堿性環境下GFRP/BFRP水泥復合板與混凝土界面的粘結性能研究

王自新,宋小軟,閆 朝

(1. 中水珠江規劃勘測設計有限公司,廣東 廣州 510610；2.北方工業大學土木工程學院, 北京 100144)

堿性環境下GFRP/BFRP水泥復合板與混凝土界面的粘結性能研究

王自新1,宋小軟2,閆 朝2

(1. 中水珠江規劃勘測設計有限公司,廣東 廣州 510610；2.北方工業大學土木工程學院, 北京 100144)

設計了GFRP增強水泥板/混凝土、BFRP增強水泥板/混凝土兩類復合試件,研究堿性環境對兩類復合試件界面粘結性能的劣化影響。分別把兩類復合試件在5%NaOH溶液中浸泡7 d、15 d、35 d、70 d后進行推出試驗,通過對其界面剪切粘結應力、相對滑移及界面應變的測試和分析,得出了堿性環境下兩類復合試件的界面粘結性能衰減規律,并對兩類纖維復合試件在堿性環境中的劣化性能進行了對比分析。試驗表明在堿性侵蝕15 d內, GFRP類復合試件和BFRP類復合試件的各項界面性能指標均急劇衰減,其中BFRP類復合試件的界面性能劣化程度更為嚴重。

堿性環境；GFRP；BFRP；水泥復合板；界面粘結性能

近年來,對FRP增強復合水泥板作為永久性建筑施工模板的研究和應用越來越多[1-5]。GFRP(玻璃纖維增強聚合物)和BFRP(玄武巖纖維增強聚合物)是建筑工程中常采用的兩種纖維材料,GFRP具有重量輕、強度高、但耐堿性腐蝕差等特點,BFRP具有電絕緣、耐高溫、耐腐蝕性好、但力學性能稍遜于GFRP的特點[6-9]；目前增強復合水泥板材中多采用GFRP類纖維。無論采用何種增強纖維,均需良好的界面粘結性能來保證復合水泥模板與混凝土共同工作,由于復合構件在使用過程中不可避免會遭遇堿性環境,為了研究堿性環境對構件界面粘結性能的影響,本文設計了GFRP增強水泥板/混凝土、BFRP增強水泥板/混凝土兩類復合試件,分別在5%NaOH溶液中浸泡不同齡期后再進行推出試驗,通過對試件界面剪切應力、相對滑移及界面應變的實測分析,得到了兩類復合試件界面粘結性能的衰減規律,并對兩類纖維復合試件在堿性環境中的劣化性能進行了對比分析。

1 試驗方案

1.1試件設計

兩類復合試件的形式相同,如圖1所示,外形尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm,兩側均為厚20 mm的FRP增強水泥復合板,中間澆筑混凝土,混凝土下方留40 mm高空隙。為了研究純粹自然粘結界面在堿性環境中的受侵蝕情況,所有試件界面均未采取任何增強粘結的輔助措施。水泥復合板的配合比(質量比)為：水泥∶粉煤灰∶砂子∶減水劑∶偶聯劑=1∶0.25∶0.15∶0.007∶0.015,靠近水泥板上下表面處分別鋪設一層纖維網格布。GFRP增強水泥板采用低堿度水泥,BFRP增強水泥板采用普通硅酸鹽水泥。夾芯混凝土強度為C30,配合比為：水泥∶砂∶石∶水=1∶2.17∶3.62∶0.6。

對兩類復合試件均分別進行不同齡期的堿性溶液侵蝕,然后進行推出試驗。

圖1 復合試件結構形式(單位：mm)

1.2耐堿試驗方案

采用標準GB/T 20102—2006中用于評估玻璃纖維網格布抵抗堿性侵蝕能力的方法進行耐堿試驗[10]。配制5%NaOH溶液并把試件浸泡其中,試驗周期分別選0 d、7 d、15 d、35 d及70 d,到達設定的試驗齡期后,將試件從溶液中取出,用清水沖洗干凈并擦干,觀察記錄試件外表及界面變化情況,并于通風處放置24 h后進行推出剪切試驗。試件類型及試驗方案見表1。

