陳爽，呂海波，王磊

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004； 2.賀州學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，廣西賀州542800；3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004)

0 引言

珊瑚骨料混凝土使用珊瑚礁、砂作為粗、細(xì)骨料并以海水拌制，除水泥以外的材料均可在海島上就地取材，在遠(yuǎn)海島礁建設(shè)中極具應(yīng)用價(jià)值[1-3]。同時(shí)，為解決珊瑚碎屑所包含的大量氯鹽所導(dǎo)致的鋼筋嚴(yán)重銹蝕問(wèn)題，可使用纖維增強(qiáng)塑料筋(corbon fiber reinforced polymer rebar，CFRP)替代傳統(tǒng)的鋼筋，組成CFRP筋—珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)，為島礁建設(shè)提供了新的途徑。

CFRP筋和珊瑚混凝土間的可靠粘結(jié)是兩者協(xié)同工作的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)CFRP筋與混凝土的粘結(jié)性能有了較為充分的認(rèn)識(shí)[4-5]，但鑒于珊瑚混凝土的骨料特征、力學(xué)性能、物理化學(xué)特點(diǎn)等均與普通混凝土存在較大差異[6-7]，其與CFRP筋材的粘結(jié)性能尚需深入研究。相關(guān)研究的缺失將制約CFRP筋—珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)理論發(fā)展及實(shí)際工程應(yīng)用。

相較于平均粘結(jié)應(yīng)力和滑移量，準(zhǔn)確獲取粘結(jié)應(yīng)力在錨固區(qū)的分布規(guī)律更加困難。通常的做法是將筋材沿縱向剖成兩半[8-9]，然后在筋材中心部位開(kāi)槽并粘結(jié)應(yīng)變片并將導(dǎo)線導(dǎo)出，再使用粘結(jié)劑將兩半筋材合攏。這種方法存在兩個(gè)弊端：第一，鋼筋是各向同性材料，只要能保證粘結(jié)質(zhì)量，完全剖開(kāi)對(duì)筋的受力影響不大；而CFRP筋中的主要構(gòu)成組份纖維筋是一種單向受力材料，剖切對(duì)CFRP筋造成的影響遠(yuǎn)比對(duì)鋼筋大，且中心開(kāi)槽會(huì)對(duì)其造成更大損傷。第二，CFRP筋直徑往往較小，較多導(dǎo)線會(huì)使布置變得困難，只能進(jìn)一步加大中心開(kāi)槽尺寸，從而削弱CFRP筋截面。

通過(guò)在一個(gè)光纖上連續(xù)刻制多個(gè)布拉格(Bragg)光柵，可以滿足高應(yīng)變梯度測(cè)試中測(cè)點(diǎn)密集的需求[10-11]。因?yàn)闊o(wú)需將筋材從中剖開(kāi)，只需在表面刻微小的槽甚至無(wú)需刻槽，然后將光纖光柵埋入做好保護(hù)即可,相比傳統(tǒng)做法對(duì)筋材截面的損傷可以降至最低[12-15]?；诖耍疚倪M(jìn)行了CFRP筋—珊瑚混凝土拉拔試驗(yàn)，并采用光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)測(cè)試技術(shù)對(duì)錨固區(qū)粘結(jié)應(yīng)力分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件原材料

試驗(yàn)采用的粗骨料為中國(guó)北海潿洲島上分布的普通碎石型珊瑚礁碎屑，粒徑分布為3～7 cm，滿足天然連續(xù)級(jí)配的要求。珊瑚碎屑表面多空洞和孔隙，見(jiàn)圖1。實(shí)測(cè)的珊瑚骨料基本物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1，珊瑚混凝土配合比以及實(shí)測(cè)力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

(a) 粗骨料

表1 珊瑚碎屑骨料物理性能Tab.1 Physical properties of coral clastic aggregate

表2 珊瑚混凝土的配合比及力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Mix ratio and mechanical properties of coral concrete

