玻璃鋼筋與混凝土握裹力的實(shí)驗(yàn)研究

范吉軍，余南輝，文國知，程光輝

(1.武漢工業(yè)學(xué)院數(shù)理科學(xué)系，湖北武漢430023;2武漢工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430023)

建筑腐蝕是全球建筑業(yè)所面臨的一個(gè)十分棘手的問題［1］。目前鋼筋混凝土已廣泛地應(yīng)用于各種建筑構(gòu)筑物中，但多年以來一直存在著鋼筋的腐蝕問題，即當(dāng)鋼筋混凝土在具有侵蝕性環(huán)境中工作時(shí)，鋼筋在各種腐蝕性氣體、腐蝕劑、防凍劑和鹽的作用下生銹而使鋼筋本身體積膨脹，從而導(dǎo)致混凝土開裂，降低混凝土的使用壽命。提高鋼筋混凝土耐腐蝕能力的傳統(tǒng)做法是在鋼筋表面加防腐層，如鋼筋鍍鋅或涂覆樹脂等。但依然存在防腐層脫落的問題，因此這種方法未根本解決鋼筋的防腐蝕問題。

聚合物基復(fù)合材料(FRP)具有比強(qiáng)度和比模量遠(yuǎn)比普通結(jié)構(gòu)材料高的特點(diǎn)，在強(qiáng)度和模量要求相同的情況下，采用聚合物基復(fù)合材料可以大大減輕產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)重量。此外，聚合物基復(fù)合材料在耐疲勞性能、耐高溫?zé)g性能、破壞安全性、減震性及加工工藝性等方面具有一系列優(yōu)異性能［2］。因此其有逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑材料的趨勢［3-4］。

筆者對玻璃鋼棒材的表面進(jìn)行了處理得到了外形類似螺紋鋼的玻璃鋼筋，并對其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測量;制作了玻璃鋼筋混凝土立方體拔出試件，對玻璃鋼筋與混凝土的握裹力進(jìn)行了研究。

1 玻璃鋼筋的制作

1.1 玻璃鋼棒材的制作

制作玻璃鋼棒材的增強(qiáng)材料選用E-玻璃纖維，其優(yōu)點(diǎn)為拉伸強(qiáng)度較高、斷裂伸長率較大和耐候性強(qiáng);基體材料選用乙烯基不飽和聚酯樹脂，其突出的優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕性能優(yōu)異，采用拉擠成型工藝制作玻璃鋼棒材。

1.2 玻璃鋼棒材的表面處理

用粗紗布將玻璃鋼棒材打磨粗糙后，將涂有脫模劑的磨具裝在玻璃鋼桿上，并按一定的間距排布好，用浸潤樹脂的纖維布按一定圈數(shù)人工纏繞在模具之間。待固化后，脫模，并將肋頂打磨平。所制作的玻璃鋼筋的外形參數(shù)如表1所示。

表1 玻璃鋼筋的外形參數(shù) /mm

1.3 玻璃鋼筋抗拉強(qiáng)度

隨機(jī)抽取6個(gè)直徑為10mm、長度為250 mm的玻璃鋼筋試件，實(shí)測其抗拉強(qiáng)度值(測量結(jié)果見表2)。

表2 玻璃鋼筋抗拉強(qiáng)度的實(shí)測值

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試件的制作

實(shí)驗(yàn)采用無橫向鋼筋的立方體中心撥出實(shí)驗(yàn)方法，所用玻璃鋼筋的直徑為6.9 mm和10 mm;玻璃鋼筋表面形式分為光滑的和加肋的;試件中玻璃鋼筋的埋入深度分為5 d和10 d，共制作八組，每組3個(gè)試件。

試件的制作均采用鋼模(100×100×200)，水平澆筑，機(jī)器振搗，振動(dòng)臺(tái)上成型，各組試件均用標(biāo)準(zhǔn)方法養(yǎng)護(hù)28d。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在300 kN萬能試驗(yàn)機(jī)上加載，裝置如圖1所示。采用了吊籃，吊籃上下端加荷板上均有球鉸，可以避免拉玻璃鋼筋時(shí)產(chǎn)生彎曲，防止因錨筋與受荷面不垂直時(shí)引起混凝土的撕裂破壞，從而保證比較理想的錨固拔出破壞。同時(shí)承壓墊板孔徑取直徑的兩倍，有利于筋的對中，并可減少摩擦。

