高溫后BFRP筋與纖維混凝土黏結(jié)性能

李趁趁，魏非凡，劉超偉，趙軍

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋，由高強(qiáng)連續(xù)纖維通過(guò)合成樹(shù)脂黏結(jié)而成，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性較好、抗電磁、與混凝土的熱膨脹系數(shù)接近等諸多優(yōu)點(diǎn)，可作為鋼筋的補(bǔ)充或替代材料用于增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)用前景十分廣闊[1-2]。但FRP 筋耐高溫性能較鋼筋差，多用于無(wú)抗火要求的混凝土結(jié)構(gòu)中，極大地限制了FRP 筋的應(yīng)用范圍。高溫后FRP 筋與混凝土黏結(jié)性能對(duì)結(jié)構(gòu)的安全可靠性至關(guān)重要。呂西林等[3-4]研究了溫度、混凝土強(qiáng)度和粗骨料粒徑等因素對(duì)火災(zāi)高溫時(shí)玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)筋與混凝土黏結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，黏結(jié)強(qiáng)度呈顯著下降趨勢(shì)。SOLYOM 等[5]從黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)應(yīng)力-滑移關(guān)系、破壞形式3 個(gè)方面討論了20～300 ℃溫度下GFRP筋與混凝土的黏結(jié)性能，開(kāi)發(fā)了一種非接觸式高溫拉拔測(cè)試自由端滑移的技術(shù)，并校準(zhǔn)了BEP(Bertero,Eligehausen and Popovrelationship)和CMR(Cosenza,Manfredi and Realfonzo)2 種應(yīng)用較廣的分析模型。HAJILOO 等[6]研究了高溫下涂砂表面、涂砂編織表面和帶肋表面3 種不同的GFRP 筋表面處理形式對(duì)黏結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)基體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度影響GFRP 筋高溫黏結(jié)強(qiáng)度最顯著。已有研究表明，提高FRP 筋與混凝土的抗高溫性能可以從FRP 筋表面處理、樹(shù)脂類(lèi)型、混凝土強(qiáng)度等方面入手。在混凝土中加入合適纖維可以提高混凝土的強(qiáng)度、韌性和抗高溫性能[7-8]。MA 等[9]通過(guò)對(duì)素混凝土和4 種不同纖維素纖維(CF)摻量的纖維混凝土進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維素纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)對(duì)混凝土的抗壓、劈拉、抗彎性能提升最為顯著。GUO 等[10]研究表明，纖維素纖維在高溫下融化，可在混凝土內(nèi)部熔融形成孔道，促進(jìn)混凝土內(nèi)部壓力的釋放，減小混凝土的損傷，提高混凝土高溫下的抗剝落能力。LU 等[11]研究表明，在混凝土中摻入玄武巖纖維(BF)可以抑制混凝土高溫碳化，顯著提高混凝土的抗氯離子滲透性能。KHAN 等[12]研究得出，在混凝土中摻入玄武巖纖維可提高混凝土室溫和高溫下的韌性和抗裂能力。LIAO 等[13]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加混凝土強(qiáng)度或在混凝土中摻加纖維均可提高GFRP筋在混凝土中的黏結(jié)強(qiáng)度。已有研究表明，在混凝土中加入合適纖維預(yù)期可以提高高溫環(huán)境中FRP 筋與混凝土之間的黏結(jié)性能，但目前相關(guān)的系統(tǒng)研究較少。因此，本文開(kāi)展高溫后BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)，探究在混凝土中單摻玄武巖纖維、混摻玄武巖纖維和纖維素纖維、BFRP 筋表面形式、黏結(jié)長(zhǎng)度與直徑對(duì)BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)性能的影響，建立考慮上述因素的高溫后BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式，為FRP 筋纖維混凝土結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的工程應(yīng)用提供理論與數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，以天然河砂為細(xì)骨料，5～20 mm 碎石為粗骨料。玄武巖纖維由浙江石金玄武巖纖維股份有限公司生產(chǎn)，長(zhǎng)度為18 mm，直徑為13 μm。纖維素纖維由西安萬(wàn)達(dá)工程材料有限公司生產(chǎn)，單絲直徑19 μm。試驗(yàn)采用江蘇綠材谷公司生產(chǎn)的BFRP 筋，玄武巖纖維體積率為65%～72%，基體樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂，其玻璃化轉(zhuǎn)換溫度為120～140 ℃，熱分解溫度為300～320 ℃。BFRP 深肋筋和淺肋筋表面肋由筋材主體表面纏繞玄武巖纖維束形成，表面無(wú)噴砂。BFRP 噴砂筋表面砂層厚度為0.2 cm。BFRP 筋材表觀特征如圖1 所示，圖中S10，P10 和Q10 分別表示直徑10 mm 深肋筋、噴砂筋和淺肋筋。BFRP筋實(shí)測(cè)力學(xué)性能如表1所示。

