后錨固復材筋在混凝土中的錨固性能研究

葉英杰 姚 彤 徐玉康 何駿飛 徐 凱 邱天賜

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

在我國，植筋技術已被廣泛應用于舊房翻新、房屋加固、橋梁結構等工程領域中，用于結構加固或提高結構性能等。植筋是將鋼筋植入混凝土結構鉆孔中，用結構膠等粘合劑進行加固，又稱為后錨固鋼筋技術。后錨固技術的便捷性、安全性和高效性使其在工程中越來越重要，應用范圍越來越廣。由于傳統(tǒng)鋼筋在潮濕和非中性（pH）環(huán)境下極易銹蝕和被腐蝕，使得結構性能下降，嚴重影響結構的安全性、可靠性，尤其在近河、近湖、近海地區(qū)，效應更加明顯。新型纖維增強復合材料（FRP），其相比于傳統(tǒng)鋼筋，具有很好的抗電磁性能、密度小重量輕且耐腐蝕等優(yōu)點，能較好地取代傳統(tǒng)鋼筋，大大提高結構的使用壽命。相對于混凝土而言，環(huán)氧石英砂、環(huán)氧砂以及超高性能混凝土RPC 作為粘結介質的錨固性能更好。

1 破壞形式分析

經對植筋拉拔試驗研究發(fā)現，主要的破壞形式有三種：筋與粘結介質的粘結面破壞、筋拉斷破壞、復合破壞（錐體破壞）。

1.1 筋與粘結介質的粘結面破壞

發(fā)生破壞時，混凝土部分與膠體部分發(fā)生相對滑移，膠層圍繞在筋體表面被一起拔出或者膠體粘結在混凝土表面，筋體被光筋拔出[1]。若筋體為螺紋筋，筋體表面的凹凸與膠體能產生更好的粘結作用，增大了機械咬合力，筋體與粘結介質的粘結力大于混凝土與粘結介質的粘結力，此時易發(fā)生膠層與筋體一起被拔出；相反，若為光圓筋，則破壞多為光筋拔出。

1.2 拉斷破壞

筋體承受的拉力超過其極限抗拉強度，導致筋體的斷裂破壞，其埋深大于等于臨界錨固深度。

有粘結面內拉斷破壞以及自由長度內拉斷破壞兩種情況。當其中部分纖維絲被拉斷后，一定數量的纖維絲會分離出來，繼續(xù)增加荷載，筋在最薄弱處發(fā)生破壞。[2]其多發(fā)生在粘結介質強度很高且錨固深度較深的情況下，雖能很好地滿足錨固條件，但其性能過剩導致不經濟。

1.3 復合破壞

由于埋置較淺，筋體在未發(fā)生屈服階段混凝土已經達到最大抗拉承載力，發(fā)生脆性破壞。此類情況，筋體性能未能被充分利用。

發(fā)生破壞時，上層的筋體會攜帶著一圈被破壞的混凝土一起被拔出，下部筋體發(fā)生滑移，連同膠體一起被拔出，整體形式為：上部為混凝土錐形破壞，下部為滑移破壞。當筋體的直徑較大時，粘結面面積較大，粘結介質傳遞的徑向力不足，導致混凝土發(fā)生開裂。不斷增加荷載，粘結介質和筋體之間的粘結力不斷增大，發(fā)生粘結破壞，最終形成復合破壞。此類破壞形式多發(fā)生于錨固深度相對較淺的情況下。此類破壞較為危險，發(fā)生時沒有明顯的破壞征兆，為突然性破壞。

2 纖維增強復合材料（FRP）

FRP 筋是一種新型的復合材料，相對于傳統(tǒng)鋼筋，性能極佳，在大部分領域能很好地取代傳統(tǒng)鋼筋。其抗拉強度遠高于傳統(tǒng)鋼筋，FRP 筋的極限抗拉強度一般為2000MPa，其中部分強度達到3500MPa 左右，對于傳統(tǒng)鋼筋而言，優(yōu)勢十分明顯。且其密度小質量輕，密度僅為傳統(tǒng)鋼筋的五分之一，能有效減輕結構自重。耐腐蝕性能好，FRP 能很好地應用于近海建筑、橋梁、隧道等易被腐蝕的環(huán)境中，其中碳纖維復材筋的耐久性相對較好。電磁絕緣性能好，能很好地適用于如雷達站、微波站等有特殊要求的建筑?？蛊谛阅芎?，碳纖維復材筋的抗疲勞性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋，但其中玻璃纖維復材筋的抗疲勞性能略遜于傳統(tǒng)鋼筋。[3]

FRP 筋抗拉彈性模量低，導致其受力后的變形比較大，明顯大于傳統(tǒng)鋼筋，其應用于混凝土結構中時，結構受拉后的裂縫較大?？辜魪姸鹊?，尤其是其橫向抗剪強度極低，極易受剪力破壞，在應力集中處纖維絲易斷裂，因此針對FRP 筋，會為其制作專門的錨具，以減少因剪力導致的破壞。熱穩(wěn)定性差，耐火耐高溫性能差，在高溫環(huán)境下，FRP 筋的性能會急劇下降。

