PVA-ECC與BFRP筋黏結性能試驗分析

武芳文,段鈞淇,何嵐清,梅韻歌,卞正容,張智舉,3,劉來君,楊 飛

(1.長安大學 公路學院,西安 710064;2.長安大學 建筑工程學院,西安 710061;3.中鐵工程設計咨詢集團鄭州設計院,鄭州 450000)

鋼筋混凝土結構經常帶裂縫工作,導致混凝土內部鋼筋更加容易遭受銹蝕,從而影響結構的耐久性和安全性[1-2]。纖維增強復材筋(fiber reinforced polymer bars,FRP筋)具有輕質、高強、耐腐蝕和易加工等優點,因此,FRP筋被普遍認為可以代替普通鋼筋服役[3-4]。另外,鑒于玄武巖纖維增強復材筋(basalt fiber reinforced polymer bars,BFRP筋)與其他FRP筋相比更加環保且制作成本低,BFRP筋已逐漸成為其他種類FRP筋的替代品[5-6]。BFRP筋的彈性模量較低,其配筋結構在服役時平均裂縫寬度遠大于普通鋼筋混凝土,同時BFRP筋的本構關系為線彈性,沒有屈服點,導致BFRP筋增強混凝土梁呈現脆性破壞的特征,缺少安全性能[7]。因此,有必要采用高延性的混凝土改善FRP筋混凝土結構的脆性特性。

聚乙烯醇纖維增強工程水泥基復合材料(polyvinyl alcohol fiber reinforced engineered cementitious composites,PVA-ECC)具有高延性、多裂縫發展特性和微小裂縫寬度優點[8]。PVA-ECC代替普通混凝土可以有效彌補BFRP筋與混凝土復合結構裂縫多且寬度大的缺陷。鑒于PVA-ECC多裂縫發展和BFRP筋抗拉強度高等特性,采用PVA-ECC與BFRP筋復合結構,可以將兩種材料的優勢互補,解決傳統鋼筋混凝土結構易開裂且耐久性差的缺陷,同時可以提高結構的延性,提高結構抗震性能[9]。工程結構中,為保證PVA-ECC與BFRP筋之間協同工作,兩者之間必需有足夠的黏結強度。若PVA-ECC與BFRP筋的黏結強度不足,則結構將缺乏足夠的承載力,影響結構安全性。因此,研究PVA-ECC與BFRP筋之間的黏結性能尤為重要。

FRP筋與PVA-ECC黏結滑移性能不同于鋼筋與普通混凝土,不少學者對FRP筋與ECC的黏結性能開展了研究。Zhao等[10]研究了ECC與玻璃纖維增強復材筋(glass fiber reinforced polymer bars,GFRP筋)、碳纖維增強復材筋(carbon fiber reinforced polymer bars,CFRP筋)和普通鋼筋的黏結性能,結果表明,黏結強度與ECC強度成比例增加,高肋鋼筋比低肋鋼筋表現出更高的黏結強度。吳麗麗等[11]研究了GFRP筋與ECC的黏結性能,結果表明,增加GFRP筋表面復雜程度,或增加ECC的強度、基體保護層厚度,有助于提高兩者的黏結強度。Li等[12]在加固鋼筋混凝土梁試驗研究中發現,與BFRP筋增強聚合物砂漿加固梁相比,BFRP筋增強ECC基體加固梁具有更高的屈服強度和極限荷載。Hossain等[13]通過GFRP筋與ECC和普通混凝土拔出試驗研究發現,ECC黏結強度高于普通混凝土,高彈性模量GFRP筋黏結強度低于低彈性模量GFRP筋。

