CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結性能試驗研究

王 磊，吳 翔，曾 榕，易 金(.桂林理工大學土木與建筑工程學院, 廣西 桂林 54004；2.廣西建筑新能源與節能重點實驗室, 廣西 桂林 54004)

0 引 言

隨著海洋資源的深度開發和利用，海洋權益的爭奪也日漸加劇，包括軍事在內的海洋工程建設日漸增多，對于遠離大陸的島礁工程建設來說，所需的各項材料需要從大陸運輸，其運輸成本非常昂貴[1]。開發可以就地取材的建筑材料是島礁建設的迫切問題，而以珊瑚碎屑為骨料的珊瑚混凝土給人們一個選擇途徑。珊瑚碎屑為珊瑚蟲死后的產物，主要化學成分為碳酸鈣，在我國南海諸島中大量分布，其質輕、多孔、筒壓強度大于2.0 MPa，根據我國混凝土骨料的分類，可作為天然輕骨料來配置混凝土[2,3]。然而，由于長期以來海洋權益保護意識的淡薄所導致的島礁建設低需求，珊瑚混凝土開發利用的相關研究并不為人所重視，加之珊瑚混凝土本身所存在的先天性缺陷，其應用范圍局限于不加鋼筋的路基路面等低層次的混凝土工程。

濕熱海洋環境以及珊瑚碎屑所含的大量鹽分導致的鋼筋銹蝕問題，是困擾珊瑚混凝土工程應用的最主要障礙。近些年來，以碳纖維(CFRP)筋、玻璃纖維(GFRP)筋、玄武巖纖維(BFRP)筋等為代表的纖維增強塑料筋(Fiber Reinforced Polymer Rebar，簡稱FRP筋)，以其出色的力學性能、優異的耐腐蝕性等優點在有特殊要求的工程領域得到越來越廣泛的應用[4]，也為珊瑚混凝土相關耐久性問題的解決提供了新的途徑。但是，以當前的研究現狀，無論是傳統的鋼筋混凝土結構理論，還是FRP筋混凝土結構的研究成果，在描述FRP筋珊瑚混凝土的基本力學性能特征時均存在明顯的局限性，這方面的不足嚴重制約了FPR筋珊瑚混凝土結構在島礁建設的實際工程應用。本文針對這一問題，開展了FRP筋與珊瑚混凝土的黏結性能試驗研究。不僅為FRP筋結構在島礁的實際工程應用提供理論基礎，也將對完善FRP筋混凝土相關理論產生積極影響。

1 試驗概況

1.1 筋 材

試驗筋材為浙江海寧安捷復合材料有限公司生產的螺紋CFRP筋，在CFRP筋的筋錨固試驗之前，通過筋材拉拔試驗，確定CFRP筋基本力學參數，見表1。

表1 CFRP的物理力學性能Tab.1 Physico-mechanical properties of CFRP bars

1.2 珊瑚骨料及配合比設計

本次試驗采用的粗骨料為北海潿洲島上分布的珊瑚砂，其形狀分為條狀和塊狀，具有輕質、多孔的特點，按照我國混凝土骨料分類，屬于天然輕骨料的一種，見圖1。

圖1 珊瑚骨料Fig.1 Coral aggregate

試驗對珊瑚骨料24 h吸水率進行測定。1 h吸水率為17.8%，3 h吸水率為18.6%，7 h以后基本趨于飽和，達到峰值時為19.4%，此后骨料吸水基本處于飽和狀態，不再增加，具體見表2。

本次試驗設計擬用珊瑚混凝土強度等級為C15、C20、C25，均采用實驗室配合比，其中水灰比為凈用水量計算得出，由于珊瑚骨料的特性，還要加上珊瑚骨料1 h的吸水率17.8%作為附加用水[5]，附加用水量為127.4 kg/m3。珊瑚混凝土的水灰比及物理力學性能，見表3。