FRP 筋相比于傳統(tǒng)鋼筋，在抗拉強度、抗腐蝕、電磁絕緣等方面優(yōu)點十分明顯，充分利用FRP 筋超強的抗拉性能并合理避開其缺點是FRP 筋成功使用于工程實踐的關鍵。

FRP筋與混凝土之間的粘結力分析有如下幾方面。

2.1 粘結力的組成和作用

形同傳統(tǒng)鋼筋與混凝土之間的粘結力，新型纖維增強復合材料（FRP）和混凝土之間的粘結力的主要組成為：

1.因溫度變化或吸濕引起的混凝土收縮或FRP 筋的膨脹所產生的化學吸附力。

2.FRP 筋與混凝土摩擦面上產生的阻礙相對運動的力。

3.由搭接、埋設長度、彎鉤等產生的FRP 筋的機械咬合力。

4.通過防止FRP 筋表面的機械咬傷、摩擦或變形而產生的混凝土擠壓所產生的合力。

光圓FRP 筋表面較光滑，導致混凝土與筋體的作用面只存在化學吸附力和微小的摩擦力，具有較低的粘結強度。帶肋纖維增強復合材料（FRP），則與混凝土的粘結作用力與一般普通鋼筋相似。與一般鋼筋相異的是纖維增強復合材料（FRP）的硬度、強度與混凝土相比較低。所以，當發(fā)生滑移破壞時，化學作用產生的粘著力消失后，粘結力就主要由摩擦力承擔；而對于帶肋FRP 筋，粘結力主要依靠機械咬合力維持，其中化學粘結力和摩擦力的作用較小。

2.2 FRP 筋與混凝土粘結性能的影響因素

影響粘結性能的主要因素[4]為：

1.混凝土強度。以鋼筋混凝土為例，混凝土強度提高，粘結強度也會有相應的提高。而兩者之間的關系主要為：粘結強度與混凝土的抗壓強度或者抗拉強度的平方根成正比。

2.FRP 筋的埋入長度。FRP 筋混凝土與鋼筋混凝土相似，在整個埋長范圍內粘結應力分布不均勻。當FCR 鋼筋的埋入長度增加，粘結強度則會相應地減小，所以過度增加埋入深度，粘結效應增加并不明顯。

3.橫向箍筋。在混凝土內部配置橫向箍筋可以有效預防試件徑向和縱向發(fā)生劈裂破壞，同時也能大大改善FRP 筋混凝土的粘結性能。

4.FRP 筋的自身性能。例如纖維筋的表面形狀、直徑、種類等。其中FRP 筋的表面形狀與普通鋼筋一致，分為光圓型表面和螺紋型表面。在其他條件相同情況下，光圓型表面的FRP 筋和螺紋型表面的FRP 筋相比，螺紋型表面的FRP 筋的粘結效應遠好于光圓型表面的FRP 筋。

5.環(huán)境因素。FRP 筋混凝土粘結性能會隨著溫度的變化有明顯變化，另外，處于不同的環(huán)境FRP 筋混凝土試件的粘結性能也會受到影響，例如強酸環(huán)境、強堿環(huán)境等。

6.其他因素。FRP 筋混凝土的粘結性能還受諸多因素影響，還需要進行不斷的研究和探索。

3 錨固性能分析

3.1 粘結介質對錨固性能的影響

粘結介質的種類及強度對筋體的錨固性能影響極大，不同種類、不同強度的粘結介質針對不同材料、不同直徑的筋體之間的粘結力存在很大差異，因此選擇合適種類、強度的粘結介質對錨固性能極為重要。試驗選取了直徑10 毫米的碳纖維復材筋（CFRP）、15 倍筋直徑作為埋深長度為試驗條件，使用包括普通混凝土、活性粉末混凝土、環(huán)氧類粘結劑在內的三種粘結介質，進行大量拉拔試驗，研究粘結介質對錨固性能的影響。經大量試驗做出各粘結介質的荷載-滑移曲線，發(fā)現當選取普通混凝土作為粘結介質時，筋體產生滑移后，相比于其他兩類粘結劑，滑移速度的增加更加迅速，在很短時間內錨固就會失效。在15 倍筋直徑為埋深，以環(huán)氧砂作為粘結介質，筋體開始有滑移時，施加的拉力為20 KN；以高性能混凝土作為粘結介質時，出現滑移時的荷載為38 KN。而在25 倍、30 倍筋直徑為埋深的試驗條件下，環(huán)氧砂為粘結介質出現滑移時的荷載大于以高性能混凝土作為粘結介質時的荷載。以環(huán)氧砂作為粘結介質，滑移開始發(fā)生后，滑移速度會迅速增加至完全失效，而以高性能混凝土為粘結介質時，滑移速度相對較小，且趨于穩(wěn)定[5]。試驗中使用的環(huán)氧砂抗壓強度大于混凝土的抗壓強度，而高性能混凝土的抗壓強度又大于環(huán)氧砂的抗壓強度，故高性能混凝土的失效粘結力最大，環(huán)氧砂次之，普通混凝土最小。試驗發(fā)現，不同種類的粘結介質對錨固性能的影響是不盡相同的。

