肖建莊， 廖清香， 張青天， 強成兵, 柳 獻

(1.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2. 同濟大學(xué) 工程結(jié)構(gòu)服役性能演化與控制教育部重點實驗室，上海 200092)

混凝土是建筑結(jié)構(gòu)的主要材料，制備混凝土的原材料包括砂石骨料、淡水以及膠凝材料，而在其生產(chǎn)制作和施工過程中消耗了大量的自然資源和能源，并排放了大量的CO2，對環(huán)境造成了嚴(yán)重影響.目前我國河砂、淡水資源缺乏，且原材料的獲取很大程度受限于地理位置，在我國經(jīng)濟較為發(fā)達的東部沿海地區(qū)，有大量工程建設(shè)，但大多比較缺乏原材料.考慮到沿海地區(qū)以及海島有豐富的海水、海砂資源儲備，合理有效地利用海水、海砂資源制備混凝土無論是在環(huán)境還是經(jīng)濟方面都有很大效益.同時，將再生粗骨料作為生產(chǎn)原料加入到混凝土的制作中，可以實現(xiàn)資源的最大化有效利用.由于海水、海砂中存在著大量氯鹽，鋼筋不宜用于海水海砂混凝土中，而采用纖維增強塑料(FRP)可以有效解決這個問題.

海砂相較于河砂主要不同之處在于海砂中含有較高的貝殼含量，使混凝土的工作性能，強度有所下降，對收縮徐變亦有影響[1-4].海水中含有較多的Cl-以及SO42-對混凝土的強度也有一定的影響[5-6].因此，采用海水海砂將影響混凝土的基本性能.FRP對混凝土可以起到約束作用[7]以及加筋作用[8]，其中采用FRP筋作為加筋材料時，F(xiàn)RP與混凝土間的黏結(jié)性能是兩者共同工作的基礎(chǔ)，也是影響FRP筋混凝土構(gòu)件破壞形態(tài)、受力性能和變形能力等的重要因素.目前FRP與普通混凝土間的黏結(jié)性能已有較為系統(tǒng)的研究，這些研究表明FRP黏結(jié)應(yīng)力的組成和傳遞機理與鋼筋相似[9]，影響FRP黏結(jié)性能包括[10]：混凝土的強度等級、保護層厚度、錨固長度、FRP外形以及構(gòu)造方式等.由于海水、海砂、再生粗骨料的使用，會對混凝土的性能有一定影響[11]，且對于FRP筋與海水海砂再生混凝土黏結(jié)性能的研究尚屬空白.因此，本文基于一系列的試驗對玻璃纖維增強塑料(glass-fiber-reinforced polymer,GFRP)筋與海水海砂再生混凝土的黏結(jié)性能進行了研究與分析.

1 試驗材料

試驗材料如下：①海砂：福建海砂，基本性能見表1.②海水：依據(jù)美國材料實驗協(xié)會關(guān)于海水制備規(guī)程[12]中所給的化學(xué)成分配而得，其中含量在0.1 g·L-1以下化學(xué)物質(zhì)忽略不計，具體化學(xué)物含量見表2.③天然粗骨料：4.75～31.5 mm天然石子；④再生粗骨料：4.75～31.5 mm再生粗骨料，為上海再生粗骨料廠提供，基本性能見表3；⑤水泥：海螺牌，等級為42.5；⑥減水劑：聚羧酸高效減水劑；⑦GFRP筋：南京鋒暉復(fù)合材料有限公司提供的帶肋GFRP筋，肋高為3 mm，肋間距14 mm，基本性能見表4.

表1 海砂基本性能Tab.1 Basic properties of sea sand

表2 海水中化學(xué)物質(zhì)含量Tab.2 Chemicals in seawater

表4 GFRP筋材料性能Tab.4 Material properties of GFRP bars

2 試驗方案

本次拔出試驗共分為2組：

(1)研究不同種類的混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)性能，水灰比固定為0.47(對應(yīng)普通混凝土強度等級為C30).立方體試件：150 mm×150 mm×150 mm，每組制作6個，其中3個用于中心拔出試驗，3個用于測量混凝土的立方體抗壓強度，其配合比見表5.表中，NAC表示天然混凝土，RAC表示再生混凝土，SSNAC表示海水海砂天然混凝土，SSRAC表示海水海砂再生混凝土(下同).

