FRP筋与混凝土粘结性能试验研究

王 强，金清平，姜天华

（武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065）

由于钢筋的锈蚀，导致混凝土结构的破坏，此类工程事件屡见不鲜。纤维聚合物筋（Fiber Reinforced Polymer Bars）［1］具有轻质高强、耐腐蚀性能好、可设计性能好等优点。FRP筋作为钢筋的替代物在工程结构中得到广泛的应用。目前国内外对FRP筋与混凝土的粘结性能研究已经取得了一定的成果［2，3］。Larralde等人［4，5］进行拉拔试验是采用同直径的GFRP筋，并采用不同锚固长度进行研究以探索其破坏状态。Al－Zahrani等人［6］研究表明：粘结应力的变化呈现非线性不均匀分布［7］。谢晶晶等分析了FRP筋锚杆的粘结滑移，同时研究了支护设计方法，得到了粘结滑移本构关系的简化模型［8］。FRP筋与混凝土结构的协同工作中，粘结性对结构的安全性耐久性是相当重要的。

1 试验方案

FRP筋与混凝土进行粘结性能试验研究是采用中心拉拔试验方法。试验中，记录每一试件的最大拉拔破坏力、破坏方式以及试验现象。

本试验所用的材料为深圳海川新材料科技有限公司所生产的乙烯基GFRP筋。采用ø20、ø25两种直径的GFRP筋。GFRP筋几何尺寸如表1所示。现场浇筑混凝土试块，制作边长150mm混凝土立方体与拉拔试块。并在相同条件下进行养护28d。

表1 不同直径GFRP筋的几何尺寸表

参照锚杆试验拉拔规程进行试验操作。试验前，检查手动泵或电动泵的油量和各连接部位是否牢固，确认无误后再进行试验。试验时应缓慢均匀地操作手动泵压杆。当锚杆出现明显位移时，停止加压。记录锚杆拉力计此时的读数，即为拉拔试验值。锚杆拉拔计在试验过程中应固定牢靠锚杆。拉拔时应缓慢地逐级均匀加载，直到锚杆滑动或杆体破坏为止，并做详细记录。

常用的粘结试验有拉拔试验和梁式试验。该文采用的是拉拔试验。拉拔试验试件为边长150mm混凝土立方体［9］。粘结长度为直径3～5倍。如图1所示。拉拔试块加载装置采用微机控制电液伺服万能试验机，拉拔试块固定于自制钢筋反力架中，焊接于反力架底部的钢板固定于万能试验机，用万能试验机的另一端夹住FRP筋。试验时，采用电脑控制加载。试验过程中匀速加载，试件发生破坏时就立即停止试验。

2 拉拔试验

2.1 试验现象描述

试验过程中随着加载速率的增大，可清晰地听到连续的噼啪声，在荷载达到40.8kN时，直径25的试件发生拔出破坏。抽出的GFRP筋体有摩擦痕迹，并且有一些粉末状的混凝土碎屑。FRP筋与混凝土的粘结破坏会出现三种破坏形式［10］：筋拔出破坏、混凝土劈裂片破坏和筋拉断破坏。本次试验中出现两种破坏形式：筋拉出破坏、混凝土劈裂破坏，如图2所示。

2.2 试验结果分析

1）不同直径的试验结果分析

根据要求，在保证变量养护龄期及埋深相同时，进行不同直径GFRP筋拉拔试验对比。对于该文，符合以上要求的只有埋深100mm的直径ø20和直径ø25拉拔试件。经过计算分析可知，直径20的杆件在埋深为100mm（5d）时，其受到的拉拔承载力平均值为45.5kN，粘结强度平均值为7.24MPa。直径25的杆件在埋深为100mm（5d）时，其受到的拉拔承载力平均值为45.63kN，粘结强度平均值为5.57MPa。记录数据如表2所示。

