高溫后BFRP筋與纖維混凝土黏結性能

李趁趁，魏非凡，劉超偉，趙軍

(鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001)

纖維增強復合材料(FRP)筋，由高強連續纖維通過合成樹脂黏結而成，具有輕質高強、耐久性較好、抗電磁、與混凝土的熱膨脹系數接近等諸多優點，可作為鋼筋的補充或替代材料用于增強混凝土結構，應用前景十分廣闊[1-2]。但FRP 筋耐高溫性能較鋼筋差，多用于無抗火要求的混凝土結構中，極大地限制了FRP 筋的應用范圍。高溫后FRP 筋與混凝土黏結性能對結構的安全可靠性至關重要。呂西林等[3-4]研究了溫度、混凝土強度和粗骨料粒徑等因素對火災高溫時玻璃纖維復合材料(GFRP)筋與混凝土黏結性能的影響，發現隨著溫度的升高，黏結強度呈顯著下降趨勢。SOLYOM 等[5]從黏結強度、黏結應力-滑移關系、破壞形式3 個方面討論了20～300 ℃溫度下GFRP筋與混凝土的黏結性能，開發了一種非接觸式高溫拉拔測試自由端滑移的技術，并校準了BEP(Bertero,Eligehausen and Popovrelationship)和CMR(Cosenza,Manfredi and Realfonzo)2 種應用較廣的分析模型。HAJILOO 等[6]研究了高溫下涂砂表面、涂砂編織表面和帶肋表面3 種不同的GFRP 筋表面處理形式對黏結性能的影響，發現基體玻璃化轉變溫度影響GFRP 筋高溫黏結強度最顯著。已有研究表明，提高FRP 筋與混凝土的抗高溫性能可以從FRP 筋表面處理、樹脂類型、混凝土強度等方面入手。在混凝土中加入合適纖維可以提高混凝土的強度、韌性和抗高溫性能[7-8]。MA 等[9]通過對素混凝土和4 種不同纖維素纖維(CF)摻量的纖維混凝土進行力學性能對比試驗，發現纖維素纖維摻量為0.9 kg/m3時對混凝土的抗壓、劈拉、抗彎性能提升最為顯著。GUO 等[10]研究表明，纖維素纖維在高溫下融化，可在混凝土內部熔融形成孔道，促進混凝土內部壓力的釋放，減小混凝土的損傷，提高混凝土高溫下的抗剝落能力。LU 等[11]研究表明，在混凝土中摻入玄武巖纖維(BF)可以抑制混凝土高溫碳化，顯著提高混凝土的抗氯離子滲透性能。KHAN 等[12]研究得出，在混凝土中摻入玄武巖纖維可提高混凝土室溫和高溫下的韌性和抗裂能力。LIAO 等[13]發現，通過增加混凝土強度或在混凝土中摻加纖維均可提高GFRP筋在混凝土中的黏結強度。已有研究表明，在混凝土中加入合適纖維預期可以提高高溫環境中FRP 筋與混凝土之間的黏結性能，但目前相關的系統研究較少。因此，本文開展高溫后BFRP 筋與纖維混凝土黏結性能試驗，探究在混凝土中單摻玄武巖纖維、混摻玄武巖纖維和纖維素纖維、BFRP 筋表面形式、黏結長度與直徑對BFRP 筋與纖維混凝土黏結性能的影響，建立考慮上述因素的高溫后BFRP 筋與纖維混凝土黏結強度計算公式，為FRP 筋纖維混凝土結構在高溫環境下的工程應用提供理論與數據支持。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，以天然河砂為細骨料，5～20 mm 碎石為粗骨料。玄武巖纖維由浙江石金玄武巖纖維股份有限公司生產，長度為18 mm，直徑為13 μm。纖維素纖維由西安萬達工程材料有限公司生產，單絲直徑19 μm。試驗采用江蘇綠材谷公司生產的BFRP 筋，玄武巖纖維體積率為65%～72%，基體樹脂為環氧樹脂，其玻璃化轉換溫度為120～140 ℃，熱分解溫度為300～320 ℃。BFRP 深肋筋和淺肋筋表面肋由筋材主體表面纏繞玄武巖纖維束形成，表面無噴砂。BFRP 噴砂筋表面砂層厚度為0.2 cm。BFRP 筋材表觀特征如圖1 所示，圖中S10，P10 和Q10 分別表示直徑10 mm 深肋筋、噴砂筋和淺肋筋。BFRP筋實測力學性能如表1所示。

