楊健彬　鄭愚　將良圣　羅石捷

(東莞理工學(xué)院　生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東東莞　523808)

?

混凝土表層嵌貼FRP筋粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

楊健彬鄭愚將良圣羅石捷

(東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東東莞523808)

表層嵌貼FRP筋加固法(簡(jiǎn)稱NSM法)是目前復(fù)合纖維材料加固的最新方法，混凝土表層嵌貼FRP筋的粘結(jié)性能是這一加固新技術(shù)的重要研究課題。完成3組共6個(gè)試件的FRP筋表層嵌貼加固的拉拔試驗(yàn)，對(duì)CFRP、GFRP、BFRP三種不同類型FRP筋材進(jìn)行了對(duì)比研究，主要研究不同F(xiàn)RP筋類型對(duì)表層嵌貼加固的粘結(jié)性能及破壞模式的影響。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：表層嵌貼碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)、玄武巖纖維(BFRP)筋加固均具有良好的粘結(jié)性能，具有良好的性能優(yōu)勢(shì)和廣泛應(yīng)用前景。

FRP筋；表層嵌貼加固法(NSM法)；拉拔試驗(yàn)；粘結(jié)強(qiáng)度

國(guó)外結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展過程表明，當(dāng)工程建設(shè)進(jìn)行到一定的階段后，工程的維修改造將成為主要的建設(shè)方式。我國(guó)的工程結(jié)構(gòu)，則因?yàn)樘厥獾臍v史和發(fā)展方式，在許多方面更需要對(duì)既有建筑進(jìn)行加固和維修改造?，F(xiàn)如今，由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，設(shè)計(jì)、施工和管理存在先天不足，同時(shí)由于地震、火災(zāi)等災(zāi)害的影響，建筑結(jié)構(gòu)加固改造已成為我國(guó)基本建設(shè)急需解決的重大問題[1]。因此，探尋切實(shí)可行的加固方法成為土木工程學(xué)科一個(gè)重要研究熱點(diǎn)，而表層嵌貼(near-surface mounted，NSM)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固是其中有代表性的一種，近年在國(guó)外得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用。由于FRP復(fù)合材料(Fiber-Reinforced Plastic/Polymer Composites)輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐等優(yōu)點(diǎn)，近20年被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固工程，并進(jìn)行了大量的研究工作[2-4]。當(dāng)前結(jié)構(gòu)加固中采用的FRP表面粘貼法在工程中應(yīng)用較廣泛，但FRP材料粘貼表面加固在實(shí)際應(yīng)用中仍存在不足，如容易受外界環(huán)境干擾、受磨擦、撞擊等意外作用導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)容易發(fā)生剝離破壞[5]。1949年，Asplund首次提出表層嵌貼鋼筋加固鋼筋混凝土梁以提高其抗彎性能的方法[6]，20世紀(jì)末表層嵌貼FRP加固技術(shù)開始應(yīng)用于工程實(shí)際。

采用表層嵌貼FRP加固時(shí)，在鋼筋混凝土構(gòu)件表層開槽，對(duì)槽道進(jìn)行清理后貫入粘結(jié)劑，將 FRP筋材或者板材嵌入槽中壓實(shí)，利用粘結(jié)劑使FRP與構(gòu)件緊密結(jié)合，見圖1，達(dá)到加固修復(fù)目的[7-9]。FRP筋和粘結(jié)劑處于構(gòu)件槽道內(nèi)部，因此能有效抵抗火災(zāi)的高溫作用、避免車輪直接輾壓和重物的沖擊，尤其適合于橋面板或樓面板負(fù)彎矩區(qū)域的加固，見圖2。

圖1　表層嵌貼FRP加固法

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP表層嵌貼加固技術(shù)的研究與應(yīng)用已逐漸深入，主要集中在表層嵌貼加固梁抗彎、抗剪性能和計(jì)算方法[3][10]以及不同筋材的粘結(jié)滑移關(guān)系研究[11-14]。表層嵌貼加固應(yīng)用中，粘結(jié)劑的選擇以環(huán)氧樹脂膠和水泥砂漿居多。目前，針對(duì)表層嵌貼CFRP(碳纖維)筋加固已進(jìn)行了大量的研究，而對(duì)其他類型FRP筋材如玻璃纖維筋(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)和玄武巖纖維筋(Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP)開展的研究尚為不足，基于FRP筋的抗彎加固和滑移關(guān)系研究尚未形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)規(guī)范?？傮w而言，針對(duì)FRP嵌貼加固技術(shù)開展相關(guān)的試驗(yàn)和理論研究具有較重要的工程實(shí)踐意義。為對(duì)FRP表層嵌貼加固技術(shù)的加固效果及設(shè)計(jì)方法開展研究，本文首先研究了FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能。研究成果初步表明影響混凝土表層嵌貼FRP筋性能的主要因素有：粘結(jié)長(zhǎng)度、FRP筋種類與表面特征、槽尺寸與表面特征、粘結(jié)劑種類和FRP筋到混凝土邊緣距離等。本文主要研究：不同類型筋材與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度、粘結(jié)滑移及破壞模式。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)程序

