影響FRP 筋與混凝土粘結(jié)性能的因素分析

李 偉，魏 君，張 旭

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100000）

FRP 筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是FRP 筋應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程中的關(guān)鍵問題之一，對FRP 筋在混凝土中的有效粘結(jié)長度和粘結(jié)應(yīng)力分布都有很大的影響。FRP 筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是FRP 筋加固混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，對FRP 筋與混凝土的粘結(jié)性能研究有重要意義。影響FRP 筋與混凝土粘結(jié)性能的因素較多，既有材料特性，也有工程應(yīng)用環(huán)境、施工工藝等。

1 影響FRP 筋與混凝土粘結(jié)性能的因素分析

1.1 高溫對FRP 筋與混凝土粘結(jié)性能的影響

到目前為止，目前，國際上對 FRP 構(gòu)件的常溫受力與使用特性開展了較深入的研究，為其進一步的工程應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。然而，目前國內(nèi)外對該材料的高溫粘結(jié)特性的研究尚處于起步階段，這對后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和相關(guān)規(guī)范編制都造成了很大影響。目前，F(xiàn)RP 筋普遍使用的是環(huán)氧樹脂，當(dāng)其在高溫條件下，膠水一旦進入玻璃化狀態(tài)，就會發(fā)生軟化甚至裂解，導(dǎo)致其粘接性能大幅降低。有研究顯示，其玻璃化溫度在80 ℃左右，當(dāng)其在110 ℃時，其拉伸和抗切強度明顯降低。

1.2 摻入聚丙烯纖維對粘結(jié)性能的影響

聚丙烯纖維分成兩類：一類是普通的聚丙烯短纖，另一類是增強聚丙烯長纖。目前普遍采用的是聚丙烯短纖增強劑，不僅可以有效增強絮凝劑的初期阻裂性能，還可以顯著提高后期韌度和阻裂性能。目前國內(nèi)外對于FRP 筋與混凝土基體粘結(jié)性能的關(guān)系尚缺乏系統(tǒng)研究。但結(jié)合已有研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入一定比例的聚丙烯長絲后，可顯著增強FRP-基體間的粘結(jié)強度，并使其相應(yīng)的滑動系數(shù)增大，從而顯著提高其粘結(jié)韌度。

1.3 摻入玄武巖纖維對粘結(jié)性能影響

在水泥基材料中加入一定數(shù)量的玄武巖纖維，可以有效改善水泥基材料的孔隙結(jié)構(gòu)，降低水泥基材料中的不良孔隙產(chǎn)生率，并細化水泥基材料的粗大孔隙，增大水泥基材料細觀孔隙的大??；同時，添加一定數(shù)量的玄武巖纖維，可以提高BFRP 筋材與水泥基材料之間的極限粘結(jié)強度，增大其相應(yīng)的滑動位移，從而提高水泥基材料的粘結(jié)能力。

2 實證分析

近年來，F(xiàn)RP 作為一種新型結(jié)構(gòu)形式，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中，同時解決了建筑工程項目施工過程中存在的鋼筋銹蝕、電磁干擾、腐蝕介質(zhì)侵蝕等諸多問題。國內(nèi)在20 世紀90 年代末開展了單一碳纖維布（片）補強技術(shù)研究，到目前為止，該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用都比較成熟，而將FRP 筋替代鋼筋用于混凝土結(jié)構(gòu)的補強技術(shù)還處在初級階段。當(dāng)前常用的有：GFRP、CFRP、芳綸（AFRP)、玄武巖（BFRP）和HFRP 等。FRP 筋與混凝土之間的粘結(jié)關(guān)系是FRP筋-砼結(jié)構(gòu)體系中最基本的研究問題，也是其是否能夠取代常規(guī)鋼筋的決定性要素，其粘結(jié)狀態(tài)的失效，勢必會引起其整體力學(xué)性質(zhì)的劣化，因而成為當(dāng)前的鋼筋混凝土熱點研究問題。然而，由于 FRP 材料的各向異性、非均質(zhì)性和線彈性等特點，使得 FRP 與混凝土之間的傳遞機制存在差異。通過查閱現(xiàn)有研究資料可以看出，盡管現(xiàn)有的試驗研究能夠獲得各因素對混凝土粘結(jié)特性的作用，然而，試驗條件、變量等各方面的差異較大，難以達到統(tǒng)一的結(jié)論。然而，要從實驗的角度來研究這些參數(shù)對混凝土粘結(jié)強度的作用，則不僅要進行多次的實驗，而且還要進行相應(yīng)的試驗操作。

