FRP筋與混凝土粘結性能研究進展

摘 要：纖維增強聚合物（FRP）筋在混凝土結構中的應用不斷增加，逐漸取代了傳統的鋼筋，特別是在環境條件惡劣的地區解決與銹蝕有關的耐久性問題。本文綜述了FRP筋表面形狀、FRP筋直徑以及粘結長度等對FRP筋與混凝土粘結性能的影響的研究進展，分析了粘結性能與各影響因素之間的關系，得出了筋材表面處理類型對界面粘結性能影響顯著，混凝土抗壓強度提高時粘結強度也相應增加，但在高強混凝土中增幅有限，且粘結長度設定為筋材直徑的5倍時粘結性能最佳。并對FRP筋在混凝土應用方面的未來發展趨勢進行了展望，為未來的FRP筋與混凝土結構的相關研究提供了參考。

關鍵詞：FRP筋；混凝土；粘結性能

1 前言

當今，鋼筋混凝土結構的應用極為普遍。然而，外部環境中的氯鹽會侵蝕混凝土中的鋼筋，而干濕循環與凍融循環更會加劇這一腐蝕過程[1]，從而大幅度縮減結構的使用壽命。FRP筋，以聚合物樹脂為基體，歷經成型、滲透及固化等精細工藝而制成，與鋼筋相比，展現出卓越的抗拉強度、輕質高強、出色的耐腐蝕性、優良的絕緣性能以及耐疲勞性能。玻璃纖維增強復合材料（GFRP筋）因其原料來源廣泛、生產成本低廉及生產技術成熟，而在建筑領域得到了廣泛應用。碳纖維增強復合材料（CFRP筋）則具有其卓越的力學性能和耐腐蝕性。玄武巖纖維增強復合材料（BFRP筋）不僅具備與GFRP筋相當的機械性能，更是由熔融的玄武巖精制而成[2]，因此，其應用前景同樣廣闊。相比之下，芳綸纖維增強復合材料（AFRP筋）因親水性強、耐久性差，在實際工程中的應用較為罕見。值得注意的是，由于FRP筋的外表面制造工藝及縱橫向材料的差異，其與混凝土的粘結性能也各不相同。因此，深入研究FRP筋與混凝土的粘結性能，對于提升結構的安全性和耐久性具有重大意義。

2粘結性能影響因素

2.1粘結長度

粘結長度對粘結性能的影響是一個復雜而關鍵的問題。Wang等[3]通過一系列試驗，對108個拔出試件采用了不同BFRP筋嵌入長度（40 mm、70 mm、100 mm）進行了深入研究，并得出結論：當嵌入長度達到100 mm時，BFRP筋與混凝土之間的粘結能力反而低于嵌入長度為40 mm的情況，即隨著BFRP筋錨固長度的增加，粘結強度呈現出下降趨勢。類似地，Achillides等[4]在對比CFRP筋與GFRP筋的粘結性能時，也考慮了不同嵌入長度及直徑的影響。在拉拔試驗中，他同樣觀察到，隨著嵌入長度的增加，粘結強度呈現下降趨勢。王勃[5]等人研究GFRP筋與海水海砂混凝土之間的粘結性能，設置了3組不同的粘結長度（5d、8d、12d），對比不同粘結長度對GFRP筋與海水海砂混凝土界面粘結強度的影響，如圖1所示結果表明GFRP筋與海水海砂混凝土之間的粘結強

度與粘結長度呈負相關．這是由于GFRP筋在應力范圍內其粘結應力往往沿著筋的軸向方向呈非均勻分布，隨著粘結長度的增加，這種分布則越不規律，故導致計算粘結應力時將沒有實際有效粘結貢獻的長度計算在內，所以增加粘結長度會降低粘結強度。因此，在其他因素不變的情況下，FRP筋的粘結長度越大，受力后粘結應力的分布越不均勻，而這種不均勻分布的粘結應力會嚴重影響粘結強度的變化。

