趙濰越,商懷帥,*,楊加興,聶志超

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525;2.青島海陸通工程質(zhì)量檢測有限公司,青島 266033)

海洋環(huán)境條件惡劣,氯離子侵蝕、海浪沖刷等因素會導(dǎo)致海工混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕,從而對海工混凝土結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生較大影響,而鋼筋的銹蝕產(chǎn)物體積膨脹也會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生銹脹裂縫,影響鋼筋與混凝土間的黏結(jié)性能[1-2]。目前,鋼筋銹蝕被認(rèn)為是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素[3],不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,還帶來許多安全隱患,受到從業(yè)人員和研究人員的廣泛關(guān)注。纖維增強(qiáng)塑料筋(Fiber Reinforced Polymer,簡稱FRP)是一種非金屬加固筋材,因其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕以及施工方便等優(yōu)點(diǎn)[4-7]被人們應(yīng)用于海洋工程中,以此來解決鋼筋銹蝕帶來的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題。其中GFRP筋(Glass-FRP,玻璃纖維復(fù)合材料)因其較高的性價(jià)比,已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。

FRP筋與混凝土之間的黏結(jié)力主要由化學(xué)膠結(jié)力、摩擦力和機(jī)械咬合力三部分組成[8-10],其黏結(jié)性能受混凝土強(qiáng)度、FRP筋直徑、筋材表面形式、服役環(huán)境(溫度、濕度、干濕循環(huán)等)等因素影響[11-15]。目前,國內(nèi)外學(xué)者針對FRP筋與混凝土間的黏結(jié)性能開展了大量試驗(yàn)研究。YAN等[16]通過拉拔試驗(yàn)得到當(dāng)黏結(jié)長度小于GFRP筋直徑的6倍時(shí),試件將會發(fā)生拔出破壞。DONG等[17]對海水浸泡環(huán)境下BFRP筋、CFRP筋、GFRP筋與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度展開了研究,試驗(yàn)得出BFRP筋和GFRP筋黏結(jié)強(qiáng)度降低,而CFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度略有增大。單波等[18]對比研究CFRP筋與海水海沙混凝土、普通混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)CFRP筋-海水海砂混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度是CFRP筋普通混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的0.87～0.91倍。薛偉辰等[19]研究了不同環(huán)境介質(zhì)之間的黏結(jié)性能,得出FRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度略低于鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度。KATZ[20]通過試驗(yàn)研究得出疲勞加載后FRP筋-混凝土試件的黏結(jié)強(qiáng)度相較于靜力黏結(jié)強(qiáng)度有明顯的下降。胡成超[21]研究了往復(fù)荷載作用下GFRP筋-混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度,得出:在達(dá)到峰值滑移前往復(fù)荷載不會引起黏結(jié)強(qiáng)度的退化,而達(dá)到峰值滑移后隨著循環(huán)位移加載幅值的增加,GFRP筋的黏結(jié)性能退化明顯。

由此可見,對于FRP筋與混凝土間黏結(jié)性能的研究多集中在環(huán)境影響或荷載類型上,而對長期荷載作用下FRP筋與混凝土黏結(jié)性能的研究較少,因此,本文通過對梁式試件施加120 d持續(xù)荷載,研究持續(xù)荷載作用下GFRP筋與海工混凝土間黏結(jié)性能的變化,從而為GFRP筋-海工混凝土間黏結(jié)強(qiáng)度的研究提供試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件材料

本試驗(yàn)采用混凝土強(qiáng)度等級為C40,抗凍等級為F300的海工混凝土。水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,粗骨料采用5～25 mm連續(xù)級配的石灰石碎石,細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.8的Ⅱ區(qū)中砂,水采用自來水,此外還添加了礦粉、引氣劑、聚羧酸高性能緩凝減水劑。具體配合比見表1。試件澆筑完畢后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值為48.9 MPa。受拉區(qū)筋材采用表面纏繞纖維股的GFRP筋,直徑為14 mm。

表1 混凝土配合比

1.2 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)制作了16個(gè)GFRP筋-海工混凝土梁式試件,試件尺寸為100 mm×150 mm×550 mm,底部保護(hù)層厚度為40 mm。試件分為左右兩個(gè)半梁,通過梁底的GFRP筋及頂部的鋼鉸相連。黏結(jié)段長度為5d(d為GFRP筋直徑),為使黏結(jié)應(yīng)力均勻分布保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,在非黏結(jié)段采用直徑略大于GFRP筋直徑的PVC管套住,并將兩端利用泡沫雙面膠封住,以防止混凝土倒灌。梁式試件底部縱筋采用直徑為14 mm的GFRP筋,長度約為750 mm,橫截面積為153.9 mm2。試件兩側(cè)各配置3個(gè)箍筋,采用直徑為6 mm的GFRP筋,間距為60 mm。梁式試件構(gòu)造如圖1所示。

圖1 梁式試件構(gòu)造(單位:mm)