綜上,PVA-ECC與FRP筋結構相比傳統鋼筋混凝土結構具有非常顯著的優勢,但是目前關于PVA-ECC與FRP筋的黏結性能研究多集中于其他FRP筋。因此,需要進一步研究PVA-ECC與BFRP筋之間的黏結性能和黏結滑移本構模型。本文考慮BFRP筋表面形式、直徑、錨固長度和PVA-ECC保護層厚度、強度5個因素,制作了28個PVA-ECC與BFRP筋的黏結錨固試件進行拔出試驗,分析其破壞形態和破壞特征,揭示PVA-ECC與BFRP筋黏結破壞機理,探討各因素對PVA-ECC與BFRP筋黏結性能影響規律,建立PVA-ECC與BFRP筋的黏結滑移本構模型。

1 試 驗

1.1 試驗材料

1.1.1 BFRP筋

試驗采用的BFRP筋由樹脂和玄武巖纖維通過拉擠成型工藝制成,且噴砂BFRP筋經過人工表面噴砂處理,具體BFRP筋參數及實測力學性能見表1。其中,BFRP筋直徑包括肋高,B表示纏繞帶肋BFRP筋,BS表示噴砂纏繞帶肋BFRP筋。BFRP筋表面形式如圖1所示,無噴砂BFRP筋表面光滑,噴砂BFRP筋表面粗糙,不同直徑筋材的肋高有所不同,但相對肋高(肋高/直徑)均約為6.7%。

圖1 BFRP筋表面特性

表1 BFRP筋的物理力學性能參數

1.1.2 PVA-ECC材料

本試驗采用的PVA-ECC強度等級為C50和C80,配合比見表2,兩種強度的PVA-ECC均采用聚乙烯醇纖維,且纖維體積率均為2%。按照JC/T 2461—2018《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》[14]進行了PVA-ECC的單軸拉伸試驗和立方體抗壓試驗。PVA-ECC拉伸強度超過了4.5 MPa,極限拉伸應變超過3%。兩種類型PVA-ECC的實測抗壓強度為50.5 MPa和81.7 MPa。

表2 PVA-ECC配合比

1.2 試件設計與制作

為探究PVA-ECC與BFRP筋黏結性能的影響因素,設置錨固長度(5d、7d、9d,d表示筋材直徑)、直徑(8、10、12 mm)及PVA-ECC強度(C50、C80)、保護層厚度(70、25、15、5 mm)為變量,對28個PVA-ECC與BFRP筋拔出試件開展試驗。試驗參考《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)[15]和ACI 440.3R-04規范[16],采用邊長為150 mm的單向拔出立方體試件。根據錨固長度的不同,將BFRP筋截取為500 mm并劃分成黏結段、非黏結段、外伸段。錨固長度即筋材在PVA-ECC中黏結段的長度。其中,非黏結段BFRP筋表面纏繞膠布并套上PVC管,防止PVA-ECC漿體進入PVC管中產生黏結應力影響試驗結果。由于BFRP筋屬于各向異性材料,抗剪強度低,因此,在BFRP筋外伸段套上無縫鋼管,采用環氧樹脂填充使二者黏結可靠,避免試驗機夾具對BFRP筋端部造成剪切破壞,影響試驗結果。此外,為了方便養護脫模,試件采用可拆卸木制模具,并根據試件設計需要的保護層厚度,在木模具前后相應位置進行打孔。具體試件結構如圖2所示。

圖2 試件結構

1.3 試件加載與測量

試驗采用量程為100 kN電伺服萬能試驗機進行加載,試驗加載速率為0.5 mm/min,加載裝置如圖3所示。反力架下層T形鋼板用夾具夾緊并進行調平,將拔出試件穿入反力架上層鋼板中,試驗機上夾具夾住筋材,當試驗機橫梁移動時,荷載即施加于試件上。BFRP筋自由端和加載端位移采用量程為30 mm的電子式位移計測量,使用東華DH3816N采集數據,采樣頻率5 Hz。自由端滑移量Sz由自由端位移計測量得出,由于BFRP筋的彈性模量較低,試件脫黏部分至加載端位移計處的BFRP筋的彈性變形不可忽略,則加載端滑移量計算公式為

