混凝土中玻璃纖維筋黏結強度試驗研究

程 濤 (安徽省公路橋梁工程有限公司,安徽 合肥 230001)

作為建筑工程中不可缺少的建筑材料，鋼筋已廣泛應用于鋼筋混凝土結構工程、錨桿工程等各個領域，由于鋼筋存在腐蝕嚴重、防腐蝕處理費用高、自重大、運輸和安裝困難等諸多缺點[1]。因此，近年來歐美國家紛紛采用纖維增強塑料筋代替傳統鋼筋，用于鋼筋混凝土結構中，試圖從根本上解決因鋼材腐蝕所引起的耐久性問題。纖維增強塑料筋（Glass Fiber Reinforced Polymer，簡稱GFRP）是由樹脂基質和玻璃纖維材料經加工而成的一種新型復合材料，較傳統鋼筋具有抗拉強度高、自重輕、耐腐蝕、造價低、施工操作方便等諸多優點，因此在工程上得到了廣泛應用。但同樣存在塑性差、熱穩定性不高、粘結強度較低等明顯缺點[2]，其中粘結強度是作為衡量GFRP筋能否用于混凝土結構的重要評價指標之一，它的大小將直接影響結構構件的極限承載力以及裂縫寬度，因此，開展GFRP筋與混凝土之間粘結強度的研究工作具有重要指導作用，而影響GFRP筋材粘結強度因素有：混凝土的強度及保護層厚度、GFRP筋材的埋長、直徑、肋間距等[3]。因此，基于室內試驗研究不同混凝土強度及埋長下的GFRP筋材的粘結強度分布情況，獲得不同外在因素下GFRP筋材的極限承載力變化規律，揭示GFRP筋材在不同結構工程中的真實作用機理，從而為GFRP筋材代替傳統鋼筋用于建筑結構的設計及施工提供理論依據。

1 試驗材料

玻璃纖維增強塑料筋中一般含有70%～80%玻璃纖維，20%～30%樹脂，其公稱直徑一般10mm～36mm。本試驗采用淮北宇鑫新型材料有限公司生產的拉擠型GFRP錨桿，其直徑為15mm，其中桿體表面經過噴砂處理，并纏繞纖維，基質材料為熱固型環氧樹脂[4]。本次試驗所采用的GFRP筋材的基本參數為：17.3%樹脂，75.7%玻璃纖維，7%石英細砂。HRB335鋼筋與GFRP筋材的各項性能參數見表1。

由表1可知，與HRB335鋼筋性能相比，GFRP筋具有抗拉強度較大、表觀密度較小、熱膨脹系數較小等諸多優點，但也存在彈性模量、剪切強度、極限拉應變均較小等缺點，造成GFRP筋代替鋼筋用于建筑工程表現出彈性變形較小、抗剪承載力較低、破壞時的變形量較小等不良工程特性。

GFRP筋與HRB335筋性能參數 表1

2 試驗方案

研究GFRP錨桿粘結性能的試驗方法主要是拉撥試驗。其具體的試驗步驟為：

①筋材準備。為研究混凝土強度及錨固長度對GFRP筋材承載力的影響，故在本次試驗中采用四種不同混凝土抗壓強度，分別為C30、C40、C50、C60；五種不同錨固長度，分別為：5倍、10倍、15倍、20倍、25倍筋材直徑。試驗時將不同外表形式的GFRP筋材切割180根，并進行編號，每根切割長度為500mm，分為60組，每組三根。

②混凝土澆筑。本試驗混凝土試塊設計強度采用 C30、C40、C50、C60，試驗時采用普通硅酸鹽水泥，砂子采用中粗砂，石子采用粒徑小于18mm的普通碎石。根據現有國家標準的規定，試驗時混凝土試塊尺寸為160cm×120cm×60cm(長×寬×高)，為避免相鄰筋材拉撥時的影響，筋材間距設定為40cm；為模擬不同錨固長度時筋材的極限承載力，選擇的錨固長度分別為5倍、10倍、15倍、20倍、25倍筋材直徑。

③拉撥試驗。拉拔試驗時在混凝土試塊與桿件接觸面采用PVC套管進行隔離，避免筋材與混凝土之間的粘結，從而有效消除GFRP錨桿端部的局部壓力，試驗時為有效避免加載過程中產生的偏心問題，采用自制的反力架來確保加載過程中桿件的平穩，以便獲得符合工程實際的GFRP筋材粘結滑移時的應力應變關系。

