PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)性能試驗(yàn)分析

武芳文,段鈞淇,何嵐清,梅韻歌,卞正容,張智舉,3,劉來君,楊 飛

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院,西安 710064;2.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710061;3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)鄭州設(shè)計(jì)院,鄭州 450000)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常帶裂縫工作,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋更加容易遭受銹蝕,從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性[1-2]。纖維增強(qiáng)復(fù)材筋(fiber reinforced polymer bars,FRP筋)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕和易加工等優(yōu)點(diǎn),因此,FRP筋被普遍認(rèn)為可以代替普通鋼筋服役[3-4]。另外,鑒于玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)材筋(basalt fiber reinforced polymer bars,BFRP筋)與其他FRP筋相比更加環(huán)保且制作成本低,BFRP筋已逐漸成為其他種類FRP筋的替代品[5-6]。BFRP筋的彈性模量較低,其配筋結(jié)構(gòu)在服役時(shí)平均裂縫寬度遠(yuǎn)大于普通鋼筋混凝土,同時(shí)BFRP筋的本構(gòu)關(guān)系為線彈性,沒有屈服點(diǎn),導(dǎo)致BFRP筋增強(qiáng)混凝土梁呈現(xiàn)脆性破壞的特征,缺少安全性能[7]。因此,有必要采用高延性的混凝土改善FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的脆性特性。

聚乙烯醇纖維增強(qiáng)工程水泥基復(fù)合材料(polyvinyl alcohol fiber reinforced engineered cementitious composites,PVA-ECC)具有高延性、多裂縫發(fā)展特性和微小裂縫寬度優(yōu)點(diǎn)[8]。PVA-ECC代替普通混凝土可以有效彌補(bǔ)BFRP筋與混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)裂縫多且寬度大的缺陷。鑒于PVA-ECC多裂縫發(fā)展和BFRP筋抗拉強(qiáng)度高等特性,采用PVA-ECC與BFRP筋復(fù)合結(jié)構(gòu),可以將兩種材料的優(yōu)勢互補(bǔ),解決傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易開裂且耐久性差的缺陷,同時(shí)可以提高結(jié)構(gòu)的延性,提高結(jié)構(gòu)抗震性能[9]。工程結(jié)構(gòu)中,為保證PVA-ECC與BFRP筋之間協(xié)同工作,兩者之間必需有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度。若PVA-ECC與BFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度不足,則結(jié)構(gòu)將缺乏足夠的承載力,影響結(jié)構(gòu)安全性。因此,研究PVA-ECC與BFRP筋之間的黏結(jié)性能尤為重要。

FRP筋與PVA-ECC黏結(jié)滑移性能不同于鋼筋與普通混凝土,不少學(xué)者對FRP筋與ECC的黏結(jié)性能開展了研究。Zhao等[10]研究了ECC與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)材筋(glass fiber reinforced polymer bars,GFRP筋)、碳纖維增強(qiáng)復(fù)材筋(carbon fiber reinforced polymer bars,CFRP筋)和普通鋼筋的黏結(jié)性能,結(jié)果表明,黏結(jié)強(qiáng)度與ECC強(qiáng)度成比例增加,高肋鋼筋比低肋鋼筋表現(xiàn)出更高的黏結(jié)強(qiáng)度。吳麗麗等[11]研究了GFRP筋與ECC的黏結(jié)性能,結(jié)果表明,增加GFRP筋表面復(fù)雜程度,或增加ECC的強(qiáng)度、基體保護(hù)層厚度,有助于提高兩者的黏結(jié)強(qiáng)度。Li等[12]在加固鋼筋混凝土梁試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),與BFRP筋增強(qiáng)聚合物砂漿加固梁相比,BFRP筋增強(qiáng)ECC基體加固梁具有更高的屈服強(qiáng)度和極限荷載。Hossain等[13]通過GFRP筋與ECC和普通混凝土拔出試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),ECC黏結(jié)強(qiáng)度高于普通混凝土,高彈性模量GFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度低于低彈性模量GFRP筋。

