后錨固復(fù)材筋在混凝土中的錨固性能研究

葉英杰 姚 彤 徐玉康 何駿飛 徐 凱 邱天賜

（南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

在我國，植筋技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于舊房翻新、房屋加固、橋梁結(jié)構(gòu)等工程領(lǐng)域中，用于結(jié)構(gòu)加固或提高結(jié)構(gòu)性能等。植筋是將鋼筋植入混凝土結(jié)構(gòu)鉆孔中，用結(jié)構(gòu)膠等粘合劑進(jìn)行加固，又稱為后錨固鋼筋技術(shù)。后錨固技術(shù)的便捷性、安全性和高效性使其在工程中越來越重要，應(yīng)用范圍越來越廣。由于傳統(tǒng)鋼筋在潮濕和非中性（pH）環(huán)境下極易銹蝕和被腐蝕，使得結(jié)構(gòu)性能下降，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性，尤其在近河、近湖、近海地區(qū)，效應(yīng)更加明顯。新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP），其相比于傳統(tǒng)鋼筋，具有很好的抗電磁性能、密度小重量輕且耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能較好地取代傳統(tǒng)鋼筋，大大提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。相對(duì)于混凝土而言，環(huán)氧石英砂、環(huán)氧砂以及超高性能混凝土RPC 作為粘結(jié)介質(zhì)的錨固性能更好。

1 破壞形式分析

經(jīng)對(duì)植筋拉拔試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，主要的破壞形式有三種：筋與粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)面破壞、筋拉斷破壞、復(fù)合破壞（錐體破壞）。

1.1 筋與粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)面破壞

發(fā)生破壞時(shí)，混凝土部分與膠體部分發(fā)生相對(duì)滑移，膠層圍繞在筋體表面被一起拔出或者膠體粘結(jié)在混凝土表面，筋體被光筋拔出[1]。若筋體為螺紋筋，筋體表面的凹凸與膠體能產(chǎn)生更好的粘結(jié)作用，增大了機(jī)械咬合力，筋體與粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)力大于混凝土與粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)力，此時(shí)易發(fā)生膠層與筋體一起被拔出；相反，若為光圓筋，則破壞多為光筋拔出。

1.2 拉斷破壞

筋體承受的拉力超過其極限抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致筋體的斷裂破壞，其埋深大于等于臨界錨固深度。

有粘結(jié)面內(nèi)拉斷破壞以及自由長(zhǎng)度內(nèi)拉斷破壞兩種情況。當(dāng)其中部分纖維絲被拉斷后，一定數(shù)量的纖維絲會(huì)分離出來，繼續(xù)增加荷載，筋在最薄弱處發(fā)生破壞。[2]其多發(fā)生在粘結(jié)介質(zhì)強(qiáng)度很高且錨固深度較深的情況下，雖能很好地滿足錨固條件，但其性能過剩導(dǎo)致不經(jīng)濟(jì)。

1.3 復(fù)合破壞

由于埋置較淺，筋體在未發(fā)生屈服階段混凝土已經(jīng)達(dá)到最大抗拉承載力，發(fā)生脆性破壞。此類情況，筋體性能未能被充分利用。

發(fā)生破壞時(shí)，上層的筋體會(huì)攜帶著一圈被破壞的混凝土一起被拔出，下部筋體發(fā)生滑移，連同膠體一起被拔出，整體形式為：上部為混凝土錐形破壞，下部為滑移破壞。當(dāng)筋體的直徑較大時(shí)，粘結(jié)面面積較大，粘結(jié)介質(zhì)傳遞的徑向力不足，導(dǎo)致混凝土發(fā)生開裂。不斷增加荷載，粘結(jié)介質(zhì)和筋體之間的粘結(jié)力不斷增大，發(fā)生粘結(jié)破壞，最終形成復(fù)合破壞。此類破壞形式多發(fā)生于錨固深度相對(duì)較淺的情況下。此類破壞較為危險(xiǎn)，發(fā)生時(shí)沒有明顯的破壞征兆，為突然性破壞。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）

