極地低溫下CFRP筋與混凝土的黏結(jié)性能

謝 劍， 喬 羽， 王啟辰

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 天津 300350; 2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300350)

大量工程實(shí)例表明，鋼筋銹蝕是引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一.在極地低溫下，為了使混凝土順利固化，工程中常引入各類外加劑，其含有的多種成分將加劇鋼筋銹蝕；另外，混凝土長期受凍引起其內(nèi)部裂隙發(fā)展，各類腐蝕性物質(zhì)更易侵入，也加快了鋼筋銹蝕產(chǎn)生.2006年，長城站建筑損傷評(píng)估發(fā)現(xiàn)，歷經(jīng)20a極地低溫的科考站損傷嚴(yán)重，鋼筋外露銹蝕，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件銹穿甚至銹斷[1].纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)筋在低溫等惡劣環(huán)境下可以保持較好的耐腐蝕性，為極地低溫工程結(jié)構(gòu)提供了新方向.

現(xiàn)有關(guān)于FRP筋與混凝土黏結(jié)性能的研究主要集中在常溫[2]與部分特殊環(huán)境，如：高溫[3-4]、凍融[5-6]等.低溫相關(guān)的研究較為匱乏，且所涉及的溫度不能滿足實(shí)際工程需要.李揚(yáng)等[7]通過-10～-30℃ 下玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)筋混凝土梁式試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨溫度降低，在相同荷載作用下筋材滑移量減小了17%～50%.Borosnyói[8]通過研究噴砂型碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)筋與混凝土的黏結(jié)性能，發(fā)現(xiàn)-25℃下其黏結(jié)強(qiáng)度較常溫提高了50%以上.張志春[9]研究發(fā)現(xiàn)-30℃下GFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度小于常溫環(huán)境.謝劍等[10-11]針對(duì)低溫下鋼筋、鋼絞線與混凝土的黏結(jié)性能進(jìn)行了深入研究，為FRP筋與混凝土的低溫黏結(jié)性能研究提供了參考.

本文通過極地低溫下CFRP筋-混凝土拉拔試驗(yàn)，探索極地低溫對(duì)CFRP筋與混凝土黏結(jié)性能的影響，同時(shí)考慮CFRP筋直徑、黏結(jié)長度、混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度等參數(shù)的影響，為極地低溫環(huán)境下CFRP筋的研究和應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

采用南京海拓復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的刻痕型CFRP筋，纖維絲類型為T700級(jí)碳纖維，基體材料為環(huán)氧樹脂，纖維體積含量為68%；采用唐山冀東水泥公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；砂為Ⅱ區(qū)級(jí)配的普通河砂(中砂)；采用5～20mm連續(xù)級(jí)配的碎石；拌和水為10～15℃的自來水.混凝土配合比見表1，fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度(后文簡稱強(qiáng)度).

表1 混凝土配合比

1.2 試件設(shè)計(jì)

試件參數(shù)見表2，每種工況下制作5個(gè)平行試件，試驗(yàn)結(jié)果取平均值.A、B、C、D、E組試件分別用于研究溫度(t)、混凝土強(qiáng)度(fcu)、CFRP筋直徑(d)、黏結(jié)長度(l)及保護(hù)層厚度(C)對(duì)CFRP筋-混凝土黏結(jié)性能的影響.

表2 試件參數(shù)

CFRP筋-混凝土拉拔試驗(yàn)試件為混凝土中心或偏心埋置CFRP筋的形式，CFRP筋?yuàn)A持端由于自身抗剪強(qiáng)度較小，為了避免試驗(yàn)過程中局部剪切破壞，采用無縫鋼管內(nèi)添環(huán)氧樹脂對(duì)其端部進(jìn)行處理.

1.3 拉拔試驗(yàn)