3 試驗結果

3.1 試驗現象

玻璃纖維筋受到拉撥力后將發生變形后，會在玻璃纖維筋的表面產生斜向壓力。斜向壓力的徑向分力使得纖維聚合物筋周圍混凝土產生拉應力，而周圍混凝土接受傳遞來的荷載能力主要受接觸面形式及周邊混凝土的約束破壞能力所決定。因此，筋材在混凝土中的相對位置將決定拉撥試驗中的破壞形式。若筋材直徑相對較小，而混凝土保護層厚度較大，則混凝土會產生沿筋材表面邊緣的剪切破壞或筋材橫肋被剪壞，筋材從混凝土中剝離拔出，這種現象稱為拔出破壞。否則因玻璃纖維筋周邊的混凝土保護層較薄而發生劈裂破壞。除了劈裂和拔出破壞外，玻璃纖維筋也可能因錨固力過大而發生拉伸破壞[5]。

3.2 試件破壞形式

GFRP筋材在拉拔試驗過程中表現出筋材拔出破壞、混凝土劈裂破壞、筋材拉斷這三種不同破壞形式。

在混凝土強度等級較小，錨固長度相對較低時，GFRP筋材多發生筋材拔出破壞，即在拉拔過程中，混凝土一直未劈裂，GFRP筋也未被拉斷，直至試驗結束，加載端均可靠加載，最終因GFRP筋從混凝土中拔出而破壞。

當混凝土強度相對較低，沿GFRP筋拉撥力的徑向分量會在GFRP筋周圍混凝土中產生環向拉應力，當混凝土相對保護層厚度較小，所產生的拉應力超過混凝土抗拉強度，使得混凝土發生劈裂破壞，即在荷載—滑移曲線上升段因混凝土突然劈裂而發生破壞。

當混凝土強度等級較大而錨固長度又較長時，因粘結力大于GFRP筋材極限抗拉力，在筋材出現較小位移時粘結力達到較大值，同時部分筋材因變形量較大先拉斷，進而整個GFRP筋材被拉斷。

3.3 試驗結果

GFRP筋材與混凝土的黏聚強度隨混凝土強度及錨固長度的變化關系見表2，由表2可知，在混凝土強度等級為C30～C50之間，錨固長度在2.5d～12.5d之間時的筋材極限承載力在12.67kN～250.23kN之間，變化幅度相對較大，說明錨固長度及混凝土等級均能顯著影響GFRP筋材與混凝土間的黏聚強度，但平均黏結強度在 8.07MPa～32.13MPa，變化幅度相對較小。

黏結強度隨砼強度及錨固長度變化關系 表2

變形鋼筋的抗剪強度高，故鋼筋從混凝土中拔出是由于鋼筋表面橫肋之間的混凝土被剪壞所導致的。而GFRP筋抗剪強度較鋼筋為低，且表面肋的剛度和強度也均弱于鋼筋，故GFRP筋從混凝土中拔出時，不僅肋間混凝土被剪壞破損，筋表面變形也會有一定程度的磨損。這是由于筋材在拔出過程中GFRP筋沿縱向會產生較大的滑移，混凝土孔壁上GFRP筋肋的輪廓已被磨平，同時GFRP筋表面也會產生較為嚴重的磨損。

GFRP筋表面變形肋與混凝土之間的機械咬合力沿GFRP筋軸向的分量可視作兩者間的界面粘結應力，沿GFRP筋拉撥力的徑向分量會在GFRP筋周圍混凝土中產生環向拉應力。拉拔過程中，界面粘結應力和混凝土中的環向拉應力同時增長。當環向拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時，接觸面上的混凝土將開始產生縱向劈裂裂紋，當混凝土保護層厚度較小，而粘結應力未達到最大值時，該縱向劈裂裂紋就會擴展成為貫穿整個混凝土保護層的縱向劈裂裂縫，導致混凝土的劈裂破壞，且劈裂裂縫成軸射狀。若混凝土澆筑過程中摻入鋼纖維，混凝土表面發生劈裂破壞時，因鋼纖維對混凝土裂縫擴展的約束作用而使得軸射狀裂縫寬度較小，發生劈裂破壞后的混凝土仍能保持整體性，而不會完全裂開。因發生劈裂破壞時GFRP筋材沿縱向上的相對滑移量較小，肋間混凝土破壞較少，故混凝土孔壁上GFRP筋肋的輪廓仍保留完整。