(2)研究不同強度等級的海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系，其中變化水灰比為0.52，0.47，0.4以及0.37(分別對應(yīng)普通混凝土強度等級為：C20、C30、C40、C50).立方體試件：150 mm×150 mm×150 mm，每組制作6個，其中3個用于中心拔出試驗，3個用于測量混凝土的立方體抗壓強度，其配合比見表6.

表5 不同種類C30混凝土配合比Tab.5 Mix proportion of different C30 concrete

表6 不同強度混凝土配合比Tab.6 Mix proportion of concrete with different strength grades

混凝土采用小攪拌機拌制，攪拌均勻后澆筑到木模內(nèi)振搗密實.不同強度的海水海砂混凝土實測塌落度為：SSRAC20：35 mm、SSRAC30：110 mm、SSRAC40：130 mm、SSRAC50：120 mm.塌落度實測結(jié)果表明，減水劑仍可以明顯調(diào)控海水海砂混凝土的工作性能.混凝土的黏聚性和保水性良好.養(yǎng)護28 d，每天上下午分別灑水、覆蓋濕薄膜來進行養(yǎng)護.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)立方體拔出試驗試件 (單位：mm)Fig.1 Specimens of standard cube pull-out tests (unit: mm)

3 試驗結(jié)果

3.1 破壞模式與分析

試驗過程中GFRP筋未出現(xiàn)明顯滑移，所有試件均為混凝土突然發(fā)生劈裂破環(huán).由于在達到最大黏結(jié)強度時，混凝土突然劈裂，此時固定在GFRP筋端部的位移計由于震動而掉落，因此黏結(jié)-滑移曲線只有上升段，而沒有下降段，部分混凝土試件劈裂為三塊，部分劈裂為兩塊，如圖3所示.

圖2 標(biāo)準(zhǔn)立方體拔出試驗裝置Fig.2 Set-up of standard cube pull-out tests

GFRP筋與混凝土的黏結(jié)作用主要由三部分組成，即GFRP筋與混凝土之間的化學(xué)膠著力、接觸面上的摩擦力以及GFRP筋通過表面變形處理與混凝土產(chǎn)生的機械咬合力[14].

對于本試驗而言，采用的是帶肋GFRP筋，試驗剛開始施加荷載時，起主要作用的是化學(xué)膠著力和摩擦力；隨著荷載的增加，肋前由于縱向擠壓作用形成楔形塊，一個肋間距范圍內(nèi)的混凝土受到的作用力有：鋼筋對混凝土的擠壓應(yīng)力P，滑移面上的摩擦應(yīng)力μP，μ為摩擦系數(shù)，如圖4所示.圖中，θ為滑移面切向與鋼筋縱向的夾角，d為筋直徑，c混凝土外表面到筋中心距離.將P和μP分別沿縱向和徑向分解，二者的縱向分量之和形成黏結(jié)應(yīng)力τu，徑向分力即為環(huán)向拉力σρ.當(dāng)環(huán)向拉力達到抗拉強度時，混凝土中產(chǎn)生環(huán)向裂縫，裂縫發(fā)展到混凝土表面時，則形成試驗中所看到的劈裂裂縫,進而破壞[15-16].

a 破壞截面b 劈裂為兩塊c 劈裂為三塊

圖3試件破壞模式

Fig.3Failuremodeofspecimens

圖4 混凝土受力分析模型[15]Fig.4 Stress analysis model of concrete[15]

根據(jù)高等混凝土結(jié)構(gòu)理論[17]，肋前楔形塊的產(chǎn)生與筋材的肋高h和間距m比值有關(guān).其機理如圖5所示：

a 肋間距較小時

b 肋間距較大時

當(dāng)肋過高和間距過小時(圖5a)，剪應(yīng)力會控制黏結(jié)性能，筋材被拔出；當(dāng)肋的間距大于肋高時(圖5b)，局部壓碎的混凝土就可能在肋前形成一個楔形塊，進而使周圍混凝土產(chǎn)生劈裂破壞.與以上機理相似，肋間距和高度的比值是控制GFRP筋與混凝土的黏結(jié)劈壞模式的重要因素，本次試驗用GFRP筋材肋間距和高度的比值為4.76.