圖3 拔出試驗裝置

(1)

式中:Sj為加載端滑移量,Sw為加載端位移計的數值(取兩個加載端位移計讀數的平均值),Sb、lb分別為試件脫黏部分至加載端位移計處BFRP筋的伸長量和長度,F為外荷載,Eb、Ab分別為BFRP筋的彈性模量和有效橫截面積。

PVA-ECC與BFRP筋平均黏結應力計算見式(2),最大平均黏結應力稱為黏結強度。

τ=F/πdl

(2)

式中:τ為平均黏結應力;d為BFRP筋直徑;l為黏結長度。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗破壞形態

本次試驗只有保護層厚度為5 mm的試件發生PVA-ECC劈裂破壞,其余試件均發生BFRP筋拔出破壞,并未出現筋材拉斷現象。

1)拔出破壞。試件發生拔出破壞時,BFRP筋隨著外荷載增加從PVA-ECC中緩慢拔出,加載至結束PVA-ECC表面無明顯裂縫。加載結束后觀察黏結界面,無噴砂BFRP筋肋表面磨損嚴重,破壞主要發生在BFRP筋樹脂層,PVA-ECC黏結滑移段處有BFRP筋表面樹脂材料殘留,如圖4(a)和圖4(b)所示。該現象與普通鋼筋與PVA-ECC發生黏結破壞時不同。普通鋼筋發生黏結破壞時,筋肋剪碎黏結界面附近的PVA-ECC材料,黏結界面發生破壞[12]。這是由于BFRP筋肋抗剪強度遠小于普通鋼筋。噴砂BFRP筋表面磨損程度較小,筋表面覆蓋一層PVA-ECC,筋表面PVA-ECC覆蓋層與周圍PVA-ECC發生剪切破壞,如圖4(c)所示。

圖4 黏結破壞形態

2)劈裂破壞。加載過程中發生劈裂破壞時,試驗機荷載曲線出現驟降,伴隨有PVA-ECC的開裂聲,裂縫出現在試件表面黏結段區域并向非黏結段延伸,最終貫穿試件表面。在卸載后,PVA-ECC表面兩端非黏結段裂縫收縮,如圖4(d)所示。只有保護層厚度為5 mm的試件發生PVA-ECC劈裂破壞,這主要是因為BFRP筋肋與PVA-ECC相互擠壓,使PVA-ECC一定范圍內環向受拉,當環向拉應力大于PVA-ECC的開裂強度時,PVA-ECC出現裂紋,并且裂紋隨著拉應力的增大而逐漸向外擴展,當保護層厚度較小時,裂紋容易擴展到PVA-ECC表面而發生劈裂破壞。

2.2 黏結強度結果

PVA-ECC與BFRP筋拔出試件加載結果見表3。其中,P為拔出破壞,S為劈裂破壞。試件編號含義為:PVA-ECC強度和BFRP筋表面形式-保護層厚度-錨固長度-BFRP筋直徑,如E50BS-70-D5-10表示直徑為10 mm,錨固長度為5倍直徑,表面噴砂的BFRP筋,PVA-ECC保護層厚度為70 mm且強度為C50的拔出試件。

表3 PVA-ECC與BFRP筋拔出試驗結果

2.3 黏結滑移曲線

筋材與基體材料之間的黏結應力主要由化學膠結力、摩擦力及機械咬合力組成。根據試驗結果分析,PVA-ECC與BFRP筋拔出破壞過程可分為微滑移階段、滑移階段、下降階段及殘余應力階段,BFRP筋與PVA-ECC拔出破壞黏結滑移曲線如圖5所示。

圖5 拔出破壞黏結滑移曲線

1)微滑移階段(OA段)。加載初期,加載端滑移量非常小,自由端不發生滑移。此時,試件處于線彈性階段,黏結滑移曲線斜率較大,接近直線。此時試件的黏結強度主要來自BFRP筋與PVA-ECC之間的化學膠結力。