表2 不同直径对比试验结果表

由表2可知直径ø20的杆件拉拔承载力为45kN与直径ø25的杆件承载力45.32kN，相差不大，影响不太明显。由于试验数据的限制，对于本次试验，筋体直径大小对试件的拉拔承载力的影响不太明显，还有待更深入的研究。对于粘结强度，直径ø25两个试件的粘结强度为5.77MPa、4.07MPa均小于直径ø20两个试件7.32MPa、7.16MPa。两者相差比较大，变化比较明显。对于粘结强度，其大小随直径的增加而减小。

2）不同埋深杆件拉拔对比试验

本次比较选用龄期28d，直径ø20、ø25两组数据进行分析。经分析可知，拉拔承载力随着直径的增加而增大。直径ø20中，直径3d至4d拉拔承载力平均增长率为19.9%，直径4d至5d平均增长率为10.25%。直径ø28中，直径3d至4d拉拔承载力平均增长率为22.3%，直径4d至5d平均增长率为21.7%。由此可知，随之埋深的增大，拉拔增长率逐渐减小。将粘结强度绘成折线图，如图3所示。

由上述4条变化曲线可分析得随着埋深的增加，对应拉拔试件的粘结强度是减小的。对于直径ø20拉拔试件，粘结强度的变化比较明显，随着埋深倍数的增加，粘结强度减小的速率减慢。而对于直径稍大的ø25，粘结强度的变化曲线相对比较平缓，变化也比较不明显。

试验表明直径与埋置深度对粘结强度的影响是比较明显的。粘结强度随着直径与粘结长度的增加而减小。

3 结论及展望

a.GFRP筋拉拔承载力与直径和埋深的关系。拉拔承载力随着直径和埋深的增大而增大，而增长率逐渐减小。随着直径与粘结长度的增大，GFRP筋与混凝土之间的粘结强度逐渐减小。

b.FRP是代替钢筋腐蚀而提高混凝土耐久度工作的，但此次试验未曾考虑过在侵蚀环境下的工作状况。试验中可以适当模拟工程实际情况，试件周围有其他荷载的情况下进行拉拔试验。

c.FRP筋表面螺纹情况及混凝土强度对FRP筋与混凝土的粘结性能影响还需深入研究。

［1］ 陈小兵，李 荣，丁 一.高性能纤维复合材料土木工程应用技术指南［M］.北京：建筑工业，2009.

［2］ 薛伟辰，刘华杰，王小辉.新型FRP筋粘结性能研究［J］.建筑结构学报，2004（2）：92－94.

［3］ Tighiouart B，Benmokrane B，Gao D.lnvestigation of Bond in Concrete Member with Fibre Rernforced Polymer（FRP）Bars［J］.Construction and Building Materials，1998（12）：453－462.

［4］ LarraldeJ，Silva－Rndriguez R.Bond and Slip of FRP Rebars in Concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineedng，1993，5（1）：30－40.

［5］ Larmlde J，Silva－Rodfiguez R，Burdeue J，et al.Bond Tests of Fiber Glass－reinforced Plastic Bars in Conercte［J］.Journal of Testing ＆Evaluation，1994，22（4）：351－359.

［6］ AI－Zahrani Mesfer M，AI－Dnlaijan Salah U，Narmi Antonio Bakis Charles E，et al.Evaluation of Bond Using FRP Rods with Axisymmetric Deformations［J］.Construction and Building Materials，1999，13（6）：299－309.

［7］ 周高永.砂浆粘结GFRP土钉的工作性能试验研究［D］.河南：郑州大学，2010.

［8］ 谢晶晶.纤维增强塑料筋锚杆锚固机理及设计方法的研究［D］.郑州大学，2002.

［9］ 王大强，刘晓丽，汪 辉，等.纤维筋与高强度纤维混凝土的粘结性能［J］.低温建筑技术，2011，33（6）：14－16.

［10］孙晓燕，姚晨纯，王海龙，等.FRP筋与混凝土粘结性能的研究进展［J］.结构设计与施工技术，2012（06）：49－54.