反復(fù)荷載下GFRP筋與混凝土黏結(jié)性能

高永紅，申俊宇，金清平，汪光波，向亞男

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 武漢 430065)

0 前言

自20世紀(jì)末開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-10]研究了一般室內(nèi)外環(huán)境下纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)筋與混凝土的黏結(jié)性能，提出了影響兩者間黏結(jié)性能的主要因素，這些因素有FRP筋組分、直徑、錨固長(zhǎng)度、表面形狀、混凝土強(qiáng)度、齡期、澆筑位置、保護(hù)層厚度等；另有國(guó)內(nèi)外學(xué)者[11-14]研究了高溫、凍融、高溫高濕、堿液、持續(xù)荷載等惡劣環(huán)境下兩者間黏結(jié)性能，研究表明，上述環(huán)境因素均在一定程度上影響著兩者間的黏結(jié)性能，多因素耦合條件下的試驗(yàn)研究目前相對(duì)較少，需進(jìn)一步深入開(kāi)展。上述關(guān)于FRP筋與混凝土黏結(jié)性能的考察從加載方式來(lái)看大多集中在單調(diào)靜力加載下的黏結(jié)試驗(yàn)研究，目前僅有少數(shù)研究[15-18]是針對(duì)反復(fù)荷載下FRP筋黏結(jié)性能。Juliana考查了持續(xù)荷載、凍融循環(huán)及疲勞荷載作用等3個(gè)因素耦合下GFRP混凝土橋面板中兩者的黏結(jié)性能。研究表明，3因素耦合作用下，黏結(jié)強(qiáng)度下降幅度約為50 %，疲勞荷載相對(duì)于持續(xù)荷載及凍融循環(huán)作用而言，其影響更顯著。Amnon考查了循環(huán)荷載作用下FRP筋與混凝土的黏結(jié)性能，研究表明，循環(huán)荷載作用下黏結(jié)強(qiáng)度下降明顯，一個(gè)循環(huán)后其下降了約20 %。基于目前研究，反復(fù)荷載作用對(duì)FRP筋與混凝土黏結(jié)性能影響并不是十分清楚，亦未形成較統(tǒng)一的結(jié)論。

本文基于中心拉拔試驗(yàn)，研究了不同應(yīng)力水平反復(fù)荷載對(duì)GFRP筋與混凝土黏結(jié)性能的影響，具體考查了應(yīng)力水平、循環(huán)次數(shù)、埋深等對(duì)黏結(jié)滑移滯回曲線(xiàn)、滑移量、黏結(jié)強(qiáng)度、黏結(jié)剛度、卸載剛度等的影響，為深入研究GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

GFRP筋，基體為聚乙烯，材料密度1.9～2.2 g/cm3，表面呈螺紋狀，直徑16 mm，深圳海川新材料科技有限公司；

C35混凝土，坍落度為35～50，配合比為水泥∶水∶砂∶石子為1∶0.54∶1.79∶3.32，水泥為華新P.O.42.5型號(hào)普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為普通中砂，粗骨料為粒徑不大于20 mm的碎石。

1.2 主要設(shè)備及儀器

微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WAW-1000，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司；

反力架，自制，可調(diào)節(jié)適應(yīng)試件尺寸，強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求；

混凝土塑料試模，200 mm×200 mm×200 mm，武漢致誠(chéng)模具有限公司。

1.3 樣品制備

制備中心拉拔試件，尺寸均為200 mm×200 mm×200 mm，按照上述配合比制備混凝土，采用專(zhuān)用混凝土塑料試模澆筑成型，澆筑前需固定GFRP筋的位置使其保持垂直，筋體與混凝土非黏結(jié)區(qū)用聚氯乙烯(PVC)套管隔開(kāi)，共澆筑了17個(gè)立方體試件；試件的構(gòu)造如圖1所示，圖1中d表示GFRP筋的直徑，單位mm；另澆筑5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)抗壓試塊與試驗(yàn)試件同條件養(yǎng)護(hù)于養(yǎng)護(hù)室28 d;

