冻融循环作用下GFRP筋黏结性能试验研究*

罗小勇，唐谢兴，孙奇，万翱宙

(中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

钢筋混凝土结构已被广泛应用于工程结构中，如桥面板、人行道、车库、废水处理厂和港口码头等。但是，在侵蚀性环境中除冰盐、工业化合物等造成的钢筋锈蚀是一个及其严重的问题，造成混凝土早期退化，降低结构可靠度和承载力，进而缩短结构使用寿命［1－2］，解决钢筋的锈蚀、提高混凝土结构的耐久性是目前土木工程领域需要解决的课题。因FRP筋具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳、抗磁性、电绝缘性、徐变小、比重小等优点与钢筋的特性［3－4］，使其在工程中广泛应用成为可能，可以用来代替钢筋混凝土结构中的普通钢筋，从根本上解决钢筋锈蚀的问题，应用前景广阔。近年来，国内外学者对一般环境下FRP筋与混凝土的黏结强度方面研究［5－12］以及 FRP筋耐久性方面［13－20］取得了许多进展，然而对侵蚀环境下FRP筋与混凝土黏结性能研究较少。由于FRP筋一般是在侵蚀环境中代替钢筋使用，因此，研究侵蚀环境对FRP筋与混凝土的黏结性能影响非常必要。为此，对直径25 mm GFRP筋进行了50次，100次和150次的冻融循环，研究冻融前后GFRP带肋筋与混凝土黏结性能，分析拉拔试件的破坏形式及GFRP筋在拉拔中的受力过程，探讨冻融循环对GFRP筋黏结性能的影响。

1 试验研究

1．1 材料

试验采用直径25 mm的GFRP筋，混凝土强度为C30，标号32．5的普通硅酸盐水泥。水泥、水、砂子、石子配合比为1∶0．4∶1．25∶2．25。各项技术指标见表1。

表1 GFRP筋生产技术指标Table 1 GFRP rebar production technical indicators

1．2 试件设计

试件按直径25 mm和400 mm/根进行下料，以冻融次数分组，50次，100次和150次及对比组共4组。浇筑混凝土前先对GFRP筋进行冻融循环加载，参照 ASTM(American Society for Testing and Materials，美国试验与材料协会)666标准中快速冻融循环标准试验方法，分别对GFRP筋进行50次，100次和150次冻融循环加载(低温(－17．8±2)℃和高温(4．2±2)℃，每3 h 22 min 1个冻融循环)。冻融完成后需将以上几组冻融后的GFRP筋制作成拉式试件，养护后对其进行拉式试验，测试其黏结力和滑移量。同时设置1组未腐蚀的GFRP筋拉式试验对比组试件。通过与对比组对比，分析在经过冻融循环后的GFRP筋的黏结强度以及滑移量所受到的影响及衰减变化规律。

试验所采用黏结试件按照Canadian Standard Association(CSA)标准的设计规定，试件尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm，浇筑混凝土 C30，GFRP筋与混凝土黏结距离为2倍钢筋直径(2d=50 mm)，GFRP带肋钢筋以冻融循环次数分组，并设1组对比组，每组3根，共12根。为了避免试验加载端混凝土局部受压，与试件中GFRP带肋筋端部附近的应力状态较大，在靠近加载端用PVC套管把GFRP筋和混凝土隔开来设置未黏结段，以减小边界处的应力集中对试验结果准确性造成的影响。黏结试件的构造如图1所示，加载段预留GFRP筋长度200 mm，满足试验加载要求。浇筑后，养护28 d以供拉式试验。

图1 试件构造示意图Fig．1 Schematic diagram of pull－ out specimens

1．3 试验装置

本次试验使用的装置如图2所示。拉式试验之前对GFRP筋的加持端进行清洗处理，使用玻璃纤维布和环氧树脂进行包扎，起到防止夹碎夹持端杆体的作用。在试验过程中用试验机在试件下端直接加载，为了避免因受力筋与荷载面不严格垂直而导致混凝土撕裂破坏，保证拔出力沿轴力方向，在拉拔装置的钢框架上部设置穿心铰。

按照CSA标准对试验机的要求，荷载控制不超过 22 kN/min或者位移控制不超过 1．27 mm/min，试验机选用最大夹持荷载100 kN的电子万能材料试验机，记载速度为0．5 mm/min，由计算机控制进行加载，同时记录试验过程中的荷载大小、位移读数以及试验过程中所产生的现象。

图2 加载装置Fig．2 Loading installation

2 试验结果及分析

由于黏结强度较小，可以假设黏结应力沿GFRP筋埋置长度方向均匀分布，GFRP筋的黏结应力为黏结长度内的平均值，即拔出荷载除以GFRP筋埋长部分的表面积，可按下式计算。