3.2 主要試驗結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)包括預(yù)留混凝土試塊的立方體抗壓強度、混凝土與GFRP筋的最大黏結(jié)強度，見表7.

表7 混凝土試件基本力學(xué)性能Tab.7 Basic mechanical properties of concrete specimens

由表7可知，第一組實驗，對于相同水灰比，再生粗骨料的使用降低了混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)強度，比普通混凝土與GFRP筋的黏結(jié)強度低17%；海水海砂混凝土與普通混凝土的黏結(jié)強度相近，海水海砂對于混凝土黏結(jié)性能的影響不明顯.同樣地，海水海砂再生混凝土的黏結(jié)強度較普通混凝土也有較大的降低，為普通混凝土的83%.另外，相對黏結(jié)強度均在0.5左右，而再生混凝土與GFRP筋之間的相對黏結(jié)強度高于普通混凝土與GFRP筋的相對黏結(jié)強度，可能是因為再生粗骨料表面包裹著水泥砂漿，使再生粗骨料與新的水泥砂漿之間彈性模量相差較小，界面結(jié)合可能得到加強.同時，再生粗骨料表面的許多微裂縫會吸入新的水泥顆粒使接觸區(qū)的水化更加完全，形成致密的界面結(jié)構(gòu)[18].

第二組實驗，對于海水海砂再生混凝土，其黏結(jié)強度隨混凝土強度增加而增加，與普通混凝土規(guī)律類似.相對黏結(jié)強度均在0.5左右.

4 試驗分析

4.1 混凝土組分對黏結(jié)滑移曲線影響

對試驗數(shù)據(jù)進行處理，可以得到每組混凝土的自由端黏-結(jié)滑移曲線，不同組分混凝土黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線以及量綱一黏結(jié)-滑移曲線如圖6和圖7所示，其中τu、su為極限黏結(jié)強度和相對應(yīng)的極限滑移.

圖6 不同組分混凝土黏結(jié)應(yīng)力滑移曲線Fig.6 Bond stress-slip curves of concrete with different concretes

圖7 不同組分混凝土量綱一黏結(jié)滑移曲線Fig.7 Non-dimensional bond-slip curves of concrete with different concretes

由圖7可知，普通混凝土與海水海砂混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線基本重合，再生混凝土與海水海砂再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線基本重合.可得海水海砂的使用對混凝土與GFRP筋的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系影響不大，因此對于海水海砂混凝土的黏結(jié)-滑移曲線的上升段可以采用與普通混凝土相同的本構(gòu)關(guān)系模型.同時表明，海水海砂中的少量貝殼等雜質(zhì)并不會影響混凝土與GFRP筋的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系，對于海砂中貝殼含量變化對混凝土的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系可能產(chǎn)生的影響需要進一步的研究.而再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線略高于普通混凝土量綱一黏結(jié)-滑移曲線，曲線與橫軸所圍成的面積較大，說明再生混凝土在黏結(jié)-滑移過程吸收的能量較大，這主要是由于再生粗骨料與新的水泥砂漿之間彈性模量相差較小，骨料對水泥石的變形約束較小，這種“彈性協(xié)調(diào)”延緩微裂縫的發(fā)展[19].