本試驗(yàn)在天津大學(xué)土木工程中心結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置由加載設(shè)備、降溫保冷設(shè)備及測(cè)量設(shè)備構(gòu)成.試件被固定于裝有鋼反力架的液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上，通過向保溫箱內(nèi)注入液氮來營造低溫環(huán)境.試件溫度由埋置其中的PT100實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在試驗(yàn)反力架上下鋼板處分別固定2支千分表，采集試驗(yàn)中試件兩端滑移值(δ)的變化.需要注意的是，試驗(yàn)過程中千分表所測(cè)得的位移數(shù)據(jù)并非試件兩端的真實(shí)滑移值，需要分別排除CFRP筋自由拉伸段、傳力鋼柱受拉變形的影響.試驗(yàn)過程為：先將試件置于復(fù)疊式低溫冷庫內(nèi)預(yù)冷5.0h以上；待試件溫度穩(wěn)定于目標(biāo)溫度后，將試件取出并快速安裝于試驗(yàn)機(jī)上；通過調(diào)整液氮閥門，使試件溫度保持在試驗(yàn)溫度點(diǎn)并持溫0.5h；隨后啟動(dòng)程序開始加載，加載控制方式為荷載控制，參照ACI 400.3R-12 《Guide test methods for fiber-reinforced polymer(FRP) composites for reiforcing or strengthening concrete and mensory structures》,加載速率為0.02kN/s，當(dāng)試件加載端發(fā)生2.5mm滑移時(shí)，即認(rèn)為CFRP筋與混凝土的黏結(jié)作用失效，試驗(yàn)結(jié)束.本試驗(yàn)所取CFRP筋黏結(jié)長度l較小，可以近似認(rèn)為在該長度范圍內(nèi)黏結(jié)應(yīng)力均勻分布，故后文取平均應(yīng)力作為CFRP筋與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力(σ)，并取加載端滑移值為2.5mm 時(shí)的黏結(jié)應(yīng)力作為CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度(τu).

常溫(18℃)試驗(yàn)中：前期荷載持續(xù)增加，而試件中部CFRP筋并未發(fā)生滑移；當(dāng)荷載繼續(xù)增大時(shí)，CFRP筋與混凝土之間開始出現(xiàn)相對(duì)滑移，且伴隨有CFRP筋從混凝土內(nèi)部拔出的摩擦聲；隨后試件滑移值持續(xù)增加，CFRP筋被拔出的聲響也逐漸加劇，直至加載端滑移值達(dá)到2.5mm，試件發(fā)生拔出破壞.低溫試驗(yàn)中：荷載開始施加后，試件兩端千分表讀數(shù)即開始增加，表明CFRP筋已發(fā)生滑移；隨著試驗(yàn)進(jìn)行，試件會(huì)隨機(jī)且突然發(fā)出“砰”的劇烈聲響，荷載曲線隨之發(fā)生突降，同時(shí)伴有兩端滑移值的驟增(約0.15mm)，但隨后荷載仍會(huì)逐漸回升.試驗(yàn)進(jìn)行的整個(gè)過程中，“砰”聲與荷載驟降的現(xiàn)象會(huì)反復(fù)出現(xiàn).該現(xiàn)象在-30、-60℃ 下偶有發(fā)生，而在-80℃下非常顯著.

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土強(qiáng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

目前關(guān)于混凝土強(qiáng)度對(duì)FRP筋與混凝土黏結(jié)性能的影響尚存在爭議[12-13]，本文研究了不同混凝土強(qiáng)度下CFRP筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律，結(jié)果見圖1.由圖1可見，與混凝土強(qiáng)度為 24.02MPa 的試件相比，混凝土強(qiáng)度為37.32、46.51MPa的試件黏結(jié)強(qiáng)度分別增大了2.99%、25.00%，表明隨著混凝土強(qiáng)度的增加，CFRP筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增大.混凝土強(qiáng)度對(duì)CFRP筋與混凝土黏結(jié)性能的影響，與CFRP筋表面的加工形式密切相關(guān).對(duì)于表面黏砂或纏繞肋型筋[13]，黏結(jié)破壞往往發(fā)生在筋的表層材料與內(nèi)筋之間，因此黏結(jié)性能受混凝土強(qiáng)度影響較小.本文所選CFRP筋為表面刻痕型，由于刻痕的存在，在試件拉拔過程中，CFRP筋表面變形處與周邊混凝土發(fā)生擠壓咬合作用，黏結(jié)破壞最終表現(xiàn)為二者界面的破壞.因此，當(dāng)混凝土強(qiáng)度提高時(shí)，CFRP筋與混凝土間的機(jī)械咬合作用顯著增強(qiáng)，試件的黏結(jié)強(qiáng)度得到提高.

圖1 不同混凝土強(qiáng)度下CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度

2.2 溫度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖2、3為不同溫度下的CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度以及黏結(jié)滑移(σ-δ)曲線.由圖2可見：相比于常溫環(huán)境，極地低溫下黏結(jié)強(qiáng)度均有不同程度的降低，說明極地低溫作用對(duì)CFRP筋黏結(jié)性能有不利影響；在試驗(yàn)溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的降低，黏結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，-30、-60、-80℃ 下黏結(jié)強(qiáng)度分別比18℃時(shí)減小了74.81%、26.12%、35.82%.