表1 復合試件類型及耐堿試驗方案

1.3 推出剪切試驗方案

在試件兩側的FRP水泥板處及夾芯混凝土處分別布置3個位移計,以便獲得界面的相對滑移；在FRP水泥板與夾芯混凝土的兩側粘結界面處布置應變片,用以測試界面接縫部位的應變,位移計及應變片位置見圖1所示。在加載過程中,觀察試驗現象,記錄界面抗剪承載力、粘結滑移與界面應變的變化情況,并觀察復合試件的破壞狀態,從而分析各種不同工況對纖維復合水泥板與混凝土界面粘結性能的影響。使用SANS壓力試驗機對復合試件進行推出剪切試驗,使用BETC-2205C無線靜態應變儀采集數據。試驗加載方式見圖2。

圖2 推出試驗加載方式

2 試驗現象及結果分析

2.1破壞形態

1) 堿性試驗后復合試件中混凝土與水泥板的界面損傷形態

試驗發現,兩類復合試件在5%NaOH溶液中浸泡后的外觀變化情況相似。浸泡7 d后兩類復合試件均未發現粘結裂縫,浸泡15 d后開始在試件頂部界面出現細小粘結裂縫,浸泡35 d后粘結裂縫明顯向下延伸,浸泡70 d的試件與浸泡35 d試件外觀無明顯差異。其中,BFRP類復合試件的粘結裂縫相對GFRP類試件更明顯,但差異不大。圖3為在堿性溶液中浸泡不同齡期后的部分試件圖片。

圖3 在堿性溶液中浸泡不同齡期后的復合試件形態

2) 復合試件的界面剪切破壞形態

試驗觀察發現,所有復合試件的最終界面剪切破壞形態相似,基本均為一側或兩側的水泥板與混凝土發生分離破壞。未經堿性腐蝕的復合試件界面破壞時,纖維復合水泥板底部有壓碎現象,且水泥板上粘結有剝離的混凝土；而經過堿性腐蝕的復合試件破壞時,兩側的水泥板與夾芯混凝土分離,且剝離破壞的水泥板表面光滑,水泥板與混凝土均未發生破壞,如圖4所示；不同之處是,隨浸泡齡期變化破壞時界面粘結強度及界面變形能力有所不同。

圖4 在堿性溶液中浸泡不同齡期后的復合試件界面剪切破壞形態

2.2界面剪切承載力

1) 實測界面剪切粘結強度及衰減規律

兩類復合試件通過剪切試驗得到的界面平均剪切承載力、界面剪切應力及強度保留率見表2,界面剪切承載力與在堿性溶液中浸泡齡期的關系曲線見圖5。

圖5 復合試件界面剪切承載力與堿性侵蝕齡期關系

由表2及圖5可知,隨著在堿性溶液中浸泡齡期的增加,兩類纖維復合試件的界面剪切承載力呈現出類似的衰減趨勢,均為在浸泡15 d齡期內,界面剪切強度衰減速率很大,強度損失率達80%左右,此后強度降低速率明顯減緩；耐堿試驗進行70 d后,界面剪切強度保留率僅為13%左右。還可發現,BFRP類復合試件未經堿性侵蝕的原始界面粘結強度與GFRP類試件相差并不大,但經堿性侵蝕后BFRP類復合試件的界面強度保留率略低于GFRP類試件。

表2 在堿性溶液中浸泡不同齡期后復合試件的界面剪切應力及剪切強度保留率

2) 界面剪切粘結強度隨堿性侵蝕齡期的計算公式

為了得到更具有適用性的界面剪切粘結強度與堿性試驗齡期間的計算公式,分別對兩類復合試件的剪切應力與堿性試驗齡期關系曲線進行了擬合,由于兩類復合試件的應力實測曲線規律性均較強且二者規律非常一致,故采用了同樣的兩段拋物線式計算模型,見公式(1)：

τ=A·d^2-B·d+C

(1)

式中τ為復合試件界面剪切應力,d為復合試件在5%NaOH溶液中的浸泡天數,A、B、C為常數。

通過參數取值變化來體現兩類復合試件的不同,通過曲線擬合得到的GFRP類復合試件與BFRP類復合試件的界面剪切粘結強度變化公式,分別見公式(2)和公式(3),兩類復合試件的剪切應力實測變化曲線及擬合曲線分別見圖6和圖7,可看出,兩類復合試件的擬合曲線均與試驗曲線吻合得非常好,同類情況下不具備試驗條件時,可采用給出的公式近似計算復合試件的界面剪切強度。

對GFRP類復合試件,帶入相應參數后可得公式(2),即

(2)

對BFRP類復合試件,帶入參數后可得公式(3),即

(3)