2.2 FRP筋材表面形狀及直徑

FRP筋因其廣泛的應用場景而展現出多樣化的表面特性，其與混凝土的粘結性能則因幾何特性的不同而呈現出顯著的差異性。Wang等[6]基于現有研究，建立了包括407個不同表面類型（包括砂涂、螺旋纏繞、帶肋和縮進）的FRP筋的拉拔試驗結果，表明表面處理對FRP筋與混凝土的粘結性能有很大影響，上述四種表面特性的筋較普通筋的粘結性能有很大的提升。Solyom等[7]開展了200項傳統拉拔試驗與38項直接拉拔試驗，通過深入分析粘結強度、粘結應力與滑移關系、代表性粘結應力及破壞模式，全面評估了不同表面類型等因素對FRP筋粘結性能的影響。研究總結指出，所有考察的特性——粘結強度、粘結應力－滑移行為、代表性粘結應力以及失效模式，均隨表面特性的不同而表現出顯著差異。對于特定的表面類別，如砂涂和螺紋，粘結強度更是在一個廣泛的范圍內波動。具體而言，砂涂鋼筋的粘結強度可因砂的類型、質量和數量的不同而實現成倍的增長。同樣地，通過調整肋的幾何形狀，粘結強度也能獲得顯著提升。

FRP筋的直徑同樣對界面間粘結性能有很大的影響。一些學者[4，8-10]指出，當FRP筋的直徑介于7 mm至29 mm之間時，隨著筋直徑的增大，粘結強度會相應減弱。Shen等[11]通過拉拔試驗，探究了10 mm、14 mm、20 mm三種不同直徑的BFRP筋對粘結性能的具體影響。試驗結果顯示，當筋的直徑由10 mm增大至14 mm和20 mm時，粘結強度分別降低了8.1%和30.1%。與此同時，與粘結強度相對應的滑移量也呈現上升趨勢，具體增幅為23.8%和38.7%。一般而言，這種變化與化學力及材料特性緊密相關。作者進一步推測，隨著筋直徑的增大，化學力可能有所減弱。FRP筋直徑對粘結性能產生顯著影響的主要原因是隨著筋材直徑的增大，雖然粘結的絕對面積有所增加，但單位體積內的粘結面積卻相應減小，這直接導致了粘結性能的下降。此外，泊松比效應也不容忽視。泊松比越大，意味著在拉拔過程中筋材的直徑會發生縮減，進而減少了筋材與周圍混凝土之間的接觸面積，使得摩擦力減小，最終導致粘結強度降低[4，12]。

2.3 混凝土強度與保護層

Baena等[9]深入探討了不同種類的碳纖維與玻璃纖維筋，在與兩種強度各異的混凝土之間的界面粘結行為上的差異。混凝土的強度在鋼筋拔出過程中，對粘結破壞的模式及破壞面的演變起著至關重要的作用。值得注意的是，FRP筋的粘結強度并非主要取決于混凝土強度的絕對值，而是更多地依賴于筋材本身的性能特性。當混凝土強度較低時，筋材中的損傷相對較少，而混凝土內部的損傷則更為顯著；反之，這一規律亦然。Achillides等[4]的研究同樣揭示了混凝土強度對筋材拔出過程中實際粘結破壞模式的影響。具體而言，當混凝土的抗壓強度超過30 MPa時，粘結破壞主要發生在FRP筋的表面。因此，在這一強度范圍內，混凝土強度的具體數值對FRP筋的粘結強度影響并不顯著。然而，當混凝土強度降低至約15 MPa時，粘結破壞的模式便發生了變化。此時，破壞界面轉移至混凝土基體中，FRP筋的粘結性能與混凝土強度之間呈現出更為直接的相關性。

Veljkovic等[13]針對四種不同類型的混凝土與直徑為8 mm的GFRP筋（同時與相應的標準鋼筋進行了對比分析）以及不同厚度（10 mm和20 mm）的混凝土保護層的組合展開了深入研究。除了關注筋材的材料構成及其外表面特性外，還設計了偏心和中心拉拔試驗，以探究混凝土保護層對粘結性能的具體影響。研究發現，在特定情境下，隨著混凝土保護層厚度的增加，粘結強度反而呈現出下降趨勢。然而，當采用高強度混凝土時，這一現象并不顯著，因此不能將其視為一種普遍規律來對待。