式中:τ为GFRP与混凝土间的黏结强度;d为GFRP筋直径;la为GFRP埋置长度;P为拉拔力。

从试验现象来看，大致有2种典型破坏模式:其一为伴随荷载的逐渐加大，GFRP筋试件从混凝土试件中缓慢拔出，即拔出破坏;其二为当构件在荷载达到最大值后，混凝土因为劈裂而导致破坏，即为劈裂破坏。其中，劈裂破坏是因为混凝土强度不足等试验随机因素导致，不能反映实际黏结性能，作为无效数据。试验后GFRP筋的破坏荷载、黏结强度、峰值滑移、破坏模式如表2所示。

由于试验的偶然性，试件 φ25－100－01和φ25－150－03为劈裂破坏，未达到试验效果，因此在试验分析中剔除φ25－100－01和φ25－150－03 2组试验数据，对其他数据进行分析，试验处理结果见表3。结果表明，冻融循环50次，100次和150次以后黏结强度分别下降3．24%，6．27%和8．30%，峰值滑移增加 7．32%，10．48% 和16.62%。试验表明，随着冻融循环次数的增加，GFRP筋的黏结性能逐渐降低，峰值滑移逐渐增加。但是基本上冻融循环对GFRP筋与混凝土黏结力影响有限。

表2 拉拔试验结果Table 2 Pull－out test result

表3 各组试验GFRP筋黏结性能指标均值及其变化率Table 3 Each test mean GFRP rebar binding performance index and its change rate

从试件破坏形式上看，大部分属于拔出破坏，取出GFRP筋观察表面形态发现，GFRP筋肋在多次冻融循环后荷载作用下破损严重，GFRP筋表面有较明显的磨损，从而导致GFRP筋与混凝土黏结性能退化。GFRP筋经过冻融循环的过程接近于一种疲劳损伤的反复积累。GFRP筋是由玻璃纤维和树脂材料组成，理论上来说，拉伸强度主要由玻璃纤维控制。但树脂基体性能的劣化可以导致纤维性能及连结界面性能的劣化，所以任何一种材料性能的退化以及两者连结界面性能的退化都可能导致GFRP筋整体性能的退化。冻融后GFRP筋肋性能的退化，主要是由于0℃以下的温度会导致树脂的硬化、树脂微裂缝的扩展以及树脂与玻璃纤维黏结性能的下降。在冻融循环过程中，高低温交替导致树脂进一步硬化、软化，交替地膨胀或收缩，树脂中存在的少量与纤维方向平行的微裂缝会逐渐集中扩展，附近区域性能削弱，进而导致纤维被约束的性能退化，影响纤维的性能;同时，树脂的交替膨胀或收缩也会导致树脂与纤维的黏结界面产生剥离。综上原因，导致了黏结性能的下降。

从试验数据可以看出，在一定范围内GFRP筋的力学性能与冻融循环次数存在一定的关系，GFRP筋的黏结强度随着冻融次数的增加而减小。因试验中获得的数据(表2)具有一定的离散性，本文采用非线性回归分析研究其中变量之间的关系，通过对试验数据进行拟合得到相关参数。综合曲线形状、残差大小、决定系数等因素，拟采用Cubic函数:y=A+Bx+Cx2+Dx3拟合冻融前后锚杆与混凝土黏结强度的变化情况。图3为冻融循环GFRP筋与混凝土黏结强度变化规律拟合曲线图。表4为冻融循环锚杆与混凝土黏结强度变化规律拟合函数参数取值，以及残差平方和、校正决定系数。

3 结论

(1)通过对试验结果分析可知，冻融循环作用导致GFRP锚杆黏结性能劣化，峰值滑移增加。

(2)根据试验结果拟合冻融循环次数与黏结强度变化曲线，在实际工程中为考虑冻融循环对GFRP锚杆黏结强度的影响提供参考。

［1］ACI 440 Committee．Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP bars［R］．Detroit，Michigan，USA:American Concrete Institute，2001．

［2］Okelo Roman，Yuan Robert L．Bond strength of fiber reinforced polymer rebars in normal strength concrete［J］．Journal of Composites for Construction，2005，9(3):203－213．

［3］方志，杨剑．FRP和RPC在土木工程中的研究与应用［J］．铁道科学与工程学报，2005，2(4):54 －61．FANG Zhi，YANG Jian．Study and application of FRP and RPC in civil engineering［J］．Journal of Railway Science and Engineering，2005，2(4):54 －61．

