GFRP筋與混凝土黏結性能拉拔試驗研究

師曉權，張志強，李志業，李化云

(西南交通大學 土木工程學院 地下工程系，成都 610031)

鋼筋腐蝕引起鋼筋混凝土結構耐久性破壞是土木工程中最普遍的問題之一。隨著纖維筋廣泛應用，使得纖維筋替代鋼筋應用于混凝土結構已成不可逆轉的發展趨勢。玻璃纖維(GFRP)筋具有耐腐蝕、強度高、重量輕、耐電磁、易切割等優點，是一種既能防腐又有良好力學性能及特點的混凝土增強材料。用它替代混凝土結構中的鋼筋，將會較大地提高混凝土結構使用性能，延長混凝土結構使用壽命。但GFRP筋與鋼筋材料性能存在著本質區別，與混凝土間的黏結性能也有很大差異。GFRP筋與混凝土的黏結性能是GFRP筋混凝土結構中最基本的力學行為，是進行GFRP筋混凝土結構設計與應用的基本前提。因此，筆者通過135個GFRP筋和20個鋼筋混凝土試件拉拔試驗，對GFRP筋與混凝土黏結性能進行了細致研究，并得出有價值的結論。

1 試驗概況

1.1 筋材

試驗筋材為深圳生產的螺紋 GFRP筋，在 GFRP筋錨固試驗之前，通過筋材拉拔試驗，確定GFRP筋基本力學參數，見表1。試驗中鋼筋為二級螺紋鋼筋。

1.2 試驗設計

為全面研究GFRP筋與混凝土黏結性能，探明纖維筋直徑、錨固長度、混凝土強度等相關因素對黏結性能的影響，試驗設計如下:

表1 GFRP筋力學性能

1)GFRP 筋直徑為 φ10，φ12，φ14，φ18，φ22，φ25，φ28，φ32 mm;使用塑料管分隔筋材與混凝土來嚴格控制錨固長度，錨固長度分別為 5d，10d，15d，20d(d為筋材直徑)，同時在纖維筋自由端粘貼鋼管避免筋材被夾具夾碎。

2)試件制作標準參考《混凝土結構試驗方法標準GB50152—92》。采用兩種試件尺寸，當筋材直徑小、錨固長度短時，使用標準模具(200 mm×200 mm×200 mm)，如圖1;當直徑大、錨固長度長時，則采用特制混凝土模板拼制相應模具，如圖2。

3)為避免試驗結果離散，每種試件均制備5個樣本，混凝土按C20，C30，C40三種級別考慮。

1.3 加載與量測

圖1 拉拔試件示意(單位:mm)

圖2 拉拔試件示意 (單位:mm)

已有研究結果表明［1］，纖維筋與混凝土“黏結—滑移”曲線分為上升段、下降段和殘余段。考慮到大多數工程結構設計、應用僅涉及使用階段(即上升段)，人們主要關注筋材的錨固位移、錨固長度及最大錨固力等相關問題，故本次試驗通過中空千斤頂及千分表量測滑移曲線上升段拉拔力及拔出位移，對黏結滑移曲線上升段進行精確確定，忽略下降段及殘余段的量測。

2 試驗結果分析

2.1 破壞形態及機理分析

試驗結果匯總見表2;試件破壞形態有筋材拔出、筋材斷裂、鋼套管拔脫、混凝土劈裂等四種形式，見圖3。試驗結果表明，錨固長度為5d時，纖維筋試件發生筋材拔出和混凝土劈裂破壞，而鋼筋試件均為筋材拔出破壞。分析原因可知，纖維筋彈性模量與混凝土相差不大、剛度相當，在縱向滑移過程中，會產生較大徑向膨脹力，若混凝土保護層厚度不足，則出現混凝土劈裂破壞。相對而言，鋼筋剛度遠大于混凝土，鋼筋在外力作用下直接將混凝土剪碎，導致承載力喪失發生拔出破壞。錨固長度等于15d時，直徑≤φ25 mm的纖維筋試件破壞形態全部為筋材斷裂，可見筋材與混凝土間的錨固力已大于筋材極限抗拉強度。對于φ28 mm，φ32 mm的纖維筋試件，由于混凝土保護層厚度不足及鋼套管黏結強度不夠，出現了筋材斷裂、混凝土劈裂和鋼套管拔脫三種破壞形態。錨固長度等于20d時，φ28 mm，φ32 mm纖維筋試件再次出現以上三種破壞形態。

表2 試驗結果匯總

2.2 直徑對黏結強度影響

圖3 試件破壞形態

GFRP筋的黏結強度定義為在黏結長度內黏結應力的平均值，即拉拔力除以筋材與混凝土接觸面積所得到的值為錨桿與砂漿之間的平均黏結強度。

式中，d，l分別為GFRP筋或鋼筋的直徑和黏結長度;F為拉拔力。

兩種筋材從開始受力到極限破壞“黏結—滑移”曲線接近線性關系，GFRP筋曲線位于鋼筋曲線下方，如圖4。這是由于纖維筋彈性模量較低，相同外荷載下會產生較大變形，并且隨著外荷載增大泊松效應將導致筋材橫截面略微減小，降低纖維筋與混凝土機械咬合力。在錨固長度相同時，無論鋼筋還是纖維筋，隨著直徑增大黏結強度均處于下降趨勢，見圖5。因為筋材直徑越大，相對黏結面積越小，為獲得同樣的黏結力需要更多的錨長，而黏結強度隨著錨長的增加而降低，同時對于大直徑纖維筋而言，還存在剪切滯后效應［2］。通過研究還可發現在錨固長度、筋材直徑相同的條件下，鋼筋與纖維筋黏結力比例系數為1.2～1.5，換言之，同等條件下纖維筋的錨固長度為鋼筋的1.2～1.5倍，這對編制纖維筋混凝土規范及指南具有指導意義。