表1 BFRP筋力學性能Table 1 Mechanical properties of BFRP bars

圖1 BFRP筋表觀特征Fig.1 Apparent characteristics of BFRP bars

1.2 試件設計

試驗研究溫度、基體混凝土類型、BFRP 筋表面形式、直徑d和黏結長度l對BFRP 筋與混凝土黏結性能的影響。試件設計詳見表2，表中字母N，B 和H 分別表示試件采用的是普通混凝土、單摻玄武巖纖維混凝土以及混摻纖維混凝土，0.15%B+0.10%C 表示混摻體積摻量為0.15%的玄武巖纖維和0.10%的纖維素纖維，其余符號含義類推。試驗選用摻量來自于前期高溫下纖維混凝土試驗結果中的最優值?；鶞驶炷量箟簭姸鹊燃墳镃30，混凝土配合比見表3。

表2 試件設計表Table 2 Specimen design table

表3 C30混凝土配合比Table 3 Mix proportion of C30 concrete

試驗參照《纖維增強復合材料筋基本力學性能試驗方法》GB/T 30022—2013[14]進行，BFRP 筋黏結試件的混凝土試塊立方體尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，BFRP 筋長度為700 mm，加載端長450 mm。BFRP 筋與混凝土黏結段預留在混凝土頂部，非黏結段套有PVC 管，管內空隙用四氟乙烯纏繞填充以防止高溫對非黏結段的影響。在其加載端采用長度250 mm，外徑32 mm，壁厚2.5 mm 的鍍鋅鋼管錨固防止發生剪切破壞，BFRP筋與鍍鋅鋼管之間用套筒灌漿料填充。BFRP 筋黏結試件如圖2(a)所示。

圖2 BFRP筋黏結試件及加載裝置Fig.2 FRP bar bonding specimen and Loading device

1.3 試驗方法

試驗采用加熱裝置為洛陽高溫儀器設備廠生產的RT-120-12QD 箱式高溫爐，加熱方式為電加熱，采用智能程序控制儀表，可以自動升溫、保溫和停機，利用熱電偶測得恒溫238 min 混凝土試件中心溫度同爐內目標溫度，試驗恒溫時間取4 h。BFRP 筋黏結試件經過高溫處理自然冷卻至室溫后，參照GB/T 30022—2013[14]進行拔出試驗，試驗加載裝置為1 000 kN 液壓伺服萬能試驗機，如圖2(b)所示。采用位移控制加載，加載速率為0.5 mm/min，當混凝土試塊發生劈裂破壞或者加載端滑移值超過20 mm時，停止加載。

本文用平均黏結應力計算BFRP 筋與混凝土的黏結強度。黏結強度計算公式為：

式中：τu為BFRP 筋與混凝土黏結強度，MPa；Pu為試件峰值荷載，N；d為BFRP 筋直徑，mm；l為BFRP筋黏結長度，mm。

2 試驗結果

2.1 破壞形態

試驗中BFRP 筋黏結試件破壞形態包括BFRP筋拔出破壞、混凝土劈裂破壞、BFRP 筋拔出且混凝土劈裂破壞3種破壞形態，詳見表4。

表4 試件破壞形態Table 4 Failure modes

BFRP 筋黏結試件在加載過程中，帶肋BFRP筋肋部對周圍混凝土產生斜向擠壓力[15-16]，該斜向擠壓力分解為沿BFRP 筋表面的縱向分力和徑向分力，徑向分力在混凝土中產生環向拉應力。當縱向分力超過BFRP 筋與纖維混凝土黏結強度時，BFRP筋黏結試件發生BFRP筋拔出破壞，如圖3(a)所示。破開試件發現BFRP 筋肋間有混凝土碎屑，BFRP 筋表面的肋磨損。當環向拉應力超過混凝土抗拉強度時，BFRP 筋黏結試件發生混凝土劈裂破壞，如圖3(b)和3(c)所示。當水平分力達到BFRP筋與纖維混凝土黏結強度，環向拉應力也達到混凝土抗拉強度，BFRP 筋黏結試件發生BFRP 筋拔出且混凝土劈裂破壞，如圖3(d)所示。

