高永紅，彭夢蜜，金清平

（武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065）

0 前言

GFRP筋作為一種新型材料具有輕質高強、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點[1]，但其耐高溫性能力較差[2-4]，其?；D變溫度（Tg）僅為60～120℃，高溫下樹脂的軟化與分解會造成GFRP筋與混凝土之間黏結性能急劇下降[5]。因此諸多學者圍繞溫度對GFRP筋與混凝土間黏結性能的影響展開研究，Masmoudi[6]和 Solyom[7]發(fā)現(xiàn)升溫后筋體與混凝土界面發(fā)生退化，造成二者黏結性能的明顯降低，并且降低幅度隨溫度的升高而增大。Rosa等分別對涂砂GFRP鋼筋[8]和對2種不同帶肋GFRP鋼筋[9]進行了穩(wěn)態(tài)拉伸和拉拔試驗得出GFRP-混凝土界面的強度和剛度隨著溫度的升高而嚴重退化。Wang等[10]通過理論分析、試驗結果等研究了高溫下的黏結滑移本構關系，提出了黏結應力與相對滑移量本構關系的雙折線模型，該模型可預測沿黏結方向從加載端到自由端不同位置處的滑移量和黏結應力。Hajiloo[11]和 Ozkal[12]通過拉拔試驗分別研究了高溫對 3種GFRP筋與混凝土黏結性能的影響以及提出了一種GFRP筋在高溫下與砼黏結強度退化的經(jīng)驗建模方法。鞠竹等[13]對GFRP筋與混凝土黏結試件在20～190℃溫度范圍進行拉拔實驗，分析發(fā)現(xiàn)GFRP筋與混凝土的黏結滑移量隨溫度的升高呈上升趨勢，且在Tg附近有所波動，基于實驗結果建立了黏結滑移方程。上述研究成果表明高溫環(huán)境對GFRP筋與混凝土黏結性能的影響較為明顯。

以上研究加溫方式基本以一次升溫為主，本文在20～220℃溫度范圍對GFRP筋-混凝土試件進行單調升溫、循環(huán)升溫、單調升溫-自然冷卻和單調升溫-快速冷卻4種組合及不同溫度工況下進行拉拔試驗，探究加熱溫度、及升降溫方式對GFRP筋與混凝土黏結性能影響的規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 主要原料

表面噴砂帶肋GFRP筋，樹脂基體為不飽和聚酯，公稱直徑為10 mm，肋高1 mm，肋寬10 mm，深圳海川新材料科技有限公司；

水泥，P.O42.5普通硅酸鹽水泥，華新水泥股份有限公司；

粗骨料，粒徑在5～20 mm范圍內級配良好的碎石，常州佩祥建筑材料有限公司；

細骨料，細黃砂，常州佩祥建筑材料有限公司；

水，生活用自來水。

1.2 主要設備及儀器

微機控制電液伺服萬能試驗機，WAW-1000，濟南新時代試金儀器有限公司；

靜態(tài)電阻應變儀，BZ2205C，武漢優(yōu)泰電子技術公司；

位移傳感器，KSC-30，深圳市米朗科技有限公司；

加熱烘箱，F(xiàn)CD-3000，上海坤天實驗室儀器有限公司；

裂縫寬度觀測儀，ZBL-F101，北京智博聯(lián)科技股份有限公司。

1.3 樣品制備

GFRP筋材料基本性能見表1。選用強度等級為C40的混凝土，根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ55—2011）[14]規(guī)范要求，混凝土配合比見表2。

表1 GFRP筋基本力學性能Tab.1 Basic mechanical properties of GFRP bars

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of the concrete

拉拔試件尺寸如圖1所示，在混凝土澆筑范圍內筋體錨固長度上下兩端安裝陶瓷套管。

圖1 拉拔試件和混凝土試塊的尺寸Fig.1 Size of the pull-out specimen and concrete test block

本試驗設置溫度和黏結長度為參數(shù)，進行單調升溫、循環(huán)升溫、單調升溫-自然冷卻和單調升溫-快速冷卻4種組合的拉拔試驗；升溫作用以50℃為一個溫度梯度[15]，選取常溫（約20 ℃）、70、120、170及220 ℃；試件錨固長度設計為4d和5d。本試驗共30組，每組3個試件，共計90個試件，試件分組如表3所示。同時澆筑100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試塊18組，每組3個試件共計54個。