［4］张金柱，庞振勇，沈洪．GFRP筋混凝土圆截面受弯承载力计算方法［J］．地下空间与工程学报，2013，9(6):1304－1309．ZHANG Jinzhu，PANG Zhenyong，SHEN Hong．Caculation of the flexural capacity of GFRP－reinforced concrete with circular section［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2013，9(6):1304 －1309．

［5］陈静，黄广龙，陈巧．GFRP筋拉伸力学性能试验研究［J］．建筑科学，2012，28(7):43 －46．CHEN Jing，HUANG Guanglong，CHEN Qiao．Test research on tensile mechanical properties of GFRP rebar［J］．Building Science，2012，28(7):43 －46．

［6］Mander J B，Priestley M J N．Theoretical stress－strain model for confined concrete［J］．Journal of Structural Engineering，ASCE，1988，114(8):1807－1826．

［7］钟善桐．钢管混凝土结构［M］．3版．北京:清华大学出版社，2003．ZHONG Shantong．Concrete－filled steel tubular structure［M］．3rd Edition．Beijing:Tsinghua University Press，2003．

［8］秦仁杰，刘朝晖，华正良，等．GFRP筋连续配筋混凝土路面施工控制技术研究［J］．工业建筑，2011(增刊):250－253．QING Renjie，LIU Chaohui，HUA Zhengliang，et al．The technology research of construction of GFRP reinforced continuously reinforced concretepavement［J］．Industrial Construction，2011(Suppl):250 －253．

［9］王勃，侯淑亮，刘殿忠，等．GFRP筋嵌入式加固混凝土构件黏结破坏性能试验研究［J］．混凝土，2011(1):134－136．WANG Bo，HOU Shuliang，LIU Dianzhong，et al．Bond failure behavior of NSM GFRP bar to concrete［J］．Concrete，2011(1):134－136．

［10］孙丽，王汉珽．GFRP筋受压力学性能试验［J］．沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2011，27(6):1037－1042．SUN Li，WANG Hanting．Study of GFRP bar’s mechanical properties in compression［J］．Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)，2011，27(6):1037－1042．

［11］刘建平，周朝阳，叶如枫．黏FRP加固钢筋混凝土构件抗弯简化计算［J］．铁道科学与工程学报，2010，7(6):65－68．LIU Jianping，ZHOU Chaoyang，YE Rufeng．Simplified calculation for RC members strengthened in flexure with bonded FRP reinforcement［J］．Journal of Railway Science and Engineering，2010，7(6):65 －68．

［12］王苏岩，王泽源．组合FRP约束高强混凝土棱柱力学性能试验研究［J］．铁道科学与工程学报，2013，10(1):16－22．WANG Suyan，WANG Zeyuan．Experimental research on mechanical behavior of high strength concrete prisms retrofitted with hybridized FRP method［J］．Journal of Railway Science and Engineering，2013，10(1):16 －22．

［13］Chin J W，Nguyen T，Aouadi K．Effects of environmental exposure on fiberreinforced plastic(FRP)materials used in construction［J］．Journal of Composites Technology and Research，1997，19(4):205 －213．

［14］Tannous F，Saadatmanesh H．Durability of AR glass fiber reinforced plastic bars［J］．ASCE Journal of Composites for Construction，1999，3(1):12 －19．

［15］Micelli F，Nanni A，La Tegola A．Effects of conditioning environments on GFRP bars［C］//22nd SAMPE Europe International Conference，CNlT Paris，2001:1 －13．

［16］ Saadatmanesh H，Tannous F．Durability of FRP bars and tendons［C］//Non Metallic(FRP)Reinforcement for Concrete Structures—Proceedings of the Third International Symposium，1997:147－154．

［17］Yi Chen，Davalos J F，Indrajit Ray．Durability prediction for GFRP Reinforcing bars using short－term data of accelerated［J］．Journal of Composites for Construction，2006，10(R):202 －204．

［18］王伟，薛伟辰．碱环境下GFRP筋拉伸性能加速老化试验研究［J］．建筑材料学报，2012，15(6):760－766．WANG Wei，XUE Weichen．Accelerated aging test for evaluations of tensile properties of GFRP rebars exposed to alkaline solution［J］．Journal of Building，2012，15(6):760－766．

［19］刘小艳，王新瑞．海洋工程中GFRP筋耐久性研究进展［J］．水利水电科技进展，2012，32(3):86 －89．LIU Xiaoyan，WANG Xinrui．Research progress on durability of GFRP bars used in marine engineering［J］．Advances in Science and Technology of Water Researches，2012，32(3):86 －89．

［20］刘久思．混凝土梁中GFRP筋的长期耐久性能研究［D］．武汉:武汉理工大学，2012．LIU Jiusi．Research on long term durability of GFRP bars in concrete beam［D］．Wuhan:Wuhan University of Technology，2012．