趙 琳 遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院

1 前言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合后形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。一般FRP 具有質(zhì)輕，抗拉強(qiáng)度高，耐腐蝕性能好等特性[1-4]。由于FRP的重量輕，高抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性能，F(xiàn)RP筋已經(jīng)被引入作為混凝土結(jié)構(gòu)的常規(guī)鋼筋的理想替代品。FRP筋與混凝土之間的足夠的粘結(jié)應(yīng)力是保證二者共同工作的基礎(chǔ)，對于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能有著極其重要的影響。具有良好的粘結(jié)性能是二者共同工作和變形的基本條件。因此，F(xiàn)RP筋混凝土的粘結(jié)性能對結(jié)構(gòu)的破壞模式、承載能力和變形能力有很大的影響，如何改善粘結(jié)性能引起了人們的廣泛關(guān)注。

2 國內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)研究方法

影響FRP 筋混凝土的粘結(jié)性能的因素較多，目前國內(nèi)外采用不同的試驗(yàn)方法：軸心拉拔法、半梁或全梁法及搭接法等。軸心拉拔法作為一種最直接和簡單的測試方法，在美國及加拿大規(guī)范等均進(jìn)行了描述如圖1所示。

圖1 軸心拉拔試件

與軸心拉拔試驗(yàn)相比，梁式試驗(yàn)?zāi)軌蚋鼫?zhǔn)確地測試出梁在真實(shí)受力狀態(tài)下的抗剪、抗彎和抗拉性能。此外，直接拉拔試件在加載過程中，試驗(yàn)裝置中的承壓板對混凝土接觸面產(chǎn)生摩擦力，從而限制了混凝土試件的橫向變形能力，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一定的偏差。而梁式試驗(yàn)?zāi)軌蛴行П苊獯祟愓`差，得到混凝土梁中筋材與混凝土之間更真實(shí)的粘結(jié)性能。梁式試驗(yàn)的試件示意圖見圖2。

圖2 梁式試件

3 國內(nèi)外相關(guān)研究成果

太原理工大學(xué)的梁利生等通過試驗(yàn)研究對影響FRP加固效果主要因素的進(jìn)行系列探討，建立了FRP 約束軸心受壓柱的強(qiáng)度計(jì)算模型[5-7]。

Wei Wei 等[8]通過試驗(yàn)研究FRP 筋混凝土的粘結(jié)性能?？紤]了FRP 筋的類型、直徑和鋼筋表面處理等三個(gè)變量的影響。結(jié)果表明：高強(qiáng)、高密混凝土可提高混凝土的粘結(jié)耐久性；由于表面噴砂的粘結(jié)應(yīng)力滑移曲線的初始微滑移值比表面螺旋纏繞或螺紋的粘結(jié)應(yīng)力滑移曲線更陡；同時(shí)，表面螺旋纏繞和表面螺紋的FRP筋的粘結(jié)應(yīng)力滑移曲線呈現(xiàn)周期性變化，因此，建議對FRP筋表面進(jìn)行螺旋纏繞或者螺紋處理。

Bai Zhang[9]提出了一種新的錨固方法并進(jìn)行了優(yōu)化以提高FRP 筋與混凝土的粘結(jié)性能。將鋁合金管附著在CFRP 筋表面，用電液鉗子從多個(gè)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行擠壓，以確保鋁合金管可以均勻地附著在CFRP 筋表面后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于增加的肋骨提供的機(jī)械聯(lián)鎖的增強(qiáng)，除了減少混凝土劈裂的發(fā)生外，更重要的是，可以有效地提高FRP筋的錨固性能；除此之外，優(yōu)化的錨固方法對FRP筋的抗拉強(qiáng)度損失極小，附加肋的存在產(chǎn)生了末端壓力，改變了FRP筋與混凝土之間的傳力機(jī)制，減少了徑向施加在周圍混凝土上的力從而延遲混凝土開裂破壞的發(fā)生。這種通過加肋錨固提高粘結(jié)性能的方法可以減少FRP 筋在混凝土中的滑移，并有助于充分利用FRP 筋在混凝土中的抗拉強(qiáng)度，可以認(rèn)為附加肋錨固系統(tǒng)是一種有效的可以改善粘結(jié)力和拔出力的錨固系統(tǒng)。