表2 珊瑚骨料吸水率Tab.2 Water-absorption of coral aggregate

表3 珊瑚混凝土的水灰比及物理力學性能Tab.3 Water-cement ratio and physico-mechanical properties of coral aggregate

1.3 試驗設計

為了研究CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結性能，探明纖維筋種類、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。

采用中心拉拔試驗方法，試件制作標準參考《混凝土結構試驗方法標準》(GB50152-2012)。本次試驗共澆筑10組30個帶CFRP筋的珊瑚混凝土立方體試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，詳見表4。為了消除試件加載端的端部效應，在加載端設置未黏結段，自由段設置黏結區，用塑料套管將FRP筋與珊瑚混凝土隔離，黏結長度通過調整塑料套管的位置來實現。在制作拉拔試件的同時，同批澆筑3個邊長為150 mm的標準立方體試件，并在相同的條件下，同期養護28 d，用來測量各種配合比混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度。

表4 試件設計Tab.4 The specimen design

1.4 加載方案

本次試驗的加載裝置示意圖，見圖2。整個拉拔裝置體系由4根高強螺桿、2根角鋼和1塊中心鉆孔的30 mm厚的鋼板組成。在試驗中用到2個電子百分表，電子百分表1測量鋼板的變形值，電子百分表2測量CFRP筋的自由端絕對滑移值，兩者的差值即為CFRP筋的相對滑移值。現場拉拔試驗加載裝置，見圖3。

1-電子百分表1；2-電子百分表2；3-FRR筋；4-塑料套管；5-瑚珊混凝土；6-30 mm厚鋼板；7-高強螺桿圖2 拉拔試驗裝置示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic of the pull-out test device

圖3 現場拉拔試驗加載裝置Fig.3 The pull-out test loading device on site

本次試驗計算試件的平均黏結應力采用公式(1)，即：

(1)

式中：τ為平均黏結應力；P為拉拔力；d為FRP筋的直徑；ln為黏結長度。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態及機理分析

本次試驗總共制作了30個中心拉拔試件，對30個試件全部進行了拉拔試驗。本次試驗未出現劈裂破壞，試件的主要破壞形式為FRP筋與珊瑚混凝土的滑移破壞以及FRP筋斷裂。

(1)FRP筋與珊瑚混凝土滑移破壞。本次試驗，10組中心拉拔試件中總共25個試件都發生了黏結滑移破壞；其中CFRP筋在加載開始后不久，試件的自由端就產生了滑移，滑移值基本上是隨著荷載值的增加而線性增加；繼續加載當達到極限滑移荷載后，自由端滑移值突然增大，加載端滑移值迅速下降，甚至降到接近0值。但是，CFRP筋并未被全部拔出，黏結力也沒有全部消失；此時若繼續加載，自由端滑移值會進一步增大，而荷載值會出現上升下降的逐步遞減趨勢，直至CFRP筋全部拔出。GFRP筋也會發生類似的破壞過程，但是在上升過程中，速度會更快，峰值會較小，并且在下降的過程中，殘余應力也較小。FRP筋的滑移破壞，見圖4。

圖4 CFRP筋黏結滑移破壞Fig.4 The slip failure of CFRP bars

(2)FRP筋斷裂。在本次試驗中，直徑8 mm，黏結長度大于10d的8個中心拉拔試件發生了CFRP筋斷裂。在試驗加載過程中可以清楚地聽到纖維與樹脂的剝離聲，最后隨著“啪”的一聲巨響，CFRP筋的纖維散開，筋被拉斷；GFRP筋沒有發生斷裂現象。CFRP筋被拉斷時均未達到其極限抗拉強度，這可能是因為其在運輸以及澆筑過程中，CFRP筋受到了部分損傷，還有制作過程中纖維和樹脂未能均勻混合，導致在試驗時，受力不均勻，造成局部應力集中[6]。CFRP筋的斷裂，見圖5。