FRP 筋是一種新型的復(fù)合材料，相對(duì)于傳統(tǒng)鋼筋，性能極佳，在大部分領(lǐng)域能很好地取代傳統(tǒng)鋼筋。其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋼筋，F(xiàn)RP 筋的極限抗拉強(qiáng)度一般為2000MPa，其中部分強(qiáng)度達(dá)到3500MPa 左右，對(duì)于傳統(tǒng)鋼筋而言，優(yōu)勢(shì)十分明顯。且其密度小質(zhì)量輕，密度僅為傳統(tǒng)鋼筋的五分之一，能有效減輕結(jié)構(gòu)自重。耐腐蝕性能好，F(xiàn)RP 能很好地應(yīng)用于近海建筑、橋梁、隧道等易被腐蝕的環(huán)境中，其中碳纖維復(fù)材筋的耐久性相對(duì)較好。電磁絕緣性能好，能很好地適用于如雷達(dá)站、微波站等有特殊要求的建筑?？蛊谛阅芎茫祭w維復(fù)材筋的抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋，但其中玻璃纖維復(fù)材筋的抗疲勞性能略遜于傳統(tǒng)鋼筋。[3]

FRP 筋抗拉彈性模量低，導(dǎo)致其受力后的變形比較大，明顯大于傳統(tǒng)鋼筋，其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中時(shí)，結(jié)構(gòu)受拉后的裂縫較大?？辜魪?qiáng)度低，尤其是其橫向抗剪強(qiáng)度極低，極易受剪力破壞，在應(yīng)力集中處纖維絲易斷裂，因此針對(duì)FRP 筋，會(huì)為其制作專門的錨具，以減少因剪力導(dǎo)致的破壞。熱穩(wěn)定性差，耐火耐高溫性能差，在高溫環(huán)境下，F(xiàn)RP 筋的性能會(huì)急劇下降。

FRP 筋相比于傳統(tǒng)鋼筋，在抗拉強(qiáng)度、抗腐蝕、電磁絕緣等方面優(yōu)點(diǎn)十分明顯，充分利用FRP 筋超強(qiáng)的抗拉性能并合理避開其缺點(diǎn)是FRP 筋成功使用于工程實(shí)踐的關(guān)鍵。

FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)力分析有如下幾方面。

2.1 粘結(jié)力的組成和作用

形同傳統(tǒng)鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力，新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）和混凝土之間的粘結(jié)力的主要組成為：

1.因溫度變化或吸濕引起的混凝土收縮或FRP 筋的膨脹所產(chǎn)生的化學(xué)吸附力。

2.FRP 筋與混凝土摩擦面上產(chǎn)生的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力。

3.由搭接、埋設(shè)長(zhǎng)度、彎鉤等產(chǎn)生的FRP 筋的機(jī)械咬合力。

4.通過防止FRP 筋表面的機(jī)械咬傷、摩擦或變形而產(chǎn)生的混凝土擠壓所產(chǎn)生的合力。

光圓FRP 筋表面較光滑，導(dǎo)致混凝土與筋體的作用面只存在化學(xué)吸附力和微小的摩擦力，具有較低的粘結(jié)強(qiáng)度。帶肋纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP），則與混凝土的粘結(jié)作用力與一般普通鋼筋相似。與一般鋼筋相異的是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）的硬度、強(qiáng)度與混凝土相比較低。所以，當(dāng)發(fā)生滑移破壞時(shí)，化學(xué)作用產(chǎn)生的粘著力消失后，粘結(jié)力就主要由摩擦力承擔(dān)；而對(duì)于帶肋FRP 筋，粘結(jié)力主要依靠機(jī)械咬合力維持，其中化學(xué)粘結(jié)力和摩擦力的作用較小。

2.2 FRP 筋與混凝土粘結(jié)性能的影響因素

影響粘結(jié)性能的主要因素[4]為：

1.混凝土強(qiáng)度。以鋼筋混凝土為例，混凝土強(qiáng)度提高，粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)有相應(yīng)的提高。而兩者之間的關(guān)系主要為：粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土的抗壓強(qiáng)度或者抗拉強(qiáng)度的平方根成正比。

2.FRP 筋的埋入長(zhǎng)度。FRP 筋混凝土與鋼筋混凝土相似，在整個(gè)埋長(zhǎng)范圍內(nèi)粘結(jié)應(yīng)力分布不均勻。當(dāng)FCR 鋼筋的埋入長(zhǎng)度增加，粘結(jié)強(qiáng)度則會(huì)相應(yīng)地減小，所以過度增加埋入深度，粘結(jié)效應(yīng)增加并不明顯。

3.橫向箍筋。在混凝土內(nèi)部配置橫向箍筋可以有效預(yù)防試件徑向和縱向發(fā)生劈裂破壞，同時(shí)也能大大改善FRP 筋混凝土的粘結(jié)性能。