1.3 試驗(yàn)分組

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)不同的持載等級,每組設(shè)置4個(gè)試件,試驗(yàn)編號及分組見表2。

表2 試件分組

1.4 持續(xù)荷載的施加方式

通過彎曲黏結(jié)試驗(yàn)測得梁式試件的極限承載力(Pu)為42.53 kN,因此所施加的25%Pu,45%Pu及65%Pu持續(xù)荷載值分別為10.63,19.14及27.46 kN。采用圖2所示的加載裝置,兩個(gè)持載等級相同的梁式試件為一組,對稱固定于加載架上,使其互為反力架。頂部通過千斤頂對梁式試件施加荷載,每次增加2 kN,至施加到目標(biāo)值時(shí)停止施加荷載并立即擰緊螺母。

圖2 持續(xù)荷載加載

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)荷載試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 瞬時(shí)滑移分析

試驗(yàn)初期,對各組試件施加持續(xù)荷載時(shí)產(chǎn)生的滑移量,稱為GFRP筋與海工混凝土間的瞬時(shí)滑移量(S0)。表3為各組平行試件的瞬時(shí)滑移量均值。

表3 瞬時(shí)滑移量 mm

由表3可知,試件G-45,G-65的自由端(加載端)瞬時(shí)滑移量是G-25的1.583(1.738)倍、3.450(2.898)倍。試件G-25,G-45,G-65的加載端瞬時(shí)滑移量分別是自由端瞬時(shí)滑移量的2.450倍、2.689倍、2.058倍。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:隨著持續(xù)荷載等級的提高,試件自由端和加載端的瞬時(shí)滑移量增大,這是因?yàn)槭┘雍奢d后GFRP筋與混凝土間的界面遭到破壞,GFRP筋與混凝土間的化學(xué)附著力喪失,且所施加的荷載越大效果越明顯[22-23];荷載等級一致時(shí),加載端滑移量遠(yuǎn)大于自由端,這是因?yàn)轲そY(jié)應(yīng)力在向自由端傳遞過程中的應(yīng)力損失和黏結(jié)應(yīng)力沿傳遞方向上分布不均導(dǎo)致的[12,24]。

文獻(xiàn)[25]通過同樣的試驗(yàn)方法研究了鋼筋混凝土梁式試件在持續(xù)荷載作用下的黏結(jié)性能,表4為各組試件的瞬時(shí)滑移量均值。

表4 文獻(xiàn)[25]瞬時(shí)滑移量 mm

對比表3、表4可知,在相同的持載等級下,GFRP筋與混凝土間的滑移量遠(yuǎn)大于鋼筋與混凝土間的滑移量,這主要是因?yàn)殇摻钆cGFRP筋的表面形態(tài)不同導(dǎo)致其黏結(jié)機(jī)制不同,表面纏繞纖維股的GFRP是以摩擦力為主要黏結(jié)機(jī)制,而帶肋鋼筋則以摩擦力和機(jī)械咬合力為主[26]。

2.1.2 時(shí)變滑移分析

長期持續(xù)荷載作用下GFRP筋與海工混凝土間隨時(shí)間變化的滑移量稱為時(shí)變滑移量(ΔS),持續(xù)荷載作用下GFRP筋與海工混凝土間每天產(chǎn)生的滑移量稱為時(shí)變滑移率。圖3為不同荷載等級作用下試件的時(shí)變滑移量曲線及時(shí)變滑移率曲線。

圖3 持續(xù)荷載作用下滑移量與時(shí)間的關(guān)系

從圖3中可以看出,GFRP筋與混凝土間的時(shí)變滑移曲線和鋼筋與混凝土間的時(shí)變滑移曲線有著相似的變化趨勢,均為在試驗(yàn)初期增長較快,隨后增長速度逐漸減小,試驗(yàn)后期趨于穩(wěn)定。此外,各組時(shí)變滑移在60 d時(shí)均有明顯的增長,這是因試驗(yàn)周期較長,持載裝置發(fā)生松弛,會造成持續(xù)荷載降低,為提高試驗(yàn)精確度,在60 d時(shí)對試件進(jìn)行一次補(bǔ)載所致。

表5為GFRP筋與海工混凝土持續(xù)加載第30天(ΔS30)、60天(ΔS60)、90天(ΔS90)、120天(ΔS120)時(shí)的時(shí)變滑移量。表6為鋼筋與混凝土持續(xù)加載第30天(ΔS30)、60天(ΔS60)、90天(ΔS90)、120天(ΔS120)時(shí)的時(shí)變滑移量。由表5可知,G-25組梁式試件在30,60,90 d時(shí)自由端(加載端)的時(shí)變滑移量是120 d的70.10%(83.33%),81.73%(86.51%),95.35%(95.67%);G-45組梁式試件在30,60,90 d時(shí)自由端(加載端)的時(shí)變滑移量是120 d的74.52%(80.76%),80.42%(84.04%),93.41%(97.04%);G-65組梁式試件在30,60,90 d時(shí)自由端(加載端)的時(shí)變滑移量是120 d的82.43%(82.59%),84.62%(86.10%),95.70%(97.83%)。由此可見,滑移的增長主要發(fā)生在持載初期,梁式試件在受持續(xù)荷載的前30 d內(nèi),滑移量可達(dá)到最終滑移量的80%左右。