4.2 黏結(jié)強度與立方體強度關(guān)系

ACI 440.1R-06[20]中給出黏結(jié)強度與混凝土圓柱體抗壓強度的關(guān)系如下：

(1)

在本試驗中，GFRP筋直徑保持不變，為14 mm，混凝土外表面到GFRP筋中心距離為75 mm，黏結(jié)長度為70 mm，因此，

(2)

即：

(3)

(4)

因此黏結(jié)強度與混凝土立方體抗壓強度的關(guān)系可表示為

(5)

本文中，不同強度等級海水海砂再生混凝土的黏結(jié)強度見表7.

對ACI 440.1R-06[20]給出的黏結(jié)強度與混凝土立方體抗壓強度的公式添加修正系數(shù)a，可表示為

(6)

(7)

同時，給出另一種黏結(jié)強度與混凝土立方體抗壓強度的公式，表示為

(8)

式中：b為指數(shù).

圖8顯示了使用不同公式對混凝土的黏結(jié)強度與混凝土的抗壓強度關(guān)系的擬合結(jié)果.

圖8 海水海砂再生混凝土黏結(jié)強度與混凝土立方體抗壓強度關(guān)系Fig.8 Relationship between bond strength and compressive strength of SSRAC

表8給出了不同的擬合方程的相關(guān)系數(shù)，可以看出相對使用ACI推薦的公式，使用相關(guān)劈裂抗拉強度公式進行擬合，有著更好的決定系數(shù).

表8黏結(jié)強度與抗壓強度關(guān)系各擬合方程的決定系數(shù)

Tab.8Coefficientofdeterminationofthefittedequationsfortherelationshipbetweenbondstrengthandcompressivestrength

擬合方程τu=3.26fcuτu=1.30f0.75cuτu=0.32f1.13cu決定系數(shù)R20.680.870.97

4.3 黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

對于不同強度等級(水灰比)海水海砂再生混凝土的GFRP筋自由端的黏結(jié)-滑移曲線進行處理，不同強度的海水海砂再生混凝土的黏結(jié)應(yīng)力-滑移曲線與量綱一黏結(jié)-滑移曲線如圖9和圖10所示.

由圖9可以看出，在加載早期，隨著混凝土的強度等級增大，相同的滑移量對應(yīng)的黏結(jié)應(yīng)力越小，隨著端部滑移的逐漸增加，相同滑移條件下，強度較高的混凝土的黏結(jié)應(yīng)力逐漸增大，增長速率超過強度較低的混凝土.與其他混凝土類似，海水海砂再生混凝土的黏結(jié)強度隨著混凝土的抗壓強度增大而提高.

由圖10可知，4種不同立方體抗壓強度的混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線有較大的差異，表明海水海砂再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線與混凝土的抗壓強度有關(guān).當(dāng)混凝土強度等級小于C50時，海水海砂再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移曲線整體趨勢較為一致，呈凸形；而混凝土強度等級為C50時，量綱一黏結(jié)-滑移曲線呈凹形，黏結(jié)-滑移曲線與橫軸所圍成的面積明顯減小，說明黏結(jié)滑移過程吸收的能量減小.這是由于與普通混凝土類似，當(dāng)混凝土強度等級為C50及以上時，混凝土的脆性性能更為明顯.

圖9 海水海砂再生混凝土黏結(jié)應(yīng)力滑移曲線Fig.9 Bond stress-slip curves of SSRAC

圖10 海水海砂再生混凝土量綱一黏結(jié)滑移曲線Fig.10 Non-dimensional bond slip curves of SSRAC

對于GFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)本構(gòu)關(guān)系，已有學(xué)者提出4種較為成熟的被認可的模型.本試驗中所有試件均為達到最大黏結(jié)強度時，突然發(fā)生混凝土劈裂破壞，此時固定在GFRP筋端部的位移計由于震動而掉落，因此黏結(jié)-滑移曲線只有上升段，而沒有下降段.對于不同模型給出的黏結(jié)-滑移曲線的上升段，分別如下：

(1)BPE(Bertero- Popov- Eligehausen)模型[22]

(9)

式中：τ1為最大黏結(jié)強度；s1為對應(yīng)于τ1相應(yīng)的滑移；α為不大于1的曲線修正參數(shù).