表1 BFRP筋力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of BFRP bars

圖1 BFRP筋表觀特征Fig.1 Apparent characteristics of BFRP bars

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究溫度、基體混凝土類(lèi)型、BFRP 筋表面形式、直徑d和黏結(jié)長(zhǎng)度l對(duì)BFRP 筋與混凝土黏結(jié)性能的影響。試件設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2，表中字母N，B 和H 分別表示試件采用的是普通混凝土、單摻玄武巖纖維混凝土以及混摻纖維混凝土，0.15%B+0.10%C 表示混摻體積摻量為0.15%的玄武巖纖維和0.10%的纖維素纖維，其余符號(hào)含義類(lèi)推。試驗(yàn)選用摻量來(lái)自于前期高溫下纖維混凝土試驗(yàn)結(jié)果中的最優(yōu)值?；鶞?zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土配合比見(jiàn)表3。

表2 試件設(shè)計(jì)表Table 2 Specimen design table

表3 C30混凝土配合比Table 3 Mix proportion of C30 concrete

試驗(yàn)參照《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法》GB/T 30022—2013[14]進(jìn)行，BFRP 筋黏結(jié)試件的混凝土試塊立方體尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，BFRP 筋長(zhǎng)度為700 mm，加載端長(zhǎng)450 mm。BFRP 筋與混凝土黏結(jié)段預(yù)留在混凝土頂部，非黏結(jié)段套有PVC 管，管內(nèi)空隙用四氟乙烯纏繞填充以防止高溫對(duì)非黏結(jié)段的影響。在其加載端采用長(zhǎng)度250 mm，外徑32 mm，壁厚2.5 mm 的鍍鋅鋼管錨固防止發(fā)生剪切破壞，BFRP筋與鍍鋅鋼管之間用套筒灌漿料填充。BFRP 筋黏結(jié)試件如圖2(a)所示。

圖2 BFRP筋黏結(jié)試件及加載裝置Fig.2 FRP bar bonding specimen and Loading device

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用加熱裝置為洛陽(yáng)高溫儀器設(shè)備廠(chǎng)生產(chǎn)的RT-120-12QD 箱式高溫爐，加熱方式為電加熱，采用智能程序控制儀表，可以自動(dòng)升溫、保溫和停機(jī)，利用熱電偶測(cè)得恒溫238 min 混凝土試件中心溫度同爐內(nèi)目標(biāo)溫度，試驗(yàn)恒溫時(shí)間取4 h。BFRP 筋黏結(jié)試件經(jīng)過(guò)高溫處理自然冷卻至室溫后，參照GB/T 30022—2013[14]進(jìn)行拔出試驗(yàn)，試驗(yàn)加載裝置為1 000 kN 液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，如圖2(b)所示。采用位移控制加載，加載速率為0.5 mm/min，當(dāng)混凝土試塊發(fā)生劈裂破壞或者加載端滑移值超過(guò)20 mm時(shí)，停止加載。