表5 GFRP筋與海工混凝土間的時(shí)變滑移量 mm

表6 文獻(xiàn)[25]鋼筋與混凝土間的時(shí)變滑移量 mm

從表6中可以看出,鋼筋與混凝土間時(shí)變滑移的增長主要發(fā)生在試驗(yàn)前期。對比表5、表6可以看出,無論是自由端還是加載端,鋼筋與混凝土間的時(shí)變滑移量均遠(yuǎn)小于GFRP筋與海工混凝土間的時(shí)變滑移量。

2.1.3 總滑移分析

GFRP筋與海工混凝土間的總滑移(S)由初期施加持續(xù)荷載時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)滑移量(S0)和長期持續(xù)荷載所引起的時(shí)變滑移量(ΔS)兩部分組成,即:總滑移(S)=瞬時(shí)滑移(S0)+時(shí)變滑移(ΔS)。

從表3、表5中可以看出,GFRP筋與海工混凝土間的總滑移隨著荷載等級的提高而增大。在30,60,90,120 d時(shí),G-45自由端(加載端)總滑移量是G-25自由端(加載端)總滑移量的1.873(1.344)倍、1.787(1.341)倍、1.791(1.366)倍、1.822(1.349)倍;在30,60,90,120 d時(shí),G-65自由端(加載端)總滑移量是G-25自由端(加載端)總滑移量的3.079(2.062)倍、2.904(2.057)倍、2.805(2.066)倍、4.318(2.028)倍。這是因?yàn)樵诔掷m(xù)荷載作用下GFRP筋與海工混凝土間會產(chǎn)生徐變,且持載等級越大產(chǎn)生的滑移越大。

此外,從表3、表5中還可以看出,試件的加載端總滑移始終遠(yuǎn)大于自由端的總滑移。G-25,G-45,G-65組梁式試件在60 d(120 d)時(shí)加載端總滑移是自由端總滑移的2.661(2.565)倍,1.997(1.896)倍,1.885(1.854)倍。這是因?yàn)轲そY(jié)應(yīng)力在向自由端傳遞過程中的應(yīng)力損失以及黏結(jié)應(yīng)力沿傳遞方向上分布不均導(dǎo)致的[12,24]。

從表4、表6中可以看出,鋼筋與混凝土間的總滑移隨著荷載等級的提高而增大,且加載端的總滑移始終大于自由端的總滑移,這和GFRP筋與海工混凝土間的總滑移變化規(guī)律相似。

2.2 時(shí)變滑移模型

FRANKE[27]通過長期拉拔試驗(yàn)得出持續(xù)荷載作用下鋼筋與混凝土間滑移與時(shí)間之間的關(guān)系式:

Δt=Δ0[1+φ(t)]

(1)

φ(t)=(1+10t)0.08

(2)

式中:Δt為第t天鋼筋與混凝土間的時(shí)變滑移;Δ0為由短期荷載所產(chǎn)生的滑移;t為持載時(shí)間;φ(t)為徐變系數(shù)。

本試驗(yàn)在式(1)(2)的基礎(chǔ)上,考慮GFRP筋與鋼筋的差異,得出如式(3)所示持續(xù)荷載作用下GFRP筋-海工混凝土間的時(shí)變滑移(自由端)模型:

St=a·(1+10t)b

(3)

式中:St為時(shí)變滑移量,mm;t為時(shí)間,d;a,b為通過數(shù)據(jù)擬合得到的常數(shù),見表7。

表7 擬合結(jié)果

持續(xù)荷載作用下GFRP筋-海工混凝土梁式試件自由端時(shí)變滑移擬合曲線如圖4所示。由表7及圖4可知,擬合結(jié)果較好,式(3)可以用來表征持續(xù)荷載作用下GFRP筋與海工混凝土間滑移量與持載時(shí)間的關(guān)系。

3 結(jié)論

1) 隨著持續(xù)荷載的增大,GFRP筋與海工混凝土間的瞬時(shí)滑移增大,加載端的瞬時(shí)滑移遠(yuǎn)大于自由端的瞬時(shí)滑移。

2) GFRP筋與海工混凝土間的時(shí)變滑移隨時(shí)間呈非線性增長。持載初期總滑移增長較快,15 d后增長緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定值。持續(xù)荷載等級越高,總滑移越大,且加載端的總滑移遠(yuǎn)大于自由端的總滑移。

3) 不同持載等級下試驗(yàn)值與本文所提出的時(shí)變滑移模型擬合程度較好,可為今后持續(xù)荷載作用下GFRP筋與海工混凝土間時(shí)變滑移的計(jì)算提供參考依據(jù)。