高溫對(duì)玄武巖纖維筋混雜纖維再生混凝土粘結(jié)性能的影響

劉華新， 朱伯衡

(1.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210018； 2. 遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 錦州 121001)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)筋具備良好的耐腐蝕性、耐疲勞性、輕質(zhì)高強(qiáng)等特性[1-2]，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相似，F(xiàn)RP筋和混凝土的粘結(jié)性能是二者共同工作的基礎(chǔ)。李楊等[3]通過梁式拉拔試驗(yàn)研究了溫度對(duì)FRP筋與混凝土粘結(jié)性能的影響，結(jié)果表明：當(dāng)環(huán)境溫度范圍為-30～0 ℃范圍內(nèi)，F(xiàn)RP筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度隨著環(huán)境溫度的下降而提高。童谷生等[4]通過試驗(yàn)研究了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FRP與混凝土間的粘結(jié)滑移曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：FRP筋與混凝土界面的剪應(yīng)力隨著的粘結(jié)劑厚度的增加而有所減小，但FRP筋與混凝土間的相對(duì)位移卻在持續(xù)增大，界面斷裂能不減反增。Alves J等[5]考慮了持續(xù)荷載、疲勞荷載以及凍融循環(huán)作用下玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer，GFRP)混凝土橋面板中兩者的粘結(jié)性能，認(rèn)為疲勞荷載相對(duì)于持續(xù)荷載及凍融循環(huán)作用而言，對(duì)粘結(jié)性能的影響更為重要。Dai等[6]通過拉拔試驗(yàn)研究了GFRP筋在疲勞載荷下的粘結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果表明：與200萬次循環(huán)載荷后的靜態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度相比，GFRP筋的粘結(jié)強(qiáng)度降低了63%～70%。對(duì)濕熱環(huán)境中疲勞載荷作用下的FRP筋混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的研究表明，F(xiàn)RP筋混凝土界面在濕熱環(huán)境中的粘結(jié)性能降低。此外濕熱預(yù)處理后試件的疲勞壽命明顯短于未處理的試件[7]?，F(xiàn)有的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：高溫對(duì)FRP筋的力學(xué)性能有明顯的負(fù)面影響[8-10]。已有的研究主要集中在FRP筋與混凝土在高溫下的粘結(jié)性能，最高溫度不超過350 ℃[11-12]。但是關(guān)于FRP筋與混凝土在高溫后的殘余粘結(jié)性能的研究較少。

再生粗骨料作為天然骨料的替代材料，目前在工程結(jié)構(gòu)物中應(yīng)用較少。為了應(yīng)對(duì)自然資源的破壞、建設(shè)需求的增加和填埋成本的提高，加大對(duì)再生混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)的研究和使用符合社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?；馂?zāi)或者高溫除了影響混凝土外觀外，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響較大[13-14]?；炷林袚饺肜w維明顯改善普通混凝土的力學(xué)性能，尤其可以防止混凝土高溫爆裂和降低高溫?fù)p傷[15]。已有纖維混凝土的研究集中于普通混凝土、高性能混凝土和自密實(shí)混凝土，對(duì)混雜纖維RAC高溫后力學(xué)性能研究很少。

現(xiàn)通過試驗(yàn)研究高溫后玄武巖纖維(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋與混雜纖維再生混凝土(hybrid fiber recycled aggregate concrete，HFRAC)之間的粘結(jié)性能即破壞模式、峰值粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)滑移應(yīng)力-應(yīng)變曲線等，為纖維再生混凝土的防火設(shè)計(jì)及安全評(píng)估提供試驗(yàn)和理論參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料及試件設(shè)計(jì)