圖3 試件破壞形態Fig.3 Failure modes

溫度低于250 ℃時，混凝土抗拉強度降低程度較小，在加載過程中，沿BFRP 帶肋筋表面先出現縱向分力超過BFRP 筋與混凝土極限黏結強度，發生BFRP筋拔出破壞。經250，300和350 ℃高溫作用后，混凝土抗拉強度降低程度較大，沿BFRP 筋表面的徑向分力在混凝土內部產生的環向拉應力超過混凝土抗拉強度，深肋BFRP 筋和淺肋BFRP筋黏結試件開始發生混凝土劈裂破壞現象。在加載過程中，噴砂筋與纖維混凝土產生的摩擦力超過BFRP 筋與纖維混凝土黏結強度，便發生BFRP筋拔出破壞。

當黏結長度為2.5d和5d時，深肋BFRP筋黏結試件傾向于發生BFRP 筋拔出破壞。當黏結長度為10d和15d時，深肋BFRP 筋黏結試件發生混凝土劈裂破壞，這是由于相同黏結強度條件下，黏結長度大的試件承擔的破壞荷載更大，BFRP 筋對周圍混凝土產生的徑向力也就越大，當徑向力在混凝土中產生的環向拉應力超過混凝土抗拉強度時，發生混凝土劈裂破壞。經250，300 和350 ℃高溫作用后，1-N 和2-N 試組BFRP 筋黏結試件的破壞形態均為混凝土劈裂破壞，而1-B，1-H 和2-H 組BFRP 筋黏結試件出現有BFRP 筋拔出破壞，這是由于纖維的摻入提高了高溫后混凝土的抗拉強度。直徑8 mm 和10 mm 深肋BFRP 筋黏結試件均出現了BFRP 筋拔出破壞，當直徑增大，BFRP 筋表面到混凝土表面的距離減少，筋材外圍混凝土的抗劈裂能力降低，直徑為12 mm 的黏結試件大多是混凝土劈裂破壞。

2.2 黏結滑移曲線

圖4 顯示了經高溫作用后1-B 組BFRP 筋黏結試件自由端黏結滑移曲線(圖4(a))和加載端黏結滑移曲線(圖4(b))。經高溫作用后，黏結試件黏結應力峰值隨著溫度的升高逐漸降低。隨著溫度的升高，黏結應力滑移曲線斜率逐漸降低即黏結剛度逐漸減小。同黏結應力值下，加載端滑移值高于自由端滑移值。

圖4 高溫作用后1-B試件黏結滑移曲線Fig.4 Bond stress-slip curves of specimen 1-B after different temperatures

2.3 黏結強度影響因素分析

2.3.1 溫度

由圖5 可知，黏結長度為50 mm，直徑為10 mm 的BFRP 深肋筋與普通混凝土、玄武巖纖維混凝土及混摻纖維混凝土的黏結強度均隨溫度的升高不斷降低。當溫度為70～350 ℃時，BFRP 筋與普通混凝土黏結強度的降低率為17.1%～48.6%，BFRP 筋與玄武巖纖維混凝土黏結強度的降低率為14.5%～46.8%，BFRP 筋與混摻纖維混凝土的黏結強度的降低率為11.4%～48.3%。

圖5 1-N，1-B和1-H試件黏結強度隨溫度的變化Fig.5 Variation of bond strength of 1-N,1-B and 1-H specimens with temperature