圖1 試驗(yàn)試件示意圖Fig.1 Diagram of test specimen

在進(jìn)行黏結(jié)試驗(yàn)前，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到其平均抗壓強(qiáng)度為43.45 MPa，混凝土強(qiáng)度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

混凝土立方體抗壓試驗(yàn)測(cè)試:采用微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，按照GB/T 50081—2002[19]規(guī)定的方法測(cè)定，加載速度0.5 MPa/s;在進(jìn)行黏結(jié)試驗(yàn)前，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到其平均抗壓強(qiáng)度為43.45 MPa，混凝土強(qiáng)度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求;

拉拔性能測(cè)試:采用微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，配合反力架，參考ACI 440.3R-12[20]及CSA S806-02[21]規(guī)范要求，設(shè)定加載速度0.2 mm/min，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)加載，加載方式分為靜載和反復(fù)加載，試驗(yàn)加載裝置如圖2所示；

(a)試驗(yàn)裝置 (b)示意圖圖2 試驗(yàn)裝置及示意圖Fig.2 Test device and schematic diagram

GFRP筋加載端位移由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)操作系統(tǒng)采集，加載過(guò)程中，每3 kN記錄一次滑移量和荷載，直到達(dá)到以下條件之一為止：(1)GFRP筋發(fā)生斷裂破壞；(2)混凝土劈裂破壞；(3)加載端滑移量較大且荷載到峰值后開(kāi)始下降。

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞形態(tài)

靜力加載時(shí)，GFRP筋混凝土拉拔試件的破壞形式均為GFRP筋拔出破壞；當(dāng)拉拔力至峰值后，混凝土試塊表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋(如圖3所示)，試件仍能承受一定的拉拔力，達(dá)到峰值后卸載并終止試驗(yàn)。

(a)加載端 (b)自由端圖3 試件典型破壞形式Fig.3 Typical failure mode of specimen

等應(yīng)力幅反復(fù)加載時(shí)，采用60 %Fm和80 %Fm極限拉拔力(Fm為對(duì)應(yīng)組靜載拉拔力峰值均值)循環(huán)10次，再靜力加載至破壞，若循環(huán)過(guò)程中發(fā)生黏結(jié)破壞，則終止試驗(yàn)，反復(fù)加載試驗(yàn)中，試件破壞形式均為拔出破壞。等應(yīng)力幅荷載循環(huán)10次直至荷載上升至極限拉拔力后，試塊表面未出現(xiàn)明顯裂紋，試件仍能承受一定的拉拔力。待試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)敲開(kāi)并移去GFRP筋粘結(jié)段表面混凝土，觀測(cè)到GFRP筋與混凝土黏結(jié)界面破壞形態(tài)，如圖4所示。

(a)靜力加載試件破壞后界面 (b)反復(fù)加載試件破壞后界面圖4 試件黏結(jié)界面破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of specimen in the bonding interface

2.2 黏結(jié)滑移關(guān)系

■—JL16-5 ◆—FF16-5-60 % ▲—FF16-5-80 %圖5 靜載和反復(fù)荷載作用下黏結(jié)滑移曲線(xiàn)對(duì)比Fig.5 Comparison of bond slip curves under monotonic loading and cyclic loading

鑒于每組中試件的黏結(jié)滑移曲線(xiàn)有著類(lèi)似規(guī)律，故以直徑16 mm，錨固長(zhǎng)度為5d工況為例，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出的靜載及等應(yīng)力幅反復(fù)荷載下GFRP筋拉拔試件的黏結(jié)滑移曲線(xiàn)如圖5所示。JL16-5代表：直徑為16 mm，錨固長(zhǎng)度為5 d，JL為靜力加載，F(xiàn)F為反復(fù)加載。

