高永紅，申俊宇，金清平，汪光波，向亞男

(武漢科技大學城市建設學院， 武漢 430065)

0 前言

自20世紀末開始，國內外學者[1-10]研究了一般室內外環(huán)境下纖維增強聚合物(FRP)筋與混凝土的黏結性能，提出了影響兩者間黏結性能的主要因素，這些因素有FRP筋組分、直徑、錨固長度、表面形狀、混凝土強度、齡期、澆筑位置、保護層厚度等；另有國內外學者[11-14]研究了高溫、凍融、高溫高濕、堿液、持續(xù)荷載等惡劣環(huán)境下兩者間黏結性能，研究表明，上述環(huán)境因素均在一定程度上影響著兩者間的黏結性能，多因素耦合條件下的試驗研究目前相對較少，需進一步深入開展。上述關于FRP筋與混凝土黏結性能的考察從加載方式來看大多集中在單調靜力加載下的黏結試驗研究，目前僅有少數(shù)研究[15-18]是針對反復荷載下FRP筋黏結性能。Juliana考查了持續(xù)荷載、凍融循環(huán)及疲勞荷載作用等3個因素耦合下GFRP混凝土橋面板中兩者的黏結性能。研究表明，3因素耦合作用下，黏結強度下降幅度約為50 %，疲勞荷載相對于持續(xù)荷載及凍融循環(huán)作用而言，其影響更顯著。Amnon考查了循環(huán)荷載作用下FRP筋與混凝土的黏結性能，研究表明，循環(huán)荷載作用下黏結強度下降明顯，一個循環(huán)后其下降了約20 %?；谀壳把芯?，反復荷載作用對FRP筋與混凝土黏結性能影響并不是十分清楚，亦未形成較統(tǒng)一的結論。

本文基于中心拉拔試驗，研究了不同應力水平反復荷載對GFRP筋與混凝土黏結性能的影響，具體考查了應力水平、循環(huán)次數(shù)、埋深等對黏結滑移滯回曲線、滑移量、黏結強度、黏結剛度、卸載剛度等的影響，為深入研究GFRP筋混凝土結構疲勞性能提供依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要原料

GFRP筋，基體為聚乙烯，材料密度1.9～2.2 g/cm3，表面呈螺紋狀，直徑16 mm，深圳海川新材料科技有限公司；

C35混凝土，坍落度為35～50，配合比為水泥∶水∶砂∶石子為1∶0.54∶1.79∶3.32，水泥為華新P.O.42.5型號普通硅酸鹽水泥，細骨料為普通中砂，粗骨料為粒徑不大于20 mm的碎石。

1.2 主要設備及儀器

微機控制電液伺服萬能試驗機，WAW-1000，濟南試金集團有限公司；

反力架，自制，可調節(jié)適應試件尺寸，強度和剛度滿足要求；

混凝土塑料試模，200 mm×200 mm×200 mm，武漢致誠模具有限公司。

1.3 樣品制備

制備中心拉拔試件，尺寸均為200 mm×200 mm×200 mm，按照上述配合比制備混凝土，采用專用混凝土塑料試模澆筑成型，澆筑前需固定GFRP筋的位置使其保持垂直，筋體與混凝土非黏結區(qū)用聚氯乙烯(PVC)套管隔開，共澆筑了17個立方體試件；試件的構造如圖1所示，圖1中d表示GFRP筋的直徑，單位mm；另澆筑5個標準抗壓試塊與試驗試件同條件養(yǎng)護于養(yǎng)護室28 d;

圖1 試驗試件示意圖Fig.1 Diagram of test specimen

在進行黏結試驗前，對標準混凝土立方體試塊進行抗壓試驗，得到其平均抗壓強度為43.45 MPa，混凝土強度滿足試驗要求。

1.4 性能測試與結構表征

混凝土立方體抗壓試驗測試:采用微機控制電液伺服萬能試驗機測試，按照GB/T 50081—2002[19]規(guī)定的方法測定，加載速度0.5 MPa/s;在進行黏結試驗前，對標準混凝土立方體試塊進行抗壓試驗，得到其平均抗壓強度為43.45 MPa，混凝土強度滿足試驗要求;

拉拔性能測試:采用微機控制電液伺服萬能試驗機測試，配合反力架，參考ACI 440.3R-12[20]及CSA S806-02[21]規(guī)范要求，設定加載速度0.2 mm/min，由計算機自動加載，加載方式分為靜載和反復加載，試驗加載裝置如圖2所示；