2)滑移階段(AB段)。隨著荷載增大,局部脫黏首先發生在BFRP筋與PVA-ECC的加載端附近,然后逐漸向自由端發展。脫黏界面上的化學膠結力在埋置長度上從加載端向自由端遞減,BFRP筋與PVA-ECC產生相對滑移。黏結滑移曲線斜率逐漸減小,呈非線性。隨著黏結應力繼續增加至峰值,黏結滑移曲線逐漸平緩。此時,黏結強度主要由PVA-ECC與BFRP筋肋的機械咬合力和摩擦力提供。

3)下降階段(BC段)。黏結應力達到峰值后,隨著滑移量的增加,BFRP筋肋磨損愈發嚴重,機械咬合力減小,黏結應力開始逐漸下降。

4)殘余應力階段(CD段)。此階段隨著滑移量的增加,無噴砂的BFRP筋的黏結應力存在波動性變化,整個黏結滑移曲線近似于周期遞減的正弦曲線。然而噴砂BFRP黏結滑移曲線在此階段沒有表現出明顯的波動性變化,這是由于殘余應力階段的黏結強度主要靠界面殘余摩擦力提供,而噴砂BFRP筋材表面的PVA-ECC覆蓋層已發生層間剝離,導致黏結強度呈現一直下降趨勢。

2.4 黏結性能影響因素研究

2.4.1 BFRP筋表面形式

表面噴砂及無噴砂BFRP筋的自由端黏結滑移曲線如圖6所示。在外荷載作用下,表面噴砂BFRP筋達到黏結應力峰值時對應的滑移值比無噴砂BFRP筋更小。與無噴砂BFRP筋相比,噴砂BFRP筋在PVA-ECC中黏結強度提高約32.8%。噴砂BFRP筋發生黏結破壞時,BFRP筋表面的PVA-ECC覆蓋層發生剪切破壞而拔出,并且BFRP筋表面噴砂層磨損程度較小,可見砂顆粒與BFRP筋表面黏結可靠。高超等[17]采用人工噴砂的BFRP筋與混凝土,其黏結強度提高約12%左右,發生黏結破壞時,BFRP筋表面噴砂層磨損嚴重。由此可見,噴砂對黏結強度的提高大小是受到砂顆粒和筋材表面黏結的牢固程度的影響,當砂顆粒黏結更牢固時,BFRP筋與PVA-ECC的黏結強度提升越高。

圖6 不同表面形式下自由端黏結滑移曲線

2.4.2 BFRP筋錨固長度

BFRP筋黏結強度隨錨固長度增加而降低。相比錨固長度為5d的試件,7d、9d試件黏結強度分別降低了11.57%和20.3%,黏結強度變化與錨固長度之間存在線性關系。黏結強度隨錨固長度增加而降低是由黏結應力沿黏結段的非線性分布和泊松效應引起的。錨固長度越長,非線性分布越明顯。當錨固長度較小時,高黏結應力分布區域較大,筋材錨固長度上的應力分布比較均勻,平均黏結應力較大;而當錨固長度較大時,高黏結應力分布區域較窄,筋材埋置長度上的應力分布不均勻,平均黏結應力較小。此外泊松效應的存在使筋材在拉伸過程中直徑降低,進而導致BFRP筋與PVA-ECC間的摩擦力降低。

圖7為錨固長度為5d、7d、9d條件下BFRP筋的加載端和自由端黏結滑移曲線。3種不同錨固長度下試件達到黏結應力峰值時,自由端滑移量均在3 mm左右,加載端滑移量則隨錨固長度增加而提高。