3.2 錨固長度和筋體表面形狀對錨固性能的影響

筋體與混凝土的錨固性能主要由粘結介質與筋體表面的化學膠著力、筋體與膠層接觸面的摩擦力以及筋體表層凹凸不平產生的機械咬合作用決定。試驗發(fā)現，當粘結介質為普通混凝土時，壓紋筋的錨固粘結作用基本完全由機械咬合力決定，粘結介質為環(huán)氧砂和高性能混凝土時，粘結作用中機械咬合力分別占比70%和85%，即壓紋筋的錨固性能很大程度上取決于機械咬合力。

試驗用不同條件下筋的極限抗拉強度代表此條件下的錨固性能，試驗選用碳纖維復材筋研究發(fā)現，在對錨固端進行打磨的試驗條件下，增大筋體的埋深即錨固長度，所有碳纖維復材筋的抗拉強度也隨之增加。碳纖維復材筋在打磨條件下，平均粘結強度隨錨固長度的增大不斷減小，達到一定錨固長度后減小的速度變緩，最后趨于平穩(wěn)。對于7 毫米光圓筋，在打磨的試驗條件下，不斷增大錨固長度，平均粘結強度表現為先增大后減小[6]。對于光圓筋，進行環(huán)氧膠膜粘砂，在保證一定的錨固長度條件下，錨固性能較佳。對于螺紋筋，由于機械咬合力較大，使用環(huán)氧樹脂粘砂，能較好地利用材料性能，發(fā)揮出較佳的錨固作用。

當筋體埋入深度較淺時，筋體多發(fā)生復合破壞即錐形破壞，承載力很小，鋼筋的能力沒有發(fā)揮出來即被破壞，且破壞多呈現為脆性破壞。逐漸增加埋入深度，筋體會有屈服現象，出現有預兆性的破壞。當埋深達到甚至超過15 倍筋體直徑長度時，筋體均會出現屈服現象，當筋體直徑較小時，也會發(fā)生延性破壞。隨著筋體埋入深度的繼續(xù)增加，筋體的承載力相差不大，但對出現滑移后殘余的粘結強度影響較大。

3.3 荷載-滑移曲線分析

根據試驗結果做出大量荷載-滑移曲線圖，發(fā)現對于不同種類的筋，都出現某一定值，從0 開始不斷施加荷載，當荷載加至該值之前，荷載與加載端的滑移量總保持某一線性關系，即可視為錨固粘結性能的彈性階段，粘結剛度可由該曲線的斜率近似代表。埋深較淺時，其彈性階段的曲線斜率相對較小。隨著埋深的增大，彈性階段的曲線斜率也隨之增大。當埋深達到某一固定有效長度后，其彈性階段的曲線斜率不再增加。

繼續(xù)加載，即超出其彈性范圍后，筋體開始出現屈服，荷載-滑移曲線轉為非線性關系，曲線斜率開始減小。在該階段，埋深的長度影響植筋的極限承載力，在一定范圍內，埋深較深則植筋的極限承載力越大，當埋深達到一定長度時，繼續(xù)增加埋深對極限承載力的提升近乎沒有影響。荷載達到粘結破壞時的最大荷載值后，進入殘余階段，曲線變?yōu)椴灰?guī)律發(fā)展，滑移急劇增大[7]。此時，粘結介質與混凝土之間的粘結力已近乎完全失效，僅靠破壞面的機械咬合力以及摩擦力作為殘余粘結力。隨著埋深的增大，殘余粘結力會隨之增大。

4 結語

本文對拉拔試驗中植筋的破壞形式、影響錨固性能的影響因素以及荷載-滑移曲線進行了試驗分析，試驗結果如下：

1.植筋的拉拔試驗，主要的破壞形式有三種：筋與粘結介質的粘結面破壞、筋拉斷破壞、復合破壞（錐體破壞）。其中，最理想的破壞形式為筋的拉斷破壞。

2.纖維增強復合材料（FRP）在大部分情況下能很好地取代傳統(tǒng)鋼筋，甚至性能更佳。

3.壓紋筋的錨固粘結作用主要由機械咬合力決定。

4.不同種類的粘結介質對錨固性能的影響是不盡相同的，其中高性能混凝土（RPC）效果較好。

5.筋體埋深對滑移后殘余粘結強度影響較大，埋深越大，殘余應力越大。