圖5 CFRP筋斷裂Fig.5 The CFRP bars fracture

2.2 黏結-滑移曲線

本次試驗有25個試件為黏結滑移破壞，并測得了相應的自由端黏結-滑移曲線，現給出一個CFRP筋的自由端黏結-滑移曲線做具體分析，見圖6。

圖6 CFRP筋黏結-滑移曲線Fig.6 The bond-slip curve of CFRP bars

通過觀察圖6可知，與普通混凝土和FRP筋一樣[7]，珊瑚混凝土和FRP筋的黏結滑移曲線也可大致分為4個階段，但每個階段局部有所不同，具體如下：

(1)微滑移階段。在FRP筋拔出的初始階段，FRP筋加載端的滑移量很小，而自由端尚未開始滑移，在這一階段，滑移慢慢從加載端向自由端發展，但未達到自由段頂部；此時FRP筋與周圍珊瑚混凝土基體之間的黏結力主要為化學膠著力。珊瑚混凝土相對與普通混凝土微滑移階段時間比較短，也就是這一階段同一黏結強度對應的滑移量更大，提前進入滑移階段。

(2)滑移階段。隨著荷載的增加，化學膠著力逐漸喪失，自由端開始出現滑移，黏結滑移曲線開始呈現非線性狀態；此時的黏結力主要為FRP筋與珊瑚混凝土基體之間的機械咬合力和摩擦力。

(3)拔出階段。當荷載加載至極限荷載附近，FRP筋與珊瑚混凝土基體之間的相對滑移進一步增加；當荷載繼續增加到達極限荷載時，FRP筋周邊的珊瑚混凝土被剪碎，黏結滑移曲線出現了明顯的轉折；此時的黏結力仍由FRP筋與周圍珊瑚混凝土基體之間的摩擦力以及機械咬合力組成。珊瑚混凝土中的FRP筋極限黏結應力對應的滑移量約為2.5～3 mm，小于普通混凝土的3～5 mm。

(4)殘余階段。荷載到達峰值后，荷載迅速下降，滑移值大幅增長，繼續加載荷載會出現上升下降的逐漸遞減過程，直至FRP筋被拔出。這一階段的黏結力仍然由機械咬合力以及摩擦力組成。珊瑚混凝土中的FRP筋進入殘余階段對應的殘余應力值為峰值的30%左右，而普通混凝土對應的殘余應力值為峰值的40%左右。

2.3 直徑對黏結強度的影響

本文設計了黏結長度均為5d時，不同直徑CFRP筋在相同珊瑚混凝土強度下的2組中心拉拔試驗，結果數據如圖7所示：隨著CFRP筋的直徑增大，其極限平均黏結強度顯著減小。主要原因為以下幾點：

(1)CFRP筋的黏結面積與面周界長度成正比，而拉力與截面面積成正比，二者的比值反映了CFRP筋的相對黏結面積，在相同的黏結長度時，直徑較大的相對黏結面積反而減小，降低了CFRP筋與珊瑚混凝土之間的黏結性能。

(2)CFEP筋的直徑越大，包裹在CFRP筋表面的珊瑚混凝土泌水就會越嚴重，CFRP筋表面就會有較大的空隙，導致CFRP筋與珊瑚混凝土之間的黏結性能降低[8]。

(3)對于中心拉拔試驗中較大直徑的CFRP筋，筋的截面中心與筋的表面變形不一致，從而導致CFRP筋截面正應力分布不均勻，產生了剪應力滯后現象，不利于極限黏結強度[9]。但相比較普通混凝土與FRP筋的黏結滑移曲線[7]，可以發現普通混凝土中極限平均黏結強度隨直徑下降的幅度很小，在10%以內，而珊瑚混凝土極限平均黏結強度下降幅度更加顯著，如圖7所示。