圖7 不同錨固長度下黏結滑移曲線

2.4.3 BFRP筋直徑

本試驗中BFRP筋肋寬、肋間距保持不變,肋高隨BFRP筋直徑增加而增加,但相對肋高隨筋材直徑的增大而保持不變。3種直徑BFRP筋的黏結滑移曲線如圖8所示,當BFRP筋的相對肋高均為6.7%時,試件的黏結強度表現出隨著直徑的增大而增大。黏結段FRP筋的應力呈現非線性分布的特點,當FRP筋的直徑越大,其非線性應力分布越不均勻[18],在筋材的肋參數不變的情況下,較大直徑的FRP筋需要更大的錨固長度才能獲得相同法向黏結應力。因此,在其他條件不變時,FRP筋與混凝土的黏結強度應隨著FRP筋直徑的增大而降低[11,18]。這不同于本試驗的結論,其主要原因是本試驗采用筋材的相對肋高保持不變,當增加BFRP筋的直徑時,筋肋高度變高,則筋肋與PVA-ECC的接觸面積增加,進而提高了二者之間的機械咬合力,使黏結強度增大。因此,增加BFRP筋肋高可以有效避免筋材直徑增大對黏結強度的不利影響。

圖8 不同直徑下自由端黏結滑移曲線

2.4.4 PVA-ECC保護層厚度

本試驗通過設置不同的保護層厚度來模擬實際工程中保護層厚度不足帶來的影響。對于保護層厚度為25、15、5 mm的試件,BFRP筋黏結強度隨著保護層厚度的降低而降低,呈正相關。當保護層厚度為5 mm時,黏結強度為6.03 MPa,僅為保護層厚度為25 mm時的39.59%。實際工程中需要足夠的保護層厚度對筋材產生約束,而保護層厚度的不足或漏筋會嚴重影響BFRP筋與PVA-ECC的黏結強度,繼而影響結構的承載力。

根據圖9可知,保護層厚度為70 mm和25 mm的試件黏結應力峰值出現時,BFRP筋滑移量約3 mm。保護層厚度為15、5 mm試件的黏結應力達到峰值時,BFRP筋滑移量比保護層厚度70、25 mm的試件小。當保護層厚度不足發生黏結破壞時,黏結滑移曲線會發生驟降,試件覆蓋層出現裂縫。通過判斷黏結強度峰值出現時的黏結滑移值可以有效判斷保護層厚度是否滿足要求。對于直徑不超過10 mm的BFRP筋,保護層厚度建議25 mm以上。

圖9 不同保護層厚度下自由端黏結滑移曲線

2.4.5 PVA-ECC強度

當PVA-ECC強度從C50提高到C80時,BFRP筋黏結強度從13.31 MPa提高到19.37 MPa,強度提高45.53%。已有研究[19]表明,FRP筋在普通混凝土中的黏結破壞是由于二者之間的黏結界面產生滑移而破壞;高強混凝土中,黏結破壞主要由FRP筋樹脂與纖維剪切破壞造成的。在高強度PVA-ECC中,黏結強度由BFRP筋中樹脂與纖維之間的剪切力控制,繼續增加PVA-ECC強度并不能大幅提高黏結強度。

對比BFRP筋在兩種強度的PVA-ECC中加載端和自由端的黏結滑移曲線圖10可知,高強度PVA-ECC中在黏結滑移曲線進入非線性階段后,自由端的滑移量滯后于加載端,黏結損傷從加載端開始,然后逐漸轉移到自由端,黏結應力在黏結滑移段呈不均勻分布。

圖10 不同PVA-ECC強度下黏結滑移曲線

3 PVA-ECC與BFRP筋黏結滑移本構

3.1 已有本構模型及適用性

PVA-ECC與BFRP筋黏結滑移本構是設計PVA-ECC與BFRP筋結構和進行有限元模擬的重要理論依據。目前國內外學者已經在FRP筋與混凝土黏結滑移本構研究方面建立了多種模型[20-23]。其中Malvar模型表達式[20]為

(3)

改進BPE模型表達式[21]為

(4)

連續曲線模型表達式[22]為

(5)