采用濟(jì)南達(dá)慧光電科技有限公司生產(chǎn)的光纖光柵，光纖直徑0.125 mm，光柵柵長(zhǎng)10 mm、中心波長(zhǎng)1 527～1 545 nm。使用的解調(diào)儀帶寬為1 525～1 565 nm，考慮到光柵在測(cè)試中因波長(zhǎng)變化后相互干涉導(dǎo)致無(wú)法得出數(shù)據(jù)，單根光纖中相鄰光柵的中心波長(zhǎng)應(yīng)盡量錯(cuò)開(kāi)一定帶寬。

1.2 試件制作及加載

試件采用偏心拉拔試件，可以模擬混凝土保護(hù)層厚度，更符合真實(shí)的受力情況。試件共3組，分別為A組：C8-25-8d；B組：C8-35-8d；C組：C12-25-8d。試件編號(hào)“C8-25-8d”表示“直徑為8 mm、保護(hù)層厚度為25 mm、錨固長(zhǎng)度為8d(d為筋材直徑)的CFRP筋—珊瑚混凝土拉拔試件”。

在CFRP筋表面銑出寬度和深度均為1 mm的微小凹槽，用丙酮清潔風(fēng)干后，使用紫外線速干膠分層將光纖固定至凹槽內(nèi)。試件示意圖及在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d拆模后的試件見(jiàn)圖2:L為錨固區(qū)長(zhǎng)度,C為混凝土保護(hù)層厚度。

拉拔試驗(yàn)機(jī)采用WAW-100型電子液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)裝置如圖3所示。按照我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[16]的要求，試驗(yàn)中加載速率為0.3 mm/min，直至纖維筋被拔出或者珊瑚混凝土劈裂，試件宣布破壞。

圖2 拉拔試件設(shè)置Fig.2 Setup of normal specimen in pullout test

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Test loading device

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粘結(jié)應(yīng)力計(jì)算

在CFRP筋上選取微單元并建立平衡方程，則微段上的粘結(jié)應(yīng)力為：

(1)

式中：τ為CFRP筋測(cè)點(diǎn)間粘結(jié)應(yīng)力；dT、dσf、dεf為dx微段上的拉力差、拉應(yīng)力差和拉應(yīng)變差；Cf、Af、Df分別為CFRP筋的截面周長(zhǎng)、靜截面面積和名義直徑；Ef為CFRP筋的彈性模量。

實(shí)際計(jì)算時(shí)，假定兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間的粘結(jié)應(yīng)力是均勻分布的，根據(jù)不同測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)CFRP筋應(yīng)變間的差值，將第i個(gè)測(cè)點(diǎn)間CFRP筋的粘結(jié)應(yīng)力τi表達(dá)為：

現(xiàn)在看來(lái)，事實(shí)已經(jīng)很清楚了。李老黑請(qǐng)我喝酒的目的是想把我灌暈，灌暈我的目的是制造我企圖強(qiáng)奸李金枝的假象，制造假象的目的是逼我娶李金枝?？膳暹@點(diǎn)絲毫無(wú)助于問(wèn)題的解決，反倒讓人更糊涂了。說(shuō)實(shí)話，像我這樣一無(wú)所長(zhǎng)的民辦教師，在李老黑眼里基本就是個(gè)廢人，這么多年來(lái)恐怕李老黑沒(méi)拿正眼看過(guò)我。現(xiàn)在他忽然腦子進(jìn)水似的，一門(mén)心思要把閨女塞給我，心甘情愿讓李金枝嫁過(guò)來(lái)當(dāng)晚娘，這種做法實(shí)在太離譜，太讓人無(wú)法理解了。

(2)

式中:Δxi為測(cè)點(diǎn)i與測(cè)點(diǎn)i+1間的距離；εfi為測(cè)點(diǎn)i處實(shí)測(cè)應(yīng)變值。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 CFRP筋應(yīng)變應(yīng)力分布

