纖維增強筋材與混凝土粘結性能

趙 琳 遼寧工業大學土木建筑工程學院

1 前言

纖維增強復合材料（FRP）是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合后形成的復合結構材料。一般FRP 具有質輕，抗拉強度高，耐腐蝕性能好等特性[1-4]。由于FRP的重量輕，高抗拉強度和優異的耐腐蝕性能，FRP筋已經被引入作為混凝土結構的常規鋼筋的理想替代品。FRP筋與混凝土之間的足夠的粘結應力是保證二者共同工作的基礎，對于混凝土結構構件的受力性能有著極其重要的影響。具有良好的粘結性能是二者共同工作和變形的基本條件。因此，FRP筋混凝土的粘結性能對結構的破壞模式、承載能力和變形能力有很大的影響，如何改善粘結性能引起了人們的廣泛關注。

2 國內外相關試驗研究方法

影響FRP 筋混凝土的粘結性能的因素較多，目前國內外采用不同的試驗方法：軸心拉拔法、半梁或全梁法及搭接法等。軸心拉拔法作為一種最直接和簡單的測試方法，在美國及加拿大規范等均進行了描述如圖1所示。

圖1 軸心拉拔試件

與軸心拉拔試驗相比，梁式試驗能夠更準確地測試出梁在真實受力狀態下的抗剪、抗彎和抗拉性能。此外，直接拉拔試件在加載過程中，試驗裝置中的承壓板對混凝土接觸面產生摩擦力，從而限制了混凝土試件的橫向變形能力，試驗所得數據會產生一定的偏差。而梁式試驗能夠有效避免此類誤差，得到混凝土梁中筋材與混凝土之間更真實的粘結性能。梁式試驗的試件示意圖見圖2。

圖2 梁式試件

3 國內外相關研究成果

太原理工大學的梁利生等通過試驗研究對影響FRP加固效果主要因素的進行系列探討，建立了FRP 約束軸心受壓柱的強度計算模型[5-7]。

Wei Wei 等[8]通過試驗研究FRP 筋混凝土的粘結性能。考慮了FRP 筋的類型、直徑和鋼筋表面處理等三個變量的影響。結果表明：高強、高密混凝土可提高混凝土的粘結耐久性；由于表面噴砂的粘結應力滑移曲線的初始微滑移值比表面螺旋纏繞或螺紋的粘結應力滑移曲線更陡；同時，表面螺旋纏繞和表面螺紋的FRP筋的粘結應力滑移曲線呈現周期性變化，因此，建議對FRP筋表面進行螺旋纏繞或者螺紋處理。

Bai Zhang[9]提出了一種新的錨固方法并進行了優化以提高FRP 筋與混凝土的粘結性能。將鋁合金管附著在CFRP 筋表面，用電液鉗子從多個旋轉角度進行擠壓，以確保鋁合金管可以均勻地附著在CFRP 筋表面后進行拉拔試驗。實驗結果表明：由于增加的肋骨提供的機械聯鎖的增強，除了減少混凝土劈裂的發生外，更重要的是，可以有效地提高FRP筋的錨固性能；除此之外，優化的錨固方法對FRP筋的抗拉強度損失極小，附加肋的存在產生了末端壓力，改變了FRP筋與混凝土之間的傳力機制，減少了徑向施加在周圍混凝土上的力從而延遲混凝土開裂破壞的發生。這種通過加肋錨固提高粘結性能的方法可以減少FRP 筋在混凝土中的滑移，并有助于充分利用FRP 筋在混凝土中的抗拉強度，可以認為附加肋錨固系統是一種有效的可以改善粘結力和拔出力的錨固系統。

在我國，處于季凍地區的道路工程約占全國的70%，連續配筋混凝土路面受凍融循環作用導致鋼筋與混凝土之間的粘結強度等性能受到影響，這將降低路面結構耐久性能。薛剛等[10]對凍融后的橡膠混凝土與鋼筋的粘結性能進行了試驗研究。實驗結果表明：不同的橡膠粉的摻量有著不同的影響，橡膠摻量為15%時試件的極限粘結強度下降56%，而橡膠摻量為5%、10%的試件的極限粘結強度幾乎沒有下降。在凍融循環125 次作用下，橡膠摻量為5%、10%、15%的混凝土試件粘結強度分別下降了60%、58%、50%，與未摻橡膠混凝土粘結強度下降68%相比下降幅度減小了8%。由此可得出結論，凍融循環影響下，當橡膠摻量為5%、10%時，極限粘結強度對應的自由端滑移量隨著凍融循環次數的增加，呈下降的趨勢，當橡膠摻量為15%時，自由端滑移量則隨著凍融循環次數的增加而增加；故摻入5%～10%的橡膠粉，可以提高混凝土抗凍性。

王磊等[11]通過試驗研究天然珊瑚混凝土抗壓強度，在遠海島礁建設中具有較高的應用價值。將制作的不同保護層厚度的碳纖維筋、玻璃纖維筋-珊瑚混凝土試件經28d 標準養護后置于30℃海水中浸泡，養護時間為0d、10d、30d、60d、120d后進行拔出試驗。研究表明：經過浸泡后受力性能有一定程度的降低。隨著泡時間增加，碳纖維筋表層樹脂與纖維間的孔隙率明顯增大，筋材僅表面基體有少許損傷，其耐久性能明顯高于玻璃纖維筋；粘結性能呈現出先增大然后減小的規律，部分玻璃纖維筋-珊瑚混凝土試件的破壞類型由玻璃纖維筋拔出轉變為筋材斷裂；增加混凝土保護層厚度能有效地提高玻璃纖維筋-珊瑚混凝土的粘結強度。

由于高溫材料的物理力學性能發生一定的變化，導致兩者界面可靠的粘結性能產生退化，進而對結構的承載力產生重大影響[12-16]。近年來，國內外學者就對高溫前后鋼筋與混凝土間粘結性能的研究取得了較好的研究成果。大量試驗結果表明[17-19]：極限粘結應力（粘結強度）隨溫度的上升呈逐漸下降的趨勢。然而，不同學者獲得的結論存在有一定的差異，一些學者認為粘結強度所對應的滑移量隨溫度的升高有所增大，還有一些學者認為峰值滑移值隨溫度的升高而有所下降[19-22]。薛維培等[23]通過試驗研究了高溫下二者之間粘結-滑移性能，可知粘結應力的變化規律與混凝土抗拉強度類似，并提出了粘結-滑移本構模型且與試驗結果吻合較好。

4 結束語

目前雖然已對二者之間的粘結機理進行了研究，但理論和數值模擬方面有所欠缺，建議需要從以下幾個方面進行系統的研究工作：干濕循環、化學侵蝕等惡劣環境下FRP筋與混凝土間的粘結性能試驗研究；除破壞形態、混凝土強度等級、埋置深度、纖維筋直徑、和表面狀況等，對于影響粘結性能的其它因素應進行進一步深入地研究；動荷載下的FRP 筋與混凝土間的粘結性能試驗研究；目前低溫或凍融循環作用下FRP筋與混凝土的粘結性能研究較少，且研究表明凍融循環對粘結性能影響較大，但研究溫度較多位于-25℃～15℃，而實際室外最低溫度經常出現-40℃以下的情況，故此方面需要進一步深入研究。由于不同地區也存在多種不利因素共同作用，雖目前已經開展酸堿鹽溶液、疲勞作用、凍融作用等共同作用對二者之間粘結性能的研究，但成果不多且缺乏準確的定量分析，需要深入開展研究以明確粘結-滑移性能和機理;對高溫作用前后纖維筋與混凝土的粘結強度應進行系統研究。