圖2 不同溫度下CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度

現(xiàn)有研究[14]表明低溫下混凝土強(qiáng)度有所增加，且由2.1分析可知，提高混凝土強(qiáng)度將有利于改善CFRP筋與混凝土的黏結(jié)性能.由圖3可見，相比于常溫環(huán)境，極地低溫下黏結(jié)強(qiáng)度反而降低，表明極地低溫下黏結(jié)性能還受其他因素影響.CFRP筋的徑向熱膨脹系數(shù)約為22×10-6～25×10-6/℃，而混凝土熱膨脹系數(shù)約為8×10-6～12×10-6/℃.極地低溫下CFRP筋沿徑向的收縮變形大于混凝土，進(jìn)而減弱了二者間的黏結(jié)作用，試件加載初期便出現(xiàn)滑移現(xiàn)象也進(jìn)一步證明了材料間熱變形差異的影響.此外，Miura[15]、劉麟瑋[16]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，混凝土并非呈現(xiàn)持續(xù)收縮的趨勢(shì).當(dāng)處于-30～-60℃范圍時(shí)，混凝土的體積收縮將減緩甚至發(fā)生逆膨脹的現(xiàn)象，而-60℃之后又恢復(fù)收縮變形.混凝土逆膨脹現(xiàn)象的存在，間接改善了CFRP筋與混凝土的黏結(jié)性能.綜上，極地低溫下CFRP筋與混凝土的黏結(jié)性能，受到多種因素的耦合作用，使得其黏結(jié)強(qiáng)度并未隨溫度降低而呈現(xiàn)持續(xù)降低的單一變化趨勢(shì).

圖3 不同溫度下CFRP筋與混凝土的黏結(jié)滑移曲線

由圖3可見，-80℃下試件黏結(jié)滑移曲線呈現(xiàn)明顯的“鋸齒狀”，與試驗(yàn)過程中劇烈聲響出現(xiàn)的時(shí)刻相對(duì)應(yīng).在CFRP筋從混凝土內(nèi)拔出的過程中，隨著相對(duì)滑移，二者間不斷建立新的黏結(jié)界面，使得拉拔過程中黏結(jié)應(yīng)力持續(xù)增長，而極地低溫使CFRP筋內(nèi)環(huán)氧樹脂硬化，進(jìn)而影響樹脂基體的應(yīng)力傳遞作用，黏結(jié)長度范圍內(nèi)的黏結(jié)應(yīng)力趨于不均勻分布，最大應(yīng)力值將增加，由此導(dǎo)致黏結(jié)界面更易發(fā)生破壞，CFRP筋被拔出.隨著CFRP筋的拔出，混凝土與CFRP筋的界面會(huì)發(fā)生隨機(jī)的脆性破壞，進(jìn)而出現(xiàn)黏結(jié)應(yīng)力驟減與滑移量驟增；當(dāng)混凝土與CFRP筋再次建立新的黏結(jié)界面時(shí)，二者的黏結(jié)錨固作用得以恢復(fù)，故黏結(jié)應(yīng)力再次增加.在-30、-60℃下試件的黏結(jié)應(yīng)力分布較-80℃均勻，使得在該2組工況下界面反復(fù)破壞現(xiàn)象較少發(fā)生.

2.3 CFRP筋直徑和黏結(jié)長度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖4、5分別為不同CFRP筋直徑及黏結(jié)長度下的CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度.由圖4、5可見：隨著CFRP筋直徑和黏結(jié)長度的增加，CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度更易呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；CFRP筋直徑為10mm 的試件的黏結(jié)強(qiáng)度明顯小于直徑為5、8mm 的試件；與黏結(jié)長度為2.5d時(shí)比較，黏結(jié)長度為5.0d、7.5d、13.0d時(shí)試件的黏結(jié)強(qiáng)度分別減小了11.11%、11.89%、18.35%.

