葉英杰 姚 彤 徐玉康 何駿飛 徐 凱 邱天賜

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

在我國，植筋技術已被廣泛應用于舊房翻新、房屋加固、橋梁結構等工程領域中，用于結構加固或提高結構性能等。植筋是將鋼筋植入混凝土結構鉆孔中，用結構膠等粘合劑進行加固，又稱為后錨固鋼筋技術。后錨固技術的便捷性、安全性和高效性使其在工程中越來越重要，應用范圍越來越廣。由于傳統(tǒng)鋼筋在潮濕和非中性（pH）環(huán)境下極易銹蝕和被腐蝕，使得結構性能下降，嚴重影響結構的安全性、可靠性，尤其在近河、近湖、近海地區(qū)，效應更加明顯。新型纖維增強復合材料（FRP），其相比于傳統(tǒng)鋼筋，具有很好的抗電磁性能、密度小重量輕且耐腐蝕等優(yōu)點，能較好地取代傳統(tǒng)鋼筋，大大提高結構的使用壽命。相對于混凝土而言，環(huán)氧石英砂、環(huán)氧砂以及超高性能混凝土RPC 作為粘結介質的錨固性能更好。

1 破壞形式分析

經(jīng)對植筋拉拔試驗研究發(fā)現(xiàn)，主要的破壞形式有三種：筋與粘結介質的粘結面破壞、筋拉斷破壞、復合破壞（錐體破壞）。

1.1 筋與粘結介質的粘結面破壞

發(fā)生破壞時，混凝土部分與膠體部分發(fā)生相對滑移，膠層圍繞在筋體表面被一起拔出或者膠體粘結在混凝土表面，筋體被光筋拔出[1]。若筋體為螺紋筋，筋體表面的凹凸與膠體能產(chǎn)生更好的粘結作用，增大了機械咬合力，筋體與粘結介質的粘結力大于混凝土與粘結介質的粘結力，此時易發(fā)生膠層與筋體一起被拔出；相反，若為光圓筋，則破壞多為光筋拔出。

1.2 拉斷破壞

筋體承受的拉力超過其極限抗拉強度，導致筋體的斷裂破壞，其埋深大于等于臨界錨固深度。

有粘結面內拉斷破壞以及自由長度內拉斷破壞兩種情況。當其中部分纖維絲被拉斷后，一定數(shù)量的纖維絲會分離出來，繼續(xù)增加荷載，筋在最薄弱處發(fā)生破壞。[2]其多發(fā)生在粘結介質強度很高且錨固深度較深的情況下，雖能很好地滿足錨固條件，但其性能過剩導致不經(jīng)濟。

1.3 復合破壞

由于埋置較淺，筋體在未發(fā)生屈服階段混凝土已經(jīng)達到最大抗拉承載力，發(fā)生脆性破壞。此類情況，筋體性能未能被充分利用。

發(fā)生破壞時，上層的筋體會攜帶著一圈被破壞的混凝土一起被拔出，下部筋體發(fā)生滑移，連同膠體一起被拔出，整體形式為：上部為混凝土錐形破壞，下部為滑移破壞。當筋體的直徑較大時，粘結面面積較大，粘結介質傳遞的徑向力不足，導致混凝土發(fā)生開裂。不斷增加荷載，粘結介質和筋體之間的粘結力不斷增大，發(fā)生粘結破壞，最終形成復合破壞。此類破壞形式多發(fā)生于錨固深度相對較淺的情況下。此類破壞較為危險，發(fā)生時沒有明顯的破壞征兆，為突然性破壞。

2 纖維增強復合材料（FRP）

FRP 筋是一種新型的復合材料，相對于傳統(tǒng)鋼筋，性能極佳，在大部分領域能很好地取代傳統(tǒng)鋼筋。其抗拉強度遠高于傳統(tǒng)鋼筋，F(xiàn)RP 筋的極限抗拉強度一般為2000MPa，其中部分強度達到3500MPa 左右，對于傳統(tǒng)鋼筋而言，優(yōu)勢十分明顯。且其密度小質量輕，密度僅為傳統(tǒng)鋼筋的五分之一，能有效減輕結構自重。耐腐蝕性能好，F(xiàn)RP 能很好地應用于近海建筑、橋梁、隧道等易被腐蝕的環(huán)境中，其中碳纖維復材筋的耐久性相對較好。電磁絕緣性能好，能很好地適用于如雷達站、微波站等有特殊要求的建筑?？蛊谛阅芎茫祭w維復材筋的抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋，但其中玻璃纖維復材筋的抗疲勞性能略遜于傳統(tǒng)鋼筋。[3]

FRP 筋抗拉彈性模量低，導致其受力后的變形比較大，明顯大于傳統(tǒng)鋼筋，其應用于混凝土結構中時，結構受拉后的裂縫較大?？辜魪姸鹊停绕涫瞧錂M向抗剪強度極低，極易受剪力破壞，在應力集中處纖維絲易斷裂，因此針對FRP 筋，會為其制作專門的錨具，以減少因剪力導致的破壞。熱穩(wěn)定性差，耐火耐高溫性能差，在高溫環(huán)境下，F(xiàn)RP 筋的性能會急劇下降。