當溫度為70～170 ℃時，BFRP 筋纖維束不受高溫影響，而樹脂基體會發生?；F象，黏結樹脂由固態變為黏塑性狀態，BFRP 筋與混凝土黏結強度降低，等恢復到室溫時，BFRP 筋與混凝土的黏結性能會有一定程度的恢復。當溫度為250～350 ℃時，BFRP 筋纖維束受高溫影響較小，樹脂基體會出現熱分解和碳化現象，樹脂基體對纖維束黏結作用降低，BFRP 筋表面變得疏松，BFRP筋與混凝土黏結強度下降幅度較大[3]。混凝土劈裂抗拉強度隨著溫度的升高逐漸降低，BFRP 筋黏結試件在加載過程中，BFRP 筋表面產生環向擴張分力，當環向擴張力超過混凝土劈裂抗拉強度時，BFRP 筋黏結試件就會發生混凝土劈裂破壞，造成黏結強度的降低。另外，高溫下FRP 筋與混凝土熱膨脹系數不同，使得FRP 筋與混凝土黏結界面易產生裂縫等缺陷，也會對黏結強度造成不利的影響。

2.3.2 BFRP筋表面形式

由圖6可知，在各溫度下，深肋筋與混凝土的黏結強度最高。在170 ℃之前，噴砂筋與混凝土的黏結強度大于淺肋筋與混凝土的黏結強度，250 ℃之后，噴砂筋與混凝土的黏結強度低于淺肋筋與混凝土的黏結強度，這是因為噴砂筋在高溫作用下，表面砂層從BFRP 筋主體剝離。常溫時，深肋筋與混凝土的黏結強度為25.72 MPa，與之相比，噴砂筋和淺肋筋與混凝土的黏結強度分別降低了47.6%和57.9%。170 ℃時，噴砂筋和淺肋筋與混凝土的黏結強度相比較深肋筋分別降低了56.1%和58.5%。350 ℃時，深肋筋與混凝土的黏結強度為13.23 MPa，與之相比，噴砂筋和淺肋筋與混凝土的黏結強度分別降低了78.7%和75.6%。

圖6 不同表面形式BFRP筋與玄武巖纖維混凝土黏結強度Fig.6 Bond strength of BFRP bars with different surface forms to basalt fiber concrete

在加載過程中，當BFRP 筋和混凝土之間產生滑移，化學黏著力消失之后，噴砂筋與混凝土的黏結應力主要由表面砂層和混凝土之間的機械咬合力和摩擦力來提供。與深肋筋和淺肋筋相比，噴砂筋與混凝土之間的機械咬合力較小，黏結應力主要由表面砂層與混凝土之間的摩擦力來提供，其黏結強度主要取決于噴砂層的制作工藝、粗糙度和強度[4]。在170 ℃之前，噴砂筋黏結試件經高溫作用冷卻至室溫后，噴砂筋受高溫影響較小，黏結強度降低較少。在250 ℃之后，噴砂筋表面結合砂層的樹脂出現熱分解、碳化，砂層摩擦力降低，黏結強度大幅度降低。淺肋筋和深肋筋與混凝土的黏結應力主要由凸肋和混凝土之間的機械咬合力提供，由于深肋筋與淺肋筋的肋間距接近，肋高是淺肋筋的2倍，能提供的機械咬合力高于淺肋筋，所以深肋筋與混凝土之間的黏結強度高于淺肋筋。

2.3.3 基體混凝土類型

圖5 也顯示了在各溫度下單摻加入0.20%玄武巖纖維與混摻0.15%玄武巖纖維和0.10%纖維素纖維對BFRP 深肋筋和混凝土黏結強度的影響。圖7顯示了在各溫度下單摻加入0.20%玄武巖纖維對BFRP 噴砂筋、淺肋筋和混凝土黏結強度的影響。與普通混凝土相比，玄武巖纖維加入使得深肋筋、噴砂筋、淺肋筋與混凝土的黏結強度分別提升8.4%～18.8%，56.3%～99.6% 和27.5%～51.8%，混摻玄武巖纖維和纖維素纖維使得深肋筋與混凝土的黏結強度提升了17.6%～35.1%。這是因為玄武巖纖維耐高溫，當混凝土在高溫作用后強度降低，受荷載作用產生應力，玄武巖纖維在混凝土中可以形成骨架結構，有效抑制水泥漿體產生微裂縫以及橫跨在微裂縫之間通過拔出和拔斷消耗能量[7]。纖維素纖維在165 ℃左右熔融形成孔道，有利于混凝土內部水分的蒸發，減少混凝土內部熱應力的產生，減少經高溫作用水泥漿體出現裂縫的數量，增大BFRP 筋拔出過程中的阻力，提高黏結強度[8]。