4.FRP 筋的自身性能。例如纖維筋的表面形狀、直徑、種類等。其中FRP 筋的表面形狀與普通鋼筋一致，分為光圓型表面和螺紋型表面。在其他條件相同情況下，光圓型表面的FRP 筋和螺紋型表面的FRP 筋相比，螺紋型表面的FRP 筋的粘結(jié)效應(yīng)遠(yuǎn)好于光圓型表面的FRP 筋。

5.環(huán)境因素。FRP 筋混凝土粘結(jié)性能會(huì)隨著溫度的變化有明顯變化，另外，處于不同的環(huán)境FRP 筋混凝土試件的粘結(jié)性能也會(huì)受到影響，例如強(qiáng)酸環(huán)境、強(qiáng)堿環(huán)境等。

6.其他因素。FRP 筋混凝土的粘結(jié)性能還受諸多因素影響，還需要進(jìn)行不斷的研究和探索。

3 錨固性能分析

3.1 粘結(jié)介質(zhì)對(duì)錨固性能的影響

粘結(jié)介質(zhì)的種類及強(qiáng)度對(duì)筋體的錨固性能影響極大，不同種類、不同強(qiáng)度的粘結(jié)介質(zhì)針對(duì)不同材料、不同直徑的筋體之間的粘結(jié)力存在很大差異，因此選擇合適種類、強(qiáng)度的粘結(jié)介質(zhì)對(duì)錨固性能極為重要。試驗(yàn)選取了直徑10 毫米的碳纖維復(fù)材筋（CFRP）、15 倍筋直徑作為埋深長(zhǎng)度為試驗(yàn)條件，使用包括普通混凝土、活性粉末混凝土、環(huán)氧類粘結(jié)劑在內(nèi)的三種粘結(jié)介質(zhì)，進(jìn)行大量拉拔試驗(yàn)，研究粘結(jié)介質(zhì)對(duì)錨固性能的影響。經(jīng)大量試驗(yàn)做出各粘結(jié)介質(zhì)的荷載-滑移曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)選取普通混凝土作為粘結(jié)介質(zhì)時(shí)，筋體產(chǎn)生滑移后，相比于其他兩類粘結(jié)劑，滑移速度的增加更加迅速，在很短時(shí)間內(nèi)錨固就會(huì)失效。在15 倍筋直徑為埋深，以環(huán)氧砂作為粘結(jié)介質(zhì)，筋體開始有滑移時(shí)，施加的拉力為20 KN；以高性能混凝土作為粘結(jié)介質(zhì)時(shí)，出現(xiàn)滑移時(shí)的荷載為38 KN。而在25 倍、30 倍筋直徑為埋深的試驗(yàn)條件下，環(huán)氧砂為粘結(jié)介質(zhì)出現(xiàn)滑移時(shí)的荷載大于以高性能混凝土作為粘結(jié)介質(zhì)時(shí)的荷載。以環(huán)氧砂作為粘結(jié)介質(zhì)，滑移開始發(fā)生后，滑移速度會(huì)迅速增加至完全失效，而以高性能混凝土為粘結(jié)介質(zhì)時(shí)，滑移速度相對(duì)較小，且趨于穩(wěn)定[5]。試驗(yàn)中使用的環(huán)氧砂抗壓強(qiáng)度大于混凝土的抗壓強(qiáng)度，而高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度又大于環(huán)氧砂的抗壓強(qiáng)度，故高性能混凝土的失效粘結(jié)力最大，環(huán)氧砂次之，普通混凝土最小。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同種類的粘結(jié)介質(zhì)對(duì)錨固性能的影響是不盡相同的。

3.2 錨固長(zhǎng)度和筋體表面形狀對(duì)錨固性能的影響

筋體與混凝土的錨固性能主要由粘結(jié)介質(zhì)與筋體表面的化學(xué)膠著力、筋體與膠層接觸面的摩擦力以及筋體表層凹凸不平產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用決定。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粘結(jié)介質(zhì)為普通混凝土?xí)r，壓紋筋的錨固粘結(jié)作用基本完全由機(jī)械咬合力決定，粘結(jié)介質(zhì)為環(huán)氧砂和高性能混凝土?xí)r，粘結(jié)作用中機(jī)械咬合力分別占比70%和85%，即壓紋筋的錨固性能很大程度上取決于機(jī)械咬合力。

