FRP筋與混凝土粘結(jié)性能試驗研究

王 強(qiáng)，金清平，姜天華

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065）

由于鋼筋的銹蝕，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，此類工程事件屢見不鮮。纖維聚合物筋（Fiber Reinforced Polymer Bars）［1］具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性能好、可設(shè)計性能好等優(yōu)點。FRP筋作為鋼筋的替代物在工程結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)外對FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能研究已經(jīng)取得了一定的成果［2，3］。Larralde等人［4，5］進(jìn)行拉拔試驗是采用同直徑的GFRP筋，并采用不同錨固長度進(jìn)行研究以探索其破壞狀態(tài)。Al－Zahrani等人［6］研究表明：粘結(jié)應(yīng)力的變化呈現(xiàn)非線性不均勻分布［7］。謝晶晶等分析了FRP筋錨桿的粘結(jié)滑移，同時研究了支護(hù)設(shè)計方法，得到了粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的簡化模型［8］。FRP筋與混凝土結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作中，粘結(jié)性對結(jié)構(gòu)的安全性耐久性是相當(dāng)重要的。

1 試驗方案

FRP筋與混凝土進(jìn)行粘結(jié)性能試驗研究是采用中心拉拔試驗方法。試驗中，記錄每一試件的最大拉拔破壞力、破壞方式以及試驗現(xiàn)象。

本試驗所用的材料為深圳海川新材料科技有限公司所生產(chǎn)的乙烯基GFRP筋。采用?20、?25兩種直徑的GFRP筋。GFRP筋幾何尺寸如表1所示。現(xiàn)場澆筑混凝土試塊，制作邊長150mm混凝土立方體與拉拔試塊。并在相同條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28d。

表1 不同直徑GFRP筋的幾何尺寸表

參照錨桿試驗拉拔規(guī)程進(jìn)行試驗操作。試驗前，檢查手動泵或電動泵的油量和各連接部位是否牢固，確認(rèn)無誤后再進(jìn)行試驗。試驗時應(yīng)緩慢均勻地操作手動泵壓桿。當(dāng)錨桿出現(xiàn)明顯位移時，停止加壓。記錄錨桿拉力計此時的讀數(shù)，即為拉拔試驗值。錨桿拉拔計在試驗過程中應(yīng)固定牢靠錨桿。拉拔時應(yīng)緩慢地逐級均勻加載，直到錨桿滑動或桿體破壞為止，并做詳細(xì)記錄。

常用的粘結(jié)試驗有拉拔試驗和梁式試驗。該文采用的是拉拔試驗。拉拔試驗試件為邊長150mm混凝土立方體［9］。粘結(jié)長度為直徑3～5倍。如圖1所示。拉拔試塊加載裝置采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)，拉拔試塊固定于自制鋼筋反力架中，焊接于反力架底部的鋼板固定于萬能試驗機(jī)，用萬能試驗機(jī)的另一端夾住FRP筋。試驗時，采用電腦控制加載。試驗過程中勻速加載，試件發(fā)生破壞時就立即停止試驗。

2 拉拔試驗

2.1 試驗現(xiàn)象描述

試驗過程中隨著加載速率的增大，可清晰地聽到連續(xù)的噼啪聲，在荷載達(dá)到40.8kN時，直徑25的試件發(fā)生拔出破壞。抽出的GFRP筋體有摩擦痕跡，并且有一些粉末狀的混凝土碎屑。FRP筋與混凝土的粘結(jié)破壞會出現(xiàn)三種破壞形式［10］：筋拔出破壞、混凝土劈裂片破壞和筋拉斷破壞。本次試驗中出現(xiàn)兩種破壞形式：筋拉出破壞、混凝土劈裂破壞，如圖2所示。

2.2 試驗結(jié)果分析

1）不同直徑的試驗結(jié)果分析

根據(jù)要求，在保證變量養(yǎng)護(hù)齡期及埋深相同時，進(jìn)行不同直徑GFRP筋拉拔試驗對比。對于該文，符合以上要求的只有埋深100mm的直徑?20和直徑?25拉拔試件。經(jīng)過計算分析可知，直徑20的桿件在埋深為100mm（5d）時，其受到的拉拔承載力平均值為45.5kN，粘結(jié)強(qiáng)度平均值為7.24MPa。直徑25的桿件在埋深為100mm（5d）時，其受到的拉拔承載力平均值為45.63kN，粘結(jié)強(qiáng)度平均值為5.57MPa。記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同直徑對比試驗結(jié)果表

