魏 偉，熊 哲

（廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

鋼筋銹蝕使混凝土結構性能極大降低，減少其使用壽命[1-4]。現(xiàn)階段，國內外許多研究學者提出，采用纖維增強復合材料(Fiber-reinforced polymer，F(xiàn)RP)筋替代鋼筋，從而避免混凝土結構的筋材銹蝕問題[5-6]。但FRP筋與鋼筋的力學性能不同，如FRP筋是各項異性的線彈性材料，沿纖維方向抗拉強度高，抗剪強度低[7]。因此現(xiàn)有的鋼筋混凝土結構的研究成果不能直接用于FRP筋混凝土結構。在FRP筋混凝土結構中，F(xiàn)RP筋與混凝土的粘結性能尤為重要，特別是FRP筋的錨固長度，影響著FRP混凝土的整體協(xié)同工作性能。Lee等[8]提出FRP筋與混凝土之間的粘結力由化學粘結力、摩擦力和機械咬合力組成，并根據(jù)FRP筋表面是否噴砂可分為以機械咬合力為主和以摩擦力為主的兩種粘結機理。Achillides等[9]指出FRP筋與混凝土粘結界面兩側形成剪切界面，損傷位置主要取決于FRP筋與混凝土的相對抗剪強度。Fei等[10]對玻璃纖維增強復合材料(Glass fiberreinforced polymer, GFRP)筋的粘結滑移本構模型、粘結強度及失效模式進行了全面的綜述。

目前，國內外對FRP筋與混凝土粘結性能的研究成果較為豐富。然而對FRP筋錨固長度的研究相對較少。基于此，本文對FRP筋混凝土進行拉拔試驗，探討不同種類FRP筋混凝土的粘結機理、粘結強度和錨固長度。

1 試驗步驟

1.1 材料

FRP筋材采用玻璃纖維增強復合材料(Glass fiber-reinforced polymer, GFRP)筋、碳纖維增強復合材料(Carbon fiber-reinforced polymer, CFRP)筋和玄武巖纖維增強復合材料(Basalt fiber-reinforced polymer, BFRP)筋3種筋材，如圖1所示。所有筋材的名義直徑均為8 mm，表面處理方式為纖維纏繞。每種FRP筋抽取5根筋材進行排水法測直徑及拉伸試驗[11]。FRP筋的拉伸試驗如圖2所示，F(xiàn)RP筋的等效直徑及力學性能如表1所示。

圖 1 FRP筋Fig.1 FRP bars

圖 2 FRP筋拉拔試驗Fig.2 Tensile tests of FRP bars

表 1 FRP筋等效直徑及力學性能Table 1 Equivalent diameters and mechanical properties of FRP bars

混凝土采用42.5R型普通硅酸鹽水泥、河沙、自來水及粗骨料為原材料現(xiàn)場攪拌。其中，粗骨料粒徑5～20 mm，表觀密度2 822 kg/m3，堆積密度1 375 kg/m3，吸水率1.70%，破碎指數(shù)14%；河沙細度模數(shù)M 2.6，表觀密度2 238 kg/m3，含水率4.03%。采用ASTM C469/C469M-14的方法測試標準養(yǎng)護28 d的Φ150 mm×300 mm圓柱體，混凝土力學性能試驗如圖3所示。混凝土配合比和力學性能見表2。

