羅小勇，唐謝興，孫奇，萬翱宙

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410075)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，如橋面板、人行道、車庫、廢水處理廠和港口碼頭等。但是，在侵蝕性環(huán)境中除冰鹽、工業(yè)化合物等造成的鋼筋銹蝕是一個(gè)及其嚴(yán)重的問題，造成混凝土早期退化，降低結(jié)構(gòu)可靠度和承載力，進(jìn)而縮短結(jié)構(gòu)使用壽命［1－2］，解決鋼筋的銹蝕、提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是目前土木工程領(lǐng)域需要解決的課題。因FRP筋具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、抗磁性、電絕緣性、徐變小、比重小等優(yōu)點(diǎn)與鋼筋的特性［3－4］，使其在工程中廣泛應(yīng)用成為可能，可以用來代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的普通鋼筋，從根本上解決鋼筋銹蝕的問題，應(yīng)用前景廣闊。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)一般環(huán)境下FRP筋與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度方面研究［5－12］以及 FRP筋耐久性方面［13－20］取得了許多進(jìn)展，然而對(duì)侵蝕環(huán)境下FRP筋與混凝土黏結(jié)性能研究較少。由于FRP筋一般是在侵蝕環(huán)境中代替鋼筋使用，因此，研究侵蝕環(huán)境對(duì)FRP筋與混凝土的黏結(jié)性能影響非常必要。為此，對(duì)直徑25 mm GFRP筋進(jìn)行了50次，100次和150次的凍融循環(huán)，研究凍融前后GFRP帶肋筋與混凝土黏結(jié)性能，分析拉拔試件的破壞形式及GFRP筋在拉拔中的受力過程，探討凍融循環(huán)對(duì)GFRP筋黏結(jié)性能的影響。

1 試驗(yàn)研究

1．1 材料

試驗(yàn)采用直徑25 mm的GFRP筋，混凝土強(qiáng)度為C30，標(biāo)號(hào)32．5的普通硅酸鹽水泥。水泥、水、砂子、石子配合比為1∶0．4∶1．25∶2．25。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 GFRP筋生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)Table 1 GFRP rebar production technical indicators

1．2 試件設(shè)計(jì)

試件按直徑25 mm和400 mm/根進(jìn)行下料，以凍融次數(shù)分組，50次，100次和150次及對(duì)比組共4組。澆筑混凝土前先對(duì)GFRP筋進(jìn)行凍融循環(huán)加載，參照 ASTM(American Society for Testing and Materials，美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì))666標(biāo)準(zhǔn)中快速凍融循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，分別對(duì)GFRP筋進(jìn)行50次，100次和150次凍融循環(huán)加載(低溫(－17．8±2)℃和高溫(4．2±2)℃，每3 h 22 min 1個(gè)凍融循環(huán))。凍融完成后需將以上幾組凍融后的GFRP筋制作成拉式試件，養(yǎng)護(hù)后對(duì)其進(jìn)行拉式試驗(yàn)，測試其黏結(jié)力和滑移量。同時(shí)設(shè)置1組未腐蝕的GFRP筋拉式試驗(yàn)對(duì)比組試件。通過與對(duì)比組對(duì)比，分析在經(jīng)過凍融循環(huán)后的GFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度以及滑移量所受到的影響及衰減變化規(guī)律。

試驗(yàn)所采用黏結(jié)試件按照Canadian Standard Association(CSA)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)定，試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，澆筑混凝土 C30，GFRP筋與混凝土黏結(jié)距離為2倍鋼筋直徑(2d=50 mm)，GFRP帶肋鋼筋以凍融循環(huán)次數(shù)分組，并設(shè)1組對(duì)比組，每組3根，共12根。為了避免試驗(yàn)加載端混凝土局部受壓，與試件中GFRP帶肋筋端部附近的應(yīng)力狀態(tài)較大，在靠近加載端用PVC套管把GFRP筋和混凝土隔開來設(shè)置未黏結(jié)段，以減小邊界處的應(yīng)力集中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性造成的影響。黏結(jié)試件的構(gòu)造如圖1所示，加載段預(yù)留GFRP筋長度200 mm，滿足試驗(yàn)加載要求。澆筑后，養(yǎng)護(hù)28 d以供拉式試驗(yàn)。

圖1 試件構(gòu)造示意圖Fig．1 Schematic diagram of pull－ out specimens

1．3 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)使用的裝置如圖2所示。拉式試驗(yàn)之前對(duì)GFRP筋的加持端進(jìn)行清洗處理，使用玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂進(jìn)行包扎，起到防止夾碎夾持端桿體的作用。在試驗(yàn)過程中用試驗(yàn)機(jī)在試件下端直接加載，為了避免因受力筋與荷載面不嚴(yán)格垂直而導(dǎo)致混凝土撕裂破壞，保證拔出力沿軸力方向，在拉拔裝置的鋼框架上部設(shè)置穿心鉸。

按照CSA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的要求，荷載控制不超過 22 kN/min或者位移控制不超過 1．27 mm/min，試驗(yàn)機(jī)選用最大夾持荷載100 kN的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，記載速度為0．5 mm/min，由計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行加載，同時(shí)記錄試驗(yàn)過程中的荷載大小、位移讀數(shù)以及試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的現(xiàn)象。