本文用平均黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算BFRP 筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度。黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：τu為BFRP 筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；Pu為試件峰值荷載，N；d為BFRP 筋直徑，mm；l為BFRP筋黏結(jié)長(zhǎng)度，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

試驗(yàn)中BFRP 筋黏結(jié)試件破壞形態(tài)包括BFRP筋拔出破壞、混凝土劈裂破壞、BFRP 筋拔出且混凝土劈裂破壞3種破壞形態(tài)，詳見(jiàn)表4。

表4 試件破壞形態(tài)Table 4 Failure modes

BFRP 筋黏結(jié)試件在加載過(guò)程中，帶肋BFRP筋肋部對(duì)周?chē)炷廉a(chǎn)生斜向擠壓力[15-16]，該斜向擠壓力分解為沿BFRP 筋表面的縱向分力和徑向分力，徑向分力在混凝土中產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力。當(dāng)縱向分力超過(guò)BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，BFRP筋黏結(jié)試件發(fā)生BFRP筋拔出破壞，如圖3(a)所示。破開(kāi)試件發(fā)現(xiàn)BFRP 筋肋間有混凝土碎屑，BFRP 筋表面的肋磨損。當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，BFRP 筋黏結(jié)試件發(fā)生混凝土劈裂破壞，如圖3(b)和3(c)所示。當(dāng)水平分力達(dá)到BFRP筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度，環(huán)向拉應(yīng)力也達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度，BFRP 筋黏結(jié)試件發(fā)生BFRP 筋拔出且混凝土劈裂破壞，如圖3(d)所示。

圖3 試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes

溫度低于250 ℃時(shí)，混凝土抗拉強(qiáng)度降低程度較小，在加載過(guò)程中，沿BFRP 帶肋筋表面先出現(xiàn)縱向分力超過(guò)BFRP 筋與混凝土極限黏結(jié)強(qiáng)度，發(fā)生BFRP筋拔出破壞。經(jīng)250，300和350 ℃高溫作用后，混凝土抗拉強(qiáng)度降低程度較大，沿BFRP 筋表面的徑向分力在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，深肋BFRP 筋和淺肋BFRP筋黏結(jié)試件開(kāi)始發(fā)生混凝土劈裂破壞現(xiàn)象。在加載過(guò)程中，噴砂筋與纖維混凝土產(chǎn)生的摩擦力超過(guò)BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度，便發(fā)生BFRP筋拔出破壞。

當(dāng)黏結(jié)長(zhǎng)度為2.5d和5d時(shí)，深肋BFRP筋黏結(jié)試件傾向于發(fā)生BFRP 筋拔出破壞。當(dāng)黏結(jié)長(zhǎng)度為10d和15d時(shí)，深肋BFRP 筋黏結(jié)試件發(fā)生混凝土劈裂破壞，這是由于相同黏結(jié)強(qiáng)度條件下，黏結(jié)長(zhǎng)度大的試件承擔(dān)的破壞荷載更大，BFRP 筋對(duì)周?chē)炷廉a(chǎn)生的徑向力也就越大，當(dāng)徑向力在混凝土中產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生混凝土劈裂破壞。經(jīng)250，300 和350 ℃高溫作用后，1-N 和2-N 試組BFRP 筋黏結(jié)試件的破壞形態(tài)均為混凝土劈裂破壞，而1-B，1-H 和2-H 組BFRP 筋黏結(jié)試件出現(xiàn)有BFRP 筋拔出破壞，這是由于纖維的摻入提高了高溫后混凝土的抗拉強(qiáng)度。直徑8 mm 和10 mm 深肋BFRP 筋黏結(jié)試件均出現(xiàn)了BFRP 筋拔出破壞，當(dāng)直徑增大，BFRP 筋表面到混凝土表面的距離減少，筋材外圍混凝土的抗劈裂能力降低，直徑為12 mm 的黏結(jié)試件大多是混凝土劈裂破壞。