在我國，處于季凍地區(qū)的道路工程約占全國的70%，連續(xù)配筋混凝土路面受凍融循環(huán)作用導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度等性能受到影響，這將降低路面結(jié)構(gòu)耐久性能。薛剛等[10]對凍融后的橡膠混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同的橡膠粉的摻量有著不同的影響，橡膠摻量為15%時(shí)試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度下降56%，而橡膠摻量為5%、10%的試件的極限粘結(jié)強(qiáng)度幾乎沒有下降。在凍融循環(huán)125 次作用下，橡膠摻量為5%、10%、15%的混凝土試件粘結(jié)強(qiáng)度分別下降了60%、58%、50%，與未摻橡膠混凝土粘結(jié)強(qiáng)度下降68%相比下降幅度減小了8%。由此可得出結(jié)論，凍融循環(huán)影響下，當(dāng)橡膠摻量為5%、10%時(shí)，極限粘結(jié)強(qiáng)度對應(yīng)的自由端滑移量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，呈下降的趨勢，當(dāng)橡膠摻量為15%時(shí)，自由端滑移量則隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加；故摻入5%～10%的橡膠粉，可以提高混凝土抗凍性。

王磊等[11]通過試驗(yàn)研究天然珊瑚混凝土抗壓強(qiáng)度，在遠(yuǎn)海島礁建設(shè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。將制作的不同保護(hù)層厚度的碳纖維筋、玻璃纖維筋-珊瑚混凝土試件經(jīng)28d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后置于30℃海水中浸泡，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為0d、10d、30d、60d、120d后進(jìn)行拔出試驗(yàn)。研究表明：經(jīng)過浸泡后受力性能有一定程度的降低。隨著泡時(shí)間增加，碳纖維筋表層樹脂與纖維間的孔隙率明顯增大，筋材僅表面基體有少許損傷，其耐久性能明顯高于玻璃纖維筋；粘結(jié)性能呈現(xiàn)出先增大然后減小的規(guī)律，部分玻璃纖維筋-珊瑚混凝土試件的破壞類型由玻璃纖維筋拔出轉(zhuǎn)變?yōu)榻畈臄嗔?；增加混凝土保護(hù)層厚度能有效地提高玻璃纖維筋-珊瑚混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。

由于高溫材料的物理力學(xué)性能發(fā)生一定的變化，導(dǎo)致兩者界面可靠的粘結(jié)性能產(chǎn)生退化，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的承載力產(chǎn)生重大影響[12-16]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者就對高溫前后鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的研究取得了較好的研究成果。大量試驗(yàn)結(jié)果表明[17-19]：極限粘結(jié)應(yīng)力（粘結(jié)強(qiáng)度）隨溫度的上升呈逐漸下降的趨勢。然而，不同學(xué)者獲得的結(jié)論存在有一定的差異，一些學(xué)者認(rèn)為粘結(jié)強(qiáng)度所對應(yīng)的滑移量隨溫度的升高有所增大，還有一些學(xué)者認(rèn)為峰值滑移值隨溫度的升高而有所下降[19-22]。薛維培等[23]通過試驗(yàn)研究了高溫下二者之間粘結(jié)-滑移性能，可知粘結(jié)應(yīng)力的變化規(guī)律與混凝土抗拉強(qiáng)度類似，并提出了粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型且與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)束語

目前雖然已對二者之間的粘結(jié)機(jī)理進(jìn)行了研究，但理論和數(shù)值模擬方面有所欠缺，建議需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究工作：干濕循環(huán)、化學(xué)侵蝕等惡劣環(huán)境下FRP筋與混凝土間的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究；除破壞形態(tài)、混凝土強(qiáng)度等級、埋置深度、纖維筋直徑、和表面狀況等，對于影響粘結(jié)性能的其它因素應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步深入地研究；動(dòng)荷載下的FRP 筋與混凝土間的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究；目前低溫或凍融循環(huán)作用下FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能研究較少，且研究表明凍融循環(huán)對粘結(jié)性能影響較大，但研究溫度較多位于-25℃～15℃，而實(shí)際室外最低溫度經(jīng)常出現(xiàn)-40℃以下的情況，故此方面需要進(jìn)一步深入研究。由于不同地區(qū)也存在多種不利因素共同作用，雖目前已經(jīng)開展酸堿鹽溶液、疲勞作用、凍融作用等共同作用對二者之間粘結(jié)性能的研究，但成果不多且缺乏準(zhǔn)確的定量分析，需要深入開展研究以明確粘結(jié)-滑移性能和機(jī)理;對高溫作用前后纖維筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。