在前期標(biāo)定試驗(yàn)中確定，光柵中心波長(zhǎng)1 nm的變化約對(duì)應(yīng)800με，經(jīng)過(guò)換算，將各個(gè)荷載等級(jí)下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變繪制于圖4中(注：設(shè)自由端埋置深度為0，下同)。

(a) A組

B組的混凝土保護(hù)層比A組大10 mm，但兩組曲線形式接近，各個(gè)荷載等級(jí)下CFRP筋的應(yīng)變都是加載端大、自由端小。只是B組的曲線斜率普遍更大，且各個(gè)荷載等級(jí)下應(yīng)變都略高于A組，這說(shuō)明在同一荷載等級(jí)下各測(cè)點(diǎn)之間的應(yīng)力差值較大，且筋材抗拉強(qiáng)度發(fā)揮的更充分。

無(wú)論是自由端還是加載端，A、B組筋材應(yīng)變水平都要明顯高于C組。以試件破壞時(shí)的最大應(yīng)變?yōu)槔珹組到達(dá)了3 224.24με，幾乎是C組1 543.6με的一倍。這是由于在外力相同的情況下，CFRP筋材直徑越小其截面面積就越小，相應(yīng)的筋材截面的正應(yīng)力以及應(yīng)變就會(huì)更大。

另外，C組CFRP筋的應(yīng)力非線性分布程度顯著高于A、B組，從錨固區(qū)中部到自由端，CFRP筋的應(yīng)變值急劇下降，自由端測(cè)點(diǎn)應(yīng)變非常小，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中幾乎沒(méi)有明顯變化(圖5)。已有研究證實(shí)，粘結(jié)長(zhǎng)度越大粘結(jié)應(yīng)力分布越不均勻，這種粘結(jié)應(yīng)力的不均勻分布必然會(huì)傳遞到CFRP筋上，這是造成C組錨固區(qū)筋材應(yīng)變分布不均的原因之一。

2.2.2 CFRP筋與珊瑚混凝土粘結(jié)應(yīng)力分布

兩組粘結(jié)試件在各個(gè)荷載等級(jí)下粘結(jié)應(yīng)力在錨固區(qū)內(nèi)的分布如圖5所示。

(a) A組

A、B組的曲線都呈現(xiàn)出較為典型的CFRP筋與混凝土粘結(jié)應(yīng)力分布的特性：隨著荷載等級(jí)增加，粘結(jié)應(yīng)力峰值從自由端向加載端轉(zhuǎn)移，直至臨近破壞時(shí)，峰值粘結(jié)應(yīng)力出現(xiàn)在距加載端20 mm處。A、B兩組比較，B組的粘結(jié)應(yīng)力值相對(duì)較高，特別是當(dāng)荷載較高時(shí)，B組的粘結(jié)應(yīng)力分布更加均勻。這充分說(shuō)明保護(hù)層厚度增加使得筋材周?chē)炷翆?duì)粘結(jié)界面的約束作用增強(qiáng)，提升了CFRP筋—珊瑚混凝土之間的粘結(jié)力。

各個(gè)荷載等級(jí)時(shí)，C組的粘結(jié)應(yīng)力峰值都出現(xiàn)在自由端附近，而加載端附近粘結(jié)應(yīng)力都處于非常低的水平，全程峰值應(yīng)力位置都未轉(zhuǎn)移。文獻(xiàn)[9]研究了碳纖維筋與普通混凝土粘結(jié)應(yīng)力沿埋長(zhǎng)分布的規(guī)律，其應(yīng)力分布曲線(圖6，T表示最大拔出荷載)也出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象，該作者認(rèn)為造成該現(xiàn)象的原因是由于自由端界面上CFRP筋橫肋受到混凝土局部不均勻擠壓造成的。

