玄武巖纖維增強塑料筋混凝土黏結性能的梁式試驗研究

周俊龍,李炳宏,江世永,石錢華,胡顯奇

(1.后勤工程學院化學與材料工程系,重慶401311;2.后勤工程學院軍事建筑工程系,重慶401311;3.浙江石金玄武巖纖維有限公司,浙江橫店322118)

玄武巖纖維增強塑料筋混凝土黏結性能的梁式試驗研究

周俊龍1,李炳宏2,江世永2,石錢華3,胡顯奇3

(1.后勤工程學院化學與材料工程系,重慶401311;2.后勤工程學院軍事建筑工程系,重慶401311;3.浙江石金玄武巖纖維有限公司,浙江橫店322118)

設計制作了14個玄武巖纖維增強塑料筋(BFRP筋)混凝土梁式試件和2個鋼筋混凝土梁式試件,通過梁式試驗分析了影響B(tài)FRP筋混凝土黏結性能的主要因素。結果表明,(1)BFRP筋的受力過程可分為微滑移段、正?；贫?、加速滑移段和下降段;(2)當BFRP筋的錨固長度相同時,隨著混凝土強度的提高,黏結強度隨之增大;(3)當混凝土強度相同時,隨著BFRP筋錨固長度的增加,黏結強度明顯減小,并且試件的破壞模式也發(fā)生了改變;(4)BFRP筋直徑的大小對黏結強度的影響不明顯;(5)當筋直徑、錨固長度和混凝土強度相同時,BFRP筋混凝土的黏結強度與鋼筋混凝土基本相當;(6)BFRP筋的外形對BFRP筋混凝土的黏結性能有著較大的影響。

玄武巖纖維增強塑料筋;混凝土;黏結性能;梁式試驗

0 前言

纖維增強塑料筋(FRP筋)是一種高強纖維和樹脂的復合材料,具有輕質、高強、耐腐蝕、非磁性及耐久性良好等優(yōu)點,同時也具有彈性模量較低、熱穩(wěn)定性較差、非順纖維方向強度較低等缺點[1]。根據(jù)纖維類型的不同,常見的FRP筋分為碳纖維增強塑料筋(CFRP筋)、玻璃纖維增強塑料筋(GFRP筋)、芳綸纖維增強塑料筋(AFRP筋)和玄武巖纖維增強塑料筋(BFRP筋)。將FRP筋替代鋼筋用于混凝土結構中,對提高結構承載力、減輕結構自重及改善結構耐久性能等方面效果顯著。FRP筋可以顯著改善其配筋混凝土梁的正常使用性能[2]。

FRP筋與混凝土的黏結是影響FRP筋增強混凝土構件使用性能的重要因素,在承載能力和正常使用極限狀態(tài)下,FRP筋強度能否得到充分利用取決于黏結的有效程度。黏結性能的研究也是FRP筋混凝土基本理論中最重要的問題之一[3]。

本文設計制作了14個BFRP筋混凝土梁式試件和2個鋼筋混凝土梁式試件,研究了BFRP筋混凝土的黏結性能和破壞模式,并分析了影響B(tài)FRP筋混凝土黏結性能的主要因素,為BFRP筋混凝土梁的受彎性能試驗中BFRP筋的錨固長度提供依據(jù)[4]。

1 實驗部分

1.1 BFRP筋材料

試驗中采用的BFRP筋由石金玄武巖纖維有限公司提供,它是以連續(xù)玄武巖纖維為增強材料,以乙烯基樹脂及填料固化劑等為基體材料,通過拉擠工藝加工成型的,BFRP筋的表面變形采用了表面纏繞處理方法,其表面變形的特征非常明顯,具有良好整體性能,如圖1所示。試驗中采用的BFRP筋直徑分別為6、8和10 mm,BFRP筋為完全線彈性材料,其性能指標如表1所示。