表3 GFRP筋混凝土試件分組Tab.3 The groups of GFRP bar concrete specimen

1.4 性能測試與結構表征

單調升溫拉拔：將養(yǎng)護完成的試件放入烘箱內加溫，設定烘箱內溫度至各試驗分組的溫度，在烘箱恒溫6 h后[16]，使用錫紙包裹試塊，將試件固定于反力架上[13，17]（圖2），采用微機控制電液伺服萬能試驗機進行中心拉拔試驗。循環(huán)升溫拉拔：試件在烘箱內加熱到指定溫度，恒溫6 h后取出降溫至室溫，然后再次放入烘箱內加熱至該指定溫度恒溫6 h后進行拉拔加載。單調升溫-自然冷卻拉拔：在試件處于設定溫度內恒溫6 h后停止加熱，并靜置于烘箱內12 h，待其自然冷卻到室溫后，進行中心拉拔試驗。單調升溫-快速冷卻拉拔：在試件處于設定溫度內恒溫6 h后停止加熱，立即將試件置于冷水中浸泡0.5 h后取出，進行中心拉拔試驗。

圖2 反力架裝置Fig.2 Reaction frame device

各工況下拉拔試驗對試件進行等位移加載，加載速度為0.5 mm/min[18]。加載端荷載和位移變化量可通過萬能試驗機自動獲取，自由端位移變化量可通過連接位移計的靜態(tài)電阻應變儀自動獲取，試件在加載至條件為：（1）GFRP 筋斷裂破壞；（2）混凝土劈裂破壞；（3）加載端滑移量急劇增大或加載荷載急速降低后停止試驗，記錄試件破壞形態(tài)，記錄峰值荷載。

同樣對各組立方體混凝土試塊進行與拉拔試件相同的單調升溫和單調升溫-自然冷卻條件下的抗壓強度和劈裂抗拉強度測試。

2 結果與討論

2.1 高溫對混凝土強度的影響

圖3（a）是單調升溫和單調升溫-自然冷卻時各溫度下混凝土抗壓強度曲線，2種狀態(tài)下隨溫度升高混凝土抗壓強度表現(xiàn)出先下降后上升再下降的變化趨勢，且同時在170℃時達到抗壓強度最大值。單調升溫至170℃時，較初始抗壓強度提高3.3%，單調升溫-自然冷卻狀態(tài)較初始抗壓強度提高約3.9%。總體上隨溫度升高混凝土抗壓強度表現(xiàn)出下降趨勢，主要是由于在經(jīng)過高溫后，混凝土內部毛細孔裂縫中的自由水損失，在受壓時裂縫邊緣產(chǎn)生應力集中破壞混凝土內部結構，致使其抗壓強度降低；同時當環(huán)境溫度升高時，混凝土中骨料受熱膨脹導致體積增加，而水泥膠凝體則因升溫失水、分解等原因導致體積減小。當溫度超過100℃以后，二者的差異更為顯著，骨料界面和水泥砂漿內部變形的不協(xié)調致使裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，造成混凝土抗壓強度降低[16]。

圖3 混凝土的抗壓強度和抗拉強度Fig.3 Compressive strength and tensile strength of the concrete

圖3（b）給出單調升溫和單調升溫-自然冷卻時混凝土抗拉強度隨溫度升高的變化曲線，2種狀態(tài)下混凝土試塊均在120℃時達到抗拉強度最小值，單調升溫狀態(tài)約為初始值的83.5%，單調升溫-自然冷卻狀態(tài)約為初始抗拉強度的76.5%。圖3中各曲線均出現(xiàn)先下降后上升再下降的變化趨勢，分析其原因是因為溫度在120℃以下時，混凝土強度逐漸降低；在120～170℃之間混凝土因水泥逐步完全水化致使抗拉強度有所回升[19]?？傮w上隨溫度升高混凝土抗拉強度呈下降趨勢。