綜上,PVA-ECC與FRP筋結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有非常顯著的優(yōu)勢,但是目前關(guān)于PVA-ECC與FRP筋的黏結(jié)性能研究多集中于其他FRP筋。因此,需要進(jìn)一步研究PVA-ECC與BFRP筋之間的黏結(jié)性能和黏結(jié)滑移本構(gòu)模型。本文考慮BFRP筋表面形式、直徑、錨固長度和PVA-ECC保護(hù)層厚度、強(qiáng)度5個(gè)因素,制作了28個(gè)PVA-ECC與BFRP筋的黏結(jié)錨固試件進(jìn)行拔出試驗(yàn),分析其破壞形態(tài)和破壞特征,揭示PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)破壞機(jī)理,探討各因素對PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)性能影響規(guī)律,建立PVA-ECC與BFRP筋的黏結(jié)滑移本構(gòu)模型。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 BFRP筋

試驗(yàn)采用的BFRP筋由樹脂和玄武巖纖維通過拉擠成型工藝制成,且噴砂BFRP筋經(jīng)過人工表面噴砂處理,具體BFRP筋參數(shù)及實(shí)測力學(xué)性能見表1。其中,BFRP筋直徑包括肋高,B表示纏繞帶肋BFRP筋,BS表示噴砂纏繞帶肋BFRP筋。BFRP筋表面形式如圖1所示,無噴砂BFRP筋表面光滑,噴砂BFRP筋表面粗糙,不同直徑筋材的肋高有所不同,但相對肋高(肋高/直徑)均約為6.7%。

圖1 BFRP筋表面特性

表1 BFRP筋的物理力學(xué)性能參數(shù)

1.1.2 PVA-ECC材料

本試驗(yàn)采用的PVA-ECC強(qiáng)度等級為C50和C80,配合比見表2,兩種強(qiáng)度的PVA-ECC均采用聚乙烯醇纖維,且纖維體積率均為2%。按照J(rèn)C/T 2461—2018《高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[14]進(jìn)行了PVA-ECC的單軸拉伸試驗(yàn)和立方體抗壓試驗(yàn)。PVA-ECC拉伸強(qiáng)度超過了4.5 MPa,極限拉伸應(yīng)變超過3%。兩種類型PVA-ECC的實(shí)測抗壓強(qiáng)度為50.5 MPa和81.7 MPa。

表2 PVA-ECC配合比

1.2 試件設(shè)計(jì)與制作

為探究PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)性能的影響因素,設(shè)置錨固長度(5d、7d、9d,d表示筋材直徑)、直徑(8、10、12 mm)及PVA-ECC強(qiáng)度(C50、C80)、保護(hù)層厚度(70、25、15、5 mm)為變量,對28個(gè)PVA-ECC與BFRP筋拔出試件開展試驗(yàn)。試驗(yàn)參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)[15]和ACI 440.3R-04規(guī)范[16],采用邊長為150 mm的單向拔出立方體試件。根據(jù)錨固長度的不同,將BFRP筋截取為500 mm并劃分成黏結(jié)段、非黏結(jié)段、外伸段。錨固長度即筋材在PVA-ECC中黏結(jié)段的長度。其中,非黏結(jié)段BFRP筋表面纏繞膠布并套上PVC管,防止PVA-ECC漿體進(jìn)入PVC管中產(chǎn)生黏結(jié)應(yīng)力影響試驗(yàn)結(jié)果。由于BFRP筋屬于各向異性材料,抗剪強(qiáng)度低,因此,在BFRP筋外伸段套上無縫鋼管,采用環(huán)氧樹脂填充使二者黏結(jié)可靠,避免試驗(yàn)機(jī)夾具對BFRP筋端部造成剪切破壞,影響試驗(yàn)結(jié)果。此外,為了方便養(yǎng)護(hù)脫模,試件采用可拆卸木制模具,并根據(jù)試件設(shè)計(jì)需要的保護(hù)層厚度,在木模具前后相應(yīng)位置進(jìn)行打孔。具體試件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試件結(jié)構(gòu)

