□□ 唐宇哲,劉 恒,周景深

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421200)

引言

目前,鋼筋混凝土是各大建筑工程中最常見(jiàn)的組合結(jié)構(gòu),具有取材方便、可模性好和受力性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。鋼筋與混凝土物理力學(xué)性能完全不同,但兩者具有良好的粘結(jié)能力,能共同受力,發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn),滿足工程結(jié)構(gòu)性能要求[1]。然而,傳統(tǒng)鋼筋混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下,其耐久性和抗裂性能力會(huì)逐步下降,尤其是在腐蝕環(huán)境中,極易發(fā)生內(nèi)部鋼筋腐蝕,進(jìn)而大大降低結(jié)構(gòu)使用壽命,從而造成嚴(yán)重后果[2]。因此,提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

從材料生產(chǎn)難度和性能優(yōu)異方面來(lái)看,利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,下文簡(jiǎn)稱FRP筋)代替普通鋼筋能有效解決鋼筋腐蝕性危害的問(wèn)題,相比于普通鋼筋,FRP筋密度僅為普通鋼筋的1/5,而強(qiáng)度卻是普通鋼筋的6倍,且耐久性強(qiáng)[3]。因此,FRP筋已逐步代替普通鋼筋。

20世紀(jì)90年代,超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,下文簡(jiǎn)稱UHPC)應(yīng)運(yùn)而生。UHPC作為一種新型混凝土材料,在滿足高耐久性的同時(shí),能極大減輕自重,進(jìn)而減少材料用量,節(jié)約水泥,減少碳排放,符合國(guó)家節(jié)能減排的要求[4]。

綜上,將FRP筋與UHPC組成的新型結(jié)構(gòu)以探討有效改善傳統(tǒng)鋼筋混凝土不足的方法。FRP筋與UHPC組合構(gòu)件能共同工作的前提是兩者具有良好的粘結(jié)性能,基于此,為探究FRP筋與UHPC粘結(jié)性能,擬選取使用較多的GFRP筋,采取中心拉拔試驗(yàn)來(lái)分析GFRP筋表面處理形式、直徑等因素對(duì)粘結(jié)性能的影響,為FRP筋與UHPC組合使用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 UHPC制備

UHPC是根據(jù)最大堆積密度理論發(fā)展成的高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[5]。此次試驗(yàn)UHPC組成中,水泥采用安徽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O 52.5水泥;礦粉采用東盛微粉有限責(zé)任公司生產(chǎn)的礦渣微粉;采用天然河沙;采用減水劑為科之杰新材料集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的Point-400S高效減水劑;鋼纖維長(zhǎng)度為13 mm,直徑為0.2 mm。具體配比見(jiàn)表1。

表1 UHPC配比表

1.2 試件設(shè)計(jì)

采用標(biāo)準(zhǔn)中心拉拔試驗(yàn),試件由混凝土與GFRP筋組成?；炷猎嚰叽鐬?50 mm×150 mm×150 mm,GFRP筋總長(zhǎng)為600 mm,其中,預(yù)留50 mm測(cè)量滑移量。因GFRP筋橫向抗剪強(qiáng)度較低,為了避免加載過(guò)程中GFRP筋加載端發(fā)生剪切破壞,在加載段套上無(wú)縫鋼管[6]。拉拔試件示意圖如圖1所示。

圖1 拉拔試件示意圖

分別以GFRP筋表面處理形式和直徑為變量,同時(shí)設(shè)置UHPC與普通鋼筋的對(duì)照組,設(shè)置4組,共計(jì)12個(gè)試驗(yàn)構(gòu)件。試件具體情況見(jiàn)表2。

表2 試件設(shè)置明細(xì)表

為了試驗(yàn)塊能順利脫模,澆筑混凝土之前在模板內(nèi)部涂抹潤(rùn)滑油,澆筑時(shí)應(yīng)用小型振搗棒振搗均勻密實(shí),不可接觸到內(nèi)部鋼筋,以免其產(chǎn)生位置偏移。灌注后每個(gè)試塊做好標(biāo)記,24 h后可拆模,并對(duì)混凝土及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)作業(yè)。UHPC試塊進(jìn)行≮7 d的熱水養(yǎng)護(hù),同時(shí)蓋上薄膜,避免水分過(guò)快蒸發(fā),28 d后,進(jìn)行施力試驗(yàn),而普通混凝土可用冷水養(yǎng)護(hù)[7]。