2.2 拉拔破壞形態(tài)

試驗中試件出現(xiàn)兩種破壞形態(tài)：GFRP筋拔出破壞和混凝土劈裂破壞。拉拔試件在加載過程中，會發(fā)出連續(xù)不斷“叮叮?！贝囗懧?，聲響主要來源于GFRP筋體內部玻璃纖維絲被拉斷所致。隨荷載增大，“叮叮叮”聲出現(xiàn)更加頻繁，當荷載持續(xù)增大至峰值后突然下降時，試件發(fā)出“轟”一聲，混凝土發(fā)生劈裂破壞，如圖4（a）所示；當荷載緩慢增加至峰值后再慢慢降低時，“叮叮叮”脆響聲消失，脆響聲消失主要與樹脂基體的玻璃化轉變溫度（Tg）和熱分解溫度相關，試件出現(xiàn)筋體拔出破壞，如圖4（b）所示。試件破壞形態(tài)主要與試件黏結錨固長度和升溫方式有關，5d試件基本發(fā)生混凝土劈裂破壞；4d試件在單調升溫、循環(huán)升溫及單調升溫-自然冷卻3種狀態(tài)下大部分出現(xiàn)筋體拔出破壞，而在快速冷卻狀態(tài)下基本出現(xiàn)混凝土劈裂破壞。當溫度低于120℃時，4d試件在單調升溫和循環(huán)升溫兩狀態(tài)下出現(xiàn)劈裂破壞較拔出破壞多；溫度超過120℃時，試件破壞形態(tài)基本為拔出破壞。單調升溫-自然冷卻方式下，隨溫度升高，拔出破壞和劈裂破壞交替出現(xiàn)，無明顯規(guī)律。

圖4 GFRP筋拔出破壞和混凝土劈裂破壞Fig.4 Pullout failure of GFRP bar and splitting failure of the concrete

2.3 界面破壞形態(tài)

單調升溫拉拔試驗結束后，敲開并移除試件GFRP筋黏結段表層混凝土，觀測到不同溫度下GFRP筋與混凝土界面破壞形態(tài)及筋體表面損傷狀況，如圖5所示。70℃時混凝土內表面與筋體咬合形成的凸起部分被削平，混凝土表面留有細小散落的纖維絲，而黏結界面筋體表面肋也因被削而損傷，筋體表面肋與肋之間凹處存在部分削掉的混凝土；120℃時混凝土內表面與筋體咬合形成的凸起部分同樣被削平，混凝土黏結界面內形成灰白交錯的紋路，灰色區(qū)域內混凝土表面有部分細小裂紋，而筋體表面變得粗糙干裂，使用裂縫綜合測試儀將筋體表面放大40倍后可觀測到筋體表面樹脂開裂（圖6），有明顯縱向裂縫；170℃時混凝土內表面與筋體咬合形成的凸起部分被削平，混凝土黏結界面內也形成灰白交錯的紋路，但灰色區(qū)域內顏色由深變淺，而筋體表面樹脂不僅被削出部分露出纖維絲，且在黏結錨固區(qū)內筋體表面形成了一條縱向主裂縫，將筋體表層與內部之間剝離。220℃時混凝土內表面與筋體咬合形成的凸起部分未被削平，且在混凝土凸起區(qū)域內留有少許剝落的筋體外表皮，筋體表面在黏結區(qū)內出現(xiàn)多條縱向主裂縫，將筋體表層與內部之間完全剝離。分析其成因，由于隨溫度升高，GFRP筋的黏結樹脂發(fā)生玻璃軟化，甚至熱分解，使筋體表層硬度逐漸降低，在拉拔過程中咬合部分的混凝土由被筋體削平轉變?yōu)橄髌浇铙w，且由于混凝土對筋體存在環(huán)向擠壓作用，到了升溫后期，表層筋體逐漸產(chǎn)生縱向裂縫，并由外向內產(chǎn)生剝離。