圖1 試驗中采用的BFRP筋Fig.1 BFRP bars used in the tests

表1 BFRP筋的性能指標Tab.1 Properties of BFRP bars

1.2 BFRP筋混凝土的梁式試驗

為分析混凝土強度、BFRP筋直徑、BFRP筋錨固長度等各種因素對BFRP筋混凝土黏結性能的影響,設計制作了4組共16個梁式試件,如表2所示。為避免剪切破壞,各試件中均配置足夠的箍筋。試件簡圖如圖2所示。

圖2 梁式試件示意圖Fig.2 Schematic diagram of beam specimen

表2中的BA試件考慮了混凝土強度的影響,BB試件考慮了BFRP筋直徑的影響,BC試件考慮了BFRP筋錨固長度的影響。

采用液壓千斤頂-反力架體系對構件進行加載。在試件頂部用液壓千斤頂施加豎向荷載,BFRP筋的滑移量用百分表測量。當BFRP筋與混凝土發(fā)生滑移破壞或BFRP筋斷裂時停止加載。試驗參照GB 50152—1992的有關規(guī)定進行[5]。測量內容包括:各級荷載作用下加載端和自由端的滑移、試件破壞時的最大荷載、試件破壞時加載端和自由端的最大位移。

表2 梁式試件Tab.2 Beam test specimens

2 結果與討論

2.1 破壞模式

試件的破壞模式有2種:BFRP筋被拔出和BFRP筋被拉斷,如圖3所示。當BFRP筋被拔出時,BFRP筋上突出的肋會被削弱,部分試件上沿BFRP筋的軸向出現(xiàn)縱向裂縫。

圖3 梁式試件的破壞模式Fig.3 Failuremode of beam specimens

BFRP筋與混凝土之間的相互作用如圖4所示。BFRP筋與混凝土之間力的傳遞主要是依靠BFRP筋與周圍混凝土之間的斜向壓力來實現(xiàn)的。斜向壓力的徑向分力由BFRP筋周圍混凝土的拉應力平衡,斜向壓力的軸向分力提供了BFRP筋混凝土之間的黏結應力。

從圖4可以看出,當BFRP筋受到拉力作用時,BFRP與周圍混凝土之間形成拉力環(huán),拉力環(huán)的強度取決于混凝土的拉伸強度。隨著BFRP筋拉力的增大,拉力環(huán)中的力也隨之增大,當拉力環(huán)的強度超過混凝土的拉伸強度時,拉力環(huán)發(fā)生破壞,BFRP筋與周圍混凝土之間的傳力機制喪失,導致BFRP筋被拔出。此時,混凝土也可能會因為拉力環(huán)的作用產(chǎn)生沿BFRP軸向的縱向裂縫。若BFRP筋表面突出的肋較弱,也可能會在拉力環(huán)破壞前發(fā)生肋的剪切破壞,同樣導致BFRP筋被拔出。

圖4 BFRP筋與混凝土之間的相互作用Fig.4 Interaction between BFRP bars and surrounding concrete

在相同的拉力作用下,當BFRP筋的錨固長度較大時,拉力環(huán)中的拉力將會減小,從而使BFRP筋可以承受更大的拉力作用,這樣BFRP筋就有可能在混凝土外被拉斷。

2.2 受力分析

試件的受力過程可分為4個階段:(1)微滑移段:該階段荷載較小,滑移量很小,此時BFRP筋與混凝土之間的膠結力起著主要作用;(2)正常滑移段:隨著荷載增加,滑移量逐漸增加,各級荷載之間的滑移增量比較均勻,此時BFRP筋與混凝土之間的摩擦力以及BFRP筋表面的肋與混凝土之間的機械咬合力起著主要的作用;(3)加速滑移段:當接近極限荷載時,滑移量迅速增加,呈現(xiàn)出明顯的非線性變形性質;(4)下降段:超過極限荷載后,荷載迅速下降,之后暫時趨于穩(wěn)定,在此過程中,滑移量繼續(xù)增加,最后BFRP筋被拔出或者被拉斷。

加載初期,自由端滑移量遠小于加載端滑移量,且變化也不明顯。至加載中后期(約0.5～0.6倍極限荷載之后),自由端才開始出現(xiàn)較為明顯的滑移。說明在逐漸增大的拉力作用下,加載端BFRP筋混凝土的黏結力逐漸失效,從而使拉力逐漸到達自由端,自由端才最終出現(xiàn)滑移。

