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(jiǎn)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(guó)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(zhǎng)度等。針對(duì)這些影響因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一系列的研究。

2.1 FRP筋直徑

國(guó)內(nèi)外對(duì)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(zhǎng)度一定時(shí)，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(duì)的表面積減小，粘結(jié)面積減小，因此對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(zhǎng)度

足夠的錨固長(zhǎng)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(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致認(rèn)為隨著錨固長(zhǎng)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(shí)，錨固段越長(zhǎng)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(guò)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(lái)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(zhǎng)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(guò)在混凝土里混摻纖維的方式來(lái)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(guò)數(shù)據(jù)得出：當(dāng)鋼纖維的體積率占比比較大時(shí)，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(guò)控制在混凝土中摻入的聚丙烯粗纖維這一種變量來(lái)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(duì)粘結(jié)強(qiáng)度隨著塑鋼纖維摻量的增加呈線性增長(zhǎng)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(zhǎng)幅度呈下降趨勢(shì)。

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(duì)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(guò)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間的海水浸泡會(huì)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(shí)間的增長(zhǎng)，兩者的粘結(jié)強(qiáng)度都出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，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(duì)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(guò)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(shì)。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(huì)對(duì)纖維絲的粘結(jié)作用相對(duì)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(huì)降低。李楊利用梁式拉拔試驗(yàn)通過(guò)控制三種溫度研究了低溫對(duì)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(shí)，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(zhǎng)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(guò)模型預(yù)測(cè)探究了纖維的加入似乎對(duì)高溫下的粘結(jié)強(qiáng)度有有益的影響。在800℃時(shí)，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(duì)于高溫下加入纖維對(duì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能上有一定的差異。余瓊等[14]人通過(guò)通過(guò)對(duì)接和搭接接頭試件的單向拉伸試驗(yàn)，得出：當(dāng)套筒長(zhǎng)度相同的時(shí)候，搭接試件的粘結(jié)力要比對(duì)接試件的粘結(jié)力更大一些。吳濤等[15]人是通過(guò)改變套筒的材質(zhì)來(lái)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(zhǎng)度一致時(shí)，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(duì)處于海洋環(huán)境中的FRP筋混凝土墩柱結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，一般會(huì)在外表面附加一層FRP管，來(lái)進(jìn)一步提高它的受力性能與耐久性能。王言磊等[16]通過(guò)拔出實(shí)驗(yàn)研究了FRP側(cè)向約束對(duì)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(wú)約束試件和有BFRP側(cè)向約束試件組成。無(wú)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(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)生劈裂破壞。但是對(duì)于由BFRP側(cè)向約束的試件來(lái)說(shuō)，當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生徑向裂縫時(shí)，由于BFRP約束層會(huì)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(yǔ)

對(duì)于FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能，國(guó)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(wèn)題如下。（1）在低溫條件下，在混凝土里摻入2～3種纖維，通過(guò)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(guò)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(duì)粘結(jié)性能產(chǎn)生影響。