圖5 不同溫度下試件界面典型破壞形態(tài)Fig.5 Typical failure modes of specimen interface at different temperature

圖6 120℃時筋體表面裂縫觀測圖Fig.6 Surface crack observation of GFRP bars at 120℃

2.4 溫度對GFRP筋與混凝土黏結性能的影響

2.4.1 單調升溫黏結性能變化

由圖7可知，3種狀態(tài)下的GFRP筋與混凝土黏結強度整體趨勢是隨著溫度升高而呈現(xiàn)顯著下降，相同溫度下錨固長度5d試件的黏結強度均較4d的小。當溫度超過GFRP筋的Tg后，無論錨固長度4d還是5d，其黏結強度依次是單調升溫-自然冷卻＞單調升溫-快速冷卻＞單調升溫。4d試件220℃時，單調升溫-自然冷卻的黏結強度是單調升溫-快速冷卻和單調升溫的1.57倍和2.19倍。5d試件220℃時，單調升溫-自然冷卻的黏結強度是單調升溫-快速冷卻和單調升溫的1.59倍和2.45倍。圖8中隨著溫度升高，GFRP筋與混凝土黏結滑移量波動較大。單調升溫-自然冷卻和單調升溫-快速冷卻狀態(tài)在70～120℃時黏結滑移量均呈上升趨勢，單調升溫狀態(tài)在70℃以后黏結滑移量快速下降。對于單調升溫-快速冷卻狀態(tài)錨固長度為5d的試件黏結滑移量220℃時黏結滑移量與20℃時相比上升了4.0%。

圖7 單調升溫3種狀態(tài)黏結強度變化Fig.7 Variation of bond strength in three states of monotonic heating

圖8 單調升溫3種狀態(tài)黏結滑移量變化Fig.8 Variation of bond slip in three states of monotonic heating

單調升溫3種狀態(tài)當溫度低于120℃時，黏結強度下降幅度較小，黏結滑移量增加；當溫度達到120℃后，黏結強度下降幅度增大，黏結滑移量開始下降。分析主要原因有：GFRP筋體不飽和聚酯樹脂的Tg為60～120℃，當溫度超過70℃后，不飽和聚酯樹脂由玻璃態(tài)進入橡膠態(tài)，筋體自身抗剪能力下降，導致與混凝土黏結性能急劇下降，溫度達到120℃時，樹脂幾乎完全軟化[17]。拉拔過程中，筋體在溫度和應力耦合作用下，由表層樹脂軟化開裂逐漸演變成表層筋體被剝離，造成GFRP筋與混凝土之間的化學膠著力消失、摩擦力和機械咬合力逐漸減弱；同時溫度達到120℃，混凝土的抗壓強度較低，抗拉強度下降達到最低，筋體與混凝土的黏結性能退化嚴重。而升溫-自然冷卻至常溫過程中，黏結段的樹脂膠體會恢復部分黏結性能，混凝土的抗壓強度和抗拉強度也有所恢復。所以，升溫-自然冷卻后黏結強度降低幅度是3種狀態(tài)中最小的。

2種降溫方式下，快速冷卻方式對GFRP筋與混凝土黏結性能的衰減程度超過自然冷卻。2種降溫方式的實質是：在升溫后試件內部熱量對外擴散的速率不同，不同的熱擴散速率會在筋體和混凝土內部形成不同的熱應力場，出現(xiàn)不同的溫度梯度，引起筋體和混凝土內部產(chǎn)生不等同的熱膨脹變形，2種材料熱膨脹系數(shù)有差異，故2種材料的黏結界面收縮變形量也會有變形差，兩種降溫方式對GFRP筋與混凝土黏結性能影響區(qū)別大。自然冷卻時，熱量對外擴散速率慢，兩種材料及其界面的熱變形量較小，快速冷卻時，熱量對外擴散速率快，兩種材料及其界面的熱變形量較大。因此快速冷卻方式對GFRP筋與混凝土的黏結性能影響大。