目前抗剪粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究所用方法主要有單剪、雙剪和修正梁等方法。本文采用單剪直接拉拔式試驗(yàn)研究混凝土表層嵌貼FRP筋的抗剪粘結(jié)強(qiáng)度[15](以下簡(jiǎn)稱粘結(jié)強(qiáng)度)。

共設(shè)計(jì)了3組6個(gè)拉拔試件，拉拔試件采用在150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方體試塊表面開設(shè)1.5d×1.5d方形淺槽(d為所嵌入FRP筋的公稱直徑)并分別埋入CFRP、GFRP、BFRP筋材制作而成，選用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂膠(Sikadur@-30)作為粘結(jié)劑，F(xiàn)RP筋與混凝土的粘結(jié)長(zhǎng)度為150 mm，試件具體參數(shù)詳見表1。

1.2試驗(yàn)加載及測(cè)量裝置

本文試驗(yàn)采用萬能拉力機(jī)進(jìn)行豎向靜力加載，加載裝置見圖3，F(xiàn)RP筋縱向與萬能拉力機(jī)作用力方向保持一致。

試驗(yàn)過程，通過萬能拉力機(jī)自帶傳感器測(cè)量荷載大小，使用LVDT位移傳感器結(jié)合靜態(tài)采集儀對(duì)FRP筋與混凝土的粘結(jié)滑移進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在FRP筋表面等距離粘貼三片電阻應(yīng)變片以此觀測(cè)各級(jí)荷載作用下FRP筋的應(yīng)變及應(yīng)力分布情況，同時(shí)觀測(cè)裂縫開展及最終破壞形態(tài)，傳感器及應(yīng)變片布置詳見圖4。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，研究本文混凝土表層嵌貼三種不同F(xiàn)RP筋的粘結(jié)性能及破壞模式。

表1　粘結(jié)試驗(yàn)參數(shù)及破壞模式匯總

注：具體破壞模式詳見圖5。

圖3　試驗(yàn)加載裝置圖

圖4　應(yīng)變片及位移傳感器布置圖

圖5　直接拉拔式表層嵌貼FRP粘結(jié)試件破壞模式

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1粘結(jié)強(qiáng)度

如表1所示，混凝土表層嵌貼GFRP、BFRP、CFRP筋粘結(jié)強(qiáng)度介于9 MPa～12 MPa之間，均具有良好的粘結(jié)性能，與楊勇[16]等學(xué)者前期試驗(yàn)研究結(jié)果較為吻合。對(duì)比不同F(xiàn)RP筋材類型，表層嵌貼GFRP、BFRP筋材的粘結(jié)強(qiáng)度略高于CFRP筋。CFRP筋表面為螺旋纏繞噴砂處理，BFRP筋雖未進(jìn)行噴砂處理，但螺旋纏繞較深較寬，因此相比CFRP筋，混凝土表層嵌貼BFRP粘結(jié)強(qiáng)度略大。試驗(yàn)結(jié)果表明FRP筋種類與表面特征是影響表層嵌貼FRP筋粘結(jié)性能的主要因素之一，而纏繞深度及寬度、噴砂處理均對(duì)表層嵌貼FRP筋粘結(jié)性能的提高具有顯著作用。

2.2破壞模式

其他學(xué)者[17]的試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土表層嵌貼FRP的粘結(jié)破壞形式由三介質(zhì)(混凝土、粘結(jié)劑、FRP)和兩界面(FRP-粘結(jié)劑、粘結(jié)劑-混凝土)的物理、幾何性質(zhì)決定，主要破壞模式有：(a) FRP-粘結(jié)劑間界面滑移破壞； (b) 粘結(jié)劑-混凝土間界面滑移破壞； (c) 槽表面混凝土開裂破壞； (d) 粘結(jié)劑劈裂破壞；(e) 試件邊緣混凝土拉剪破壞。