2.2 黏結(jié)滑移曲線(xiàn)

圖4 顯示了經(jīng)高溫作用后1-B 組BFRP 筋黏結(jié)試件自由端黏結(jié)滑移曲線(xiàn)(圖4(a))和加載端黏結(jié)滑移曲線(xiàn)(圖4(b))。經(jīng)高溫作用后，黏結(jié)試件黏結(jié)應(yīng)力峰值隨著溫度的升高逐漸降低。隨著溫度的升高，黏結(jié)應(yīng)力滑移曲線(xiàn)斜率逐漸降低即黏結(jié)剛度逐漸減小。同黏結(jié)應(yīng)力值下，加載端滑移值高于自由端滑移值。

圖4 高溫作用后1-B試件黏結(jié)滑移曲線(xiàn)Fig.4 Bond stress-slip curves of specimen 1-B after different temperatures

2.3 黏結(jié)強(qiáng)度影響因素分析

2.3.1 溫度

由圖5 可知，黏結(jié)長(zhǎng)度為50 mm，直徑為10 mm 的BFRP 深肋筋與普通混凝土、玄武巖纖維混凝土及混摻纖維混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度均隨溫度的升高不斷降低。當(dāng)溫度為70～350 ℃時(shí)，BFRP 筋與普通混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的降低率為17.1%～48.6%，BFRP 筋與玄武巖纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的降低率為14.5%～46.8%，BFRP 筋與混摻纖維混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度的降低率為11.4%～48.3%。

圖5 1-N，1-B和1-H試件黏結(jié)強(qiáng)度隨溫度的變化Fig.5 Variation of bond strength of 1-N,1-B and 1-H specimens with temperature

當(dāng)溫度為70～170 ℃時(shí)，BFRP 筋纖維束不受高溫影響，而樹(shù)脂基體會(huì)發(fā)生?；F(xiàn)象，黏結(jié)樹(shù)脂由固態(tài)變?yōu)轲に苄誀顟B(tài)，BFRP 筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度降低，等恢復(fù)到室溫時(shí)，BFRP 筋與混凝土的黏結(jié)性能會(huì)有一定程度的恢復(fù)。當(dāng)溫度為250～350 ℃時(shí)，BFRP 筋纖維束受高溫影響較小，樹(shù)脂基體會(huì)出現(xiàn)熱分解和碳化現(xiàn)象，樹(shù)脂基體對(duì)纖維束黏結(jié)作用降低，BFRP 筋表面變得疏松，BFRP筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度下降幅度較大[3]。混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高逐漸降低，BFRP 筋黏結(jié)試件在加載過(guò)程中，BFRP 筋表面產(chǎn)生環(huán)向擴(kuò)張分力，當(dāng)環(huán)向擴(kuò)張力超過(guò)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)，BFRP 筋黏結(jié)試件就會(huì)發(fā)生混凝土劈裂破壞，造成黏結(jié)強(qiáng)度的降低。另外，高溫下FRP 筋與混凝土熱膨脹系數(shù)不同，使得FRP 筋與混凝土黏結(jié)界面易產(chǎn)生裂縫等缺陷，也會(huì)對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度造成不利的影響。

2.3.2 BFRP筋表面形式

由圖6可知，在各溫度下，深肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度最高。在170 ℃之前，噴砂筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度大于淺肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，250 ℃之后，噴砂筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度低于淺肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度，這是因?yàn)閲娚敖钤诟邷刈饔孟?，表面砂層從BFRP 筋主體剝離。常溫時(shí)，深肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度為25.72 MPa，與之相比，噴砂筋和淺肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度分別降低了47.6%和57.9%。170 ℃時(shí)，噴砂筋和淺肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度相比較深肋筋分別降低了56.1%和58.5%。350 ℃時(shí)，深肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度為13.23 MPa，與之相比，噴砂筋和淺肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度分別降低了78.7%和75.6%。