由圖5可知，從黏結(jié)強(qiáng)度來(lái)看，F(xiàn)F16-5-60 %經(jīng)過(guò)反復(fù)加載其黏結(jié)強(qiáng)度略高于JL16-5靜力加載，而FF16-5-80 %黏結(jié)強(qiáng)度低于前面兩者，表明反復(fù)荷載應(yīng)力幅處于合理范圍時(shí)，其黏結(jié)強(qiáng)度較靜載黏結(jié)強(qiáng)度有小范圍提高，而當(dāng)應(yīng)力幅超出這個(gè)范圍時(shí)，其黏結(jié)強(qiáng)度便隨之降低，這是由于合理范圍內(nèi)的反復(fù)荷載不足以損傷GFRP筋橫肋，反而使肋與混凝土之間咬合更緊，機(jī)械咬合力與摩擦力均增大，從而黏結(jié)強(qiáng)度增大；當(dāng)應(yīng)力幅超出一定范圍后，反復(fù)荷載便會(huì)對(duì)GFRP筋橫肋產(chǎn)生一定的損傷，隨之黏結(jié)強(qiáng)度下降。從峰值滑移量來(lái)看，3種工況下相差不大，表明上述2種應(yīng)力幅的反復(fù)荷載，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較少時(shí)對(duì)峰值滑移量影響不大。從黏結(jié)剛度(dτ/ds)來(lái)看，進(jìn)入反復(fù)荷載前曲線(xiàn)幾乎重合，走勢(shì)一致，F(xiàn)F16-5-60 %經(jīng)10次反復(fù)荷載后，黏結(jié)剛度有所提高，曲線(xiàn)走勢(shì)開(kāi)始位于JL16-5上方，曲線(xiàn)變陡峭；而FF16-5-80 %經(jīng)10次反復(fù)荷載后，滑移量突然增大，曲線(xiàn)雖未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，但很快達(dá)到其極限黏結(jié)應(yīng)力，隨之開(kāi)始下降，筋體開(kāi)始被拔出，這是因?yàn)闄M肋受損所致。從反復(fù)荷載施加階段曲線(xiàn)來(lái)看，后一次的曲線(xiàn)均較前一次曲線(xiàn)右移，表明循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生了殘余變形，殘余變形主要是由于筋體在受力過(guò)程中對(duì)砂漿內(nèi)部的微小孔隙發(fā)生了擠壓而導(dǎo)致的，且殘余變形并不會(huì)隨著荷載的卸載而還原至初始狀態(tài)。

2.3 埋深對(duì)黏結(jié)性能影響

■—JL16-5 ●—FF16-5-60 % ▲—FF16-5-80 %(a)極限拉拔力 (b)黏結(jié)強(qiáng)度 (c)峰值荷載滑移量圖6 極限拉拔力、黏結(jié)強(qiáng)度、峰值荷載滑移量與埋深關(guān)系圖Fig.6 Relationship between ultimate pulling force,bond strength,the slip of the peak load and embedment length

結(jié)合圖6，由靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，極限拉拔力、黏結(jié)強(qiáng)度和峰值滑移量均隨埋深的增加而增大，表明在一定范圍內(nèi)增加GFRP筋埋深，其拉拔力峰值會(huì)增大，黏結(jié)強(qiáng)度也會(huì)適當(dāng)提高。但拉拔力的增加并非與錨固長(zhǎng)度成正比，當(dāng)錨固長(zhǎng)度超過(guò)合理范圍，極限拉拔力提高并不明顯，相對(duì)應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度反而會(huì)降低。

反復(fù)荷載下，埋深對(duì)黏結(jié)性能的影響規(guī)律與靜載下類(lèi)似。極限拉拔力隨應(yīng)力水平增大而減小，進(jìn)行反復(fù)拉拔時(shí)，GFRP筋表面肋與混凝土進(jìn)行摩擦，導(dǎo)致兩者的摩擦因數(shù)減小，摩阻力減小，從而呈現(xiàn)出靜載>60 %Fm>80 %Fm，但極限黏結(jié)強(qiáng)度與加載端峰值滑移量卻呈現(xiàn)波動(dòng)，60 %Fm處于三者的最大值，表明文中幾種工況下，埋深為5d，應(yīng)力水平為60 %Fm時(shí)為較優(yōu)選擇。