由于BFRP筋的彈性模量較低,其出現(xiàn)初始滑移量時的黏結應力略大于鋼筋,達到峰值黏結應力時BFRP筋的滑移量不僅大于鋼筋,也大于AFRP筋[6]。BFRP筋的黏結-滑移曲線的下降趨勢比AFRP筋要大,破壞時的滑移量也遠大于AFRP筋[6]。

2.3 黏結強度

從表3可以看出,當BFRP筋的錨固長度和混凝土強度相同時,直徑較大的BFRP筋的黏結強度稍小于直徑較小的BFRP筋,BFRP筋直徑的大小對黏結強度的影響不明顯;當BFRP筋的錨固長度相同時,隨著混凝土強度的提高,黏結強度隨之增大;當混凝土強度相同時,隨著BFRP筋錨固長度的增加,黏結強度明顯減小,并且試件的破壞模式也發(fā)生了改變;當筋直徑、錨固長度和混凝土強度相同時,鋼筋混凝土的黏結強度稍大于BFRP筋混凝土的黏結強度。

表3 BFRP筋混凝土的平均黏結應力Tab.3 Average bond stress between BFRP bars and concrete

2.4 黏結-滑移曲線

從圖5可以看出,在各級荷載作用下,BFRP筋加載端的滑移量明顯大于自由端的滑移量,超過峰值應力后,平均黏結應力迅速減小,滑移量大幅增加。

圖5 BFRP筋的平均黏結應力-滑移曲線Fig.5 Curves for average bond stressof BFRP bars versus slippage

從圖6可以看出,黏結應力沿BFRP筋的軸向是不均勻分布的,在接近加載端的某處黏結應力達到最大值,在自由端黏結應力為零,黏結應力是由加載端逐步傳遞到自由端的,從而造成加載端的滑移量大于自由端的滑移量。

2.5 影響B(tài)FRP筋混凝土黏結性能的主要因素

2.5.1 混凝土強度

從圖7可以看出,隨著混凝土強度的增大,BFRP筋與混凝土之間的黏結強度也隨之提高。提高混凝土的強度,BFRP筋與混凝土之間的化學膠著力和機械咬合力也會隨之增加,也就增大了黏結應力。同時,混凝土強度的增大,也延遲了混凝土中內部裂縫的發(fā)展,提高了黏結強度。

圖6 黏結應力沿BFRP筋軸線的分布情況Fig.6 Distribution of bond stress along BFRP bars

圖7 黏結強度與混凝土強度的關系Fig.7 Relationship between bond strength and concrete strength

當試件發(fā)生黏結破壞時,若混凝土強度較低,BFRP筋與混凝土之間產(chǎn)生的黏結滑移就較大,此時混凝土表面會出現(xiàn)許多細微裂縫;而當混凝土強度較高時,BFRP筋與混凝土之間的黏結滑移很小,混凝土表面產(chǎn)生較為明顯的裂縫。

2.5.2 BFRP筋的錨固長度

從圖8可以看出,BFRP筋的錨固長度對黏結強度有較大的影響。隨著BFRP筋錨固長度的增加,BFRP筋的極限荷載也隨之增大,但黏結應力的分布更加不均勻,試件破壞時的平均黏結應力與實際最大黏結應力的比值減小,即試件的黏結強度隨錨固長度的增加而降低,這是黏結應力沿BFRP筋呈非線性分布的結果[7-8]。

圖8 黏結強度與BFRP筋錨固長度的關系Fig.8 Relationship between bond strength and embedment length of BFRP bars

2.5.3 BFRP筋的直徑

從圖9可以看出,BFRP筋的黏結強度隨著BFRP筋的直徑的增大而略有減小。對于大直徑的BFRP筋,因筋的截面中心與筋表面變形不一致,會導致筋截面正應力分布不均勻,即剪應力滯后現(xiàn)象[9]。剪切滯后現(xiàn)象將會造成BFRP筋中的應力集中現(xiàn)象,從而降低BFRP筋與混凝土的黏結性能。同時,直徑較大的BFRP筋的相對黏結面積較小,也不利于黏結強度的改善[10]。因而,直徑較大的BFRP筋更加易于被拔出。