1.3 試件加載與測量

試驗(yàn)采用量程為100 kN電伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載,試驗(yàn)加載速率為0.5 mm/min,加載裝置如圖3所示。反力架下層T形鋼板用夾具夾緊并進(jìn)行調(diào)平,將拔出試件穿入反力架上層鋼板中,試驗(yàn)機(jī)上夾具夾住筋材,當(dāng)試驗(yàn)機(jī)橫梁移動時(shí),荷載即施加于試件上。BFRP筋自由端和加載端位移采用量程為30 mm的電子式位移計(jì)測量,使用東華DH3816N采集數(shù)據(jù),采樣頻率5 Hz。自由端滑移量Sz由自由端位移計(jì)測量得出,由于BFRP筋的彈性模量較低,試件脫黏部分至加載端位移計(jì)處的BFRP筋的彈性變形不可忽略,則加載端滑移量計(jì)算公式為

圖3 拔出試驗(yàn)裝置

(1)

式中:Sj為加載端滑移量,Sw為加載端位移計(jì)的數(shù)值(取兩個(gè)加載端位移計(jì)讀數(shù)的平均值),Sb、lb分別為試件脫黏部分至加載端位移計(jì)處BFRP筋的伸長量和長度,F為外荷載,Eb、Ab分別為BFRP筋的彈性模量和有效橫截面積。

PVA-ECC與BFRP筋平均黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算見式(2),最大平均黏結(jié)應(yīng)力稱為黏結(jié)強(qiáng)度。

τ=F/πdl

(2)

式中:τ為平均黏結(jié)應(yīng)力;d為BFRP筋直徑;l為黏結(jié)長度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)破壞形態(tài)

本次試驗(yàn)只有保護(hù)層厚度為5 mm的試件發(fā)生PVA-ECC劈裂破壞,其余試件均發(fā)生BFRP筋拔出破壞,并未出現(xiàn)筋材拉斷現(xiàn)象。

1)拔出破壞。試件發(fā)生拔出破壞時(shí),BFRP筋隨著外荷載增加從PVA-ECC中緩慢拔出,加載至結(jié)束PVA-ECC表面無明顯裂縫。加載結(jié)束后觀察黏結(jié)界面,無噴砂BFRP筋肋表面磨損嚴(yán)重,破壞主要發(fā)生在BFRP筋樹脂層,PVA-ECC黏結(jié)滑移段處有BFRP筋表面樹脂材料殘留,如圖4(a)和圖4(b)所示。該現(xiàn)象與普通鋼筋與PVA-ECC發(fā)生黏結(jié)破壞時(shí)不同。普通鋼筋發(fā)生黏結(jié)破壞時(shí),筋肋剪碎黏結(jié)界面附近的PVA-ECC材料,黏結(jié)界面發(fā)生破壞[12]。這是由于BFRP筋肋抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于普通鋼筋。噴砂BFRP筋表面磨損程度較小,筋表面覆蓋一層PVA-ECC,筋表面PVA-ECC覆蓋層與周圍PVA-ECC發(fā)生剪切破壞,如圖4(c)所示。

圖4 黏結(jié)破壞形態(tài)

2)劈裂破壞。加載過程中發(fā)生劈裂破壞時(shí),試驗(yàn)機(jī)荷載曲線出現(xiàn)驟降,伴隨有PVA-ECC的開裂聲,裂縫出現(xiàn)在試件表面黏結(jié)段區(qū)域并向非黏結(jié)段延伸,最終貫穿試件表面。在卸載后,PVA-ECC表面兩端非黏結(jié)段裂縫收縮,如圖4(d)所示。只有保護(hù)層厚度為5 mm的試件發(fā)生PVA-ECC劈裂破壞,這主要是因?yàn)锽FRP筋肋與PVA-ECC相互擠壓,使PVA-ECC一定范圍內(nèi)環(huán)向受拉,當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力大于PVA-ECC的開裂強(qiáng)度時(shí),PVA-ECC出現(xiàn)裂紋,并且裂紋隨著拉應(yīng)力的增大而逐漸向外擴(kuò)展,當(dāng)保護(hù)層厚度較小時(shí),裂紋容易擴(kuò)展到PVA-ECC表面而發(fā)生劈裂破壞。

