極地低溫下CFRP筋與混凝土的黏結性能

謝 劍， 喬 羽， 王啟辰

(1.天津大學 建筑工程學院, 天津 300350; 2.天津大學 濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室, 天津 300350)

大量工程實例表明，鋼筋銹蝕是引起鋼筋混凝土結構失效的主要原因之一.在極地低溫下，為了使混凝土順利固化，工程中常引入各類外加劑，其含有的多種成分將加劇鋼筋銹蝕；另外，混凝土長期受凍引起其內部裂隙發展，各類腐蝕性物質更易侵入，也加快了鋼筋銹蝕產生.2006年，長城站建筑損傷評估發現，歷經20a極地低溫的科考站損傷嚴重，鋼筋外露銹蝕，部分結構構件銹穿甚至銹斷[1].纖維增強聚合物(FRP)筋在低溫等惡劣環境下可以保持較好的耐腐蝕性，為極地低溫工程結構提供了新方向.

現有關于FRP筋與混凝土黏結性能的研究主要集中在常溫[2]與部分特殊環境，如：高溫[3-4]、凍融[5-6]等.低溫相關的研究較為匱乏，且所涉及的溫度不能滿足實際工程需要.李揚等[7]通過-10～-30℃ 下玻璃纖維增強聚合物(GFRP)筋混凝土梁式試驗發現，隨溫度降低，在相同荷載作用下筋材滑移量減小了17%～50%.Borosnyói[8]通過研究噴砂型碳纖維增強聚合物(CFRP)筋與混凝土的黏結性能，發現-25℃下其黏結強度較常溫提高了50%以上.張志春[9]研究發現-30℃下GFRP筋與混凝土的黏結強度小于常溫環境.謝劍等[10-11]針對低溫下鋼筋、鋼絞線與混凝土的黏結性能進行了深入研究，為FRP筋與混凝土的低溫黏結性能研究提供了參考.

本文通過極地低溫下CFRP筋-混凝土拉拔試驗，探索極地低溫對CFRP筋與混凝土黏結性能的影響，同時考慮CFRP筋直徑、黏結長度、混凝土強度、保護層厚度等參數的影響，為極地低溫環境下CFRP筋的研究和應用提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

采用南京海拓復合材料有限公司生產的刻痕型CFRP筋，纖維絲類型為T700級碳纖維，基體材料為環氧樹脂，纖維體積含量為68%；采用唐山冀東水泥公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；砂為Ⅱ區級配的普通河砂(中砂)；采用5～20mm連續級配的碎石；拌和水為10～15℃的自來水.混凝土配合比見表1，fcu為混凝土立方體抗壓強度(后文簡稱強度).

表1 混凝土配合比

1.2 試件設計

試件參數見表2，每種工況下制作5個平行試件，試驗結果取平均值.A、B、C、D、E組試件分別用于研究溫度(t)、混凝土強度(fcu)、CFRP筋直徑(d)、黏結長度(l)及保護層厚度(C)對CFRP筋-混凝土黏結性能的影響.

表2 試件參數

CFRP筋-混凝土拉拔試驗試件為混凝土中心或偏心埋置CFRP筋的形式，CFRP筋夾持端由于自身抗剪強度較小，為了避免試驗過程中局部剪切破壞，采用無縫鋼管內添環氧樹脂對其端部進行處理.

1.3 拉拔試驗

本試驗在天津大學土木工程中心結構實驗室進行，試驗裝置由加載設備、降溫保冷設備及測量設備構成.試件被固定于裝有鋼反力架的液壓伺服試驗機上，通過向保溫箱內注入液氮來營造低溫環境.試件溫度由埋置其中的PT100實時監測，在試驗反力架上下鋼板處分別固定2支千分表，采集試驗中試件兩端滑移值(δ)的變化.需要注意的是，試驗過程中千分表所測得的位移數據并非試件兩端的真實滑移值，需要分別排除CFRP筋自由拉伸段、傳力鋼柱受拉變形的影響.試驗過程為：先將試件置于復疊式低溫冷庫內預冷5.0h以上；待試件溫度穩定于目標溫度后，將試件取出并快速安裝于試驗機上；通過調整液氮閥門，使試件溫度保持在試驗溫度點并持溫0.5h；隨后啟動程序開始加載，加載控制方式為荷載控制，參照ACI 400.3R-12 《Guide test methods for fiber-reinforced polymer(FRP) composites for reiforcing or strengthening concrete and mensory structures》,加載速率為0.02kN/s，當試件加載端發生2.5mm滑移時，即認為CFRP筋與混凝土的黏結作用失效，試驗結束.本試驗所取CFRP筋黏結長度l較小，可以近似認為在該長度范圍內黏結應力均勻分布，故后文取平均應力作為CFRP筋與混凝土的黏結應力(σ)，并取加載端滑移值為2.5mm 時的黏結應力作為CFRP筋與混凝土的黏結強度(τu).