(a)試驗裝置 (b)示意圖圖2 試驗裝置及示意圖Fig.2 Test device and schematic diagram

GFRP筋加載端位移由萬能試驗機操作系統(tǒng)采集，加載過程中，每3 kN記錄一次滑移量和荷載，直到達到以下條件之一為止：(1)GFRP筋發(fā)生斷裂破壞；(2)混凝土劈裂破壞；(3)加載端滑移量較大且荷載到峰值后開始下降。

2 結果與討論

2.1 破壞形態(tài)

靜力加載時，GFRP筋混凝土拉拔試件的破壞形式均為GFRP筋拔出破壞；當拉拔力至峰值后，混凝土試塊表面沒有出現(xiàn)明顯的裂紋(如圖3所示)，試件仍能承受一定的拉拔力，達到峰值后卸載并終止試驗。

(a)加載端 (b)自由端圖3 試件典型破壞形式Fig.3 Typical failure mode of specimen

等應力幅反復加載時，采用60 %Fm和80 %Fm極限拉拔力(Fm為對應組靜載拉拔力峰值均值)循環(huán)10次，再靜力加載至破壞，若循環(huán)過程中發(fā)生黏結破壞，則終止試驗，反復加載試驗中，試件破壞形式均為拔出破壞。等應力幅荷載循環(huán)10次直至荷載上升至極限拉拔力后，試塊表面未出現(xiàn)明顯裂紋，試件仍能承受一定的拉拔力。待試驗結束后，通過敲開并移去GFRP筋粘結段表面混凝土，觀測到GFRP筋與混凝土黏結界面破壞形態(tài)，如圖4所示。

(a)靜力加載試件破壞后界面 (b)反復加載試件破壞后界面圖4 試件黏結界面破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of specimen in the bonding interface

2.2 黏結滑移關系

■—JL16-5 ◆—FF16-5-60 % ▲—FF16-5-80 %圖5 靜載和反復荷載作用下黏結滑移曲線對比Fig.5 Comparison of bond slip curves under monotonic loading and cyclic loading

鑒于每組中試件的黏結滑移曲線有著類似規(guī)律，故以直徑16 mm，錨固長度為5d工況為例，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制出的靜載及等應力幅反復荷載下GFRP筋拉拔試件的黏結滑移曲線如圖5所示。JL16-5代表：直徑為16 mm，錨固長度為5 d，JL為靜力加載，F(xiàn)F為反復加載。

由圖5可知，從黏結強度來看，F(xiàn)F16-5-60 %經(jīng)過反復加載其黏結強度略高于JL16-5靜力加載，而FF16-5-80 %黏結強度低于前面兩者，表明反復荷載應力幅處于合理范圍時，其黏結強度較靜載黏結強度有小范圍提高，而當應力幅超出這個范圍時，其黏結強度便隨之降低，這是由于合理范圍內的反復荷載不足以損傷GFRP筋橫肋，反而使肋與混凝土之間咬合更緊，機械咬合力與摩擦力均增大，從而黏結強度增大；當應力幅超出一定范圍后，反復荷載便會對GFRP筋橫肋產(chǎn)生一定的損傷，隨之黏結強度下降。從峰值滑移量來看，3種工況下相差不大，表明上述2種應力幅的反復荷載，當循環(huán)次數(shù)較少時對峰值滑移量影響不大。從黏結剛度(dτ/ds)來看，進入反復荷載前曲線幾乎重合，走勢一致，F(xiàn)F16-5-60 %經(jīng)10次反復荷載后，黏結剛度有所提高，曲線走勢開始位于JL16-5上方，曲線變陡峭；而FF16-5-80 %經(jīng)10次反復荷載后，滑移量突然增大，曲線雖未出現(xiàn)明顯拐點，但很快達到其極限黏結應力，隨之開始下降，筋體開始被拔出，這是因為橫肋受損所致。從反復荷載施加階段曲線來看，后一次的曲線均較前一次曲線右移，表明循環(huán)過程中產(chǎn)生了殘余變形，殘余變形主要是由于筋體在受力過程中對砂漿內部的微小孔隙發(fā)生了擠壓而導致的，且殘余變形并不會隨著荷載的卸載而還原至初始狀態(tài)。