2.2 黏結(jié)強(qiáng)度結(jié)果

PVA-ECC與BFRP筋拔出試件加載結(jié)果見表3。其中,P為拔出破壞,S為劈裂破壞。試件編號含義為:PVA-ECC強(qiáng)度和BFRP筋表面形式-保護(hù)層厚度-錨固長度-BFRP筋直徑,如E50BS-70-D5-10表示直徑為10 mm,錨固長度為5倍直徑,表面噴砂的BFRP筋,PVA-ECC保護(hù)層厚度為70 mm且強(qiáng)度為C50的拔出試件。

表3 PVA-ECC與BFRP筋拔出試驗(yàn)結(jié)果

2.3 黏結(jié)滑移曲線

筋材與基體材料之間的黏結(jié)應(yīng)力主要由化學(xué)膠結(jié)力、摩擦力及機(jī)械咬合力組成。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,PVA-ECC與BFRP筋拔出破壞過程可分為微滑移階段、滑移階段、下降階段及殘余應(yīng)力階段,BFRP筋與PVA-ECC拔出破壞黏結(jié)滑移曲線如圖5所示。

圖5 拔出破壞黏結(jié)滑移曲線

1)微滑移階段(OA段)。加載初期,加載端滑移量非常小,自由端不發(fā)生滑移。此時(shí),試件處于線彈性階段,黏結(jié)滑移曲線斜率較大,接近直線。此時(shí)試件的黏結(jié)強(qiáng)度主要來自BFRP筋與PVA-ECC之間的化學(xué)膠結(jié)力。

2)滑移階段(AB段)。隨著荷載增大,局部脫黏首先發(fā)生在BFRP筋與PVA-ECC的加載端附近,然后逐漸向自由端發(fā)展。脫黏界面上的化學(xué)膠結(jié)力在埋置長度上從加載端向自由端遞減,BFRP筋與PVA-ECC產(chǎn)生相對滑移。黏結(jié)滑移曲線斜率逐漸減小,呈非線性。隨著黏結(jié)應(yīng)力繼續(xù)增加至峰值,黏結(jié)滑移曲線逐漸平緩。此時(shí),黏結(jié)強(qiáng)度主要由PVA-ECC與BFRP筋肋的機(jī)械咬合力和摩擦力提供。

3)下降階段(BC段)。黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到峰值后,隨著滑移量的增加,BFRP筋肋磨損愈發(fā)嚴(yán)重,機(jī)械咬合力減小,黏結(jié)應(yīng)力開始逐漸下降。

4)殘余應(yīng)力階段(CD段)。此階段隨著滑移量的增加,無噴砂的BFRP筋的黏結(jié)應(yīng)力存在波動性變化,整個(gè)黏結(jié)滑移曲線近似于周期遞減的正弦曲線。然而噴砂BFRP黏結(jié)滑移曲線在此階段沒有表現(xiàn)出明顯的波動性變化,這是由于殘余應(yīng)力階段的黏結(jié)強(qiáng)度主要靠界面殘余摩擦力提供,而噴砂BFRP筋材表面的PVA-ECC覆蓋層已發(fā)生層間剝離,導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)一直下降趨勢。

2.4 黏結(jié)性能影響因素研究

2.4.1 BFRP筋表面形式

表面噴砂及無噴砂BFRP筋的自由端黏結(jié)滑移曲線如圖6所示。在外荷載作用下,表面噴砂BFRP筋達(dá)到黏結(jié)應(yīng)力峰值時(shí)對應(yīng)的滑移值比無噴砂BFRP筋更小。與無噴砂BFRP筋相比,噴砂BFRP筋在PVA-ECC中黏結(jié)強(qiáng)度提高約32.8%。噴砂BFRP筋發(fā)生黏結(jié)破壞時(shí),BFRP筋表面的PVA-ECC覆蓋層發(fā)生剪切破壞而拔出,并且BFRP筋表面噴砂層磨損程度較小,可見砂顆粒與BFRP筋表面黏結(jié)可靠。高超等[17]采用人工噴砂的BFRP筋與混凝土,其黏結(jié)強(qiáng)度提高約12%左右,發(fā)生黏結(jié)破壞時(shí),BFRP筋表面噴砂層磨損嚴(yán)重。由此可見,噴砂對黏結(jié)強(qiáng)度的提高大小是受到砂顆粒和筋材表面黏結(jié)的牢固程度的影響,當(dāng)砂顆粒黏結(jié)更牢固時(shí),BFRP筋與PVA-ECC的黏結(jié)強(qiáng)度提升越高。