1.3 試驗(yàn)加載

此次拉拔試驗(yàn)使用儀器為拉力試驗(yàn)機(jī),試塊放置位置主要有上下鋼板利用高強(qiáng)度螺栓連接而成,頂部設(shè)置穿心球鉸,避免在拉拔過(guò)程中鋼筋產(chǎn)生偏心而影響試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)主要儀器與采集框架如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)儀器及采集示意圖

根據(jù)拉拔試驗(yàn)現(xiàn)有規(guī)范,加載位移速度≯1.3 mm·min-1[8]。試驗(yàn)規(guī)定加載速度控制在1 mm·min-1,采用分三級(jí)加載,取極限荷載的40%、70%和100%。每一級(jí)加載完成后,須試驗(yàn)讀數(shù)趨于穩(wěn)定,方可進(jìn)行下一級(jí)加載。試驗(yàn)停止條件為:拔出破壞、拔斷破壞和剪切破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

此次試驗(yàn)破壞模式共兩種,即拔出破壞與拔斷破壞。其中,一組(L1～3)與二組(L4～6)直徑為8 mm與10 mm鋼筋被拔出,12 mm鋼筋發(fā)生拔斷破壞;三組(L7～9)與四組(L10～12)GFRP筋均被拔出。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)部分試件如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)部分試件破壞圖

(1)拔出破壞。將鋼筋從UHPC拔出后,UHPC試塊表面均未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂情況,三組和四組試件自由端外側(cè)存在GFRP筋碎渣,而一組和二組試件自由端未發(fā)現(xiàn)明顯變化。因此,在加載過(guò)程中,GFRP筋表面與UHPC分離嚴(yán)重,并伴隨著嚴(yán)重摩擦,而鋼筋與UHPC粘結(jié)性能更好。將試件劈開(kāi),三組和四組試件UHPC層內(nèi)部有較多GFRP筋白色粉末,其中,四組白色粉末更多,且伴有少數(shù)纖維。說(shuō)明螺紋鋼筋表面相比光滑鋼筋,與UHPC粘結(jié)面滑移時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的阻力,且破壞均發(fā)生在GFRP筋的表面。一組和二組試件UHPC內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)粉末,但二組試件UHPC粘結(jié)面更不平整。

(2)拔斷破壞。此次四組試驗(yàn)試件中,僅有直徑12 mm的普通鋼筋被拔斷。與直徑為12 mm的GFRP筋對(duì)比可知,普通鋼筋相比GFRP筋與UHPC能有更好的粘結(jié)性能。而在直徑為12 mm的普通鋼筋被拔斷試驗(yàn)過(guò)程中,僅憑肉眼無(wú)法觀察到鋼筋在滑移,隨著加載力慢慢增大,鋼筋突然發(fā)生斷裂;鋼筋斷裂后,混凝土表面未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂跡象,說(shuō)明鋼筋拔斷時(shí),該12 mm普通鋼筋與UHPC粘結(jié)強(qiáng)度未超過(guò)限值,而鋼筋已到達(dá)極限抗拉強(qiáng)度。將試件劈開(kāi),發(fā)現(xiàn)粘結(jié)段的GFRP筋與混凝土未發(fā)生剝離,但GFRP筋整體向自由端產(chǎn)生了滑移,該段混凝土內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了縱向劃痕,但未完全分裂。

2.2 破壞機(jī)理分析

在四組試驗(yàn)中,無(wú)論是普通鋼筋還是GFRP筋,與UHPC粘結(jié)力均由摩擦力、機(jī)械咬合力和化學(xué)粘結(jié)力構(gòu)成,現(xiàn)對(duì)其破壞機(jī)理分析如下:

(1)拔出破壞。加載初期,主要化學(xué)粘結(jié)力提供鋼筋與UHPC的粘結(jié)力,鋼筋自由端未發(fā)生位移,當(dāng)荷載持續(xù)增加,自由端開(kāi)始出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,化學(xué)粘結(jié)力逐漸降低,此時(shí),鋼筋與UHPC緩緩分離,但肉眼觀察不到該現(xiàn)象。當(dāng)化學(xué)粘結(jié)力完全消失,鋼筋與UHPC的粘結(jié)僅靠?jī)烧吣Σ亮?lái)維持。隨著荷載繼續(xù)增加,鋼筋表面與UHPC不斷發(fā)生擠壓并摩擦,若鋼筋帶肋會(huì)產(chǎn)生更大摩擦,最終達(dá)到極限荷載。此時(shí),鋼筋與UHPC表面因摩擦均發(fā)生明顯磨損,形成新的滑移面。與此同時(shí),鋼筋因摩擦而產(chǎn)生的鐵銹雜質(zhì),會(huì)將鋼筋與UHPC空隙填滿,隨著鋼筋慢慢拔出會(huì)一起向外擠出,從而到達(dá)自由端表面。

(2)拔斷破壞。此次試驗(yàn)四組試件中僅有直徑12 mm的普通鋼筋發(fā)生了拔斷破壞,初始階段與拔出破壞類似,同樣是靠化學(xué)粘結(jié)力將鋼筋與UHPC兩者粘結(jié),未產(chǎn)生滑移。隨著荷載增大,化學(xué)粘結(jié)力減小而摩擦力與機(jī)械咬合力增大,相比GFRP筋,普通鋼筋表面更粗糙,因而摩擦力與機(jī)械咬合力更大,此階段普通鋼筋與UHPC有著相比GFRP筋更強(qiáng)的粘結(jié)力。

2.3 粘結(jié)滑移曲線分析

因此次試驗(yàn)總共有4大組,共計(jì)12個(gè)試塊,故不將粘結(jié)滑移曲線一一展示,但通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),4組粘結(jié)滑移曲線都有著相同的特征。每組代表性粘結(jié)滑移曲線如圖4所示。

圖4 四組試件代表粘結(jié)滑移曲線

通過(guò)圖4可看出,每組試件粘結(jié)滑移曲線都包含上升、下降及平緩段,根據(jù)這三段特征,將整個(gè)拉拔試驗(yàn)過(guò)程可分為以下階段:

(1)粘結(jié)固定段。加載初期,拉力較小,自由端未發(fā)生滑移,粘結(jié)曲線線性增長(zhǎng),此時(shí)鋼筋與UHPC粘結(jié)力主要依靠化學(xué)膠著力。隨著荷載增大,加載端的滑移逐步往自由端延伸,在到達(dá)自由端端部之前,仍處于粘結(jié)固定這一階段。

(2)滑移段。隨著荷載增加,加載端部分鋼筋與UHPC粘結(jié)部位發(fā)生局部脫落,化學(xué)膠著力逐步下降,自由端開(kāi)始慢慢出現(xiàn)滑移,粘結(jié)滑移曲線已逐漸出現(xiàn)非線性增長(zhǎng),粘結(jié)力主要靠摩擦力和機(jī)械咬合力支撐。

(3)上升段。此時(shí)鋼筋表面與UHPC層逐漸脫落,粘結(jié)滑移曲線越來(lái)越緩,鋼筋自由端與受力端滑移量越來(lái)越大且速度變快,此階段隨著荷載增大,粘結(jié)應(yīng)力也逐漸增大,直至粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大值。

(4)下降段。當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大值,粘結(jié)滑移曲線進(jìn)入下降段,此時(shí)鋼筋自由端與受力端急速滑移,粘結(jié)應(yīng)力逐漸減小,鋼筋也在拉力作用下被拉出。

(5)平緩端。通過(guò)觀察粘結(jié)滑移曲線,每組試件的粘結(jié)滑移曲線達(dá)到最低點(diǎn)后,又開(kāi)始回彈上升,到達(dá)一定數(shù)值后出現(xiàn)波動(dòng),整體呈下降趨勢(shì)。此階段鋼筋與UHPC粘結(jié)體系已被破壞,在鋼筋拉出時(shí),由鋼筋與UHPC摩擦產(chǎn)生的鐵銹雜質(zhì)逐漸將空隙填滿,而后產(chǎn)生了一定的咬合力。