FRP 筋相比于傳統(tǒng)鋼筋，在抗拉強度、抗腐蝕、電磁絕緣等方面優(yōu)點十分明顯，充分利用FRP 筋超強的抗拉性能并合理避開其缺點是FRP 筋成功使用于工程實踐的關鍵。

FRP筋與混凝土之間的粘結力分析有如下幾方面。

2.1 粘結力的組成和作用

形同傳統(tǒng)鋼筋與混凝土之間的粘結力，新型纖維增強復合材料（FRP）和混凝土之間的粘結力的主要組成為：

1.因溫度變化或吸濕引起的混凝土收縮或FRP 筋的膨脹所產(chǎn)生的化學吸附力。

2.FRP 筋與混凝土摩擦面上產(chǎn)生的阻礙相對運動的力。

3.由搭接、埋設長度、彎鉤等產(chǎn)生的FRP 筋的機械咬合力。

4.通過防止FRP 筋表面的機械咬傷、摩擦或變形而產(chǎn)生的混凝土擠壓所產(chǎn)生的合力。

光圓FRP 筋表面較光滑，導致混凝土與筋體的作用面只存在化學吸附力和微小的摩擦力，具有較低的粘結強度。帶肋纖維增強復合材料（FRP），則與混凝土的粘結作用力與一般普通鋼筋相似。與一般鋼筋相異的是纖維增強復合材料（FRP）的硬度、強度與混凝土相比較低。所以，當發(fā)生滑移破壞時，化學作用產(chǎn)生的粘著力消失后，粘結力就主要由摩擦力承擔；而對于帶肋FRP 筋，粘結力主要依靠機械咬合力維持，其中化學粘結力和摩擦力的作用較小。

2.2 FRP 筋與混凝土粘結性能的影響因素

影響粘結性能的主要因素[4]為：

1.混凝土強度。以鋼筋混凝土為例，混凝土強度提高，粘結強度也會有相應的提高。而兩者之間的關系主要為：粘結強度與混凝土的抗壓強度或者抗拉強度的平方根成正比。

2.FRP 筋的埋入長度。FRP 筋混凝土與鋼筋混凝土相似，在整個埋長范圍內粘結應力分布不均勻。當FCR 鋼筋的埋入長度增加，粘結強度則會相應地減小，所以過度增加埋入深度，粘結效應增加并不明顯。

3.橫向箍筋。在混凝土內部配置橫向箍筋可以有效預防試件徑向和縱向發(fā)生劈裂破壞，同時也能大大改善FRP 筋混凝土的粘結性能。

4.FRP 筋的自身性能。例如纖維筋的表面形狀、直徑、種類等。其中FRP 筋的表面形狀與普通鋼筋一致，分為光圓型表面和螺紋型表面。在其他條件相同情況下，光圓型表面的FRP 筋和螺紋型表面的FRP 筋相比，螺紋型表面的FRP 筋的粘結效應遠好于光圓型表面的FRP 筋。

5.環(huán)境因素。FRP 筋混凝土粘結性能會隨著溫度的變化有明顯變化，另外，處于不同的環(huán)境FRP 筋混凝土試件的粘結性能也會受到影響，例如強酸環(huán)境、強堿環(huán)境等。

6.其他因素。FRP 筋混凝土的粘結性能還受諸多因素影響，還需要進行不斷的研究和探索。

3 錨固性能分析

3.1 粘結介質對錨固性能的影響

粘結介質的種類及強度對筋體的錨固性能影響極大，不同種類、不同強度的粘結介質針對不同材料、不同直徑的筋體之間的粘結力存在很大差異，因此選擇合適種類、強度的粘結介質對錨固性能極為重要。試驗選取了直徑10 毫米的碳纖維復材筋（CFRP）、15 倍筋直徑作為埋深長度為試驗條件，使用包括普通混凝土、活性粉末混凝土、環(huán)氧類粘結劑在內的三種粘結介質，進行大量拉拔試驗，研究粘結介質對錨固性能的影響。經(jīng)大量試驗做出各粘結介質的荷載-滑移曲線，發(fā)現(xiàn)當選取普通混凝土作為粘結介質時，筋體產(chǎn)生滑移后，相比于其他兩類粘結劑，滑移速度的增加更加迅速，在很短時間內錨固就會失效。在15 倍筋直徑為埋深，以環(huán)氧砂作為粘結介質，筋體開始有滑移時，施加的拉力為20 KN；以高性能混凝土作為粘結介質時，出現(xiàn)滑移時的荷載為38 KN。而在25 倍、30 倍筋直徑為埋深的試驗條件下，環(huán)氧砂為粘結介質出現(xiàn)滑移時的荷載大于以高性能混凝土作為粘結介質時的荷載。以環(huán)氧砂作為粘結介質，滑移開始發(fā)生后，滑移速度會迅速增加至完全失效，而以高性能混凝土為粘結介質時，滑移速度相對較小，且趨于穩(wěn)定[5]。試驗中使用的環(huán)氧砂抗壓強度大于混凝土的抗壓強度，而高性能混凝土的抗壓強度又大于環(huán)氧砂的抗壓強度，故高性能混凝土的失效粘結力最大，環(huán)氧砂次之，普通混凝土最小。試驗發(fā)現(xiàn)，不同種類的粘結介質對錨固性能的影響是不盡相同的。