圖 3 混凝土受壓性能試驗Fig.3 Compressive tests of concrete

表 2 混凝土配合比和力學性能Table 2 Mix proportion and mechanical properties of concrete

1.2 拉拔試樣

拉拔試樣包含F(xiàn)RP筋和混凝土兩部分。其中，F(xiàn)RP筋長800 mm，為了避免加載設備的夾持對FRP筋加載端造成損傷，在加載端粘連內徑10 mm、壁厚3 mm、長度為150 mm的無縫鋼管?；炷恋哪＞咧谱靼?個步驟：(1) 用木模板組裝成內部尺寸150×150×150 mm3的模具；(2) 在平行的兩塊模板中心開直徑20 mm的圓孔，并定義其中一端為加載端，另一端為自由端；(3) 將帶孔的管帽用熱熔膠粘在自由端的圓孔位置，確保自由端的平整；(4) 將PVC管插入加載端，并將帶孔的管帽套在PVC管兩端；(5) 將FRP筋穿過管帽、PVC管、管帽、粘結段、自由端管帽；(6) 調整FRP筋、PVC管和管帽的位置，使粘結段的長度為5 D(D為FRP筋的等效直徑)，自由端尺寸為100 mm；(7) 用熱熔膠將PVC管和加載端木模板固定住。拉拔試樣的模具如圖4所示。澆筑混凝土、振搗密實、在標準條件下養(yǎng)護28 d。拉拔試樣示意圖見圖5。每種筋材澆筑6個試樣，共18個拉拔試樣。

圖 4 拉拔試樣模具Fig.4 Moulds for pull-out specimens

圖 5 拉拔試樣示意圖Fig.5 Dimensions of pull-out specimens

1.3 試驗過程

采用MTS370進行拉拔試驗，如圖6所示，MTS上端夾頭與承臺鋼架采用球鉸連接，以確保在試驗過程中FRP筋僅受軸向拉力。承臺鋼筋與混凝土之間加3 mm厚低摩擦聚四氟乙烯(PTFE)、5 mm厚鋁板、5 mm厚軟橡膠墊層以減小混凝土與鋼板的套箍效應，使得FRP筋混凝土粘結界面僅受剪力[12]。

圖 6 拉拔試驗Fig.6 Setup of pull-out tests

拉拔試驗采用位移加載，加載速率為1 mm/min。出現(xiàn)下列條件之一即終止試驗：(1) FRP筋拉斷；(2) 混凝土劈裂；(3) FRP筋肋剝離；(4) 加載端出現(xiàn)20 mm位移且荷載已過峰值。加載端B點的位移(s′)及拉力p由MTS試驗機記錄，混凝土塊的位移(s′′)由位移計測量，采用數(shù)字采集儀同步采集數(shù)據(jù)。加載端B點和粘結界面A點的位置如圖5所示。粘結界面的位移s及粘結強度由式(1)～(2)計算。

式(1)、(2)中，Ef，Af，D，la分別是FRP筋的彈性模量、截面積、等效直徑和粘結長度。

2 破壞模式和機理

表3列出了拉拔試樣的破壞模式，其中P表示拔出，F(xiàn)表示FRP筋肋剝離。根據(jù)FRP筋類型的差異，討論實驗現(xiàn)象、粘結強度和粘結機理。

表 3 試驗結果Table 3 Test results

挑選粘結強度最接近平均值的拔出試樣和肋剝離試樣繪制粘結滑移曲線，如圖7所示。拔出破壞是最主要的破壞形式，粘結強度和位移平穩(wěn)變化，粘結滑移曲線包含完整的上升段、下降段和殘余段，而且粘結滑移曲線呈周期性變化，峰值間距與肋間距基本一致，但機械咬合作用由于界面損傷而退化，導致第二峰值小于第一峰值。GFRP筋肋剝離試樣伴隨試驗中“啪”的響聲，粘結滑移曲線的下降段突然降為零，因此肋剝離試樣的粘結滑移曲線僅包含上升段和局部下降段。

圖 7 粘結強度-滑移曲線Fig.7 Bond strength-slip curves

拉拔試驗結束后劈開混凝土，觀察FRP筋混凝土粘結界面的損傷情況。如圖8所示，BFRP筋表面粘連混凝土，混凝土粘結界面存在混凝土破碎的顆粒；CFRP筋凸肋存在刮痕及擠壓變形，而且擠壓殘余變形越靠近加載端越顯著，混凝土粘結界面存在CFRP筋的樹脂；GFRP筋凸肋存在嚴重的刮痕，混凝土界面存在清晰的GFRP筋模痕。GFRP筋肋剝離試樣的損傷覆蓋整個凸肋，拔出試樣的損傷分布未覆蓋整個凸肋。所有試樣粘結界面的損傷均存在越靠近加載端越嚴重的現(xiàn)象。