圖6 不同表面形式下自由端黏結(jié)滑移曲線

2.4.2 BFRP筋錨固長度

BFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長度增加而降低。相比錨固長度為5d的試件,7d、9d試件黏結(jié)強(qiáng)度分別降低了11.57%和20.3%,黏結(jié)強(qiáng)度變化與錨固長度之間存在線性關(guān)系。黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長度增加而降低是由黏結(jié)應(yīng)力沿黏結(jié)段的非線性分布和泊松效應(yīng)引起的。錨固長度越長,非線性分布越明顯。當(dāng)錨固長度較小時(shí),高黏結(jié)應(yīng)力分布區(qū)域較大,筋材錨固長度上的應(yīng)力分布比較均勻,平均黏結(jié)應(yīng)力較大;而當(dāng)錨固長度較大時(shí),高黏結(jié)應(yīng)力分布區(qū)域較窄,筋材埋置長度上的應(yīng)力分布不均勻,平均黏結(jié)應(yīng)力較小。此外泊松效應(yīng)的存在使筋材在拉伸過程中直徑降低,進(jìn)而導(dǎo)致BFRP筋與PVA-ECC間的摩擦力降低。

圖7為錨固長度為5d、7d、9d條件下BFRP筋的加載端和自由端黏結(jié)滑移曲線。3種不同錨固長度下試件達(dá)到黏結(jié)應(yīng)力峰值時(shí),自由端滑移量均在3 mm左右,加載端滑移量則隨錨固長度增加而提高。

圖7 不同錨固長度下黏結(jié)滑移曲線

2.4.3 BFRP筋直徑

本試驗(yàn)中BFRP筋肋寬、肋間距保持不變,肋高隨BFRP筋直徑增加而增加,但相對肋高隨筋材直徑的增大而保持不變。3種直徑BFRP筋的黏結(jié)滑移曲線如圖8所示,當(dāng)BFRP筋的相對肋高均為6.7%時(shí),試件的黏結(jié)強(qiáng)度表現(xiàn)出隨著直徑的增大而增大。黏結(jié)段FRP筋的應(yīng)力呈現(xiàn)非線性分布的特點(diǎn),當(dāng)FRP筋的直徑越大,其非線性應(yīng)力分布越不均勻[18],在筋材的肋參數(shù)不變的情況下,較大直徑的FRP筋需要更大的錨固長度才能獲得相同法向黏結(jié)應(yīng)力。因此,在其他條件不變時(shí),FRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度應(yīng)隨著FRP筋直徑的增大而降低[11,18]。這不同于本試驗(yàn)的結(jié)論,其主要原因是本試驗(yàn)采用筋材的相對肋高保持不變,當(dāng)增加BFRP筋的直徑時(shí),筋肋高度變高,則筋肋與PVA-ECC的接觸面積增加,進(jìn)而提高了二者之間的機(jī)械咬合力,使黏結(jié)強(qiáng)度增大。因此,增加BFRP筋肋高可以有效避免筋材直徑增大對黏結(jié)強(qiáng)度的不利影響。

圖8 不同直徑下自由端黏結(jié)滑移曲線

2.4.4 PVA-ECC保護(hù)層厚度

本試驗(yàn)通過設(shè)置不同的保護(hù)層厚度來模擬實(shí)際工程中保護(hù)層厚度不足帶來的影響。對于保護(hù)層厚度為25、15、5 mm的試件,BFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度隨著保護(hù)層厚度的降低而降低,呈正相關(guān)。當(dāng)保護(hù)層厚度為5 mm時(shí),黏結(jié)強(qiáng)度為6.03 MPa,僅為保護(hù)層厚度為25 mm時(shí)的39.59%。實(shí)際工程中需要足夠的保護(hù)層厚度對筋材產(chǎn)生約束,而保護(hù)層厚度的不足或漏筋會嚴(yán)重影響B(tài)FRP筋與PVA-ECC的黏結(jié)強(qiáng)度,繼而影響結(jié)構(gòu)的承載力。