圖7 不同直徑的CFRP筋黏結-滑移曲線Fig.7 The bond-slip curve of different diameters CFRP bars

2.4 錨固長度對黏結強度的影響

本文設計了CFRP筋直徑均為8 mm時，不同錨固長度的CFRP筋在相同珊瑚混凝土強度下的3組中心拉拔試驗，結果數據如圖8所示：在一定錨固長度內，隨著錨固長度的增大，極限平均黏結強度減小。相關研究表明[10]：這是由于在中心拉拔的試件中應力拱作用產生的峰值效應而導致的；黏結應力在錨固長度內分布是不均勻的，當錨固長度較小時，高應力區分布較長，平均黏結應力較大；當錨固長度較大時，高應力區分布較短，所以平均黏結應力較小。相對于普通混凝土[7]，珊瑚混凝土中FRP筋極限平均黏結強度隨著錨固長度的增加，變化相對平緩；其中從表8可以看出黏結長度從5d增大到12d，而極限平均黏結強度只下降了4.8%。

圖8 不同錨固長度的CFRP筋黏結-滑移曲線Fig.8 The bond-slip curve of different anchorage length CFRP bars

2.5 珊瑚混凝土的強度等級對黏結強度的影響

本文設計了黏結長度均為10d時，不同等級珊瑚混凝土強度在相同直徑的CFRP筋下的3組中心拉拔試驗，結果數據如圖9所示：珊瑚混凝土強度從C15增加到C20，CFRP筋的極限平均黏結強度上升了26%；從C20增加到C25，CFRP的極限平均黏結強度上升了39%。也就是說在強度小于C30的情況下，隨著珊瑚混凝土強度的提高，CFRP筋的黏結強度增長顯著。相關研究表面[9]，FRP筋與混凝土間的黏結破壞與普通鋼筋混凝土存在較大差異，主要表現在：①鋼筋混凝土中平均黏結強度與混凝土抗壓強度的平方根呈比例的結論已不再適用于強度較高的FRP筋混凝土。②由于FRP筋的材料性質與鋼筋不同，對于C30及以上混凝土來說，FRP筋的表面剛度和抗剪強度均低于混凝土的強度，拔出破壞時以筋材表面肋被削弱或剪切破壞為主要特征，隨著混凝土強度的提高，對拔出破壞的黏結性能影響不大。

圖9 不同強度等級珊瑚混凝土的CFRP筋黏結-滑移曲線Fig.9 The CFRP bars bond-slip curve with different strength grades of coral concrete

3 結 論

本文對30個FRP筋中心拉拔試件進行了試驗研究，主要研究CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結性能，得到以下結論：

(1)CFRP筋的拔出受力過程大致可以分為四個階段：微滑移階段、滑移階段、拔出階段和殘余階段。

(2)CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結強度隨著CFRP筋直徑的增加而顯著減小。

(3)CFRP筋在一定錨固長度內，隨著錨固長度的增大，極限平均黏結應力相應減小。

(4)在珊瑚混凝土強度較低的情況下，CFRP筋的黏結強度隨著珊瑚混凝土強度提高而增長。

(5)CFRP筋的種類、生產規格、筋表面處理情況等因素對黏結強度影響較大，試驗結果所表現出的離散性明顯高于鋼筋與混凝土間的黏結。

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[1] 王 磊，趙艷林，呂海波. 珊瑚骨料混凝土的基礎性能及研究應用前景[J].混凝土，2012,(2).

[2] GB/T 17431.1-2010，輕集料及其試驗方法第一部分：輕集料[S].

[3] JGJ51-2002，輕骨料混凝土技術規程[S].

[4] 呂志濤. 高性能材料FRP應用與結構工程創新[J]. 建筑科學與工程學報，2005，22(1).

[5] 李 林. 珊瑚骨料預濕對混凝土力學性能的影響[J]. 混凝土，2011,(1).

[6] 張永康，高曉明. FRP筋與混凝土黏結性能試驗研究[J]. 城市道橋與防洪，2012,(10).

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[10] 王洪昌. 超高韌性水泥基復合材料與鋼筋黏結性能試驗研究[D]. 遼寧大連：大連理工大學，2007