圖 8 粘結界面Fig.8 Bond interfaces

FRP筋混凝土的粘結機理以機械咬合力為主，在FRP筋凸肋根部和凸肋之間的混凝土根部形成2個剪切界面，剪切界面和損傷位置主要取決于FRP筋和混凝土的抗剪強度相對值[9]。BFRP筋試樣的損傷位置主要在混凝土界面，粘結性能主要受混凝土抗剪強度控制；CFRP筋試樣的損傷位置主要在FRP筋界面，粘結界面主要受FRP筋抗剪強度控制，且CFRP筋凸肋存在擠壓殘余應變，這主要與CFRP筋的凸肋高度有關；GFRP筋的損傷位置在FRP筋界面，粘結性能主要受FRP筋抗剪強度控制，肋剝離的試樣在GFRP筋凸肋與混凝土咬合變形中，凸肋大面積且集中剝落，表現(xiàn)出脆性。GFRP筋試樣的混凝土界面存在清晰的筋材模痕，表明GFRP筋與混凝土粘結界面出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。

3 粘結強度

拉拔試件的粘結強度如表3和圖9所示。由圖9可知，GFRP筋和BFRP筋的粘結強度是CFRP筋粘結強度的95.8%，48.8%。這種現(xiàn)象可歸因于彈性模量的變化：在其他因素不變的情況下，粘結強度隨彈性模量的增大而增大[13]。

4 錨固長度

Islam等[14]提出了基本錨固長度的經(jīng)驗公式及系數(shù)的計算公式，如式(3)所示。

圖 9 FRP筋類型對粘結強度的影響Fig.9 Influence of the type of FRP bars on the bond strength

式(3)中，fc為混凝土抗壓強度(MPa)。

拉拔試驗得到的基本錨固長度及參數(shù)結果詳見表4。根據(jù)拉拔試樣的基本錨固長度計算結果，按95%的保證率對基本錨固長度的系數(shù)μ進行取值：GFRP筋為0.075、CFRP筋為0.079、BFRP筋為0.147.在工程應用中，為了規(guī)避所有的不確定因素，F(xiàn)RP筋混凝土的錨固長度需要加上一個安全系數(shù)γg=2.5[15]。因此，F(xiàn)RP筋混凝土的錨固長度可由式(4)計算。

為驗證所提出的錨固長度系數(shù)的合理性，將采用式(4)計算得到的錨固長度與ACI440.1R-06的計算結果進行比較。文獻[11]的錨固長度見式(5)。

式(5)中，α為FRP筋位置系數(shù)1，C/D的限值為3.5。

如表4所示，BFRP筋的錨固長度＞CFRP筋的錨固長度＞GFRP筋的錨固長度，而且錨固長度均大于基本錨固長度，表明錨固長度經(jīng)驗公式的系數(shù)存在安全富余度，并且錨固長度經(jīng)驗公式的計算結果是ACI 440.1R-06的0.31～0.61，同時表明ACI 440.1R-06錨固長度的計算式具有較高的安全富余度。

表 4 錨固長度及參數(shù)Table 4 Anchorage length and parameters

5 結論

BFRP筋、CFRP筋和部分GFRP筋的試樣為拔出破壞，可獲得完整的荷載位移曲線；部分GFRP筋的試樣為肋剝離破壞，荷載位移曲線僅包含上升段和局部下降段。

BFRP筋粘結界面的損傷主要在混凝土界面，CFRP、GFRP筋粘結界面的損傷主要在筋材表面，而且損傷分布均為越靠近加載端越嚴重。

GFRP筋和BFRP筋的粘結強度是CFRP筋粘結強度的95.8%，48.8%，這可歸因于彈性模量的大小。

本文提出FRP筋混凝土錨固長度經(jīng)驗公式的建議系數(shù)：GFRP筋為0.075、CFRP筋為0.079、BFRP筋為0.147。FRP筋錨固長度的大小順序為BFRP筋、CFRP筋、GFRP筋。錨固長度經(jīng)驗公式的計算結果均大于基本錨固長度，而且是ACI 440.1R-06的0.31～0.61，表明錨固長度經(jīng)驗公式的系數(shù)存在安全富余度，而且ACI 440.1R-06錨固長度的計算式具有較高的安全富余度。