位移的測量選用百分表，共三個(gè)，加載端兩個(gè)，去平均值消除傾斜引起的誤差;自由端設(shè)有一個(gè)百分表。

圖1 拉拔實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 玻璃鋼筋的表面形式

圖2與圖3分別為光滑玻璃鋼筋與帶肋玻璃鋼筋混凝土試件的載荷—滑移曲線?？梢钥闯雠c普通鋼筋混凝土的載荷—滑移曲線不同，可將其分為四個(gè)受力階段。

圖2 光滑玻璃鋼筋的P—S曲線

3.1.1 微滑移段(O—Ps段)

圖3 帶肋玻璃鋼筋的P—S曲線

在加荷初期，由于膠結(jié)力的作用，加載端有一短暫的無滑移段，隨后僅發(fā)生了很小的滑移，而自由端無滑移。P—S曲線處于彈性階段。

3.1.2 滑移段(Ps—Pcr段)

隨著荷載的增加，自由端開始滑移，滑移量開始加大。對于帶肋筋的試件，滑移量比光滑筋的要小，且曲線的非線性也不明顯，而對于光滑筋試件的曲線此時(shí)已經(jīng)是非線性的了。

3.1.3 “劈裂段”(Pcr—Pu段)

載荷繼續(xù)增加，直至達(dá)到“峰值”，相對滑移量明顯增大。

3.1.4 殘余段(Pu—Pr段)

當(dāng)載荷達(dá)到“峰值”后，滑移量大幅度增加，而載荷只有緩慢的波動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)中試件的破壞形式主要為剪切型的“刮犁式”破壞，即玻璃鋼筋被徐徐地從混凝土中撥出;還有少數(shù)情形是混凝土先破壞，無玻璃鋼筋破壞的情形，如圖4所示。

圖4 試件的破壞形式

3.2 錨固長度

實(shí)驗(yàn)表明，在保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度等級等條件均相同的情況下，隨錨固長度的增加，相對荷載是增大的，但平均黏結(jié)強(qiáng)度下降。

3.3 玻璃鋼筋的直徑

在其他條件相同的情況下，隨玻璃鋼筋直徑的不同，其黏結(jié)強(qiáng)度的變化主要與鋼筋的表面形式有關(guān)：(1)對于帶肋筋，黏結(jié)力主要來源于錨筋肋與混凝土齒的機(jī)械咬合作用，肋高加大、間距減小都可增加混凝土與玻璃鋼筋的咬合作用。所以隨著直徑的加大，黏結(jié)力雖然增加了，但黏結(jié)強(qiáng)度卻降低，且降幅較大，這是由于鋼筋的相對肋高和肋距降低的結(jié)果，見表1。(2)對于光滑筋，黏結(jié)力主要來源于膠結(jié)力和摩擦力，其黏結(jié)強(qiáng)度雖然隨著直徑的增加有所降低，但降低的幅度不是很明顯。

4 結(jié)論

4.1 在P-S曲線的滑移段，帶肋筋的試件，滑移量比光滑筋的要小，且曲線依然處于線性區(qū)域，而對于光滑筋試件則表現(xiàn)為明顯的非線性。說明筋的表面形式對黏結(jié)性能影響較大。

4.2 錨固長度的增加，相對荷載是增大的，但平均黏結(jié)強(qiáng)度下降。

4.3 隨著直徑的加大，帶肋筋黏結(jié)強(qiáng)度降低降幅較大，而光滑筋黏結(jié)強(qiáng)度降低較小。

4.4 從試件的破壞形式來看，主要為剪切型的“刮犁式”破壞，說明玻璃鋼筋的抗拉強(qiáng)度是其優(yōu)勢，但其抗剪強(qiáng)度較低。

［1］ 洪乃豐.建筑腐蝕可持續(xù)發(fā)展［J］.工業(yè)建筑，2006，3(36)：76-79.

［2］ 鄧宗才，李朋遠(yuǎn).FRP加固RC柱的抗腐蝕性能［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2008，5：34-36，46.

［3］ 俞海勇，管小軍.玻璃纖維聚酯筋的性能及在混凝土中的應(yīng)用［J］.新型建筑材料，1998(4)：16-18.

［4］ Tjandra R A.Strengthening of RC beams with external FRP tendons：tendon stress at ultimate.［C］//Kiang Hwee Tan.Fibre-reinforced polymer reinforce ment for cocrete structures.Singapore：World scientific Publishing，2003.