韓德利 孫榮書 遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院

1 前言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP）是將纖維材料與基體材料進(jìn)行復(fù)合而制成的高性能材料，F(xiàn)RP筋具有耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高、輕質(zhì)高強(qiáng)等特性，因此可以替代為普通的鋼筋用于各種侵蝕環(huán)境中，在土木中有著廣闊的應(yīng)用前景。FRP筋與混凝土能否有效協(xié)同工作的基礎(chǔ)就是兩者之間的粘結(jié)性能，這也是FRP筋能在混凝土結(jié)構(gòu)中成功運(yùn)用的重要依據(jù)。

2 FRP筋與混凝土粘結(jié)性能的研究現(xiàn)狀

FRP筋與混凝土的粘結(jié)性已成為國內(nèi)外學(xué)者十分關(guān)注的課題。影響粘結(jié)性能有諸多因素：鋼筋的表面形狀、鋼筋直徑、錨固長度等。針對這些影響因素，國內(nèi)外學(xué)者做了一系列的研究。

2.1 FRP筋直徑

國內(nèi)外對FRP筋混凝土粘結(jié)性能的實(shí)驗(yàn)研究均表明，在FRP筋埋置長度一定時，粘結(jié)強(qiáng)度隨鋼筋直徑的增大而減小。王毅紅等[1]認(rèn)為，鋼筋直徑增大，其相對的表面積減小，粘結(jié)面積減小，因此對鋼筋和混凝土的粘結(jié)力不利；WeiWei等[2]則認(rèn)為是隨著鋼筋直徑的增加，粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低的原因是粘結(jié)界面的損傷分布與不均勻的應(yīng)力分布密切相關(guān)，從而獲得了較低的平均粘結(jié)強(qiáng)度。

李楊等[3]在低溫的條件下研究了FRP筋直徑對粘結(jié)性能的影響，他得出的結(jié)論也是鋼筋直徑與粘結(jié)強(qiáng)度呈反比關(guān)系，不過他認(rèn)為的原因是FRP筋與混凝土之間由泌水現(xiàn)象，影響混凝土的致密性以及FRP筋與混凝土的握緊力，從而影響了FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性。

2.2 FRP筋表面狀況

FRP筋的表面狀況是影響粘結(jié)性能的主要因素，用于改善鋼筋的表面輪廓有：噴砂、表面壓痕、表面纏繞以及樹脂的變形（表面凹痕或肋骨）。

Ivan Holly[4]在實(shí)驗(yàn)中通過控制三種變量：沙子涂砂層、螺旋式編制纖維包裹、帶肋鋼筋的GFRP筋分別于混凝土做了拉拔試驗(yàn)。得出的結(jié)論是：帶肋有螺旋包裹在周圍的鋼筋其平均粘結(jié)強(qiáng)度要高于純涂砂層鋼筋，并也表明GFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度是取決于連續(xù)纖維和鋼筋變形之間的抗剪強(qiáng)度。這一論點(diǎn)在WeiWei的研究中也得到驗(yàn)證：螺旋包漿的表面處理在玻璃鋼鋼筋和混凝土之間提供了最好的粘結(jié)性能。

宋金華等[5]人在其實(shí)驗(yàn)中提出FRP的帶肋筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度的主要影響因素是FRP帶肋筋表面的凸肋與混凝土的膠著力和咬合力，并指出帶肋筋的凸肋參數(shù)對粘結(jié)性能是有很大影響的，且FRP筋的最佳肋間距/直徑為應(yīng)取為1；FRP帶肋筋的最佳肋高度/直徑為0.06。