3 粘結(jié)性能影響因素分析

3.1 鋼筋類型

此次試驗(yàn)混凝土材料均采用了UHPC,而一、二組與三、四組分別采用了普通鋼筋與GFRP筋作為試驗(yàn)對(duì)照,其中,選取L3與L9試驗(yàn)塊,即鋼筋表面光滑且直徑均為12 mm的試驗(yàn)塊粘結(jié)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。

圖5 同條件下普通鋼筋與GFRP筋粘結(jié)曲線對(duì)比

由圖5可知,普通鋼筋與UHPC的粘結(jié)性能比GFRP筋更好,最大粘結(jié)應(yīng)力大于GFRP筋,并且在產(chǎn)生相同粘結(jié)應(yīng)力的情況下,普通鋼筋的滑移量更小;普通鋼筋與UHPC上升段更長(zhǎng),線性關(guān)系更好,粘結(jié)滑移曲線斜率大于GFRP筋;當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí),GFRP筋滑移量大于普通鋼筋滑移量;鋼筋達(dá)到拉力最大值后無(wú)下降段,直接被拉斷。

3.2 鋼筋表面處理形式

此次試驗(yàn)鋼筋表面處理形式分為光滑與螺紋兩種。選取L7與L10試驗(yàn)塊,即均為GFRP筋且直徑為8 mm的試驗(yàn)塊粘結(jié)性能進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。

圖6 同條件下光滑GFRP筋與螺紋GFRP筋粘結(jié)性能數(shù)值對(duì)比

以直徑為8 mm的GFRP筋試驗(yàn)結(jié)果為例,同條件下,表面有螺紋的GFRP筋粘結(jié)應(yīng)力極值是表面光滑GFRP的1.27倍,而極限荷載是表面光滑GFRP的1.23倍。由此可得,當(dāng)直徑相同時(shí),表面帶肋的GFRP筋與UHPC的粘結(jié)性能相比于普通混凝土更加優(yōu)異。這是由于鋼筋滑移的過(guò)程中,部分粘結(jié)力來(lái)源于摩檫力與化學(xué)咬合力,而螺紋筋表面更粗糙,產(chǎn)生摩擦力更大,從而產(chǎn)生更好的粘結(jié)性能。

3.3 鋼筋直徑

此次試驗(yàn)共設(shè)置了直徑為8 mm、10 mm及12 mm的變量組,以一組(即L1、L2和L3試塊)與三組(即L7、L8和L9試塊)的試驗(yàn)塊粘結(jié)性能進(jìn)行對(duì)比,如圖7所示。

圖7 同條件下不同直徑普通鋼筋與GFRP筋粘結(jié)性能數(shù)值對(duì)比

通過(guò)圖7可得,在相同條件下,普通鋼筋與GFRP筋隨著直徑的變化,極限粘結(jié)應(yīng)力與極限荷載有著相同的變化趨勢(shì),即鋼筋直徑越大,極限粘結(jié)應(yīng)力緩慢下降,而極限荷載逐步增加。通過(guò)查閱相關(guān)資料,導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度隨著直徑增大而減小的根本原因是GFRP筋的泊松效應(yīng)和剪切滯后[9-10]。

4 結(jié)論

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中心拉拔試驗(yàn),以鋼筋類型、表面處理形式和直徑等因素對(duì)GFRP筋與UHPC的粘結(jié)性能展開(kāi)研究,主要結(jié)論如下:

4.1 GFRP筋與普通鋼筋類似,與UHPC的粘結(jié)滑移曲線有著相同的特征,大致可分為粘結(jié)固定段、滑移段、上升段、下降段和平緩段。

4.2 同條件下,普通鋼筋與UHPC的粘結(jié)性能相比于GFRP筋更好,最大粘結(jié)應(yīng)力大于GFRP筋,并且在產(chǎn)生相同粘結(jié)應(yīng)力的情況下,普通鋼筋的滑移量更小。

4.3 同條件下,表面帶肋的GFRP筋與UHPC的粘結(jié)性能相比于普通混凝土更加優(yōu)異。

4.4 鋼筋直徑越大,極限粘結(jié)應(yīng)力緩慢下降,而極限荷載逐步增加。