3.2 錨固長度和筋體表面形狀對錨固性能的影響

筋體與混凝土的錨固性能主要由粘結介質與筋體表面的化學膠著力、筋體與膠層接觸面的摩擦力以及筋體表層凹凸不平產(chǎn)生的機械咬合作用決定。試驗發(fā)現(xiàn)，當粘結介質為普通混凝土時，壓紋筋的錨固粘結作用基本完全由機械咬合力決定，粘結介質為環(huán)氧砂和高性能混凝土時，粘結作用中機械咬合力分別占比70%和85%，即壓紋筋的錨固性能很大程度上取決于機械咬合力。

試驗用不同條件下筋的極限抗拉強度代表此條件下的錨固性能，試驗選用碳纖維復材筋研究發(fā)現(xiàn)，在對錨固端進行打磨的試驗條件下，增大筋體的埋深即錨固長度，所有碳纖維復材筋的抗拉強度也隨之增加。碳纖維復材筋在打磨條件下，平均粘結強度隨錨固長度的增大不斷減小，達到一定錨固長度后減小的速度變緩，最后趨于平穩(wěn)。對于7 毫米光圓筋，在打磨的試驗條件下，不斷增大錨固長度，平均粘結強度表現(xiàn)為先增大后減小[6]。對于光圓筋，進行環(huán)氧膠膜粘砂，在保證一定的錨固長度條件下，錨固性能較佳。對于螺紋筋，由于機械咬合力較大，使用環(huán)氧樹脂粘砂，能較好地利用材料性能，發(fā)揮出較佳的錨固作用。

當筋體埋入深度較淺時，筋體多發(fā)生復合破壞即錐形破壞，承載力很小，鋼筋的能力沒有發(fā)揮出來即被破壞，且破壞多呈現(xiàn)為脆性破壞。逐漸增加埋入深度，筋體會有屈服現(xiàn)象，出現(xiàn)有預兆性的破壞。當埋深達到甚至超過15 倍筋體直徑長度時，筋體均會出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，當筋體直徑較小時，也會發(fā)生延性破壞。隨著筋體埋入深度的繼續(xù)增加，筋體的承載力相差不大，但對出現(xiàn)滑移后殘余的粘結強度影響較大。

3.3 荷載-滑移曲線分析

根據(jù)試驗結果做出大量荷載-滑移曲線圖，發(fā)現(xiàn)對于不同種類的筋，都出現(xiàn)某一定值，從0 開始不斷施加荷載，當荷載加至該值之前，荷載與加載端的滑移量總保持某一線性關系，即可視為錨固粘結性能的彈性階段，粘結剛度可由該曲線的斜率近似代表。埋深較淺時，其彈性階段的曲線斜率相對較小。隨著埋深的增大，彈性階段的曲線斜率也隨之增大。當埋深達到某一固定有效長度后，其彈性階段的曲線斜率不再增加。

繼續(xù)加載，即超出其彈性范圍后，筋體開始出現(xiàn)屈服，荷載-滑移曲線轉為非線性關系，曲線斜率開始減小。在該階段，埋深的長度影響植筋的極限承載力，在一定范圍內，埋深較深則植筋的極限承載力越大，當埋深達到一定長度時，繼續(xù)增加埋深對極限承載力的提升近乎沒有影響。荷載達到粘結破壞時的最大荷載值后，進入殘余階段，曲線變?yōu)椴灰?guī)律發(fā)展，滑移急劇增大[7]。此時，粘結介質與混凝土之間的粘結力已近乎完全失效，僅靠破壞面的機械咬合力以及摩擦力作為殘余粘結力。隨著埋深的增大，殘余粘結力會隨之增大。

4 結語

本文對拉拔試驗中植筋的破壞形式、影響錨固性能的影響因素以及荷載-滑移曲線進行了試驗分析，試驗結果如下：

1.植筋的拉拔試驗，主要的破壞形式有三種：筋與粘結介質的粘結面破壞、筋拉斷破壞、復合破壞（錐體破壞）。其中，最理想的破壞形式為筋的拉斷破壞。

2.纖維增強復合材料（FRP）在大部分情況下能很好地取代傳統(tǒng)鋼筋，甚至性能更佳。

3.壓紋筋的錨固粘結作用主要由機械咬合力決定。

4.不同種類的粘結介質對錨固性能的影響是不盡相同的，其中高性能混凝土（RPC）效果較好。

5.筋體埋深對滑移后殘余粘結強度影響較大，埋深越大，殘余應力越大。