比如，鋼筋直徑、混凝土強度和粘結(jié)長度是影響FRP 筋粘結(jié)強度的三個重要因素，必須在108 種不同條件下才能得到三者之間的相互關(guān)系。然而，由于這三種測量單元之間存在著一定的差別，因而在對其進行對比時，必然存在著基準上的差異。因此，如果用灰度相關(guān)法來表達三個因子對鋼筋粘結(jié)強度的作用，則無法進行無量綱化對比。在灰色系統(tǒng)的研究中，可以將各個子系統(tǒng)進行相應(yīng)的灰度關(guān)聯(lián)分析。

當(dāng)前，灰色關(guān)聯(lián)度分析已經(jīng)被廣泛地運用到各個領(lǐng)域。如，運用灰色關(guān)聯(lián)度與TOPSIS 法評估光伏發(fā)電項目的風(fēng)險；運用灰色關(guān)聯(lián)度分析空氣污染與居民肺癌患病及死亡之間的關(guān)系；應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)分析對貴州市42 種野生草本植物進行了營養(yǎng)成分的測定。經(jīng)過對各個方面的風(fēng)險評價、環(huán)境、動植物、煤礦安全評價等方面研究，證明本研究方法是科學(xué)可行的。在此基礎(chǔ)上，采用灰相關(guān)系數(shù)來表達鋼筋直徑、混凝土強度和粘結(jié)長度對 FRP 筋粘結(jié)強度的影響。通過對試驗結(jié)果的分析，可以消除各個因子的量綱差異對試驗結(jié)果的影響，進而找出了影響試驗的主導(dǎo)因子，這樣就可以進一步限定試驗的范圍，使得試驗的設(shè)計更加具有針對性。

FRP 筋粘結(jié)特性的影響因素選取鋼筋、CFRP 筋、GFRP-筋、BFRP 筋材4 個方面的實驗資料，分別進行獨立分析和全面比較，得到三個因素對FRP 鋼筋粘結(jié)特性影響的差異及其與鋼筋之間的關(guān)系。所獲得的資料如表1 所示，其中，黏結(jié)強度是最大黏結(jié)強度。

表1 FRP 筋與混凝土黏結(jié)性能

首先，在實證分析之前，選擇黏結(jié)強度作為初始序列，將x0（k）作為在進行實證分析時獲得極限粘結(jié)強度值，同時，把混凝土強度、筋材直徑、黏結(jié)長度看作為在子序列，設(shè)定為xi=｛xi（k），k=1，2...｝，i=1，2，3。結(jié)合這一序列，展開影響因素的無量綱處理，其計算公式為：

其次，利用該方程對該系列數(shù)據(jù)進行評估，找出最大值的絕對插值和最小的絕對差異，其中，Δ1（k）表示鋼筋直徑，Δ2（k）表示粘結(jié)長度，Δ3（k）表示混凝土強度三種差異的順序。它的計算公式如下：

再次，建立筋材直徑、黏結(jié)長度與混凝土強度關(guān)系式qi（k），i=1，2，3，并得到qi（k）與關(guān)聯(lián)度（i=1，2，3）間的關(guān)系，其計算公式為：