2.4 循環(huán)次數(shù)對(duì)滑移量影響

■—FF16-5-60 % ●—FF16-5-80 %圖7 滑移量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Relationship between slip and the number of cycles

取2種60 %Fm、80 %Fm應(yīng)力水平下反復(fù)加載過(guò)程中每次加載完成后的滑移量與對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)得到循環(huán)次數(shù)與滑移量的關(guān)系圖，如圖7所示，其中滑移量是指每次循環(huán)卸載后加載端滑移量。由圖7可知，2種工況下的共同規(guī)律是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滑移量先是逐步增大，而后緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定；不同的是80 %Fm應(yīng)力水平反復(fù)荷載下，循環(huán)階段滑移量增幅大于60 %Fm應(yīng)力水平下的滑移量增幅，表明80 %Fm應(yīng)力水平反復(fù)荷載對(duì)GFRP筋與混凝土界面已產(chǎn)生一定程度的損傷。

2.5 循環(huán)次數(shù)對(duì)卸載剛度的影響

■—FF16-5-60 % ●—FF16-5-80 %圖8 卸載剛度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖Fig.8 Relationship between unloading stiffnessand the number of cycles

GFRP筋與混凝土黏結(jié)退化的另一個(gè)表現(xiàn)特征就是在每次循環(huán)后，隨著卸載點(diǎn)處滑移量增加，卸載曲線(xiàn)和再加載曲線(xiàn)的交點(diǎn)逐漸上升，使卸載點(diǎn)處的初始剛度逐漸降低。在反復(fù)加卸載過(guò)程中，卸載剛度(卸載曲線(xiàn)的割線(xiàn)斜率，單位為 MPa/mm)會(huì)隨著每次循環(huán)后滑移量增量的減少而降低。圖8以FF16-5-60 %和FF16-5-80 %為例。由圖8可知，卸載剛度隨循環(huán)次數(shù)的增加而減小，前3～4個(gè)循環(huán)降幅明顯，這是因?yàn)樵嚰诜磸?fù)荷載下，大部分滑移量均在前3個(gè)循環(huán)產(chǎn)生，且應(yīng)力水平越高，卸載剛度降低越明顯。在反復(fù)荷載作用下，隨著界面損傷的產(chǎn)生，應(yīng)力重分布，黏結(jié)應(yīng)力不斷向自由端傳遞，隨著不斷加載卸載，損傷不斷累積，從而導(dǎo)致黏結(jié)性能退化。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)中所有黏結(jié)試件，無(wú)論是靜載還是反復(fù)荷載下，試件破壞形態(tài)均是拔出破壞；

(2)反復(fù)荷載作用下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，黏結(jié)滑移曲線(xiàn)變化規(guī)律大體上類(lèi)似于靜載作用下的變化規(guī)律；反復(fù)荷載應(yīng)力水平在合理范圍內(nèi)時(shí)(如60 %Fm)，黏結(jié)強(qiáng)度較靜載黏結(jié)強(qiáng)度有小范圍提高，而當(dāng)超出這個(gè)范圍時(shí)(如80 %Fm)，其黏結(jié)強(qiáng)度便隨之降低，且黏結(jié)性能退化較明顯；循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生了殘余變形，且殘余變形不會(huì)隨著荷載的卸載還原至初始狀態(tài)；殘余變形主要由前3次循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生；

(3)當(dāng)埋深較小時(shí)，隨著埋深的增大，黏結(jié)性能不斷提升；當(dāng)埋深超過(guò)合理范圍時(shí)，對(duì)黏結(jié)性能的提升并不明顯，黏結(jié)強(qiáng)度反而下降。