圖6 不同表面形式BFRP筋與玄武巖纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度Fig.6 Bond strength of BFRP bars with different surface forms to basalt fiber concrete

在加載過(guò)程中，當(dāng)BFRP 筋和混凝土之間產(chǎn)生滑移，化學(xué)黏著力消失之后，噴砂筋與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力主要由表面砂層和混凝土之間的機(jī)械咬合力和摩擦力來(lái)提供。與深肋筋和淺肋筋相比，噴砂筋與混凝土之間的機(jī)械咬合力較小，黏結(jié)應(yīng)力主要由表面砂層與混凝土之間的摩擦力來(lái)提供，其黏結(jié)強(qiáng)度主要取決于噴砂層的制作工藝、粗糙度和強(qiáng)度[4]。在170 ℃之前，噴砂筋黏結(jié)試件經(jīng)高溫作用冷卻至室溫后，噴砂筋受高溫影響較小，黏結(jié)強(qiáng)度降低較少。在250 ℃之后，噴砂筋表面結(jié)合砂層的樹(shù)脂出現(xiàn)熱分解、碳化，砂層摩擦力降低，黏結(jié)強(qiáng)度大幅度降低。淺肋筋和深肋筋與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力主要由凸肋和混凝土之間的機(jī)械咬合力提供，由于深肋筋與淺肋筋的肋間距接近，肋高是淺肋筋的2倍，能提供的機(jī)械咬合力高于淺肋筋，所以深肋筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度高于淺肋筋。

2.3.3 基體混凝土類(lèi)型

圖5 也顯示了在各溫度下單摻加入0.20%玄武巖纖維與混摻0.15%玄武巖纖維和0.10%纖維素纖維對(duì)BFRP 深肋筋和混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的影響。圖7顯示了在各溫度下單摻加入0.20%玄武巖纖維對(duì)BFRP 噴砂筋、淺肋筋和混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的影響。與普通混凝土相比，玄武巖纖維加入使得深肋筋、噴砂筋、淺肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度分別提升8.4%～18.8%，56.3%～99.6% 和27.5%～51.8%，混摻玄武巖纖維和纖維素纖維使得深肋筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度提升了17.6%～35.1%。這是因?yàn)樾鋷r纖維耐高溫，當(dāng)混凝土在高溫作用后強(qiáng)度降低，受荷載作用產(chǎn)生應(yīng)力，玄武巖纖維在混凝土中可以形成骨架結(jié)構(gòu)，有效抑制水泥漿體產(chǎn)生微裂縫以及橫跨在微裂縫之間通過(guò)拔出和拔斷消耗能量[7]。纖維素纖維在165 ℃左右熔融形成孔道，有利于混凝土內(nèi)部水分的蒸發(fā)，減少混凝土內(nèi)部熱應(yīng)力的產(chǎn)生，減少經(jīng)高溫作用水泥漿體出現(xiàn)裂縫的數(shù)量，增大BFRP 筋拔出過(guò)程中的阻力，提高黏結(jié)強(qiáng)度[8]。

圖7 各溫度下BFRP噴砂筋和BFRP淺肋筋與不同基體混凝土黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)比Fig.7 Comparison of bond strength between BFRP sandcoated bar and BFRP shallow rib bar and concrete at different temperatures

2.3.4 黏結(jié)長(zhǎng)度

由圖8可知，在各溫度下，隨著黏結(jié)長(zhǎng)度的增加，峰值荷載逐漸增加，深肋筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低。與黏結(jié)長(zhǎng)度為2.5d時(shí)的黏結(jié)強(qiáng)度相比，黏結(jié)長(zhǎng)度為5d時(shí)，深肋筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度降低率為-1.2%～22.2%；黏結(jié)長(zhǎng)度為10d時(shí)，深肋筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度降低率為35.0%～52.9%；黏結(jié)長(zhǎng)度為15d時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度降低率為50.9%～59.8%。