2.3 埋深對黏結性能影響

■—JL16-5 ●—FF16-5-60 % ▲—FF16-5-80 %(a)極限拉拔力 (b)黏結強度 (c)峰值荷載滑移量圖6 極限拉拔力、黏結強度、峰值荷載滑移量與埋深關系圖Fig.6 Relationship between ultimate pulling force,bond strength,the slip of the peak load and embedment length

結合圖6，由靜載試驗數(shù)據(jù)可知，極限拉拔力、黏結強度和峰值滑移量均隨埋深的增加而增大，表明在一定范圍內增加GFRP筋埋深，其拉拔力峰值會增大，黏結強度也會適當提高。但拉拔力的增加并非與錨固長度成正比，當錨固長度超過合理范圍，極限拉拔力提高并不明顯，相對應的黏結強度反而會降低。

反復荷載下，埋深對黏結性能的影響規(guī)律與靜載下類似。極限拉拔力隨應力水平增大而減小，進行反復拉拔時，GFRP筋表面肋與混凝土進行摩擦，導致兩者的摩擦因數(shù)減小，摩阻力減小，從而呈現(xiàn)出靜載>60 %Fm>80 %Fm，但極限黏結強度與加載端峰值滑移量卻呈現(xiàn)波動，60 %Fm處于三者的最大值，表明文中幾種工況下，埋深為5d，應力水平為60 %Fm時為較優(yōu)選擇。

2.4 循環(huán)次數(shù)對滑移量影響

■—FF16-5-60 % ●—FF16-5-80 %圖7 滑移量與循環(huán)次數(shù)的關系曲線Fig.7 Relationship between slip and the number of cycles

取2種60 %Fm、80 %Fm應力水平下反復加載過程中每次加載完成后的滑移量與對應的循環(huán)次數(shù)得到循環(huán)次數(shù)與滑移量的關系圖，如圖7所示，其中滑移量是指每次循環(huán)卸載后加載端滑移量。由圖7可知，2種工況下的共同規(guī)律是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滑移量先是逐步增大，而后緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定；不同的是80 %Fm應力水平反復荷載下，循環(huán)階段滑移量增幅大于60 %Fm應力水平下的滑移量增幅，表明80 %Fm應力水平反復荷載對GFRP筋與混凝土界面已產(chǎn)生一定程度的損傷。

2.5 循環(huán)次數(shù)對卸載剛度的影響

■—FF16-5-60 % ●—FF16-5-80 %圖8 卸載剛度與循環(huán)次數(shù)關系圖Fig.8 Relationship between unloading stiffnessand the number of cycles

GFRP筋與混凝土黏結退化的另一個表現(xiàn)特征就是在每次循環(huán)后，隨著卸載點處滑移量增加，卸載曲線和再加載曲線的交點逐漸上升，使卸載點處的初始剛度逐漸降低。在反復加卸載過程中，卸載剛度(卸載曲線的割線斜率，單位為 MPa/mm)會隨著每次循環(huán)后滑移量增量的減少而降低。圖8以FF16-5-60 %和FF16-5-80 %為例。由圖8可知，卸載剛度隨循環(huán)次數(shù)的增加而減小，前3～4個循環(huán)降幅明顯，這是因為試件在反復荷載下，大部分滑移量均在前3個循環(huán)產(chǎn)生，且應力水平越高，卸載剛度降低越明顯。在反復荷載作用下，隨著界面損傷的產(chǎn)生，應力重分布，黏結應力不斷向自由端傳遞，隨著不斷加載卸載，損傷不斷累積，從而導致黏結性能退化。

3 結論

(1)試驗中所有黏結試件，無論是靜載還是反復荷載下，試件破壞形態(tài)均是拔出破壞；

(2)反復荷載作用下，當循環(huán)次數(shù)較少時，黏結滑移曲線變化規(guī)律大體上類似于靜載作用下的變化規(guī)律；反復荷載應力水平在合理范圍內時(如60 %Fm)，黏結強度較靜載黏結強度有小范圍提高，而當超出這個范圍時(如80 %Fm)，其黏結強度便隨之降低，且黏結性能退化較明顯；循環(huán)過程中產(chǎn)生了殘余變形，且殘余變形不會隨著荷載的卸載還原至初始狀態(tài)；殘余變形主要由前3次循環(huán)過程中產(chǎn)生；

(3)當埋深較小時，隨著埋深的增大，黏結性能不斷提升；當埋深超過合理范圍時，對黏結性能的提升并不明顯，黏結強度反而下降。