圖7 各溫度下BFRP噴砂筋和BFRP淺肋筋與不同基體混凝土黏結強度對比Fig.7 Comparison of bond strength between BFRP sandcoated bar and BFRP shallow rib bar and concrete at different temperatures

2.3.4 黏結長度

由圖8可知，在各溫度下，隨著黏結長度的增加，峰值荷載逐漸增加，深肋筋與纖維混凝土黏結強度逐漸降低。與黏結長度為2.5d時的黏結強度相比，黏結長度為5d時，深肋筋與混凝土黏結強度降低率為-1.2%～22.2%；黏結長度為10d時，深肋筋與混凝土黏結強度降低率為35.0%～52.9%；黏結長度為15d時，黏結強度降低率為50.9%～59.8%。

圖8 各溫度下BFRP深肋筋與玄武巖纖維混凝土峰值荷載和黏結強度隨黏結長度變化Fig.8 Variation of peak load and bond strength between BFRP deep rib bar and basalt fiber reinforced concrete with bond length at different temperatures

黏結強度是按照沿黏結長度方向線性分布的平均黏結應力計算的，而實際上BFRP 筋與混凝土黏結應力沿黏結長度分布是不均勻的，兩端黏結應力小，中間黏結應力大，隨著黏結長度的增加，應力分布不均勻現象加劇，平均黏結應力與最大黏結應力比值減小，造成BFRP 筋與混凝土黏結強度降低[16]。同時，在BFRP 筋黏結試件加熱過程中，熱量沿黏結長度由兩端向中間傳遞，經高溫作用后，黏結長度兩端樹脂基體?；岱纸?、碳化程度高于中間段，也會加劇加載過程中黏結長度上應力分布不均勻，造成黏結強度隨黏結長度的增加逐漸降低[17]。

2.3.5 BFRP筋直徑

由圖9 可知，在各溫度下，當黏結長度為5d時，隨著BFRP 筋直徑的增加，峰值荷載逐漸增加，深肋筋與纖維混凝土黏結強度逐漸降低。與直徑8 mm 相比，直徑10 mm 深肋筋與混凝土黏結強度降低了6.4%～27.9%，直徑12 mm 深肋筋與混凝土黏結強度降低了27.9%～30.6%。分析其原因，BFRP 筋黏結試件在加載過程中，由于泊松效應[13]，BFRP 筋橫截面積變小，沿軸向方向伸長，BFRP 筋與周圍混凝土黏結界面更容易產生微裂縫，降低了BFRP 筋與周圍混凝土的機械咬合力，直徑越大，泊松效應越明顯，BFRP 筋與纖維混凝土黏結性能減弱。同時，BFRP 筋直徑越大，混凝土保護層厚度相對越小，混凝土的抗劈裂能力隨之減小，進而減小了BFRP 筋黏結試件的黏結強度，且隨著BFRP 筋直徑的增大，剪切滯后效應越明顯，BFRP 筋表面變形大于橫截面中心變形，導致同一截面處正應力的分布不均勻，黏結強度降低[18]。再者，BFRP 筋直徑越大，BFRP 筋表面混凝土泌水現象也就越嚴重[19]，硬化之后產生較多的空隙，導致黏結強度降低。

圖9 各溫度下BFRP深肋筋與玄武巖纖維混凝土峰值荷載和黏結強度隨BFRP筋直徑變化Fig.9 Variation of peak load and bond strength between BFRP deep rib bar and basalt fiber reinforced concrete with BFRP bar diameter at different temperatures

3 BFRP 筋與纖維混凝土黏結強度計算

根據GB/T 30022—2013[14]和《纖維增強復合材料建設工程應用技術規范》GB 50608—2010[20]的規定，本文按照黏結長度為5 倍BFRP 筋直徑來計算BFRP 筋與混凝土的黏結強度。ACI 440.1R-03[21]中給出了FRP筋與混凝土截面受力平衡條件：