圖8 各溫度下BFRP深肋筋與玄武巖纖維混凝土峰值荷載和黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)長(zhǎng)度變化Fig.8 Variation of peak load and bond strength between BFRP deep rib bar and basalt fiber reinforced concrete with bond length at different temperatures

黏結(jié)強(qiáng)度是按照沿黏結(jié)長(zhǎng)度方向線(xiàn)性分布的平均黏結(jié)應(yīng)力計(jì)算的，而實(shí)際上BFRP 筋與混凝土黏結(jié)應(yīng)力沿黏結(jié)長(zhǎng)度分布是不均勻的，兩端黏結(jié)應(yīng)力小，中間黏結(jié)應(yīng)力大，隨著黏結(jié)長(zhǎng)度的增加，應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象加劇，平均黏結(jié)應(yīng)力與最大黏結(jié)應(yīng)力比值減小，造成BFRP 筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度降低[16]。同時(shí)，在BFRP 筋黏結(jié)試件加熱過(guò)程中，熱量沿黏結(jié)長(zhǎng)度由兩端向中間傳遞，經(jīng)高溫作用后，黏結(jié)長(zhǎng)度兩端樹(shù)脂基體?；?、熱分解、碳化程度高于中間段，也會(huì)加劇加載過(guò)程中黏結(jié)長(zhǎng)度上應(yīng)力分布不均勻，造成黏結(jié)強(qiáng)度隨黏結(jié)長(zhǎng)度的增加逐漸降低[17]。

2.3.5 BFRP筋直徑

由圖9 可知，在各溫度下，當(dāng)黏結(jié)長(zhǎng)度為5d時(shí)，隨著B(niǎo)FRP 筋直徑的增加，峰值荷載逐漸增加，深肋筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度逐漸降低。與直徑8 mm 相比，直徑10 mm 深肋筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度降低了6.4%～27.9%，直徑12 mm 深肋筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度降低了27.9%～30.6%。分析其原因，BFRP 筋黏結(jié)試件在加載過(guò)程中，由于泊松效應(yīng)[13]，BFRP 筋橫截面積變小，沿軸向方向伸長(zhǎng)，BFRP 筋與周?chē)炷琉そY(jié)界面更容易產(chǎn)生微裂縫，降低了BFRP 筋與周?chē)炷恋臋C(jī)械咬合力，直徑越大，泊松效應(yīng)越明顯，BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)性能減弱。同時(shí)，BFRP 筋直徑越大，混凝土保護(hù)層厚度相對(duì)越小，混凝土的抗劈裂能力隨之減小，進(jìn)而減小了BFRP 筋黏結(jié)試件的黏結(jié)強(qiáng)度，且隨著B(niǎo)FRP 筋直徑的增大，剪切滯后效應(yīng)越明顯，BFRP 筋表面變形大于橫截面中心變形，導(dǎo)致同一截面處正應(yīng)力的分布不均勻，黏結(jié)強(qiáng)度降低[18]。再者，BFRP 筋直徑越大，BFRP 筋表面混凝土泌水現(xiàn)象也就越嚴(yán)重[19]，硬化之后產(chǎn)生較多的空隙，導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度降低。

圖9 各溫度下BFRP深肋筋與玄武巖纖維混凝土峰值荷載和黏結(jié)強(qiáng)度隨BFRP筋直徑變化Fig.9 Variation of peak load and bond strength between BFRP deep rib bar and basalt fiber reinforced concrete with BFRP bar diameter at different temperatures

3 BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)GB/T 30022—2013[14]和《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB 50608—2010[20]的規(guī)定，本文按照黏結(jié)長(zhǎng)度為5 倍BFRP 筋直徑來(lái)計(jì)算BFRP 筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度。ACI 440.1R-03[21]中給出了FRP筋與混凝土截面受力平衡條件：