2.3 錨固長度

足夠的錨固長度可以保證FRP筋與混凝土之間足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。王毅紅、BaiZhang通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致認(rèn)為隨著錨固長度的增加，錨固段的平均粘結(jié)應(yīng)力下降，因錨固段粘結(jié)應(yīng)力分布不均勻，極限粘結(jié)應(yīng)力一定時，錨固段越長則平均粘結(jié)應(yīng)力越低。BaiZhang等[6]在其實(shí)驗(yàn)中提出附加錨固可以通過改變混凝土的粘結(jié)應(yīng)力的傳遞機(jī)制，從而延緩混凝土開裂的發(fā)生，以此來提高粘結(jié)性能。李楊是在低溫的條件下做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論：錨固長度與粘結(jié)強(qiáng)度呈反比關(guān)系。

2.4 混凝土種類

肖良麗等[7]通過在混凝土里混摻纖維的方式來提高粘結(jié)性能，控制鋼纖維和聚乙烯醇纖維兩種纖維的體積率之比，通過數(shù)據(jù)得出：當(dāng)鋼纖維的體積率占比比較大時，GFRP筋與混雜纖維增強(qiáng)混凝土之間的粘結(jié)性能就越好。

牛建剛等[8]人則是通過控制在混凝土中摻入的聚丙烯粗纖維這一種變量來探究了粘結(jié)性能。結(jié)論中明確表示隨著塑鋼纖維摻量的增加，鋼筋與輕骨料混凝土之間的粘結(jié)性能是有所提高的，且相對粘結(jié)強(qiáng)度隨著塑鋼纖維摻量的增加呈線性增長的。當(dāng)纖維摻量達(dá)6kg/m3，增韌幅度達(dá)到最大值，若繼續(xù)摻量，其增長幅度呈下降趨勢。

Huahuang等[9]人在混凝土里摻入了三種纖維：碳纖維、聚丙烯纖維、芳綸纖維。其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：混合纖維混凝土中直徑12mm的GFRP筋的極限粘結(jié)應(yīng)力比普通混凝土高2.1%；16mm和22mm的GFRP筋極限粘結(jié)應(yīng)力要比普通混凝土分別高7.3%和8%；而對于直徑12mm的噴砂GFRP筋，其極限粘結(jié)應(yīng)力的增加可達(dá)到36.87%。通過這些數(shù)據(jù)表明碳纖維、聚丙烯纖維和芳綸纖維的協(xié)同作用可以改善GFRP筋與混合纖維混凝土之間的粘結(jié)行為。此外，增加碳纖維和聚丙烯纖維的體積分?jǐn)?shù)對GFRP筋和混凝土之間的粘結(jié)行為和延性性能是有積極影響的。

王磊等[10]人研究了30℃海水浸泡下的GFRP筋、CFRP筋與珊瑚混凝土粘結(jié)性能。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，長時間的海水浸泡會造成FRP筋的腐蝕劣化，但是不同類型的FRP筋劣化程度是存在差異的。在海水浸泡初期，CFRP筋優(yōu)于GFRP筋，隨著浸泡時間的增長，兩者的粘結(jié)強(qiáng)度都出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢，在120d后，CFRP筋的粘結(jié)強(qiáng)度保持率明顯高于GFRP筋。并且王磊在結(jié)論中提出，增加鋼筋的保護(hù)層厚度可以有效地減緩海水的侵蝕。

2.5 溫度影響

不同溫度下，鋼筋和混凝土的化學(xué)成分、物理結(jié)構(gòu)等均發(fā)生變化，對這兩者之間的粘結(jié)性能產(chǎn)生比較大的影響。周子健等[11]曾通過高溫下的中心拉拔試驗(yàn)，分析了高溫下HRB400與混凝土的粘結(jié)性能。他得出高溫下與高溫后鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度均隨著溫度升高呈下降趨勢。并且隨著溫度的升高，破壞形式由混凝土劈裂破壞轉(zhuǎn)為鋼筋的拔出破壞。黃華等[12]也在高溫下探究了FRP筋的粘結(jié)性能。隨著溫度升高，粘結(jié)強(qiáng)度急劇下降，進(jìn)而影響FRP筋與混凝土的共同作用。他認(rèn)為的原因是在高溫下，樹脂容易軟化和分解，會對纖維絲的粘結(jié)作用相對降低，F(xiàn)RP的抗剪性能和FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能會降低。李楊利用梁式拉拔試驗(yàn)通過控制三種溫度研究了低溫對FRP筋與混凝土粘結(jié)性能的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：受相同荷載作用時，處于低溫下的FRP筋混凝土的粘結(jié)性能要比正常溫度下要高，溫度每下降10℃，造成的平均粘結(jié)應(yīng)力增長率為15.5%～40%。他認(rèn)為其原因是溫度的降低，使FRP筋的彈性模量等諸多力學(xué)性能增強(qiáng)組成的粘結(jié)應(yīng)力中的機(jī)械咬合力得到了提升。