式中：d為FRP 筋直徑，mm；lbf為FRP 筋基本錨固長度，mm；τu為FRP筋與纖維混凝土黏結強度，MPa；Af為FRP 筋橫截面面積，mm2；ffu為FRP 筋抗拉強度設計值，MPa。

根據《混凝土結構設計規范》GB 50010—2010[22]，假設黏結強度與混凝土軸心抗拉強度成正比，則BFRP 筋與纖維混凝土的黏結強度計算公式可表示為：

式中：α為BFRP 筋的外形系數，根據本文試驗結果(見表5)，保守考慮，對于BFRP 深肋筋、噴砂筋和淺肋筋，α分別取5，3.75和3；ffc,t為纖維混凝土軸心抗拉強度設計值；ft為普通混凝土軸心抗拉強度設計值；β為纖維增強系數，β取1.2。

表5 常數α和k的計算結果Table 5 Calculation results of α and k

對于混凝土劈裂破壞和拔出破壞，ACI 440.1R-03[21]中規定基本錨固長度和黏結強度分別為：

式中：fcu,k為混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa；k為系數，本文試驗k值計算結果見表5。為了安全和便于計算，對于BFRP 深肋筋、噴砂筋和淺肋筋，k取值分別為36，20 和16，利用公式(3)和公式(8)得到黏結強度計算值，列于表5。最后，基于安全考慮并結合參考文獻[16]和[23]，建議不同外形BFRP 筋與纖維混凝土黏結強度計算公式按較小值來選擇，即：

對于BFRP深肋筋與纖維混凝土：

對于BFRP噴砂筋與纖維混凝土：

對于BFRP淺肋筋與纖維混凝土：

經高溫作用后，FRP 筋與混凝土黏結強度降低。高溫后BFRP 筋與混凝土的黏結強度計算公式為：

式中：τut為高溫作用后BFRP 筋與纖維混凝土黏結強度，MPa；kt為高溫作用后BFRP 筋與纖維混凝土黏結強度折減系數；τu為常溫下BFRP 筋與纖維混凝土黏結強度，MPa。

由表6 計算結果以及參考相關文獻[24]，偏于安全考慮，建議當溫度介于常溫與170 ℃之間，對于BFRP深肋筋和淺肋筋，kt取0.60，對于BFRP噴砂筋，kt取0.50。當溫度為170～300 ℃時，對于BFRP 深肋筋kt取0.50，對于BFRP 淺肋筋，kt取0.40。當溫度高于170 ℃時，BFRP 噴砂筋不宜作為混凝土結構增強材料。當溫度高于300 ℃時，BFRP 深肋筋與淺肋筋不宜作為混凝土結構增強材料。

表6 kt值的計算Table 6 Calculation of kt from experiment

4 結論

1) 隨著溫度的升高，BFRP 深肋筋與普通混凝土、玄武巖纖維混凝土及混摻玄武巖和纖維素纖維混凝土的黏結強度均逐漸降低，在70～350 ℃之間，它們相應黏結強度的降低率分別為17.1%～48.6%，14.5%～46.8%和11.4%～48.3%，纖維的加入使得高溫作用后FRP 筋與混凝土黏結強度的降低率變小。

2) 混凝土中摻入纖維后，可以明顯提高常溫和高溫下BFRP 筋與混凝土的黏結強度。單獨摻入0.20%體積摻量玄武巖纖維，在各溫度下，使深肋筋、噴砂筋、淺肋筋與混凝土黏結強度分別提高8.4%～18.8%，56.3%～99.6% 和27.5%～51.8%?；旌蠐饺?.15%玄武巖纖維和0.10%纖維素纖維，在各溫度下，使深肋筋與混凝土黏結強度提高了17.6%～35.1%。

3) 不同表面形式對BFRP筋與纖維混凝土黏結強度影響明顯，各溫度下，深肋筋與纖維混凝土黏結強度最高。隨著BFRP 筋直徑和BFRP 筋與混凝土黏結長度的增加，深肋筋與纖維混凝土黏結強度均逐漸降低。

4) 考慮溫度、混凝土強度、FRP 筋表面形式與直徑的影響，提出了高溫后BFRP 筋與纖維混凝土黏結強度計算公式。