圖2 加載裝置Fig．2 Loading installation

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于黏結(jié)強(qiáng)度較小，可以假設(shè)黏結(jié)應(yīng)力沿GFRP筋埋置長度方向均勻分布，GFRP筋的黏結(jié)應(yīng)力為黏結(jié)長度內(nèi)的平均值，即拔出荷載除以GFRP筋埋長部分的表面積，可按下式計(jì)算。

式中:τ為GFRP與混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度;d為GFRP筋直徑;la為GFRP埋置長度;P為拉拔力。

從試驗(yàn)現(xiàn)象來看，大致有2種典型破壞模式:其一為伴隨荷載的逐漸加大，GFRP筋試件從混凝土試件中緩慢拔出，即拔出破壞;其二為當(dāng)構(gòu)件在荷載達(dá)到最大值后，混凝土因?yàn)榕讯鴮?dǎo)致破壞，即為劈裂破壞。其中，劈裂破壞是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度不足等試驗(yàn)隨機(jī)因素導(dǎo)致，不能反映實(shí)際黏結(jié)性能，作為無效數(shù)據(jù)。試驗(yàn)后GFRP筋的破壞荷載、黏結(jié)強(qiáng)度、峰值滑移、破壞模式如表2所示。

由于試驗(yàn)的偶然性，試件 φ25－100－01和φ25－150－03為劈裂破壞，未達(dá)到試驗(yàn)效果，因此在試驗(yàn)分析中剔除φ25－100－01和φ25－150－03 2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其他數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)處理結(jié)果見表3。結(jié)果表明，凍融循環(huán)50次，100次和150次以后黏結(jié)強(qiáng)度分別下降3．24%，6．27%和8．30%，峰值滑移增加 7．32%，10．48% 和16.62%。試驗(yàn)表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，GFRP筋的黏結(jié)性能逐漸降低，峰值滑移逐漸增加。但是基本上凍融循環(huán)對(duì)GFRP筋與混凝土黏結(jié)力影響有限。

表2 拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Pull－out test result

表3 各組試驗(yàn)GFRP筋黏結(jié)性能指標(biāo)均值及其變化率Table 3 Each test mean GFRP rebar binding performance index and its change rate

從試件破壞形式上看，大部分屬于拔出破壞，取出GFRP筋觀察表面形態(tài)發(fā)現(xiàn)，GFRP筋肋在多次凍融循環(huán)后荷載作用下破損嚴(yán)重，GFRP筋表面有較明顯的磨損，從而導(dǎo)致GFRP筋與混凝土黏結(jié)性能退化。GFRP筋經(jīng)過凍融循環(huán)的過程接近于一種疲勞損傷的反復(fù)積累。GFRP筋是由玻璃纖維和樹脂材料組成，理論上來說，拉伸強(qiáng)度主要由玻璃纖維控制。但樹脂基體性能的劣化可以導(dǎo)致纖維性能及連結(jié)界面性能的劣化，所以任何一種材料性能的退化以及兩者連結(jié)界面性能的退化都可能導(dǎo)致GFRP筋整體性能的退化。凍融后GFRP筋肋性能的退化，主要是由于0℃以下的溫度會(huì)導(dǎo)致樹脂的硬化、樹脂微裂縫的擴(kuò)展以及樹脂與玻璃纖維黏結(jié)性能的下降。在凍融循環(huán)過程中，高低溫交替導(dǎo)致樹脂進(jìn)一步硬化、軟化，交替地膨脹或收縮，樹脂中存在的少量與纖維方向平行的微裂縫會(huì)逐漸集中擴(kuò)展，附近區(qū)域性能削弱，進(jìn)而導(dǎo)致纖維被約束的性能退化，影響纖維的性能;同時(shí)，樹脂的交替膨脹或收縮也會(huì)導(dǎo)致樹脂與纖維的黏結(jié)界面產(chǎn)生剝離。綜上原因，導(dǎo)致了黏結(jié)性能的下降。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在一定范圍內(nèi)GFRP筋的力學(xué)性能與凍融循環(huán)次數(shù)存在一定的關(guān)系，GFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加而減小。因試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)(表2)具有一定的離散性，本文采用非線性回歸分析研究其中變量之間的關(guān)系，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到相關(guān)參數(shù)。綜合曲線形狀、殘差大小、決定系數(shù)等因素，擬采用Cubic函數(shù):y=A+Bx+Cx2+Dx3擬合凍融前后錨桿與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的變化情況。圖3為凍融循環(huán)GFRP筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律擬合曲線圖。表4為凍融循環(huán)錨桿與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律擬合函數(shù)參數(shù)取值，以及殘差平方和、校正決定系數(shù)。

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，凍融循環(huán)作用導(dǎo)致GFRP錨桿黏結(jié)性能劣化，峰值滑移增加。

(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合凍融循環(huán)次數(shù)與黏結(jié)強(qiáng)度變化曲線，在實(shí)際工程中為考慮凍融循環(huán)對(duì)GFRP錨桿黏結(jié)強(qiáng)度的影響提供參考。

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