在這一計算公式中，ρ=0.5，代表的是分辨系數(shù)。一般情況下，γi的最終值越大，越是和1 接近，則意味著和整個系統(tǒng)發(fā)展的主關(guān)聯(lián)性越為緊密，同時對FRP 筋黏結(jié)性能影響也就越為突出，經(jīng)計算之后獲得的關(guān)聯(lián)度關(guān)系如圖1。

圖1 筋材直徑、黏結(jié)長度、混凝土強度與筋材黏結(jié)性能灰色關(guān)聯(lián)度關(guān)系

通過對 BFRP 筋相關(guān)系數(shù)的計算，對在表1 中的BFRP 筋相關(guān)系數(shù)進行了計算，得出了γ1(0.62)<γ2(0.74)>γ3(0.58）。如表1 所示，三種參數(shù)對 BFRP 筋性能的影響不同于 BFRP 筋關(guān)系。粘著力對 BFRP 筋的粘結(jié)特性有重要影響，但該影響與鋼筋直徑無關(guān)，受混凝土強度的影響最大。目前對BFRP 筋粘接特性的研究，重點應(yīng)該從鋼筋的力學(xué)強度向粘接長度方向轉(zhuǎn)變，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的粘接長度的計算方法，以達到設(shè)計的目的。

GFRP 筋相關(guān)系數(shù)的計算方法：對 GFRP鋼筋相關(guān)系數(shù)進行相同的運算，得出：γ1(0.72)<γ2(0.76)>γ3(0.63）。由對比可知，圖1中，作為最關(guān)鍵的控制參數(shù)，混凝土強度對 GFRP 筋的影響最小，所以在鋼筋配筋時，應(yīng)重點考慮鋼筋的直徑和鋼筋的選擇。結(jié)果表明，三種加固方式下的整體變形趨勢與普通 FRP 加固方式相同。

通過對 CFRP 筋粘結(jié)相關(guān)系數(shù)的計算，得出：γ1（0.81）＜γ2（0.68）＞γ3（0.59）。從表1中可以看到，CFRP筋與鋼筋、BFRP 筋、GFRP 筋之間的粘結(jié)性能和三個因素之間的相關(guān)程度存在較大差異。其次，不同直徑的筋材對粘接性能的影響要比搭接長度大得多，是影響粘接性能的主要因素。為此，文章提出：FRP 筋與周圍混凝土的粘結(jié)強度與截面尺寸成反比，拉伸變形能力與截面面積呈線性關(guān)系，其比值為4 L/d，當(dāng)粘結(jié)距離恒定時，張拉力F 增加，其拉應(yīng)力σ 增加速度高于粘結(jié)應(yīng)力τ 增加速度，由于FRP 筋抗拉強度最大，所以可以不受其限制，采用增加直徑來增加其粘結(jié)強度。因此，在理論上，筋材直徑和粘結(jié)長度對各類筋材的作用應(yīng)該是一樣的，導(dǎo)致這種差別的主要因素是筋材種類的不同。通過與三種不同類型的FRP 筋相關(guān)系數(shù)的比較可以看出，對于FRP 筋的粘結(jié)力，在不同類型的FRP 筋中，其粘結(jié)力的大小都是不同的。這有可能是因為，當(dāng)混凝土的強度得到了提升，混凝土的抗拉力也得到了提升，在后期，可以用變化FRP 筋的表面形態(tài)來對其進行粘結(jié)強度的實驗來驗證這一結(jié)果。

3 結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過實證研究發(fā)現(xiàn)，筋材直徑、粘結(jié)長度和混凝土強度三者對FRP 筋粘結(jié)性能的影響與FRP 筋的類型存在一定關(guān)系。FRP 筋與一般鋼筋之間的粘結(jié)力隨其自身的強度變化而變化，通過增加其自身的強度，能夠顯著地改善其與一般鋼筋之間的粘結(jié)力，而對FRP 筋則沒有明顯的改善作用。