選用直徑12 mm的BFRP筋，表面經(jīng)過擠壓成肋、黏砂處理，其抗拉強(qiáng)度為1 114 MPa，拉伸彈性模量為47.5 GPa，拉伸試驗(yàn)其長度取520 mm，拉拔試驗(yàn)其長度取500 mm，上述參數(shù)參考文獻(xiàn)[16-17]。為避免試驗(yàn)中BFRP筋被夾具剪切損壞，采用鋼管套注入膨脹水泥的方法錨固端頭。選用拉拔試驗(yàn)測試BFRP筋與HFRAC的粘合強(qiáng)度。相較于其他測試方法，拉拔試驗(yàn)更簡易，并且更適用于比較相對(duì)粘結(jié)性能。BFRP筋與RAC粘結(jié)區(qū)長度取5d(d為纖維筋直徑，取值12 mm)。拉拔試件的尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，自由端BFRP筋留出20 mm，以便量測滑移量。試塊采用42.5級(jí)P.O水泥；天然河沙，Ⅱ區(qū)級(jí)配；拌合水為生活用水；5～20 mm連續(xù)級(jí)配的粗骨料，其中再生粗骨料取代率50%，試驗(yàn)前浸泡12 h以補(bǔ)償其吸水性；再生粗骨料取自某廢棄建筑物，測試原混凝土強(qiáng)度等級(jí)約為30 MPa。

粗骨料的基本性能見表1，纖維性能指標(biāo)見表2?；炷粱九浜媳?按質(zhì)量計(jì)算)設(shè)計(jì)為水泥∶砂∶再生粗骨料∶天然粗骨料∶水 = 1∶1.46∶1.04∶1.04∶0.48。試驗(yàn)?zāi)康脑谟诙ㄐ缘匮芯扛邷睾驢FRAC與BFRP筋粘結(jié)性能，因此并未探討纖維體積分?jǐn)?shù)的影響，玄武巖纖維(basalt fiber，BF)和纖維素纖維(cellulose fiber，CF)體積摻量均為混凝土體積的0.15%。

表1 粗骨料基本性能Table 1 Properties of coarse aggregate

表2 纖維性能指標(biāo)Table 2 Fiber performance index

參照已有的研究方案[18-20]，將此次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度設(shè)置為20、100、200、300、400和500 ℃，考慮高溫環(huán)境可能加大試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，為保證試驗(yàn)結(jié)果可靠，拉拔試件每組制作5個(gè)試件。

1.2 試驗(yàn)裝置及加載設(shè)備

試驗(yàn)所用高溫電阻爐自帶溫度控制系統(tǒng)，為模擬真實(shí)火災(zāi)情況，將升溫速率調(diào)節(jié)為10 ℃/min。為避免拉拔試件外部裸露的BFRP筋受到高溫影響試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)前用防火材料對(duì)其表面進(jìn)行處理。拉拔試驗(yàn)采用位移(0.2 mm/min)控制法加載，試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)采集力-時(shí)間數(shù)據(jù)。BFRP筋自由端處的滑移通過線性位移計(jì)(linear variable differential transformer，LVDT)量測。反力籠式裝置可通過調(diào)節(jié)螺栓避免因偏心造成的BFRP筋對(duì)混凝土的劈裂，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

依據(jù)式(1)計(jì)算平均粘結(jié)應(yīng)力值，拉拔試驗(yàn)主要結(jié)果如表3所示。

(1)

式(1)中：π為粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；p為拉拔力，N；d和l分別為纖維筋直徑和埋入深度，mm。

圖1 拉拔試驗(yàn)裝置Fig.1 The pull-out test setup

表3 拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of pull-out tests

2.1 破壞模式

12組試件破壞形式大多數(shù)為拔出破壞，其中HN200和HN300試件為帶裂紋拔出破壞，如圖2所示，這表明在200 ℃和300 ℃高溫作用后，RAC抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)下降，略低于BFRP筋拉拔時(shí)產(chǎn)生的徑向分力，故而出現(xiàn)帶裂紋拔出破壞。500 ℃后試件HN500和HH500進(jìn)行拉拔試驗(yàn)時(shí)，自由端出現(xiàn)滑移前BFRP筋就已經(jīng)發(fā)生斷裂，并未采集到數(shù)據(jù)。

