劉承斌,余世策,王激揚(yáng),陳 勇

(浙江大學(xué)土木工程學(xué)系,浙江 杭州 310058)

傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在工程中得到了廣泛的應(yīng)用,但是在某些特定的環(huán)境中,比如在季節(jié)溫差變化大、濕度大的地區(qū),由于氯離子容易沿著微裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部與鋼筋接觸,引起鋼筋銹蝕,從而導(dǎo)致構(gòu)件甚至結(jié)構(gòu)的破壞。因此,近年來研究能夠代替鋼筋的新型纖維筋材料(FRP)已成為研究熱點。其中,應(yīng)用最普遍的是玻璃纖維筋(GFRP),它具有相近的模量、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高、重量輕等優(yōu)點,而GFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能特別是在惡劣環(huán)境中的粘結(jié)性能是兩種材料協(xié)同工作的前提與關(guān)鍵。

國內(nèi)外學(xué)者已針對GFRP筋與混凝土的粘結(jié)滑移性能開展了很多研究[1-5],一般按照鋼筋粘結(jié)性能試驗方法進(jìn)行拔出試驗或梁式試驗。試驗表明,GFRP筋粘結(jié)強(qiáng)度高于鋼筋約77%[1]。粘結(jié)破壞的主要形態(tài)為拔出破壞或劈裂式破壞,主要與混凝土保護(hù)層厚度及錨固長度有關(guān)。但這些研究的環(huán)境都是普通環(huán)境,而對于特殊惡劣環(huán)境下的粘結(jié)性能研究卻較少。陳詩學(xué)[6]對處于酸、堿環(huán)境中的GFRP筋與混凝土粘結(jié)性能的耐久性進(jìn)行了試驗研究；李趁趁[7]對侵蝕環(huán)境下的FRP筋混凝土圓柱進(jìn)行了試驗研究,并提出了相應(yīng)的設(shè)計方法。在水工結(jié)構(gòu)和寒冷地區(qū)的混凝土建筑結(jié)構(gòu)上,凍融破壞是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)病害的主要原因之一,因此,本文應(yīng)用GFRP筋代替普通鋼筋,在考慮凍融循環(huán)作用后,研究兩者之間粘結(jié)性能,以便為GFRP在特殊環(huán)境下的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

本試驗研究凍融對GFRP筋和混凝土材料特性以及兩者間粘結(jié)性能的影響,為了進(jìn)行對比研究,同時取樣兩倍數(shù)量(共計12個)的GFRP筋、澆筑兩批混凝土試塊以及制作兩批粘結(jié)試件,其中一批模擬凍融后的性能測試,另外一批用于正常環(huán)境下的性能對比。

首先給出正常環(huán)境下的材料特性：FRP螺紋筋共有Φ6、Φ10、Φ12、Φ18四種規(guī)格, 取不同規(guī)格各3根進(jìn)行材料性能拉伸試驗,測得各個規(guī)格的抗拉強(qiáng)度ffil平均值順序為845.0、550.9、524.4、379.0 MPa,各個規(guī)格的彈性模量Ef平均值順序為55.7、35.9、42.0、46.3 GPa?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度fcu,k為32.4 MPa,軸心抗壓強(qiáng)度fck為24.6 MPa,彈性模量E為2.72×104MPa。

針對GFRP筋與混凝土的粘結(jié)錨固問題,主要有兩類:拉拔試驗和梁式試驗。拉拔試驗采用中心拉拔試驗進(jìn)行粘結(jié)性能研究?；炷琳辰Y(jié)試件的尺寸統(tǒng)一定為150 mm×150 mm×200mm,并將粘結(jié)區(qū)設(shè)置在試件的中心,在加載端和自由端均設(shè)置PVC硬塑料套管,隔離FRP筋與混凝土之間的粘結(jié),從而控制FRP筋的埋置長度,同時還可避免加載端因荷載較大造成的混凝土局部擠壓破壞,試件示意圖見圖1,具體埋長尺寸見表1。試件制作采用特制的木模板(圖2),試件水平方向澆注,養(yǎng)護(hù)到齡期后拆模并進(jìn)行試驗。

圖1 試件示意圖

圖2 試件木模板

試件編號直徑D/mm埋深L/mm表面情況FRP-112140螺紋FRP-212110螺紋FRP-31280螺紋FRP-41250螺紋FRP-518140螺紋FRP-66140螺紋

