可能發(fā)生在樹脂/纖維界面或FRP/ECC界面[13]。由圖9可觀察到BFRP筋表面均由原來的光滑表面變?yōu)榭v向細(xì)條狀劃痕的粗糙表面，且BFRP筋橫肋均受到了不同程度的磨損，說明BFRP筋的樹脂/纖維界面及BFRP筋/ECC界面均發(fā)生破壞。此外，由圖9(b)可知,DBFRP/ECC 8-(0.6-1.0)的BFRP筋橫肋已被磨損至與其凹陷處齊平，其磨損程度最大，這與上文的討論相一致，說明采用|k|值表征ECC對BFRP筋橫肋的磨損程度是可行的。對于其他粒徑BFRP筋/ECC，BFRP筋的磨損程度如圖9(c)所示。由于DBFRP/ECC 8-(1.0-2.5)-2的殘余波浪段峰值粘結(jié)應(yīng)力波動較大，故其擬合系數(shù)R2較小，但從剖面結(jié)果來看，其|k|值仍可作為BFRP筋橫肋磨損程度的參考。綜上所述，當(dāng)|k|值≥0.144時，BFRP筋橫肋會被完全磨損，當(dāng)|k|值<0.144時，BFRP筋橫肋會被磨損至與填充其凹陷的ECC齊平。

圖9 深螺紋BFRP筋/ECC界面破壞形態(tài)

2.4 BFRP筋直徑對BFRP筋/ECC粘結(jié)性能的影響

BFRP筋直徑對BFRP筋/ECC的平均粘結(jié)強度有一定影響。由表6可知，DBFRP/ECC 12-NS的平均粘結(jié)強度與DBFRP/ECC 8-NS、DBFRP/ECC 10-NS相比分別降低約8.2%、4.4%。BFRP筋的直徑越大，BFRP筋/ECC的平均粘結(jié)強度越小，這與文獻(xiàn)[11]的試驗結(jié)果相一致。由于平均粘結(jié)強度降低，采用12 mm的BFRP筋時，BFRP筋/ECC的平均滑移量顯著增加，其平均滑移量與8 mm、10 mm的BFRP筋相比提高約49.6%、41.2%。由圖6(c)可知，DBFRP/ECC 12-NS在為滑移段與滑移上升段的斜率明顯減小，說明其在拉拔過程中的機械咬合力、摩擦力顯著降低。而由表7可知，DBFRP/ECC 12-NS-1的粘結(jié)強度損失量為64.3%，在所有試件中最高，殘余粘結(jié)強度與BFRP筋直徑為8 mm、10 mm的BFRP筋/ECC相比降低約39.2%、35.4%，|k|值降低約59.8%、80.2%。這是由BFRP筋在拉拔過程中存在的“泊松效應(yīng)”和“剪力滯后效應(yīng)”造成的。已有研究表明，BFRP筋直徑越大，其“泊松效應(yīng)”越顯著[23]，即BFRP筋的直徑減小量更大，BFRP筋/ECC的機械咬合力和摩擦力降低更顯著，試驗結(jié)果也驗證了這一點。此外，在BFRP筋/ECC拉拔過程中，BFRP筋表面纖維與中心纖維會產(chǎn)生相對運動，導(dǎo)致粘結(jié)應(yīng)力在BFRP筋的橫截面上不均勻分布，即“剪力滯后效應(yīng)”，如圖10所示(圖中σmax表示BFRP筋表面的粘結(jié)應(yīng)力，σmin表示BFRP筋中心的粘結(jié)應(yīng)力，σave表示平均粘結(jié)應(yīng)力)。而BFRP筋的直徑越大，其“剪力滯后效應(yīng)”也越顯著[24]，平均粘結(jié)強度也會下降得更多。此外，混凝土界面研究中的尺寸效應(yīng)也可用以解釋這一現(xiàn)象，BFRP筋的直徑越大，肋深越大，BFRP筋/ECC界面形成的孔隙越多，最終導(dǎo)致其粘結(jié)強度降低[11]。

圖10 “剪力滯后效應(yīng)”示意圖

對于DBFRP/ECC 10-NS，其粘結(jié)強度損失量、殘余粘結(jié)應(yīng)力與DBFRP/ECC 8-NS相近，但其|k|值在所有試件中最大，為0.207，約為DBFRP/ECC 8-NS的200%。由圖6(c)可知，DBFRP/ECC 10-NS在微滑移段及滑移上升段的斜率降低較小，10 mm直徑的BFRP筋“泊松效應(yīng)”增強并不明顯，與DBFRP/ECC 8-NS相近，即兩者在此階段的機械咬合力、摩擦力相近。然而，進(jìn)入殘余波浪段后，由于直徑增大，但粘結(jié)強度、殘余粘結(jié)應(yīng)力等與8 mm直徑的BFRP筋/ECC相近，故在此階段其橫肋會遭受更嚴(yán)重的磨損。以10 mm直徑為臨界點，12 mm直徑的BFRP筋/ECC在拉拔過程中受到“泊松效應(yīng)”及“剪力滯后效應(yīng)”的影響變得顯著。故在工程應(yīng)用中推薦使用8 mm直徑的BFRP筋，其在粘結(jié)性能及穩(wěn)定性方面都較好。

