FRP筋與混凝土粘結性能試驗研究

王 強，金清平，姜天華

（武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065）

由于鋼筋的銹蝕，導致混凝土結構的破壞，此類工程事件屢見不鮮。纖維聚合物筋（Fiber Reinforced Polymer Bars）［1］具有輕質高強、耐腐蝕性能好、可設計性能好等優點。FRP筋作為鋼筋的替代物在工程結構中得到廣泛的應用。目前國內外對FRP筋與混凝土的粘結性能研究已經取得了一定的成果［2，3］。Larralde等人［4，5］進行拉拔試驗是采用同直徑的GFRP筋，并采用不同錨固長度進行研究以探索其破壞狀態。Al－Zahrani等人［6］研究表明：粘結應力的變化呈現非線性不均勻分布［7］。謝晶晶等分析了FRP筋錨桿的粘結滑移，同時研究了支護設計方法，得到了粘結滑移本構關系的簡化模型［8］。FRP筋與混凝土結構的協同工作中，粘結性對結構的安全性耐久性是相當重要的。

1 試驗方案

FRP筋與混凝土進行粘結性能試驗研究是采用中心拉拔試驗方法。試驗中，記錄每一試件的最大拉拔破壞力、破壞方式以及試驗現象。

本試驗所用的材料為深圳海川新材料科技有限公司所生產的乙烯基GFRP筋。采用?20、?25兩種直徑的GFRP筋。GFRP筋幾何尺寸如表1所示。現場澆筑混凝土試塊，制作邊長150mm混凝土立方體與拉拔試塊。并在相同條件下進行養護28d。

表1 不同直徑GFRP筋的幾何尺寸表

參照錨桿試驗拉拔規程進行試驗操作。試驗前，檢查手動泵或電動泵的油量和各連接部位是否牢固，確認無誤后再進行試驗。試驗時應緩慢均勻地操作手動泵壓桿。當錨桿出現明顯位移時，停止加壓。記錄錨桿拉力計此時的讀數，即為拉拔試驗值。錨桿拉拔計在試驗過程中應固定牢靠錨桿。拉拔時應緩慢地逐級均勻加載，直到錨桿滑動或桿體破壞為止，并做詳細記錄。

常用的粘結試驗有拉拔試驗和梁式試驗。該文采用的是拉拔試驗。拉拔試驗試件為邊長150mm混凝土立方體［9］。粘結長度為直徑3～5倍。如圖1所示。拉拔試塊加載裝置采用微機控制電液伺服萬能試驗機，拉拔試塊固定于自制鋼筋反力架中，焊接于反力架底部的鋼板固定于萬能試驗機，用萬能試驗機的另一端夾住FRP筋。試驗時，采用電腦控制加載。試驗過程中勻速加載，試件發生破壞時就立即停止試驗。

2 拉拔試驗

2.1 試驗現象描述

試驗過程中隨著加載速率的增大，可清晰地聽到連續的噼啪聲，在荷載達到40.8kN時，直徑25的試件發生拔出破壞。抽出的GFRP筋體有摩擦痕跡，并且有一些粉末狀的混凝土碎屑。FRP筋與混凝土的粘結破壞會出現三種破壞形式［10］：筋拔出破壞、混凝土劈裂片破壞和筋拉斷破壞。本次試驗中出現兩種破壞形式：筋拉出破壞、混凝土劈裂破壞，如圖2所示。

2.2 試驗結果分析

1）不同直徑的試驗結果分析

根據要求，在保證變量養護齡期及埋深相同時，進行不同直徑GFRP筋拉拔試驗對比。對于該文，符合以上要求的只有埋深100mm的直徑?20和直徑?25拉拔試件。經過計算分析可知，直徑20的桿件在埋深為100mm（5d）時，其受到的拉拔承載力平均值為45.5kN，粘結強度平均值為7.24MPa。直徑25的桿件在埋深為100mm（5d）時，其受到的拉拔承載力平均值為45.63kN，粘結強度平均值為5.57MPa。記錄數據如表2所示。