(2)Malvar模型[23]

(10)

式中：τm、sm為峰值黏結(jié)應(yīng)力和相應(yīng)的滑移；F、G是根據(jù)各種類型筋試驗擬合τ-s曲線得到的經(jīng)驗常數(shù).

(3)CMR(Cosenza-Manfredi-Realfonzo)模型[24]

(11)

式中：τm為峰值黏結(jié)應(yīng)力；sr和β是根據(jù)試驗擬合得到的參數(shù).

(4)連續(xù)曲線模型[25]

(12)

式中：τ1、s1為峰值點的黏結(jié)應(yīng)力和相對應(yīng)的滑移.

表9給出了不同模型與不同強度的海水海砂再生混凝土的量綱一黏結(jié)-滑移試驗數(shù)據(jù)直接擬合的決定系數(shù).由表9可得，不同學(xué)者提出的本構(gòu)模型均有較高的擬合度，相對而言，Malver模型有更好的擬合度.

表9 黏結(jié)本構(gòu)關(guān)系各擬合方程的決定系數(shù)Tab.9 R2 of the fitted equations for bond constitutive relation

在Malvar試驗中，保持相同的混凝土抗壓強度，根據(jù)不同外形的GFRP筋與混凝土的黏結(jié)試驗擬合τ-s曲線得到的F、G經(jīng)驗常數(shù).而在本試驗中，筋材相同，混凝土強度不同，擬合得到F、G值見表10.對于經(jīng)驗常數(shù)F、G與混凝土的抗壓強度關(guān)系并不十分明確，還需要進一步的研究.

表10 不同強度海水海砂再生混凝土經(jīng)驗常數(shù)F、G取值Tab.10 F、G value of SRAC with different strength

5 結(jié)語

完成了不同組分的混凝土以及不同強度等級的海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的標(biāo)準(zhǔn)立方體中心拔出試驗，分析了混凝土的破壞特征，混凝土組分對GFRP筋黏結(jié)強度的影響以及峰值黏結(jié)應(yīng)力、峰值位移與混凝土立方體抗壓強度之間的關(guān)系，同時對比分析給出適用于海水海砂再生混凝土與GFRP筋的黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型.主要得到以下結(jié)論：

(1)再生粗骨料的使用降低了混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)強度，海水海砂的使用對混凝土的黏結(jié)強度基本沒有影響，再生混凝土的相對黏結(jié)強度要高于普通混凝土，海水海砂混凝土以及海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的相對黏結(jié)強度與普通混凝土相似，影響可以忽略不計.

(2)由不同組分的混凝土與GFRP筋的量綱一的黏結(jié)-滑移曲線可知，再生粗骨料的影響較大，海水海砂幾乎沒有影響.普通混凝土與海水海砂普通混凝土有著相近量綱一的黏結(jié)-滑移曲線，同樣，再生混凝土與海水海砂再生混凝土的量綱一的黏結(jié)-滑移曲線相似.

(3)與普通混凝土相似，海水海砂再生混凝土與GFRP筋的黏結(jié)強度隨著混凝土抗壓強度增加而增加，使用相關(guān)劈裂抗拉強度公式進行擬合，得出了黏結(jié)強度與抗壓強度的關(guān)系.

(4)使用了4種不同的學(xué)者提出的較為成熟的適用于GFRP筋的黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系進行擬合，與試驗結(jié)果對比表明：4種模型均能較好地擬合本次試驗曲線，相對而言，Malvar模型擬合程度最高.Malvar模型中的經(jīng)驗常數(shù)F、G與混凝土的立方體抗壓強度的關(guān)系需要進一步的研究.

海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)性能受多種因素影響.因此，需要進一步研究其他因素，如筋材直徑、筋材的肋高和間距、海水海砂的貝殼含量以及服役時間等對海水海砂再生混凝土與GFRP筋之間的黏結(jié)性能的影響，以給出適用度更廣的黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型.