2.5 BFRP筋表面形式對BFRP筋/ECC粘結(jié)性能的影響

由表6可知，其他條件相同的情況下，與采用深螺紋BFRP筋的BFRP筋/ECC相比，采用淺螺紋BFRP筋的BFRP筋/ECC，平均粘結(jié)強度下降83.7%，平均滑移量下降32.1%。由表7可知，殘余粘結(jié)應(yīng)力下降79.0%，粘結(jié)強度損失量減少17.5%，|k|值降低78.4%。且由圖6(d)可知，淺螺紋BFRP筋/ECC在微滑移段及滑移上升段的斜率明顯減小，說明淺螺紋BFRP筋/ECC的粘結(jié)強度在拉拔過程中的機械咬合力、摩擦力顯著降低。雖然淺螺紋BFRP筋/ECC的粘結(jié)強度、殘余粘結(jié)應(yīng)力較低，但由圖7(d)可知，淺螺紋BFRP筋/ECC的整體粘結(jié)應(yīng)力變化較為平穩(wěn)，這是由于其橫肋深度較小，其|k|值僅為0.022，是所有試件中的最小值。因此，淺螺紋BFRP筋/ECC拉拔過程中的機械咬合力和摩擦力，對ECC和BFRP筋的損傷程度均最小。

圖11為淺螺紋及深螺紋BFRP筋/ECC界面破壞形式，由圖可知，SBFRP/ECC 8-NS-2的BFRP筋表面僅有部分纏繞繩在拉拔過程中被磨斷(圖11(a))，而BFRP筋表面較平整，樹脂基體沒有剝落(ECC表面整潔，無其他異物)，故其破壞發(fā)生在BFRP筋/ECC界面，且界面損傷較小。DBFRP/ECC 8-NS-3的BFRP筋橫肋被磨損較嚴(yán)重(圖11(b))，表面粗糙，肋深減小，且BFRP筋/ECC界面中，ECC表面存在白色粉末，說明BFRP筋表面樹脂基體被磨損脫落，樹脂/纖維界面、BFRP筋/ECC界面均發(fā)生破壞。由此可知，BFRP筋/ECC界面的破壞結(jié)果與前文的分析一致，故相同條件下，采用深螺紋BFRP筋的粘結(jié)性能較好，淺螺紋BFRP筋的粘結(jié)性能較差，但相對穩(wěn)定。

圖11 深螺紋及淺螺紋BFRP筋/ECC界面破壞形態(tài)

3 結(jié) 論

通過對24個玄武巖纖維增強復(fù)合材料筋/高延性水泥基復(fù)合材料(BFRP筋/ECC)的中心拉拔試驗，研究了BFRP筋表面形式、直徑及ECC骨料分級粒徑對BFRP筋/ECC粘結(jié)性能的影響規(guī)律。

(1)BFRP筋/ECC試件的破壞模式主要為BFRP筋拔出破壞，該破壞模式出現(xiàn)在骨料粒徑大于0.3 mm及骨料粒徑未分級的BFRP筋/ECC中。不同的破壞模式會導(dǎo)致不同的粘結(jié)-滑移行為，發(fā)生BFRP筋拉伸破壞的BFRP筋/ECC，表現(xiàn)出明顯的滑移硬化。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)避免BFRP筋拉伸破壞，可通過減小BFRP筋自由端處的肋深，使BFRP筋/ECC的破壞模式穩(wěn)定為拔出破壞。

(2)將BFRP筋/ECC殘余波浪段的各峰值應(yīng)力點進(jìn)行線性擬合，通過擬合直線斜率的絕對值|k|表征ECC對BFRP筋橫肋的磨損程度，當(dāng)|k|值≥0.144時，BFRP筋橫肋會被完全磨損，當(dāng)|k|值<0.144時，BFRP筋橫肋會被磨損至與填充其凹陷的ECC齊平。

(3)BFRP筋/ECC的平均粘結(jié)強度隨骨料粒徑的變化并不顯著。BFRP筋直徑越大，BFRP筋/ECC的平均粘結(jié)強度越小。采用淺螺紋BFRP筋/ECC的粘結(jié)強度、殘余粘結(jié)應(yīng)力較低，但其整體粘結(jié)應(yīng)力變化較為平穩(wěn)，對ECC和BFRP筋的損傷程度均最小。在工程應(yīng)用中推薦使用骨料粒徑為0.15～0.3 mm的ECC，8 mm直徑的深螺紋BFRP筋，其在粘結(jié)性能及穩(wěn)定性方面均較優(yōu)。