根據(jù)圖9可知,保護(hù)層厚度為70 mm和25 mm的試件黏結(jié)應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí),BFRP筋滑移量約3 mm。保護(hù)層厚度為15、5 mm試件的黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí),BFRP筋滑移量比保護(hù)層厚度70、25 mm的試件小。當(dāng)保護(hù)層厚度不足發(fā)生黏結(jié)破壞時(shí),黏結(jié)滑移曲線會發(fā)生驟降,試件覆蓋層出現(xiàn)裂縫。通過判斷黏結(jié)強(qiáng)度峰值出現(xiàn)時(shí)的黏結(jié)滑移值可以有效判斷保護(hù)層厚度是否滿足要求。對于直徑不超過10 mm的BFRP筋,保護(hù)層厚度建議25 mm以上。

圖9 不同保護(hù)層厚度下自由端黏結(jié)滑移曲線

2.4.5 PVA-ECC強(qiáng)度

當(dāng)PVA-ECC強(qiáng)度從C50提高到C80時(shí),BFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度從13.31 MPa提高到19.37 MPa,強(qiáng)度提高45.53%。已有研究[19]表明,FRP筋在普通混凝土中的黏結(jié)破壞是由于二者之間的黏結(jié)界面產(chǎn)生滑移而破壞;高強(qiáng)混凝土中,黏結(jié)破壞主要由FRP筋樹脂與纖維剪切破壞造成的。在高強(qiáng)度PVA-ECC中,黏結(jié)強(qiáng)度由BFRP筋中樹脂與纖維之間的剪切力控制,繼續(xù)增加PVA-ECC強(qiáng)度并不能大幅提高黏結(jié)強(qiáng)度。

對比BFRP筋在兩種強(qiáng)度的PVA-ECC中加載端和自由端的黏結(jié)滑移曲線圖10可知,高強(qiáng)度PVA-ECC中在黏結(jié)滑移曲線進(jìn)入非線性階段后,自由端的滑移量滯后于加載端,黏結(jié)損傷從加載端開始,然后逐漸轉(zhuǎn)移到自由端,黏結(jié)應(yīng)力在黏結(jié)滑移段呈不均勻分布。

圖10 不同PVA-ECC強(qiáng)度下黏結(jié)滑移曲線

3 PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)滑移本構(gòu)

3.1 已有本構(gòu)模型及適用性

PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)滑移本構(gòu)是設(shè)計(jì)PVA-ECC與BFRP筋結(jié)構(gòu)和進(jìn)行有限元模擬的重要理論依據(jù)。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在FRP筋與混凝土黏結(jié)滑移本構(gòu)研究方面建立了多種模型[20-23]。其中Malvar模型表達(dá)式[20]為

(3)

改進(jìn)BPE模型表達(dá)式[21]為

(4)

連續(xù)曲線模型表達(dá)式[22]為

(5)

式中:τu、su為峰值黏結(jié)應(yīng)力及對應(yīng)滑移值,τr、sr為殘余應(yīng)力及對應(yīng)滑移值,F、G、α、p均為試驗(yàn)結(jié)果確定的常數(shù)。

Malvar模型、改進(jìn)BPE模型以及連續(xù)曲線模型均不是以PVA-ECC與BFRP筋的黏結(jié)滑移曲線構(gòu)造的本構(gòu)模型。因此,本文僅考慮以上3種模型來討論P(yáng)VA-ECC與BFRP筋黏結(jié)滑移本構(gòu)模型。3種本構(gòu)模型曲線與試驗(yàn)曲線擬合結(jié)果如圖11所示。另外,由于實(shí)際工程中為避免筋材保護(hù)層厚度不足的現(xiàn)象,配置了一定量的箍筋,結(jié)構(gòu)不會發(fā)生劈裂破壞。因此,本研究并未選擇劈裂破壞試件的數(shù)據(jù)來探討PVA-ECC與BFRP筋的黏結(jié)滑移本構(gòu)模型。