試驗(yàn)用不同條件下筋的極限抗拉強(qiáng)度代表此條件下的錨固性能，試驗(yàn)選用碳纖維復(fù)材筋研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)錨固端進(jìn)行打磨的試驗(yàn)條件下，增大筋體的埋深即錨固長(zhǎng)度，所有碳纖維復(fù)材筋的抗拉強(qiáng)度也隨之增加。碳纖維復(fù)材筋在打磨條件下，平均粘結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度的增大不斷減小，達(dá)到一定錨固長(zhǎng)度后減小的速度變緩，最后趨于平穩(wěn)。對(duì)于7 毫米光圓筋，在打磨的試驗(yàn)條件下，不斷增大錨固長(zhǎng)度，平均粘結(jié)強(qiáng)度表現(xiàn)為先增大后減小[6]。對(duì)于光圓筋，進(jìn)行環(huán)氧膠膜粘砂，在保證一定的錨固長(zhǎng)度條件下，錨固性能較佳。對(duì)于螺紋筋，由于機(jī)械咬合力較大，使用環(huán)氧樹脂粘砂，能較好地利用材料性能，發(fā)揮出較佳的錨固作用。

當(dāng)筋體埋入深度較淺時(shí)，筋體多發(fā)生復(fù)合破壞即錐形破壞，承載力很小，鋼筋的能力沒有發(fā)揮出來即被破壞，且破壞多呈現(xiàn)為脆性破壞。逐漸增加埋入深度，筋體會(huì)有屈服現(xiàn)象，出現(xiàn)有預(yù)兆性的破壞。當(dāng)埋深達(dá)到甚至超過15 倍筋體直徑長(zhǎng)度時(shí)，筋體均會(huì)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，當(dāng)筋體直徑較小時(shí)，也會(huì)發(fā)生延性破壞。隨著筋體埋入深度的繼續(xù)增加，筋體的承載力相差不大，但對(duì)出現(xiàn)滑移后殘余的粘結(jié)強(qiáng)度影響較大。

3.3 荷載-滑移曲線分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做出大量荷載-滑移曲線圖，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同種類的筋，都出現(xiàn)某一定值，從0 開始不斷施加荷載，當(dāng)荷載加至該值之前，荷載與加載端的滑移量總保持某一線性關(guān)系，即可視為錨固粘結(jié)性能的彈性階段，粘結(jié)剛度可由該曲線的斜率近似代表。埋深較淺時(shí)，其彈性階段的曲線斜率相對(duì)較小。隨著埋深的增大，彈性階段的曲線斜率也隨之增大。當(dāng)埋深達(dá)到某一固定有效長(zhǎng)度后，其彈性階段的曲線斜率不再增加。

繼續(xù)加載，即超出其彈性范圍后，筋體開始出現(xiàn)屈服，荷載-滑移曲線轉(zhuǎn)為非線性關(guān)系，曲線斜率開始減小。在該階段，埋深的長(zhǎng)度影響植筋的極限承載力，在一定范圍內(nèi)，埋深較深則植筋的極限承載力越大，當(dāng)埋深達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，繼續(xù)增加埋深對(duì)極限承載力的提升近乎沒有影響。荷載達(dá)到粘結(jié)破壞時(shí)的最大荷載值后，進(jìn)入殘余階段，曲線變?yōu)椴灰?guī)律發(fā)展，滑移急劇增大[7]。此時(shí)，粘結(jié)介質(zhì)與混凝土之間的粘結(jié)力已近乎完全失效，僅靠破壞面的機(jī)械咬合力以及摩擦力作為殘余粘結(jié)力。隨著埋深的增大，殘余粘結(jié)力會(huì)隨之增大。

4 結(jié)語

本文對(duì)拉拔試驗(yàn)中植筋的破壞形式、影響錨固性能的影響因素以及荷載-滑移曲線進(jìn)行了試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果如下：

1.植筋的拉拔試驗(yàn)，主要的破壞形式有三種：筋與粘結(jié)介質(zhì)的粘結(jié)面破壞、筋拉斷破壞、復(fù)合破壞（錐體破壞）。其中，最理想的破壞形式為筋的拉斷破壞。

2.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）在大部分情況下能很好地取代傳統(tǒng)鋼筋，甚至性能更佳。

3.壓紋筋的錨固粘結(jié)作用主要由機(jī)械咬合力決定。

4.不同種類的粘結(jié)介質(zhì)對(duì)錨固性能的影響是不盡相同的，其中高性能混凝土（RPC）效果較好。

5.筋體埋深對(duì)滑移后殘余粘結(jié)強(qiáng)度影響較大，埋深越大，殘余應(yīng)力越大。