式中：d為FRP 筋直徑，mm；lbf為FRP 筋基本錨固長(zhǎng)度，mm；τu為FRP筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；Af為FRP 筋橫截面面積，mm2；ffu為FRP 筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010—2010[22]，假設(shè)黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土軸心抗拉強(qiáng)度成正比，則BFRP 筋與纖維混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式可表示為：

式中：α為BFRP 筋的外形系數(shù)，根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表5)，保守考慮，對(duì)于BFRP 深肋筋、噴砂筋和淺肋筋，α分別取5，3.75和3；ffc,t為纖維混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ft為普通混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；β為纖維增強(qiáng)系數(shù)，β取1.2。

表5 常數(shù)α和k的計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of α and k

對(duì)于混凝土劈裂破壞和拔出破壞，ACI 440.1R-03[21]中規(guī)定基本錨固長(zhǎng)度和黏結(jié)強(qiáng)度分別為：

式中：fcu,k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；k為系數(shù)，本文試驗(yàn)k值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。為了安全和便于計(jì)算，對(duì)于BFRP 深肋筋、噴砂筋和淺肋筋，k取值分別為36，20 和16，利用公式(3)和公式(8)得到黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算值，列于表5。最后，基于安全考慮并結(jié)合參考文獻(xiàn)[16]和[23]，建議不同外形BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式按較小值來(lái)選擇，即：

對(duì)于BFRP深肋筋與纖維混凝土：

對(duì)于BFRP噴砂筋與纖維混凝土：

對(duì)于BFRP淺肋筋與纖維混凝土：

經(jīng)高溫作用后，F(xiàn)RP 筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度降低。高溫后BFRP 筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：τut為高溫作用后BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度，MPa；kt為高溫作用后BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度折減系數(shù)；τu為常溫下BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度，MPa。

由表6 計(jì)算結(jié)果以及參考相關(guān)文獻(xiàn)[24]，偏于安全考慮，建議當(dāng)溫度介于常溫與170 ℃之間，對(duì)于BFRP深肋筋和淺肋筋，kt取0.60，對(duì)于BFRP噴砂筋，kt取0.50。當(dāng)溫度為170～300 ℃時(shí)，對(duì)于BFRP 深肋筋kt取0.50，對(duì)于BFRP 淺肋筋，kt取0.40。當(dāng)溫度高于170 ℃時(shí)，BFRP 噴砂筋不宜作為混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料。當(dāng)溫度高于300 ℃時(shí)，BFRP 深肋筋與淺肋筋不宜作為混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料。

表6 kt值的計(jì)算Table 6 Calculation of kt from experiment

4 結(jié)論

1) 隨著溫度的升高，BFRP 深肋筋與普通混凝土、玄武巖纖維混凝土及混摻玄武巖和纖維素纖維混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度均逐漸降低，在70～350 ℃之間，它們相應(yīng)黏結(jié)強(qiáng)度的降低率分別為17.1%～48.6%，14.5%～46.8%和11.4%～48.3%，纖維的加入使得高溫作用后FRP 筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的降低率變小。

2) 混凝土中摻入纖維后，可以明顯提高常溫和高溫下BFRP 筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度。單獨(dú)摻入0.20%體積摻量玄武巖纖維，在各溫度下，使深肋筋、噴砂筋、淺肋筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度分別提高8.4%～18.8%，56.3%～99.6% 和27.5%～51.8%?；旌蠐饺?.15%玄武巖纖維和0.10%纖維素纖維，在各溫度下，使深肋筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度提高了17.6%～35.1%。

3) 不同表面形式對(duì)BFRP筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度影響明顯，各溫度下，深肋筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度最高。隨著B(niǎo)FRP 筋直徑和BFRP 筋與混凝土黏結(jié)長(zhǎng)度的增加，深肋筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度均逐漸降低。

4) 考慮溫度、混凝土強(qiáng)度、FRP 筋表面形式與直徑的影響，提出了高溫后BFRP 筋與纖維混凝土黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式。