常溫(18℃)試驗中：前期荷載持續增加，而試件中部CFRP筋并未發生滑移；當荷載繼續增大時，CFRP筋與混凝土之間開始出現相對滑移，且伴隨有CFRP筋從混凝土內部拔出的摩擦聲；隨后試件滑移值持續增加，CFRP筋被拔出的聲響也逐漸加劇，直至加載端滑移值達到2.5mm，試件發生拔出破壞.低溫試驗中：荷載開始施加后，試件兩端千分表讀數即開始增加，表明CFRP筋已發生滑移；隨著試驗進行，試件會隨機且突然發出“砰”的劇烈聲響，荷載曲線隨之發生突降，同時伴有兩端滑移值的驟增(約0.15mm)，但隨后荷載仍會逐漸回升.試驗進行的整個過程中，“砰”聲與荷載驟降的現象會反復出現.該現象在-30、-60℃ 下偶有發生，而在-80℃下非常顯著.

2 結果與討論

2.1 混凝土強度對黏結強度的影響

目前關于混凝土強度對FRP筋與混凝土黏結性能的影響尚存在爭議[12-13]，本文研究了不同混凝土強度下CFRP筋與混凝土黏結強度的變化規律，結果見圖1.由圖1可見，與混凝土強度為 24.02MPa 的試件相比，混凝土強度為37.32、46.51MPa的試件黏結強度分別增大了2.99%、25.00%，表明隨著混凝土強度的增加，CFRP筋與混凝土黏結強度逐漸增大.混凝土強度對CFRP筋與混凝土黏結性能的影響，與CFRP筋表面的加工形式密切相關.對于表面黏砂或纏繞肋型筋[13]，黏結破壞往往發生在筋的表層材料與內筋之間，因此黏結性能受混凝土強度影響較小.本文所選CFRP筋為表面刻痕型，由于刻痕的存在，在試件拉拔過程中，CFRP筋表面變形處與周邊混凝土發生擠壓咬合作用，黏結破壞最終表現為二者界面的破壞.因此，當混凝土強度提高時，CFRP筋與混凝土間的機械咬合作用顯著增強，試件的黏結強度得到提高.

圖1 不同混凝土強度下CFRP筋與混凝土的黏結強度

2.2 溫度對黏結強度的影響

圖2、3為不同溫度下的CFRP筋與混凝土的黏結強度以及黏結滑移(σ-δ)曲線.由圖2可見：相比于常溫環境，極地低溫下黏結強度均有不同程度的降低，說明極地低溫作用對CFRP筋黏結性能有不利影響；在試驗溫度區間內，隨著溫度的降低，黏結強度呈現先降低后升高的變化趨勢，-30、-60、-80℃ 下黏結強度分別比18℃時減小了74.81%、26.12%、35.82%.

圖2 不同溫度下CFRP筋與混凝土的黏結強度

現有研究[14]表明低溫下混凝土強度有所增加，且由2.1分析可知，提高混凝土強度將有利于改善CFRP筋與混凝土的黏結性能.由圖3可見，相比于常溫環境，極地低溫下黏結強度反而降低，表明極地低溫下黏結性能還受其他因素影響.CFRP筋的徑向熱膨脹系數約為22×10-6～25×10-6/℃，而混凝土熱膨脹系數約為8×10-6～12×10-6/℃.極地低溫下CFRP筋沿徑向的收縮變形大于混凝土，進而減弱了二者間的黏結作用，試件加載初期便出現滑移現象也進一步證明了材料間熱變形差異的影響.此外，Miura[15]、劉麟瑋[16]等研究發現，隨著溫度的降低，混凝土并非呈現持續收縮的趨勢.當處于-30～-60℃范圍時，混凝土的體積收縮將減緩甚至發生逆膨脹的現象，而-60℃之后又恢復收縮變形.混凝土逆膨脹現象的存在，間接改善了CFRP筋與混凝土的黏結性能.綜上，極地低溫下CFRP筋與混凝土的黏結性能，受到多種因素的耦合作用，使得其黏結強度并未隨溫度降低而呈現持續降低的單一變化趨勢.

圖3 不同溫度下CFRP筋與混凝土的黏結滑移曲線

由圖3可見，-80℃下試件黏結滑移曲線呈現明顯的“鋸齒狀”，與試驗過程中劇烈聲響出現的時刻相對應.在CFRP筋從混凝土內拔出的過程中，隨著相對滑移，二者間不斷建立新的黏結界面，使得拉拔過程中黏結應力持續增長，而極地低溫使CFRP筋內環氧樹脂硬化，進而影響樹脂基體的應力傳遞作用，黏結長度范圍內的黏結應力趨于不均勻分布，最大應力值將增加，由此導致黏結界面更易發生破壞，CFRP筋被拔出.隨著CFRP筋的拔出，混凝土與CFRP筋的界面會發生隨機的脆性破壞，進而出現黏結應力驟減與滑移量驟增；當混凝土與CFRP筋再次建立新的黏結界面時，二者的黏結錨固作用得以恢復，故黏結應力再次增加.在-30、-60℃下試件的黏結應力分布較-80℃均勻，使得在該2組工況下界面反復破壞現象較少發生.