本文試驗(yàn)過程，混凝土表面無明顯裂縫；隨著荷載增加，拉拔試件端部混凝土表面出現(xiàn)微裂縫，槽表面混凝土開裂破壞， FRP筋表面無開裂現(xiàn)象，F(xiàn)RP筋也未出現(xiàn)斷裂未出現(xiàn)明顯拔出破壞，試件破壞時(shí)產(chǎn)生較大響聲。粘結(jié)劑沿筋材縱向與槽上半部混凝土界面發(fā)生劈裂破壞，下半部粘結(jié)劑與槽底部混凝土界面未發(fā)生劈裂破壞。

本文試驗(yàn)拉拔試件G9-1、G9-2、B9-1、B9-2破壞模式為槽表面混凝土開裂破壞，拉拔試件C10-1、C10-2破壞模式為同時(shí)發(fā)生槽表面混凝土開裂破壞與試件混凝土邊緣拉剪破壞，詳見圖5、圖6，該結(jié)果與其他學(xué)者研究結(jié)論相矛盾。一些學(xué)者研究[17-19]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RP噴砂筋、環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑一般發(fā)生FRP筋拔出破壞，F(xiàn)RP帶肋筋、螺紋筋、環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑一般發(fā)生劈裂破壞。分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文選用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂膠(Sikadur@-30)與混凝土及FRP筋均具有良好的粘結(jié)性能。粘結(jié)劑對(duì)破壞模式具有顯著的影響，不同組分的環(huán)氧樹脂的剪切強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、彈性模量等材料屬性決定了兩界面的物理性質(zhì)，因此環(huán)氧樹脂的不同直接影響著破壞模式的差異。建議后期進(jìn)一步開展基于不同環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)劑表層嵌貼FRP筋的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究。

圖6　試件最終破壞形態(tài)

2.3應(yīng)變

如圖7，加載逐級(jí)進(jìn)行，F(xiàn)RP筋材A1、A2、A3處(詳見圖7注解)相繼產(chǎn)生應(yīng)變，并逐漸增大，表明隨荷載增大，F(xiàn)RP筋受荷載作用，荷載從加載端向自由端傳遞。試驗(yàn)結(jié)果表明，表層嵌貼FRP筋拉拔試件，表現(xiàn)出較好的延性。如圖8，試驗(yàn)結(jié)果表明，不同種類FRP筋的荷載-應(yīng)變曲線形狀及趨勢(shì)大致接近，不考慮應(yīng)變片失效及試驗(yàn)離散性的影響，可以得出筋材的種類對(duì)單剪拉拔試件粘結(jié)應(yīng)力應(yīng)變無顯著影響。

圖7　典型試件筋材荷載-應(yīng)變曲線

注：應(yīng)變片A2位于混凝土表層嵌貼部分FRP筋的中點(diǎn)處；應(yīng)變片A1、A3分別位于其四等分點(diǎn)處，其中A1靠近加載端，A3遠(yuǎn)離加載端。

圖8　各試件荷載-應(yīng)變曲線

2.4粘結(jié)滑移

試驗(yàn)加載初期，LVDT位移傳感器未采集到明顯滑移數(shù)據(jù)，隨著荷載持續(xù)增大，F(xiàn)RP筋與混凝土之間出現(xiàn)明顯相對(duì)滑移，隨荷載增大，相對(duì)滑移逐漸增大，詳見圖9。在加載初期，F(xiàn)RP筋材相對(duì)滑移較大，隨著荷載的增加，相對(duì)滑移速度變緩，直到試件破壞。拉拔試件達(dá)到極限承載力時(shí)，F(xiàn)RP筋與混凝土相對(duì)滑移達(dá)到4～6 mm，此時(shí)發(fā)生粘結(jié)失效破壞。

圖9　局部粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移曲線

3　結(jié)語

1)選用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂膠(Sikadur@-30)作為表層嵌貼加固粘結(jié)劑，單剪拉拔試件粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)9-12MPa，破壞形態(tài)均為劈裂破壞，具有良好的粘結(jié)性能及較好的應(yīng)用前景。

2)本文試件所發(fā)生的槽表面混凝土開裂破壞為較理想的破壞模式，選用FRP筋作為表層嵌貼加固法的加固材料具有廣闊的工程應(yīng)用前景，筆者研究團(tuán)隊(duì)將開展進(jìn)一步的深入研究。

3)本文試驗(yàn)表明，F(xiàn)RP筋材的種類對(duì)粘結(jié)性能無顯著影響，等直徑筋材破壞粘結(jié)強(qiáng)度較為接近，故在實(shí)際加固工程中，可選擇較為經(jīng)濟(jì)性筋材種類作為表層嵌貼材料。

4)筋材表面特征、環(huán)氧樹脂種類等對(duì)混凝土表層嵌貼FRP筋的粘結(jié)性能影響較為明顯，建議進(jìn)一步開展基于FRP筋表面特征、粘結(jié)劑種類等影響因素的混凝土表層嵌貼FRP筋粘結(jié)性能研究。

5)總之，混凝土表層嵌貼FRP筋這一新技術(shù)尚需進(jìn)行大量、深入的研究，以得到工程可應(yīng)用的相關(guān)設(shè)計(jì)理論及公式。

[1]張?chǎng)?李安起,趙考重.建筑結(jié)構(gòu)鑒定與加固技術(shù)的進(jìn)展[J].工程力學(xué),2011(1):1-12.