2.4.2 不同升、降溫方式黏結性能比較

從圖9可知，隨著溫度上升，整體上黏結強度均顯著降低，滑移量也呈下降趨勢，僅循環(huán)升溫方式120℃時出現(xiàn)較大幅上升。當溫度低于120℃時，升溫方式對GFRP筋與混凝土黏結強度和黏結滑移量影響較大；當溫度超過120℃時，升溫方式對GFRP筋與混凝土黏結強度和黏結滑移量的影響相對減弱。圖9（a）溫度為70℃時，循環(huán)升溫的黏結強度比單調升溫下降了10%，120℃時循環(huán)升溫的黏結強度比單調升溫上升了14.2%；當溫度超過170℃后，單調升溫和循環(huán)升溫狀態(tài)下的黏結強度和黏結滑移量相差不大。圖9（b）溫度為70℃時，循環(huán)升溫的黏結滑移量比單調升溫下降了16.2%，120℃時循環(huán)升溫的黏結滑移量比單調升溫上升了29.6%，當溫度超過120℃時，單調升溫和循環(huán)升溫狀態(tài)下的黏結滑移量幾乎相等。由于循環(huán)升溫方式其實質是在單調升溫方式基礎上增加了一次加熱循環(huán)，可知樹脂的Tg是影響其黏結性能的關鍵因素。

圖9 兩種升溫方式的黏結性能Fig.9 Variation of bonding performance with two heating methods

由圖10可知，隨溫度升高，曲線峰值不斷減小，說明了升溫導致GFRP筋與混凝土的黏結強度逐漸減小。無論溫度的高低，極限黏結強度所對應的滑移量都較大，約在4～7 mm不等。值得注意的是，由于快速冷卻時，試件破壞形式基本為混凝土劈裂破壞，只能測試到GFRP筋與混凝土黏結-滑移曲線上升段如圖10（d）所示。不同升、降溫方式下黏結剛度（上升段曲線的斜率，MPa/mm）也由于組成材料的力學性能退化而受到影響呈下降趨勢，如圖11所示。可以看出，黏結剛度隨著溫度的升高而降低，并且在120℃時已經(jīng)有不可忽略的降低率。隨溫度升高，試件所有主要的黏結控制機制（化學膠著力、摩擦力和機械咬合力）都受到樹脂基體剛度降低的影響導致黏結剛度退化的速率加快。

圖10 不同升（降）溫方式下黏結-滑移曲線Fig.10 Bond stress-slip relationships with different heating（cooling）methods

圖11 不同升、降溫方式黏結剛度變化率Fig.11 Rate of change of bond stiffness with different heating（cooling）methods

3 結論

（1）試件拉拔破壞形態(tài)與試件黏結錨固長度和溫度處理方式有關，呈GFRP筋拔出破壞和混凝土劈裂破壞兩種模式；界面破壞形態(tài)隨溫度升高表現(xiàn)為筋體表面由樹脂開裂轉變?yōu)楸韺恿芽p，最終演變?yōu)楸韺咏铙w剝離；

（2）兩種升溫方式下，GFRP筋與混凝土黏結性能隨溫度升高嚴重退化；220℃時，黏結強度較常溫分別下降了59.8%（循環(huán)升溫）、64.6%（單調升溫）；平均黏結滑移量較常溫分別下降了22.4%（單調升溫）、23.5%（循環(huán)升溫）；2種降溫方式下，單調升溫-自然冷卻時，黏結強度隨溫度升高呈下降趨勢，滑移量在Tg附近波動，整體上黏結性能退化不明顯；單調升溫-快速冷卻時，GFRP筋與混凝土黏結性能隨溫度升高退化顯著；

（3）不同升、降溫方式試件的黏結-滑移曲線呈現(xiàn)與常溫狀態(tài)相似的變化規(guī)律，試件黏結剛度隨溫度升高逐漸降低，僅循環(huán)升溫220℃時滑移曲線沒有反彎段。