圖9 黏結強度與BFRP筋直徑的關系Fig.9 Relationship between bond strength and diameter of BFRP bars

2.5.4 BFRP筋的外形

FRP筋的外形對黏結性能有著較大的影響[1]。光圓FRP筋混凝土的黏結性能較差,其黏結強度僅為鋼筋的10%～20%[11]。當采用變形 FRP筋時,其與混凝土的黏結性能明顯改善。M alvar[12]研究了4種具有不同表面形狀的 GFRP筋與混凝土之間的黏結性能,即便是表面變形較小的 GFRP筋,它所能提供的黏結強度也能滿足美國混凝土設計規(guī)范的要求。研究表明[9],通過有效地改變 FRP筋表面的變形,FRP筋與混凝土之間的黏結強度可比普通鋼筋與混凝土之間的黏結強度高出50%以上。

常見的FRP筋表面變形的處理方法有表面噴砂、表面纏繞、表面壓痕、表面凸肋等[1,12]。目前,FRP筋的表面形式還沒有標準的分類方法,對于不同表面形式的 FRP筋的黏結性能,尚需進一步開展研究,以區(qū)分其黏結強度的大小。

試驗中BFRP筋表面變形的處理方法采用了表面纏繞的方法,具有比較明顯的表面變形特征。結果表明,當筋直徑、錨固長度和混凝土強度相同時,該BFRP筋的黏結性能與鋼筋的黏結性能基本相當。

3 結論

(1)梁式試件中BFRP筋的受力過程可分為4個階段:微滑移段、正?；贫?、加速滑移段和下降段;

(2)在各級荷載作用下,BFRP筋加載端的滑移量明顯大于自由端的滑移量,超過峰值黏結應力后,平均黏結應力迅速減小,滑移量大幅增加;

(3)BFRP筋直徑的大小對黏結強度的影響不明顯;當BFRP筋的錨固長度相同時,隨著混凝土強度的提高,黏結強度隨之增大;當混凝土強度相同時,隨著BFRP筋錨固長度的增加,黏結強度明顯減小,并且試件的破壞模式也發(fā)生了改變;

(4)當筋直徑、錨固長度和混凝土強度相同時,鋼筋混凝土的黏結強度稍大于BFRP筋混凝土的黏結強度;

(5)BFRP筋的外形對黏結性能有著較大的影響,表面纏繞的BFRP筋具有比較明顯的表面變形特征,黏結性能良好。

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Experimental Study on Bond Behavior of BFRP Bars Embedded in Concrete by Beam Test

ZHOU Junlong1,L IBinghong2,JIANG Shiyong2,SH IQianhua3,HU Xianqi3
(1.Department of Chemistry and Materials Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311,China;2.Department of M ilitary A rchitecture Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311,China;3.Zhejiang GBFBasalt Fiber Co,L td,Hengdian 322118,China)

The beam test method was used to investigate the bond behavior between BFRP bar and concrete.Fourteen BFRP bar and 2 steel bar beam specimens were prepared and tested.It was found that the loading process of BFRP bars could be identified as four steps:minor slippage,normal slippage,accelerated slippage,and descending approach.With constant embedment length of BFRP bars,the bond strength increased with increasing concrete strength.With constant concrete strength,the bond strength decreased with increasing em bedment length of BFRP bars,mean while the failure patterns changed from slippage to rupture of BFRP bars.The diameter of BFRP bars has little effect on the bond strength.At the same bar diameter,embedment strength,and the concrete strength,the bond strength of BFRPbars was close to that of steel bars.The bond behavior of BFRP bars was greatly influenced by the surface deformation conditions of BFRP bars.

basalt fiber reinforced plastics bar;concrete;bond behavior;beam test

TQ327

B

1001-9278(2011)04-0083-06

2010-12-26

重慶市科技攻關項目(全無磁、耐腐蝕地震觀測站建筑設計及施工技術)

聯(lián)系人,junlongzhou@163.com