2.3 CFRP筋直徑和黏結長度對黏結強度的影響

圖4、5分別為不同CFRP筋直徑及黏結長度下的CFRP筋與混凝土的黏結強度.由圖4、5可見：隨著CFRP筋直徑和黏結長度的增加，CFRP筋與混凝土的黏結強度更易呈現降低趨勢；CFRP筋直徑為10mm 的試件的黏結強度明顯小于直徑為5、8mm 的試件；與黏結長度為2.5d時比較，黏結長度為5.0d、7.5d、13.0d時試件的黏結強度分別減小了11.11%、11.89%、18.35%.

圖4 不同CFRP筋直徑下CFRP筋與混凝土的黏結強度

圖5 不同黏結長度下CFRP筋與混凝土的黏結強度

在拔出過程中，CFRP筋橫截面上變形分布不均，越靠近截面中心處變形越小，導致了剪切滯后現象.CFRP筋直徑越大，剪切滯后現象越明顯，則更易發生黏結破壞.CFRP筋與混凝土的黏結應力在黏結長度范圍內并非均勻分布，而是呈兩端小中間大的分布規律，隨著黏結長度的增加，這種不均勻分布的現象愈加明顯，平均黏結應力與最大黏結應力的差值也越來越大，進而更容易發生破壞.由于本試驗試件黏結長度較小(最大為130mm)，黏結長度范圍內黏結應力的不均勻分布現象并不突出，所以不同黏結長度下試件的黏結強度相差也較小，基本在20%以內.CFRP筋直徑5mm的試驗組由于CFRP筋較細且黏結長度較短(僅為25mm)，使本組試驗更易受到外部環境及人為因素的干擾，進而導致該組結果存在較大誤差，所得黏結強度略低于CFRP筋直徑8mm組.除黏結長度130mm組以外，其他試驗組均通過PVC管控制試件的黏結長度，但黏結長度100mm組的PVC管較短，與泡沫方板貼合不緊密，導致部分試件在澆筑中混凝土滲入管內，增強了CFRP筋與混凝土的黏結作用，使得該組試驗結果偏大.

上述試驗均在-80℃下進行，同樣可觀察到伴隨有劇烈聲響的界面反復破壞現象.當黏結長度增加時，CFRP筋與混凝土間建立可靠黏結界面的概率增大，因而界面破壞現象出現較晚且頻率明顯降低.有學者[12]對與本文相同的CFRP筋進行黏結試驗發現，當黏結長度超過100mm時，試件破壞形式將由CFRP筋拔出向混凝土劈裂轉變.而在本次試驗中，由于極地低溫環境下混凝土強度的提高及其與CFRP筋的熱變形差異的影響，黏結長度為130mm的試件仍發生CFRP筋拔出破壞，表明極地低溫環境下混凝土脆性劈裂的發生概率降低.

2.4 保護層厚度對黏結強度的影響

圖6為不同保護層厚度下CFRP筋與混凝土的黏結強度.由圖6可見：隨著保護層厚度的增加，CFRP筋與混凝土的黏結強度逐漸增大；保護層厚度為45、70mm的試件黏結強度比保護層厚度為15mm 的試件分別增大了22.17%、62.26%，這是因為隨著混凝土保護層厚度的增加，增強了周邊混凝土對CFRP筋的約束作用，二者界面上的機械咬合力與摩擦力也因此增大，最終表現為黏結強度的增大；當保護層厚度僅為15mm時，試件也未發生劈裂破壞，體現了極地低溫環境有利的一面.

圖6 不同保護層厚度下CFRP筋與混凝土的黏結強度

3 結論

(1)相較于常溫環境，極地低溫對CFRP筋與混凝土的黏結性能有不利影響.但低溫對黏結性能的影響受到多種因素的耦合作用，在18～-80℃范圍內，隨溫度降低，黏結強度并非呈現單一趨勢的變化規律.

(2)隨著CFRP筋直徑和黏結長度的增加，CFRP筋與混凝土的黏結強度易呈現降低趨勢，提高混凝土強度或增大保護層厚度將提高其黏結強度.

(3)極地低溫下，CFRP筋與混凝土的黏結界面趨于脆性，易發生突然且隨機的界面破壞，而不易發生混凝土的脆性劈裂.