由表2可知直徑?20的桿件拉拔承載力為45kN與直徑?25的桿件承載力45.32kN，相差不大，影響不太明顯。由于試驗數(shù)據(jù)的限制，對于本次試驗，筋體直徑大小對試件的拉拔承載力的影響不太明顯，還有待更深入的研究。對于粘結(jié)強(qiáng)度，直徑?25兩個試件的粘結(jié)強(qiáng)度為5.77MPa、4.07MPa均小于直徑?20兩個試件7.32MPa、7.16MPa。兩者相差比較大，變化比較明顯。對于粘結(jié)強(qiáng)度，其大小隨直徑的增加而減小。

2）不同埋深桿件拉拔對比試驗

本次比較選用齡期28d，直徑?20、?25兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)分析可知，拉拔承載力隨著直徑的增加而增大。直徑?20中，直徑3d至4d拉拔承載力平均增長率為19.9%，直徑4d至5d平均增長率為10.25%。直徑?28中，直徑3d至4d拉拔承載力平均增長率為22.3%，直徑4d至5d平均增長率為21.7%。由此可知，隨之埋深的增大，拉拔增長率逐漸減小。將粘結(jié)強(qiáng)度繪成折線圖，如圖3所示。

由上述4條變化曲線可分析得隨著埋深的增加，對應(yīng)拉拔試件的粘結(jié)強(qiáng)度是減小的。對于直徑?20拉拔試件，粘結(jié)強(qiáng)度的變化比較明顯，隨著埋深倍數(shù)的增加，粘結(jié)強(qiáng)度減小的速率減慢。而對于直徑稍大的?25，粘結(jié)強(qiáng)度的變化曲線相對比較平緩，變化也比較不明顯。

試驗表明直徑與埋置深度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響是比較明顯的。粘結(jié)強(qiáng)度隨著直徑與粘結(jié)長度的增加而減小。

3 結(jié)論及展望

a.GFRP筋拉拔承載力與直徑和埋深的關(guān)系。拉拔承載力隨著直徑和埋深的增大而增大，而增長率逐漸減小。隨著直徑與粘結(jié)長度的增大，GFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸減小。

b.FRP是代替鋼筋腐蝕而提高混凝土耐久度工作的，但此次試驗未曾考慮過在侵蝕環(huán)境下的工作狀況。試驗中可以適當(dāng)模擬工程實際情況，試件周圍有其他荷載的情況下進(jìn)行拉拔試驗。

c.FRP筋表面螺紋情況及混凝土強(qiáng)度對FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能影響還需深入研究。

［1］ 陳小兵，李 榮，丁 一.高性能纖維復(fù)合材料土木工程應(yīng)用技術(shù)指南［M］.北京：建筑工業(yè)，2009.

［2］ 薛偉辰，劉華杰，王小輝.新型FRP筋粘結(jié)性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2004（2）：92－94.

［3］ Tighiouart B，Benmokrane B，Gao D.lnvestigation of Bond in Concrete Member with Fibre Rernforced Polymer（FRP）Bars［J］.Construction and Building Materials，1998（12）：453－462.

［4］ LarraldeJ，Silva－Rndriguez R.Bond and Slip of FRP Rebars in Concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineedng，1993，5（1）：30－40.

［5］ Larmlde J，Silva－Rodfiguez R，Burdeue J，et al.Bond Tests of Fiber Glass－reinforced Plastic Bars in Conercte［J］.Journal of Testing ＆Evaluation，1994，22（4）：351－359.

［6］ AI－Zahrani Mesfer M，AI－Dnlaijan Salah U，Narmi Antonio Bakis Charles E，et al.Evaluation of Bond Using FRP Rods with Axisymmetric Deformations［J］.Construction and Building Materials，1999，13（6）：299－309.

［7］ 周高永.砂漿粘結(jié)GFRP土釘?shù)墓ぷ餍阅茉囼炑芯浚跠］.河南：鄭州大學(xué)，2010.

［8］ 謝晶晶.纖維增強(qiáng)塑料筋錨桿錨固機(jī)理及設(shè)計方法的研究［D］.鄭州大學(xué)，2002.

［9］ 王大強(qiáng)，劉曉麗，汪 輝，等.纖維筋與高強(qiáng)度纖維混凝土的粘結(jié)性能［J］.低溫建筑技術(shù)，2011，33（6）：14－16.

［10］孫曉燕，姚晨純，王海龍，等.FRP筋與混凝土粘結(jié)性能的研究進(jìn)展［J］.結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工技術(shù)，2012（06）：49－54.