[2]TENG J G. CHEN J F. SMITH S T. LAM L.FRP-strength-ened RC structures [M].John Wiley and Sons Ltd,2002.

[3]姚諫. FRP 復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 科技通報(bào), 2004,20(3):216-221.

[4]岳清瑞. 我國(guó)碳纖維(CFRP) 加固修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 工業(yè)建筑, 2000, 30(10): 23-27.

[5]岳清瑞,李慶偉,楊勇新.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料嵌入式加固技術(shù)[J].工業(yè)建筑,2004,34(4):1-4.

[6]李榮,滕錦光,岳清瑞.FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新領(lǐng)域—嵌入式(NSM)加固法[J].工業(yè)建筑, 2004,34(4):5-12.

[7]Asplund S O.Strengthening Bridge Slabs with Grouted Reinforcement.[J].ACI Journal,1949,20(6):397-406.

[8]岳清瑞,李慶偉,楊勇新.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料嵌入式加固技術(shù)[J].工業(yè)建筑,2004,34(4):1-4.

[9]李榮,滕錦光,岳清瑞.FRP材料加固混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新領(lǐng)域—嵌入式(NSM)加固法[J].工業(yè)建筑, 2004,34(4):5-12.

[10]王韜. 鋼筋混凝土梁表層嵌貼CFRP的抗彎加固性能研究[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

[11]陸新征,葉列平,滕錦光,等. FRP-混凝土界面粘結(jié)滑移本構(gòu)模型[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2005(4):10-18.

[12]俞裕果. FRP-混凝土界面粘結(jié)性能理論研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2013.

[13]王勃,侯淑亮,劉殿忠,等. GFRP筋嵌入式加固混凝土構(gòu)件黏結(jié)破壞性能試驗(yàn)研究[J]. 混凝土,2011(3):56-58.

[14]謝標(biāo)云,楊勇,周丕健,等. 表層嵌貼碳纖維筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2010(2):43-44.

[15]姚諫,滕錦光.FRP復(fù)合材料與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2003(5):10-18.

[16]楊勇,謝標(biāo)云,聶建國(guó),等.表層嵌貼碳纖維筋加固鋼筋混凝土梁受力性能試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2009(3):106-112.

[17]De Lorenzis L and Nanni A. Characterization of FRP rods as near-surface mounted reinforcement[J]. Journal of Composites for Construction, 2001,5(2):114-121.

An Investigation into Bond Performance of Near-Surface Mounted Fiber-Reinforced Polymer Bars to Concrete

YANG JianbinZHENG YuJIANG LiangshengLUO Shijie

(College of Envionment and Civil Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808,China)

The near-surface-mounted (NSM) fiber-reinforced polymer (FRP) strengthening method is a promising strengthening technology for reinforced concrete (RC) structures. The bond behavior between NSM FRP bars and concrete should be investigated significantly. This paper reveals an experimental study of pull-out bond test of NSM FRP strengthened concrete specimens. Three types of strengthening materials, such as CFRP, GFRP and BFRP, are used in this study to investigate the effect of this parameter on the failure mode and bond-slip behavior. The experimental results demonstrate that the bond-slip behavior between FRP bars and concrete satisfies the requirement of NSM strengthening method and this strengthening scheme has potential to be more widely applied in the future.

FRP bar; near-surface-mounted (NSM) method; pullout test; bond strength

2016-04-27

廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目研究計(jì)劃(Yq2013155)；廣東省交通廳科技計(jì)劃(科技-2013-02-029)；2015廣東省普通高校國(guó)際暨港澳臺(tái)合作創(chuàng)新平臺(tái)及國(guó)際合作重大項(xiàng)目(特色創(chuàng)新項(xiàng)目)，2014大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。

楊健彬(1988—)男，廣東陽江人，實(shí)驗(yàn)員，主要從事結(jié)構(gòu)分析，復(fù)合材料應(yīng)用研究。

TB332

A

1009-0312(2016)05-0091-06