表2 不同直徑對比試驗結果表

由表2可知直徑?20的桿件拉拔承載力為45kN與直徑?25的桿件承載力45.32kN，相差不大，影響不太明顯。由于試驗數據的限制，對于本次試驗，筋體直徑大小對試件的拉拔承載力的影響不太明顯，還有待更深入的研究。對于粘結強度，直徑?25兩個試件的粘結強度為5.77MPa、4.07MPa均小于直徑?20兩個試件7.32MPa、7.16MPa。兩者相差比較大，變化比較明顯。對于粘結強度，其大小隨直徑的增加而減小。

2）不同埋深桿件拉拔對比試驗

本次比較選用齡期28d，直徑?20、?25兩組數據進行分析。經分析可知，拉拔承載力隨著直徑的增加而增大。直徑?20中，直徑3d至4d拉拔承載力平均增長率為19.9%，直徑4d至5d平均增長率為10.25%。直徑?28中，直徑3d至4d拉拔承載力平均增長率為22.3%，直徑4d至5d平均增長率為21.7%。由此可知，隨之埋深的增大，拉拔增長率逐漸減小。將粘結強度繪成折線圖，如圖3所示。

由上述4條變化曲線可分析得隨著埋深的增加，對應拉拔試件的粘結強度是減小的。對于直徑?20拉拔試件，粘結強度的變化比較明顯，隨著埋深倍數的增加，粘結強度減小的速率減慢。而對于直徑稍大的?25，粘結強度的變化曲線相對比較平緩，變化也比較不明顯。

試驗表明直徑與埋置深度對粘結強度的影響是比較明顯的。粘結強度隨著直徑與粘結長度的增加而減小。

3 結論及展望

a.GFRP筋拉拔承載力與直徑和埋深的關系。拉拔承載力隨著直徑和埋深的增大而增大，而增長率逐漸減小。隨著直徑與粘結長度的增大，GFRP筋與混凝土之間的粘結強度逐漸減小。

b.FRP是代替鋼筋腐蝕而提高混凝土耐久度工作的，但此次試驗未曾考慮過在侵蝕環境下的工作狀況。試驗中可以適當模擬工程實際情況，試件周圍有其他荷載的情況下進行拉拔試驗。

c.FRP筋表面螺紋情況及混凝土強度對FRP筋與混凝土的粘結性能影響還需深入研究。

［1］ 陳小兵，李 榮，丁 一.高性能纖維復合材料土木工程應用技術指南［M］.北京：建筑工業，2009.

［2］ 薛偉辰，劉華杰，王小輝.新型FRP筋粘結性能研究［J］.建筑結構學報，2004（2）：92－94.

［3］ Tighiouart B，Benmokrane B，Gao D.lnvestigation of Bond in Concrete Member with Fibre Rernforced Polymer（FRP）Bars［J］.Construction and Building Materials，1998（12）：453－462.

［4］ LarraldeJ，Silva－Rndriguez R.Bond and Slip of FRP Rebars in Concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineedng，1993，5（1）：30－40.

［5］ Larmlde J，Silva－Rodfiguez R，Burdeue J，et al.Bond Tests of Fiber Glass－reinforced Plastic Bars in Conercte［J］.Journal of Testing ＆Evaluation，1994，22（4）：351－359.

［6］ AI－Zahrani Mesfer M，AI－Dnlaijan Salah U，Narmi Antonio Bakis Charles E，et al.Evaluation of Bond Using FRP Rods with Axisymmetric Deformations［J］.Construction and Building Materials，1999，13（6）：299－309.

［7］ 周高永.砂漿粘結GFRP土釘的工作性能試驗研究［D］.河南：鄭州大學，2010.

［8］ 謝晶晶.纖維增強塑料筋錨桿錨固機理及設計方法的研究［D］.鄭州大學，2002.

［9］ 王大強，劉曉麗，汪 輝，等.纖維筋與高強度纖維混凝土的粘結性能［J］.低溫建筑技術，2011，33（6）：14－16.

［10］孫曉燕，姚晨純，王海龍，等.FRP筋與混凝土粘結性能的研究進展［J］.結構設計與施工技術，2012（06）：49－54.