2.4 FRP筋的纖維類型

FRP筋的這些纖維類型因材料特性的不同，導致FRP筋在力學性能、耐久性和與混凝土的粘結性能上存在差異。Achillides等[4]通過對比不同FRP筋的粘結性能，得出了引人注目的結論：GFRP筋與CFRP筋的粘結強度，竟達到了傳統鋼筋粘結強度的約72%。這一數據在考慮到它們表面性質的差異以及粘結破壞類型的多樣性后，顯得尤為突出。此外，芳綸纖維增強聚合物筋材（即AFRP筋）與混合FRP筋的粘結強度，也分別達到了GFRP和CFRP筋的85%和90%。

3 結論與展望

本文的核心目的在于探究影響FRP筋與混凝土之間粘結強度的多個關鍵因素。通過對相關文獻的細致分析，我們得出了以下結論：

（1）從筋材自身的特性來看，筋材的表面處理類型對界面粘結性能的影響較為顯著，相比之下，筋材的纖維類型和直徑對界面粘結性能的影響則相對不那么明顯。在考慮混凝土抗壓強度對粘結性能的影響時，我們發現，隨著混凝土基體抗壓強度的提高，粘結強度也會相應增大，但這一增長趨勢在高強混凝土中表現得相對有限。至于筋材與混凝土之間的粘結長度，當粘結長度設定為筋材直徑的5倍時，通常能獲得較為優異的粘結性能。

（2）未來研究需全面考慮FRP筋與混凝土粘結性能的影響因素，如筋材的肋高、肋間距、表面粗糙度、纖維類型、直徑，及混凝土的抗壓強度、保護層厚度、齡期等，建立精確預測模型。同時，需關注高溫、高濕、腐蝕等復雜環境對粘結性能的影響，評估FRP筋混凝土結構的長期耐久性。

參考文獻

[1]Shi J， Wu M， Ming J. Long-term corrosion resistance of reinforcing steel in alkali-activated slag mortar after exposure to marine environments[J]. Corrosion Science， 2021，179：109175.

[2]Koksal F， Kocabeyoglu E T， Gencel O， et al. The effects of high temperature and cooling regimes on the mechanical and durability properties of basalt fiber reinforced mortars with silica fume[J]. Cement and Concrete Composites， 2021，121：104107.

[3]Bi Q W， Wang Q X， Wang H. Study on bond properties of BFRP bars to basalt fiber reinforced concrete[J]. Advanced Materials Research，2011，163：1251-1256.

[4]Achillides Z， Pilakoutas K. Bond behavior of fiber reinforced polymer bars under direct pullout conditions[J]. Journal of Composites for construction， 2004，8（2）：173-181.

[5]王勃，王學奎，苗賀，等. GFRP筋-海水海砂混凝土粘結性能試驗研究 [J]. 吉林建筑大學學報，2023，40 （06）：15-22.

[6]Wang J， Xiao F， Lai Z， et al. Bond of FRP bars with different surface characteristics to concrete[J]. Structures， 2024，59：105731

[7]Solyom S， Balázs G L. Bond of FRP bars with different surface characteristics[J]. Construction and Building Materials， 2020，264： 119839.

[8]Baena M， Torres L， Turon A， et al. Experimental study of bond behaviour between concrete and FRP bars using a pull-out test[J]. Composites Part B： Engineering， 2009，40（8）：784-797.

[9]S.A. Firas， F. Gilles， L.R. Robert， Bond between carbon fibre-reinforced polymer （CFRP） bars and ultra high performance fibre reinforced concrete （UHPFRC）： experimental study[J]. Construction and Building Materials， 2011，25（2）：479-485.

[10]A. El Refai， M.-A. Ammar， R. Masmoudi， Bond performance of basalt fiber reinforced polymer bars to concrete[J]. Journal of Composites for Construction， 2015，19（3）：04014050.

[11]Shen D， Ojha B， Shi X， et al. Bond stress–slip relationship between basalt fiber-reinforced polymer bars and concrete using a pull-out test[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites， 2016，35（9）：747-763.

[12]黃澤浩. GFRP筋與高強度PE纖維海水海砂混凝土粘結滑移性能的研究[D].廣東工業大學，2022.

[13]Veljkovic A， Carvelli V， Haffke M M， et al. Concrete cover effect on the bond of GFRP bar and concrete under static loading[J]. Composites Part B： Engineering，2017，124：40-53.