將C組試件剖開(kāi)觀察內(nèi)部骨料分布(圖7)，在錨固區(qū)中段靠近自由端方向，粘結(jié)界面周?chē)糜袃蓧K較大的塊狀珊瑚，一大一小分布在CFRP筋的左右，而靠近加載端方向均是體積較小的珊瑚碎屑，因此造成了以上兩段錨固區(qū)周?chē)汉骰炷羷偠鹊募?xì)微差別，在受到環(huán)向應(yīng)力的作用下，靠近錨固區(qū)自由端周邊的珊瑚混凝土變形會(huì)更小，從而使得該段粘結(jié)應(yīng)力相對(duì)更大。這也是造成C組CFRP筋應(yīng)變集中的主要原因。

圖6 CFRP筋—普通混凝土應(yīng)力分布曲線Fig.6 Stress distribution curves of CFRP-concrete

圖7 C組試件粘結(jié)界面Fig.7 Interface of the specimen bonding of Group C

2.2.3 CFRP筋與珊瑚混凝土粘結(jié)滑移量分布

錨固段內(nèi)CFRP筋和混凝土之間的滑移量可以理解為兩者之間的變形差，其值雖然無(wú)法直接測(cè)量，但各級(jí)荷載下的各個(gè)測(cè)點(diǎn)CFRP筋應(yīng)變是可以準(zhǔn)確測(cè)量的，利用該值并通過(guò)各微段的平衡方程可以計(jì)算出該微段上CFRP筋以及混凝土的變形值；將實(shí)測(cè)的加載端滑移量s1和自由端滑移量sf作為邊界條件，可以推導(dǎo)得出滑移計(jì)算公式：

(3)

(4)

(5)

式中：sx為微段上的平均相對(duì)滑移量；sz為自由端相對(duì)滑移量；Δlfi、Δlci分別為微段上CFRP筋、珊瑚混凝土伸長(zhǎng)值；Δx為微段計(jì)算長(zhǎng)度(取相鄰兩測(cè)點(diǎn)之間的間距)。

計(jì)算所得3組試件的相對(duì)滑移量沿錨固長(zhǎng)度分布情況見(jiàn)圖8。

3組試件的相對(duì)滑移量都是自由端小而加載端大。A組試件在錨固區(qū)內(nèi)的粘結(jié)應(yīng)力的分布比較均勻，相應(yīng)的其相對(duì)滑移量的分布也較為線性。相比而言，A組試件在各級(jí)荷載下的總滑移量都大于C組試件，試件臨近破壞時(shí)加載端的相對(duì)滑移量接近4.5 mm。B組的滑移量分布趨勢(shì)與A組無(wú)明顯區(qū)別，但得益于較大的粘結(jié)應(yīng)力，其最大滑移量略高于A組。在各級(jí)荷載下C組的相對(duì)滑移非線性程度也明顯高于A組試件，但總的滑移量最小。從曲線中可以看到錨固區(qū)中段至加載端的滑移量變化很小，這和CFRP筋應(yīng)變分布情況相吻合。

(a) A組

3 結(jié)語(yǔ)

①在監(jiān)測(cè)筋材和混凝土之間的粘結(jié)滑移時(shí)，光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)完全可以替代剖切筋材、貼應(yīng)變片的傳統(tǒng)方法，測(cè)點(diǎn)存活率高、測(cè)量更加精確。但試驗(yàn)成本較高。

②CFRP筋—珊瑚混凝土的粘結(jié)應(yīng)力分布變化規(guī)律與CFRP筋—普通混凝土相似，拉拔試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)力峰值位置都會(huì)隨荷載增大從自由端向加載端移動(dòng)。

③混凝土保護(hù)層厚度對(duì)粘結(jié)應(yīng)力分布形態(tài)無(wú)明顯影響，但保護(hù)層厚度更大的試件粘結(jié)應(yīng)力絕對(duì)值較高。直徑較大的試件更容易受到骨料分布不均勻的影響，從而產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力分布集中的現(xiàn)象。