4 數據分析

4.1 混凝土強度影響分析

拉撥試驗時，GFRP筋材上的拉應力使得筋材與混凝土接觸面上產生剪應力，即為粘結應力，這種剪應力使得GFRP筋材中的應力沿縱向不斷發生變化。粘結應力是GFRP筋材與混凝土兩者間作用力進行傳遞的橋梁，通過粘結應力使得兩者協調變形。實際應用中一般采用拉拔、簡支梁式和懸臂梁式等粘結試驗方法測量拔出時的極限荷載，來計算獲得平均粘結強度。

試驗結果表明，混凝土抗壓強度的提高將使得混凝土與玻璃纖維筋之間的粘結力逐漸增大，但摩阻力不受其影響。同時，較大的混凝土抗壓強度將有效延遲混凝土的內裂，從而有效提高GFRP筋材的極限粘結強度。研究表明：混凝土與鋼筋間的粘結強度與混凝土抗壓強度平方根近似成線性關系，由于玻璃纖維筋的彈性模量僅為鋼筋的1/4，因此玻璃纖維筋的表面變形較鋼筋為大[6]。

GFRP筋材粘結強度與混凝土抗壓強度間的相關關系見圖1所示，由圖1可知，平均粘結強度隨著混凝土強度的增加近似成線性增大，且錨固長度越長，平均粘結強度隨混凝土強度增加而增大的幅度越明顯，說明混凝土強度的提高能夠顯著增加筋材與混凝土間的黏結強度，進而能夠提高GFRP筋材的極限承載力。

圖1 黏結強度隨混凝土強度變化關系

4.2 錨固長度影響分析

當混凝土強度等級較高且保護層厚度較大時，錨固長度較大的纖維聚合物筋易發生受拉破壞，而錨固長度較小的纖維聚合物筋易產生拔出。由于玻璃纖維筋的剪切剛度相對較小，受力后的玻璃纖維筋在橫截面上變形極為不均勻，造成橫截面上應力分布的不均勻，這種現象稱為剪切滯后，且直徑越大，橫截面中心與邊緣的變形差異性越明顯。因此，玻璃纖維筋表面的粘結應力受筋材直徑的影響較大。

玻璃纖維筋與混凝土的粘結強度隨筋材埋長的變化關系，見圖2所示。

圖2 黏結強度隨錨固長度變化關系

由圖2可知，玻璃纖維筋的埋長對其粘結強度有一定的影響。在相同直徑時，粘結強度隨錨固長度的增加而先小幅增大，達到一定值后小幅減小，這是因粘結應力沿玻璃纖維筋縱向上分布不均勻所造成的。

粘結應力沿GFRP筋表面分布并不均勻，而我們通過試驗所得到的粘結強度多為GFRP筋整個粘結區段內的平均最大粘結應力，與實際所能達到的最大粘結應力存在一定的差異。受力后GFRP筋沿縱向上的粘結應力隨著埋長增加而越發分布不均勻，破壞時所獲得的平均最大粘結應力遠小于實際最大粘結應力，造成相同直徑的GFRP筋粘結強度隨錨固長度的增加而逐漸降低。鄭喬文等認為在其他條件不變的情況下，GFRP筋埋置長度每增加1倍，其粘結強度就降低18%～44%[7]。

埋長較小時，雖錨固長度方向上的局部粘結應力差異性較小，使得平均粘結強度更接近試件破壞時的實際最大粘結強度，但試驗結果的離散性較大；反之，當GFRP筋埋長較大時，雖平均粘結強度不能準確地反映GFRP筋的實際最大粘結應力，但試驗結果的離散性較小。目前多數學者根據《混凝土結構試驗方法標準》進行直接拉拔試驗時，取5倍的GFRP筋材直徑做為埋置長度[8]。

5 結論

①與HRB335鋼筋性能相比，GFRP筋具有抗拉強度較大、表觀密度較小等諸多優點，但用于建筑工程也存在彈性變形較小、抗剪承載力較低、破壞時的變形量較小等不良工程特性。

②GFRP筋材在拉拔試驗過程中表現出筋材拔出破壞、混凝土劈裂破壞、筋材拉斷這三種不同破壞形式。錨固長度較長易產生筋材拉斷，錨固長度較小易產生筋材拔出破壞，混凝土保護層厚度較小，易產生混凝土劈裂破壞。

③平均粘結強度隨著混凝土強度的增加近似成線性增加，且錨固長度越長，平均粘結強度隨混凝土強度增加而增大的幅度越發明顯。

④在相同直徑下，粘結強度隨著埋長的增加而先小幅增大，達到一定值后小幅減??；GFRP筋埋長越大，縱向上的粘結應力分布越不均勻。