圖11 各本構(gòu)模型與試驗(yàn)結(jié)果對比

3種本構(gòu)模型中,Malvar模型在上升段能較好的描述PVA-ECC與BFRP筋的黏結(jié)滑移變化規(guī)律,但結(jié)構(gòu)式含有兩個(gè)參數(shù)且較為復(fù)雜;改進(jìn)BPE模型在上升段與PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)滑移曲線差異較大,且下降段為直線;連續(xù)曲線模型表達(dá)形式簡單,但在上升段,連續(xù)曲線模型的黏結(jié)應(yīng)力要高于試驗(yàn)的黏結(jié)應(yīng)力。

3.2 PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)滑移本構(gòu)模型

本文依據(jù)連續(xù)曲線模型,改進(jìn)上升段,獲得適用于PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)滑移的本構(gòu)模型。構(gòu)造函數(shù)為

(6)

根據(jù)連續(xù)曲線模型思想,有約束條件:

(7)

將式(7)代入式(6),求解可得

(8)

將式(8)代入式(6),可得

(9)

式中a是反映試驗(yàn)筋材和基體材料特性的常數(shù),當(dāng)筋材與基體材料確定時(shí),a為定值。a越小,黏結(jié)滑移曲線上升段斜率越大。對于BFRP筋與PVA-ECC材料,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),a值建議取7,改進(jìn)后的本構(gòu)模型黏結(jié)滑移曲線如圖12所示,同連續(xù)曲線模型相比,本文模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好。因此最終可得到適用于PVA-ECC與BFRP筋黏結(jié)滑移本構(gòu)模型:

圖12 本構(gòu)模型與試驗(yàn)結(jié)果對比

(10)

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)28個(gè)PVA-ECC與BFRP筋拉拔試件進(jìn)行拔出試驗(yàn),通過分析破壞形態(tài)與破壞特征,揭示黏結(jié)滑移破壞機(jī)理,探究PVA-ECC及BFRP筋參數(shù)對黏結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立PVA-ECC與BFRP筋本構(gòu)模型,得出以下結(jié)論:

1)除保護(hù)層厚度為5 mm的試件發(fā)生劈裂破壞外,其余試件均為拔出破壞。無噴砂BFRP筋肋在外荷載作用下被PVA-ECC剪切破壞而喪失機(jī)械咬合力,可以通過提高BFRP筋肋的強(qiáng)度來提高筋材在PVA-ECC中的黏結(jié)強(qiáng)度。黏結(jié)滑移曲線可分為微滑移階段、滑移階段、下降階段和殘余應(yīng)力階段,在殘余應(yīng)力階段無噴砂BFRP筋的黏結(jié)應(yīng)力曲線有上下波動,而噴砂BFRP筋的黏結(jié)滑移曲線無明顯波動。

2)對BFRP筋表面進(jìn)行噴砂處理可以提高筋材在PVA-ECC中黏結(jié)強(qiáng)度;BFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長度的增加而降低,近似呈線性關(guān)系;增大筋材直徑的同時(shí)保證相對肋高不變可以有效避免因BFRP筋直徑增大造成的黏結(jié)強(qiáng)度降低。

3)當(dāng)PVA-ECC保護(hù)層厚度從25 mm降至5 mm時(shí),BFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度隨保護(hù)層厚度降低而降低,兩者呈正相關(guān),保護(hù)層厚度5 mm時(shí)黏結(jié)強(qiáng)度僅為正常試件的39.59%;PVA-ECC強(qiáng)度從50.5 MPa提高至81.3 MPa時(shí),黏結(jié)強(qiáng)度提高了45.53%。

4)提出了PVA-ECC與BFRP筋的黏結(jié)滑移本構(gòu)模型,與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,且模型物理意義明確,可為PVA-ECC與BFRP筋結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬提供理論參考。