1.2 加載及測試方案

試驗采用北京誠銀海岸技術(shù)開發(fā)中心生產(chǎn)的DDR-2型全級配混凝土加壓凍融試驗機(jī),該試驗設(shè)備主要由控制系統(tǒng)、凍融箱及冷卻裝置三大部分組成,見圖3。試件箱與凍融箱內(nèi)壁之間充滿防凍液。該試驗設(shè)備能使混凝土試件靜止在所配制的溶液中,依靠熱交換液體的溫度變化而連續(xù)、自動地按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082—2009)》的要求進(jìn)行凍融的裝置。

凍融試驗機(jī)見圖3,凍融試驗過程如下：首先設(shè)定50次凍融次數(shù),見圖4,根據(jù)試驗梁試件分組,分別放入試件箱中進(jìn)行凍融循環(huán)實驗；當(dāng)試件達(dá)到指定凍融循環(huán)次數(shù),取出試件,擦去表面積水,檢查外觀損傷情況,然后進(jìn)行力學(xué)性能試驗。

圖3 凍融試驗機(jī)

圖4 試件表面溫度隨時間的變化曲線

粘結(jié)試驗在Instron8802型1 000 kN液壓伺服試驗機(jī)上進(jìn)行,試驗加載裝置見圖5。在混凝土試件的自由端和加載端均設(shè)有位移計,以量測自由端和加載端的相對滑移。試驗時以約0.2 kN/s的速率加載至破壞。

圖5 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 凍融前后材性的比較分析

圖6給出了凍融前后的GFRP筋材性試驗結(jié)果比值對比,可以發(fā)現(xiàn)各個直徑的GFRP筋的彈性模量均沒有大的變化,而直徑較小的GFRP筋的破斷力則略有降低。圖7給出了凍融前后混凝土的材性變化,可以發(fā)現(xiàn)與受力筋相比,混凝土受凍融的影響較大,材料的劣化特征十分明顯。

圖6 凍融前后GFRP筋的材性比較

圖7 凍融前后混凝土的材性比較

2.2 凍融前后拉拔試驗比較分析

沿錨固長度上GFRP筋與混凝土之間的平均粘結(jié)應(yīng)力按下式計算：

(1)

式中，τ為GFRP筋或鋼筋與不同環(huán)境介質(zhì)之間的粘結(jié)應(yīng)力;

d、l、F分別為GFRP筋或鋼筋的直徑、埋置長度及有效拉力。

加載端滑移的計算公式為

(2)

式中，s為加載端滑移量;

st為加載端位移計測量得到的滑移值;

F為拉拔力;

lt為加載端距位移計布置點的距離(本次實驗中為30 mm);

E為GFRP筋彈性模量;

A為GFRP筋橫截面面積。

正常環(huán)境和凍融破壞后的粘結(jié)測試結(jié)果分別見表2和表3,其中τu表示極限粘結(jié)強(qiáng)度,su1表示表示極限粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的加載端滑移值,su2表示表示極限粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)的自由端滑移值。

表2 粘結(jié)試驗結(jié)果匯總表(正常環(huán)境)

表3 粘結(jié)試驗結(jié)果匯總表(凍融循環(huán)后)

典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞形態(tài)見圖8、圖9。

圖8 混凝土劈裂

圖9 FRP筋夾持處破裂

2.3 分析與討論

GFRP樹脂基體處于凍融循環(huán)環(huán)境中,在低溫或水分中繼續(xù)固化,本身彈性模量提高,抗凍融能力增強(qiáng),使得FRP復(fù)合材料彈性模量提高及抗凍融能力增強(qiáng),這是有利的一面。但另一方面,GFRP吸濕性強(qiáng),在其固化過程中,纖維與樹脂基體之間不可避免會存在微孔等缺陷,水分侵入其中,在溫度的升降中使得纖維與樹脂基體脫粘,降低了FRP的抗凍融能力,這是不利的一面,具體結(jié)果是這兩方面的綜合影響結(jié)果。結(jié)合本文及已有的試驗結(jié)果看,可以認(rèn)為有限次的凍融循環(huán)對于直徑較大的GFRP筋的影響不顯著?；炷猎趦鋈谄茐暮髮?dǎo)致強(qiáng)度降低,從微觀上看,實際上是水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)由密實體到松散體的過程,而在這一發(fā)展過程中又伴隨著微裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。而且微裂縫不僅存在于水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中,也會使引氣混凝土中的氣泡壁產(chǎn)生開裂和破壞。