圖4 筋材“黏結—滑移”曲線

2.3 錨固長度對黏結強度影響

圖5 不同筋材直徑黏結強度對比

當錨固力與筋材極限抗拉相同時，即錨固失效與GFRP筋受拉斷裂同時發生，此時的錨固長度稱為最小錨固長度。最小錨固長度是進行纖維筋混凝土結構設計規范編制的基本參數。通過不同筋材直徑、不同錨固長度試驗得到如下認識:隨著錨固長度增加，黏結強度逐漸下降，原因是錨長較長時，應力分布很不均勻，高應力區相對較短，故平均極限黏結強度較低;錨長較短時，高應力區相對較長，應力分布均勻，平均極限黏結強度較高。對φ10 mm～φ25 mm纖維筋而言，當錨固長度≤15d時均出現筋材斷裂現象。φ28 mm纖維筋錨固長度由5d變成20d，黏結強度下降25%，但筋材的應力卻增加122%為525 MPa，已達到筋材極限抗拉強度，見圖6、圖7。通過研究給出如下建議，在鋼套管黏結強度及混凝土保護層厚度得到保證的前提下，纖維筋最小錨固長度可以取為20d，該錨固長度對于纖維筋發生斷裂破壞而非拔出破壞，具有可靠的保證率，能滿足工程要求。

圖6 不同錨長黏結強度曲線

圖7 不同錨長筋材應力曲線

2.4 混凝土強度對黏結強度影響

已有研究表明，鋼筋與混凝土的黏結強度同混凝土抗壓強度 f′c的平方根成線性關系［3］。纖維筋的彈性模量為鋼筋彈性模量1/5，且這兩種筋材與混凝土黏結面破壞機理不盡相同，因此這一結論不適合纖維筋。試驗表明，提高混凝土等級能提高混凝土的抗剪、抗拉強度，對于增強黏結強度有一定促進作用，見圖8。混凝土強度由 C20變為 C40，對于不同直徑纖維筋黏結強度整體略有增加，但效果并不顯著，而且隨著直徑改變還具有明顯的波動性。

圖8 混凝土強度對黏結力的影響

2.5 GFRP筋與混凝土黏結剛度

現有研究成果中，有關纖維筋黏結剛度的成果甚少。通過本次試驗數據對纖維筋與混凝土之間黏結剛度進行分析，為相關纖維筋數值模擬試驗分析提供最基礎的分析參數。

纖維筋與混凝土的黏結剛度k定義可表示為

式中，F為拉拔力(N);d為錨桿的直徑(mm);l為錨桿的錨固長度(mm);Δu為錨桿與混凝土界面的相對軸向位移(mm)。

根據試驗結果繪制“黏結—滑移”曲線，該曲線的斜率即為黏結剛度k。通過前面試驗成果分析可知，纖維筋“黏結—滑移”曲線上升段近似線性，對其進行一元線性擬合，擬合直線斜率即為黏結剛度k。本次試驗纖維筋與混凝土黏結剛度見圖9。

結果表明，黏結剛度較大值發生在小直徑、埋深淺的試件中;剛度較小值發生在直徑大、埋深長的試件中。

當直徑為φ14 mm，錨固長度為5d，其黏結—滑移曲線擬合公式為:y=1.915 7x+2.835 1，R2=0.962，黏結剛度可取1.915 7 MPa/mm;

當直徑為φ32 mm，錨固長度為15d，其黏結—滑移曲線擬合公式為:y=0.604 7 x+0.510 1，R2=0.978 7，黏結剛度可取0.604 7 MPa/mm;

圖9 黏結剛度擬合曲線

因此，可確定出纖維筋與混凝土的黏結剛度k的范圍為0.604 7～1.915 7 MPa/mm。

3 結論

1)拉拔試件有筋材拔出、筋材斷裂、鋼套管拔脫、混凝土劈裂四種破壞形態，破壞形態與錨固長度、混凝土保護層厚度及鋼套管黏結強度有密切關系。

2)纖維筋與混凝土黏結強度隨著直徑增加而降低，同等條件下鋼筋與纖維筋黏結比例系數為1.2～1.5，即纖維筋錨固長度為鋼筋的1.2～1.5倍，這對編制纖維筋混凝土規范及指南具有指導意義。

3)在鋼套管黏結強度與混凝土保護層厚度得到保證的前提下，纖維筋最小錨固長度可以取為20d，該錨固長度對于纖維筋發生斷裂破壞而非拔出破壞，具有一定可靠保證率。

4)混凝土強度等級提高對纖維筋黏結強度略有改善，但效果并不顯著。

5)采用一元線性擬合確定出纖維筋與混凝土的黏結剛度k取值范圍為0.604 7～1.915 7 MPa/mm，為相關纖維筋數值模擬試驗提供最基本參數。

［1］薛偉辰，劉華杰，王小輝.新型FRP筋黏結性能研究［J］.建筑結構學報.2004，25(2):104-109.

［2］郝慶多，王言磊，侯吉林，等.GFRP帶肋筋黏結性能試驗研究［J］.工程力學，2008，25(10):158-179.

［3］藍宗建.混凝土結構設計原理［M］.南京:東南大學出版社，2008.