F.B Varona等[13]人通過模型預(yù)測探究了纖維的加入似乎對高溫下的粘結(jié)強(qiáng)度有有益的影響。在800℃時，加入0.5%的混合纖維體積將使殘余粘結(jié)強(qiáng)度損失降低7.6%。加入0.2%的聚丙烯纖維可以得到類似的效果。但是對于高溫下加入纖維對粘結(jié)性能的影響有待進(jìn)一步深究。

2.6 灌漿套筒

灌漿套筒是目前裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋主要的連接方式，對接和搭接接頭都是利用套筒約束漿錨連接的，鋼筋的連接方式不同，其傳力機(jī)理不同，會導(dǎo)致力學(xué)性能上有一定的差異。余瓊等[14]人通過通過對接和搭接接頭試件的單向拉伸試驗(yàn)，得出：當(dāng)套筒長度相同的時候，搭接試件的粘結(jié)力要比對接試件的粘結(jié)力更大一些。吳濤等[15]人是通過改變套筒的材質(zhì)來研究其力學(xué)性能。試件由鋼制半管套筒和球墨鑄鐵半灌漿套筒組成。在連接鋼筋直徑及錨固長度一致時，鐵鑄套筒筒壁要略厚于鋼制套筒。這是由于鐵鑄套筒產(chǎn)生了較大的筒壁應(yīng)變，其握裹力強(qiáng)于鋼制材料，灌漿料傳遞于筒壁的拉力更大。

2.7 附加約束

對處于海洋環(huán)境中的FRP筋混凝土墩柱結(jié)構(gòu)來說，一般會在外表面附加一層FRP管，來進(jìn)一步提高它的受力性能與耐久性能。王言磊等[16]通過拔出實(shí)驗(yàn)研究了FRP側(cè)向約束對鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明：BFRP側(cè)向約束可以有效地提高鋼筋與混凝土的粘結(jié)力。該實(shí)驗(yàn)由無約束試件和有BFRP側(cè)向約束試件組成。無約束試件隨著粘結(jié)截面周圍的混凝土環(huán)向應(yīng)力的增大，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了徑向裂縫，隨著加載的繼續(xù)，最終會導(dǎo)致混凝土發(fā)生劈裂破壞。但是對于由BFRP側(cè)向約束的試件來說，當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生徑向裂縫時，由于BFRP約束層會提供側(cè)向約束作用，劈裂后的混凝土依然可以和GFRP筋緊密地貼合在一起，粘結(jié)界面可以繼續(xù)提供粘結(jié)力，從而使構(gòu)件由脆性的混凝土劈裂轉(zhuǎn)化為延性拔出破壞。

3 結(jié)束語

對于FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能，國內(nèi)外進(jìn)行了較為廣泛的試驗(yàn)和理論研究，但研究成果還存在不統(tǒng)一，存在的問題如下。（1）在低溫條件下，在混凝土里摻入2～3種纖維，通過控制纖維的體積分?jǐn)?shù)，分析FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能。（2）在低溫條件下，通過改變FRP筋的表面輪廓，探究其與混凝土之間的粘結(jié)性能。（3）探究FRP筋在混凝土中的澆筑位置不同，是否對粘結(jié)性能產(chǎn)生影響。