對于粘結(jié)力,從表2和表3可以看出,對于給定的混凝土,當(dāng)埋深較短時,把GFRP筋從混凝土中拔出所需要的力隨著埋長的增加而增加,破壞時GFRP筋均沒有達(dá)到極限值；當(dāng)埋深較長時,GFRP筋在拔出試驗過程中會被拉斷。因此,當(dāng)埋長一定時,GFRP筋從混凝土從拔出時,當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度,此時的埋長為基本錨固長度。對于試件粘結(jié)破壞強(qiáng)度τuE小于極限粘結(jié)強(qiáng)度τu,而受力筋強(qiáng)度達(dá)到極限值時σu,有

τuE=0.25σud/la

(3)

混凝土發(fā)生劈裂破壞時的剪應(yīng)力為[8]

τuE=(0.3+0.6c/d)ftk

(4)

式中，c為保護(hù)層厚度。

圖10 試件粘結(jié)破壞強(qiáng)度曲線 (G12)(正常環(huán)境)

圖11 試件劈裂破壞時粘結(jié)破壞強(qiáng)度(正常環(huán)境)

圖12 試件粘結(jié)破壞強(qiáng)度曲線 (G12)(凍融循環(huán)后)

圖13 試件劈裂破壞時粘結(jié)破壞強(qiáng)度(凍融循環(huán)后)

以直徑12 mm的GFRP筋為例(后續(xù)簡稱G12)進(jìn)行分析,由式(3)可獲得正常環(huán)境下理論曲線(圖10),由圖10可知當(dāng)G12的FRP錨固長度大于74.77 mm,則可充分發(fā)揮FRP筋的作用,此時不會出現(xiàn)粘結(jié)滑移破壞,極限粘結(jié)強(qiáng)度為21.04 MPa。由混凝土材性試驗可知,從而由(4)式給出了試件劈裂破壞時的強(qiáng)度理論值和試驗值見圖11。由圖12可知,凍融循環(huán)后,當(dāng)G12的FRP錨固長度大于81.04 mm,則可充分發(fā)揮FRP筋的作用,此時不會出現(xiàn)粘結(jié)滑移破壞,極限粘結(jié)強(qiáng)度為18.04 MPa。利用式(4),圖13同樣給出了試件劈裂破壞時的強(qiáng)度理論值和試驗值。通過與凍融前試驗結(jié)果進(jìn)行比較,可發(fā)現(xiàn)試件的粘結(jié)破壞性能基本沒有大的變化,凍融后極限粘結(jié)強(qiáng)度下降了10%,對應(yīng)的錨固長度也相應(yīng)地增加了10%,但仍小于規(guī)范要求的最小值[9]。

3 結(jié) 語

通過對凍融循環(huán)前后GFRP筋和混凝土的材性試驗,以及不同直徑和埋深的粘結(jié)力試驗,研究了凍融循環(huán)后的材料力學(xué)性能和界面粘結(jié)性能,結(jié)論如下：

1)凍融循環(huán)對GFRP筋的彈性模量影響較小,而直徑較小的GFRP筋的破斷力則略有降低；混凝土受凍融的影響較大,材料的劣化特征十分明顯。

2)GFRP筋與混凝土的粘結(jié)破壞性能變化不大,凍融后極限粘結(jié)強(qiáng)度下降了10%,對應(yīng)的錨固長度也相應(yīng)地增加了10%,但仍小于規(guī)范要求的最小值。

[1] 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, 25(2):104109．

[2] 薛偉辰,康清梁.纖維塑料筋粘結(jié)錨固性能的試驗研究[J].工業(yè)建筑,1999,29(12):57．

[3] 高丹盈,朱海堂, 謝晶晶.纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)模型[J].工業(yè)建筑,2003,33(7):4143．

[4] 鄒永威.玻璃纖維筋與混凝土的粘結(jié)性能研究[J].四川建筑,2008,28(4):3031.

[5] 周繼凱,陳詩學(xué),陳禮和. GFRP筋與混凝土粘結(jié)性能試驗研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2007(1):1618．

[6] 陳詩學(xué).玻璃纖維筋與混凝土粘結(jié)性能耐久性短期研究[D].天津：河海大學(xué),2007．

[7] 李趁趁.FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究[D].大連：大連理工大學(xué),2006．

[8] Tepfersr R. Cracking of concrete cover along anchored deformed reinforcing bars[J]. Magazine of Concrete Research.1979,31(106): 312．

[9] 中冶建筑研究總院有限公司. GB 50608—2010 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社,2010．