2.2 粘結(jié)-滑移曲線

由圖3可知，隨著溫度升高，各組試件曲線斜率均逐漸降低，表明BFRP筋和RAC間的粘結(jié)彈性模量損傷隨著溫度上升逐漸加大。結(jié)合表3進(jìn)行分析：對(duì)于RAC試件，隨著溫度升高，其峰值粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，且整體上呈加速降低趨勢，200 ℃前下降緩慢，下降幅度約21%，300 ℃后下降加快，至400 ℃后強(qiáng)度殘余率為31%。此外，隨著溫度升高，峰值滑移量su逐漸加大。對(duì)于HFRAC試件，隨著溫度升高，峰值粘結(jié)強(qiáng)度先上升后降低，200 ℃前略有加強(qiáng)，約12%，300 ℃后強(qiáng)度急速下降，至400 ℃后強(qiáng)度殘余率為35%。此階段影響粘結(jié)強(qiáng)度主要因素為RAC力學(xué)性能，分析其原因：BFRP筋相對(duì)于混凝土具有較高的熱膨脹橫向系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，混凝土內(nèi)會(huì)產(chǎn)生張應(yīng)力，這會(huì)產(chǎn)生裂開的裂紋，從而影響粘結(jié)性能，HFRAC中CF熔化后形成的熔洞有助于基體均衡溫度，降低因溫度梯度產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，此外BF與基體緊密粘結(jié)形成空間整體，增大了RAC基體對(duì)BFRP筋的粘結(jié)力，此時(shí)高溫后BFRP筋抗拉強(qiáng)度基本恢復(fù)至常溫時(shí)的92%，可認(rèn)為對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度影響較小。而300 ℃后，各組RAC試件的粘結(jié)強(qiáng)度均大幅降低，影響粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素不再是RAC力學(xué)強(qiáng)度，300 ℃后BFRP筋材內(nèi)部環(huán)氧樹脂基體開始出現(xiàn)缺氧狀態(tài)下碳化，纖維力學(xué)性能也受到損傷，300 ℃和400 ℃后BFRP筋抗拉強(qiáng)度殘余率分別為常溫時(shí)88%和11%，可認(rèn)為此階段影響粘結(jié)強(qiáng)度主要因素為BFRP筋的性能。

圖2 帶裂紋拔出破壞Fig.2 Pull out failure specimen with cracks

圖3 各溫度下的粘結(jié)-滑移曲線Fig.3 The bond stress-slip curves at different temperatures

各目標(biāo)溫度條件下，HFRAC粘結(jié)強(qiáng)度均高于RAC，20、100、200和300 ℃后HFRAC峰值粘結(jié)強(qiáng)度較RAC分別升高6%、20%、36%和58%，表明混雜纖維的摻入可以減少RAC高溫?fù)p傷，明顯改善BFRP筋與RAC粘結(jié)性能。

此外，可通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立RAC和HFRAC峰值粘結(jié)強(qiáng)度關(guān)于溫度的擬合關(guān)系式，分別如式(2)和式(3)所示，擬合曲線見圖4。

(2)

(3)

式中：τu1為BFRP筋與RAC間粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；τu2為BFRP筋與HFRAC間粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；T為溫度， ℃。

取粘結(jié)-滑移曲線上升段做無量綱-粘結(jié)-滑移曲線，如圖5所示。從圖5(a)可知，HN20和HN100曲線趨勢相近，呈上凸趨勢，說明暴露于100 ℃后BFRP筋與RAC粘結(jié)-滑移關(guān)系變化較??；HN200、HN300和HN400曲線趨勢相近，呈下凹趨勢，與HN20和HN100曲線有較大差別。表明經(jīng)歷高溫200 ℃之后，BFRP筋與RAC間的粘結(jié)-滑移性能已經(jīng)發(fā)生顯著變化。從圖5(b)可知，試件HH20、HH100、HH200和HH300曲線趨勢相近，呈上凸趨勢。表明溫度不高于300 ℃時(shí)，BFRP筋與RAC粘結(jié)-滑移關(guān)系變化較小，混雜纖維的摻入可以有效緩解升溫對(duì)粘結(jié)性能的破壞。HH400曲線呈下凹趨勢，表明經(jīng)歷高于300 ℃后，BFRP筋與RAC粘結(jié)-滑移關(guān)系已經(jīng)發(fā)生顯著變化。高溫暴露是改變RAC和HFRAC無量綱粘結(jié)滑移曲線趨勢的關(guān)鍵因素，混雜纖維的摻入可以提高RAC高溫暴露后粘結(jié)性能。

圖4 RAC和HFRAC試件的峰值粘結(jié)強(qiáng)度曲線Fig.4 Peak bond strength curves of RAC and HFRAC

圖5 各溫度下的無量綱粘結(jié)-滑移曲線Fig.5 Non-dimensional bond-slip curves at different temperatures