圖6 GFRP復合試件剪切應力變化曲線

2.3界面粘結滑移

兩類復合試件破壞時的界面相對滑移量見表3,相對滑移曲線分別見圖8和圖9。由圖表可知,隨著在堿性溶液中浸泡齡期的增長,兩類試件破壞時界面的相對滑移量均逐漸減小,經歷7 d、15 d、35 d、70 d堿性侵蝕后,GFRP類復合試件的界面粘結滑移損失率分別為17%、43%、72%、78%；BFRP類復合試件的界面粘結滑移損失率分別為74%、91%、86%、93%；表明堿性侵蝕極大削弱了復合試件的界面粘結性能,且BFRP類復合試件的界面滑移損失率要高于GFRP類復合試件。

表3 在堿性溶液中浸泡不同齡期后復合試件的界面滑移及滑移損失率

圖8 GFRP復合試件粘結滑移曲線示意

圖9 BFRP復合試件粘結滑移曲線示意

2.4 界面剪切應力應變關系

兩類復合試件在堿性溶液中浸泡不同齡期后的界面應變見表4,相應的剪切應力應變曲線分別見圖10和圖11。由圖表可知,與界面強度及相對滑移規律類似,隨著浸泡齡期的增長,兩類復合試件破壞時的界面應變也逐漸降低；未經堿性侵蝕情況下,兩類復合試件的界面最大應變均在200 με以上,經過7 d、15 d、35 d、70 d的堿性侵蝕后,GFRP類復合試件的界面應變分別降至166 με、121 με、110 με、60 με,BFRP類復合試件的界面應變分別降為103 με、57 με、31 με、32 με。試驗結果同樣表明了堿性環境對兩類復合試件的界面變形能力存在明顯劣化效應,其中BFRP類復合試件受到的劣化影響更顯著。

圖10 GFRP復合試件應力應變曲線示意

圖11 BFRP復合試件應力應變曲線示意

表4 在堿性溶液中浸泡不同齡期后復合試件的界面極限剪切應力及應變

3 結語

1) 隨著在堿性溶液中浸泡齡期的增加,GFRP類復合試件和BFRP類復合試件的界面剪切粘結性能均明顯劣化,且在堿性侵蝕15 d內各項界面性能指標均急劇衰減,其中強度損失率達80%左右,變形損失率達50%以上,之后衰減速度雖逐漸趨于穩定,但各項指標保留率已基本不足20%。

2) BFRP類復合試件未經堿性侵蝕的原始界面粘結強度及變形性能與GFRP類試件相差不大,但經堿性侵蝕后,不同齡期的BFRP類復合試件的界面強度及變形保留率均低于GFRP類試件。

3) 對于GFRP/BFRP增強水泥板與混凝土類復合構件,在堿性侵蝕環境下完全依靠界面自然粘結是不可靠的,為了保證安全及復合構件能夠更好協同工作,建議使用中設置更為可靠的界面抗剪連接措施。

[1] 中國城市科學研究會.中國綠色建筑——2013中國城市科學研究系列報告[R]. 北京：中國建筑工業出版社,2013．

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[4] Song Xiaoruan, Liu Peige, Zhao Dongfu, Qu Yuting, Zhang Xiaoyun. Study on stay-in-place cement formwork and the application[J]. Advanced Materials Research, 2011(163-167):952-955．

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(本文責任編輯 馬克俊)

Study on Interfacial Bond Behavior between BFRP/GFRP Composite Cement Plate and Concrete under Alkaline Environment

WANG Zixin1, SONG Xiaoruan2, YAN Chao2

(1.China Water Resources Pearl River Planning Surveryinng &Designing Co.,Ltd , Guangzhou 510610，China; 2.School of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

In order to study the influence of alkaline environment on the interface of FPR reinforced cement slab and concrete, two types of composite specimens are designed, which are the GFRP reinforced cement slab / concrete and the BFRP reinforced cement slab / concrete. All composite specimens are immersed in 5% NaOH solution for 7 days, 15 days, 35 days and 70 days respectively. With the help of the push-out tests, it can be summarized the interfacial shear strength, relative slip and interfacial strain. Through analysis, the attenuation relationships of the interfacial bond properties are obtained, and the deterioration characteristics of the two kinds of fiber composite specimens are compared and analyzed. The tests indicate that all interfacial properties of these two types of fiber composite specimens are under abrupt degradation. The BFRP reinforced cement slab / concrete has worse degradation performance than the other.

Alkaline environment; GFRP; BFRP; cement composite plate; interfacial bond properties

TU502

2016-10-20;

2016-10-29 基金項目：國家自然科學基金資助(編號:51208006)。

王自新(1974),男,博士,高級工程師,從事水利水電工程設計工作。