式中:τu、su為峰值黏結應力及對應滑移值,τr、sr為殘余應力及對應滑移值,F、G、α、p均為試驗結果確定的常數。

Malvar模型、改進BPE模型以及連續曲線模型均不是以PVA-ECC與BFRP筋的黏結滑移曲線構造的本構模型。因此,本文僅考慮以上3種模型來討論PVA-ECC與BFRP筋黏結滑移本構模型。3種本構模型曲線與試驗曲線擬合結果如圖11所示。另外,由于實際工程中為避免筋材保護層厚度不足的現象,配置了一定量的箍筋,結構不會發生劈裂破壞。因此,本研究并未選擇劈裂破壞試件的數據來探討PVA-ECC與BFRP筋的黏結滑移本構模型。

圖11 各本構模型與試驗結果對比

3種本構模型中,Malvar模型在上升段能較好的描述PVA-ECC與BFRP筋的黏結滑移變化規律,但結構式含有兩個參數且較為復雜;改進BPE模型在上升段與PVA-ECC與BFRP筋黏結滑移曲線差異較大,且下降段為直線;連續曲線模型表達形式簡單,但在上升段,連續曲線模型的黏結應力要高于試驗的黏結應力。

3.2 PVA-ECC與BFRP筋黏結滑移本構模型

本文依據連續曲線模型,改進上升段,獲得適用于PVA-ECC與BFRP筋黏結滑移的本構模型。構造函數為

(6)

根據連續曲線模型思想,有約束條件:

(7)

將式(7)代入式(6),求解可得

(8)

將式(8)代入式(6),可得

(9)

式中a是反映試驗筋材和基體材料特性的常數,當筋材與基體材料確定時,a為定值。a越小,黏結滑移曲線上升段斜率越大。對于BFRP筋與PVA-ECC材料,根據試驗數據,a值建議取7,改進后的本構模型黏結滑移曲線如圖12所示,同連續曲線模型相比,本文模型與試驗結果吻合更好。因此最終可得到適用于PVA-ECC與BFRP筋黏結滑移本構模型:

圖12 本構模型與試驗結果對比

(10)

4 結 論

設計28個PVA-ECC與BFRP筋拉拔試件進行拔出試驗,通過分析破壞形態與破壞特征,揭示黏結滑移破壞機理,探究PVA-ECC及BFRP筋參數對黏結強度的影響規律,根據試驗結果建立PVA-ECC與BFRP筋本構模型,得出以下結論:

1)除保護層厚度為5 mm的試件發生劈裂破壞外,其余試件均為拔出破壞。無噴砂BFRP筋肋在外荷載作用下被PVA-ECC剪切破壞而喪失機械咬合力,可以通過提高BFRP筋肋的強度來提高筋材在PVA-ECC中的黏結強度。黏結滑移曲線可分為微滑移階段、滑移階段、下降階段和殘余應力階段,在殘余應力階段無噴砂BFRP筋的黏結應力曲線有上下波動,而噴砂BFRP筋的黏結滑移曲線無明顯波動。

2)對BFRP筋表面進行噴砂處理可以提高筋材在PVA-ECC中黏結強度;BFRP筋黏結強度隨錨固長度的增加而降低,近似呈線性關系;增大筋材直徑的同時保證相對肋高不變可以有效避免因BFRP筋直徑增大造成的黏結強度降低。

3)當PVA-ECC保護層厚度從25 mm降至5 mm時,BFRP筋黏結強度隨保護層厚度降低而降低,兩者呈正相關,保護層厚度5 mm時黏結強度僅為正常試件的39.59%;PVA-ECC強度從50.5 MPa提高至81.3 MPa時,黏結強度提高了45.53%。

4)提出了PVA-ECC與BFRP筋的黏結滑移本構模型,與試驗結果吻合良好,且模型物理意義明確,可為PVA-ECC與BFRP筋結構數值模擬提供理論參考。