圖4 不同CFRP筋直徑下CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度

圖5 不同黏結(jié)長度下CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度

在拔出過程中，CFRP筋橫截面上變形分布不均，越靠近截面中心處變形越小，導(dǎo)致了剪切滯后現(xiàn)象.CFRP筋直徑越大，剪切滯后現(xiàn)象越明顯，則更易發(fā)生黏結(jié)破壞.CFRP筋與混凝土的黏結(jié)應(yīng)力在黏結(jié)長度范圍內(nèi)并非均勻分布，而是呈兩端小中間大的分布規(guī)律，隨著黏結(jié)長度的增加，這種不均勻分布的現(xiàn)象愈加明顯，平均黏結(jié)應(yīng)力與最大黏結(jié)應(yīng)力的差值也越來越大，進(jìn)而更容易發(fā)生破壞.由于本試驗(yàn)試件黏結(jié)長度較小(最大為130mm)，黏結(jié)長度范圍內(nèi)黏結(jié)應(yīng)力的不均勻分布現(xiàn)象并不突出，所以不同黏結(jié)長度下試件的黏結(jié)強(qiáng)度相差也較小，基本在20%以內(nèi).CFRP筋直徑5mm的試驗(yàn)組由于CFRP筋較細(xì)且黏結(jié)長度較短(僅為25mm)，使本組試驗(yàn)更易受到外部環(huán)境及人為因素的干擾，進(jìn)而導(dǎo)致該組結(jié)果存在較大誤差，所得黏結(jié)強(qiáng)度略低于CFRP筋直徑8mm組.除黏結(jié)長度130mm組以外，其他試驗(yàn)組均通過PVC管控制試件的黏結(jié)長度，但黏結(jié)長度100mm組的PVC管較短，與泡沫方板貼合不緊密，導(dǎo)致部分試件在澆筑中混凝土滲入管內(nèi)，增強(qiáng)了CFRP筋與混凝土的黏結(jié)作用，使得該組試驗(yàn)結(jié)果偏大.

上述試驗(yàn)均在-80℃下進(jìn)行，同樣可觀察到伴隨有劇烈聲響的界面反復(fù)破壞現(xiàn)象.當(dāng)黏結(jié)長度增加時(shí)，CFRP筋與混凝土間建立可靠黏結(jié)界面的概率增大，因而界面破壞現(xiàn)象出現(xiàn)較晚且頻率明顯降低.有學(xué)者[12]對(duì)與本文相同的CFRP筋進(jìn)行黏結(jié)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黏結(jié)長度超過100mm時(shí)，試件破壞形式將由CFRP筋拔出向混凝土劈裂轉(zhuǎn)變.而在本次試驗(yàn)中，由于極地低溫環(huán)境下混凝土強(qiáng)度的提高及其與CFRP筋的熱變形差異的影響，黏結(jié)長度為130mm的試件仍發(fā)生CFRP筋拔出破壞，表明極地低溫環(huán)境下混凝土脆性劈裂的發(fā)生概率降低.

2.4 保護(hù)層厚度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響

圖6為不同保護(hù)層厚度下CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度.由圖6可見：隨著保護(hù)層厚度的增加，CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增大；保護(hù)層厚度為45、70mm的試件黏結(jié)強(qiáng)度比保護(hù)層厚度為15mm 的試件分別增大了22.17%、62.26%，這是因?yàn)殡S著混凝土保護(hù)層厚度的增加，增強(qiáng)了周邊混凝土對(duì)CFRP筋的約束作用，二者界面上的機(jī)械咬合力與摩擦力也因此增大，最終表現(xiàn)為黏結(jié)強(qiáng)度的增大；當(dāng)保護(hù)層厚度僅為15mm時(shí)，試件也未發(fā)生劈裂破壞，體現(xiàn)了極地低溫環(huán)境有利的一面.

圖6 不同保護(hù)層厚度下CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度

3 結(jié)論

(1)相較于常溫環(huán)境，極地低溫對(duì)CFRP筋與混凝土的黏結(jié)性能有不利影響.但低溫對(duì)黏結(jié)性能的影響受到多種因素的耦合作用，在18～-80℃范圍內(nèi)，隨溫度降低，黏結(jié)強(qiáng)度并非呈現(xiàn)單一趨勢(shì)的變化規(guī)律.

(2)隨著CFRP筋直徑和黏結(jié)長度的增加，CFRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度易呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，提高混凝土強(qiáng)度或增大保護(hù)層厚度將提高其黏結(jié)強(qiáng)度.

(3)極地低溫下，CFRP筋與混凝土的黏結(jié)界面趨于脆性，易發(fā)生突然且隨機(jī)的界面破壞，而不易發(fā)生混凝土的脆性劈裂.