根據(jù)無量綱粘結(jié)滑移曲線趨勢的不同，可建立試件HH20、HH100、HH200、HH300、HN20和HN100的關(guān)系式，如式(4)所示，擬合曲線見圖6。此關(guān)系式適用HFRAC經(jīng)歷溫度20～300 ℃作用后，以及RAC經(jīng)歷溫度20～100 ℃作用后，關(guān)系式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

(4)

式(4)中：τ為粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；τu為峰值粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；s為滑移值，mm；su為峰值滑移值，mm。

HH400、HN200、HN300和HN400關(guān)系式，如式(5)所示，擬合曲線見圖7。此關(guān)系式適用HFRAC經(jīng)歷溫度300～400 ℃作用后，以及RAC經(jīng)歷溫度100～400 ℃作用后，關(guān)系式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

(5)

粘結(jié)-滑移曲線下所圍面積(area under curve，AUC)反映BFRP筋拔出試驗(yàn)過程中能量消耗情況，數(shù)值越大則表明能量消耗越多。各組試件AUC如圖8所示。可以看出，HFRAC試件AUC隨著溫度升高具有先升高后下降趨勢，200 ℃時(shí)達(dá)到峰值，增幅約4.6%；200 ℃后迅速降低，300 ℃和400 ℃后分別僅為60.9%和24.4%。RAC試件AUC隨著溫度升高逐漸降低，200 ℃前變化不大，降幅約為73.2%；與HFRAC相似，200 ℃后下降顯著，300 ℃和400 ℃后分別僅為41.3%和21.2%。這與BFRP筋基體發(fā)生高溫碳化，表面肋失效等有關(guān)。另外，200 ℃前，RAC與HFRAC數(shù)值差距隨溫度升高逐漸加大，200 ℃之后兩者數(shù)值差距逐漸減小，至400 ℃時(shí)數(shù)值基本相等，這也反映出隨溫度升高，控制RAC和HFRAC粘結(jié)性能因素由RAC性能向BFRP筋材料性能轉(zhuǎn)換。

圖6 凸型粘結(jié)-滑移擬合曲線Fig.6 Convex stress slip fitting curve

圖7 凹型粘結(jié)-滑移擬合曲線Fig.7 Concave stress slip fitting curve

圖8 各組試件在不同溫度下的曲線下面積Fig.8 Area under the curve of specimens at different temperatures

3 結(jié)論

通過高溫后的中心拉拔試驗(yàn)，分析溫度對(duì)粘結(jié)性能的影響，得出如下結(jié)論。

(1)相同溫度條件下，HFRAC與BFRP筋間粘結(jié)性能均優(yōu)于RAC。隨著溫度升高，各組試件粘結(jié)-滑移曲線斜率均逐漸降低，表明BFRP筋和RAC間的粘結(jié)彈性模量損傷隨著溫度上升逐漸加大。HFRAC峰值粘結(jié)略有上升后下降，300 ℃時(shí)達(dá)到峰值，而RAC峰值粘結(jié)強(qiáng)度始終逐漸降低，兩者在300 ℃后降幅明顯增大。

(2)無論RAC還是HFRAC試件，300 ℃前影響粘結(jié)強(qiáng)度主要因素為RAC性能，300 ℃后粘結(jié)強(qiáng)度主要受BFRP筋性能控制。

(3)由粘結(jié)-滑移曲線上升段可以看出，隨著溫度上升，RAC和HFRAC曲線從凸型向凹型轉(zhuǎn)變，表明高溫在100 ℃后會(huì)改變RAC與BFRP粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系，混雜纖維的摻入可以將此變化延緩至300 ℃后。

(4)通過計(jì)算粘結(jié)-滑移曲線下所圍面積，評(píng)估BFRP拔出試驗(yàn)過程中能量消耗情況。發(fā)現(xiàn)HFRAC能量消耗均大于RAC，這是因?yàn)榛祀s纖維的摻入提高了RAC韌性。RAC隨著溫度升高與坐標(biāo)軸所圍面積逐漸降低，表明高溫增加了混凝土脆性。

(5)建立了無量綱量粘結(jié)-滑移上升段關(guān)系式，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可為FRP筋與纖維RAC粘結(jié)-滑移計(jì)算和設(shè)計(jì)提供一定的參考。