混凝土表层嵌贴FRP筋粘结性能试验研究

杨健彬　郑愚　将良圣　罗石捷

(东莞理工学院　生态环境与建筑工程学院，广东东莞　523808)



混凝土表层嵌贴FRP筋粘结性能试验研究

杨健彬郑愚将良圣罗石捷

(东莞理工学院生态环境与建筑工程学院，广东东莞523808)

表层嵌贴FRP筋加固法(简称NSM法)是目前复合纤维材料加固的最新方法，混凝土表层嵌贴FRP筋的粘结性能是这一加固新技术的重要研究课题。完成3组共6个试件的FRP筋表层嵌贴加固的拉拔试验，对CFRP、GFRP、BFRP三种不同类型FRP筋材进行了对比研究，主要研究不同FRP筋类型对表层嵌贴加固的粘结性能及破坏模式的影响。试验研究结果表明：表层嵌贴碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、玄武岩纤维(BFRP)筋加固均具有良好的粘结性能，具有良好的性能优势和广泛应用前景。

FRP筋；表层嵌贴加固法(NSM法)；拉拔试验；粘结强度

国外结构工程的发展过程表明，当工程建设进行到一定的阶段后，工程的维修改造将成为主要的建设方式。我国的工程结构，则因为特殊的历史和发展方式，在许多方面更需要对既有建筑进行加固和维修改造。现如今，由于城镇化进程的不断加快，设计、施工和管理存在先天不足，同时由于地震、火灾等灾害的影响，建筑结构加固改造已成为我国基本建设急需解决的重大问题[1]。因此，探寻切实可行的加固方法成为土木工程学科一个重要研究热点，而表层嵌贴(near-surface mounted，NSM)纤维增强复合材料加固是其中有代表性的一种，近年在国外得到越来越广泛的研究和应用。由于FRP复合材料(Fiber-Reinforced Plastic/Polymer Composites)轻质、高强、耐腐等优点，近20年被广泛应用于结构加固工程，并进行了大量的研究工作[2-4]。当前结构加固中采用的FRP表面粘贴法在工程中应用较广泛，但FRP材料粘贴表面加固在实际应用中仍存在不足，如容易受外界环境干扰、受磨擦、撞击等意外作用导致损坏，同时容易发生剥离破坏[5]。1949年，Asplund首次提出表层嵌贴钢筋加固钢筋混凝土梁以提高其抗弯性能的方法[6]，20世纪末表层嵌贴FRP加固技术开始应用于工程实际。

采用表层嵌贴FRP加固时，在钢筋混凝土构件表层开槽，对槽道进行清理后贯入粘结剂，将 FRP筋材或者板材嵌入槽中压实，利用粘结剂使FRP与构件紧密结合，见图1，达到加固修复目的[7-9]。FRP筋和粘结剂处于构件槽道内部，因此能有效抵抗火灾的高温作用、避免车轮直接辗压和重物的冲击，尤其适合于桥面板或楼面板负弯矩区域的加固，见图2。

图1　表层嵌贴FRP加固法

目前，国内外对FRP表层嵌贴加固技术的研究与应用已逐渐深入，主要集中在表层嵌贴加固梁抗弯、抗剪性能和计算方法[3][10]以及不同筋材的粘结滑移关系研究[11-14]。表层嵌贴加固应用中，粘结剂的选择以环氧树脂胶和水泥砂浆居多。目前，针对表层嵌贴CFRP(碳纤维)筋加固已进行了大量的研究，而对其他类型FRP筋材如玻璃纤维筋(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)和玄武岩纤维筋(Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP)开展的研究尚为不足，基于FRP筋的抗弯加固和滑移关系研究尚未形成系统设计方法和设计规范。总体而言，针对FRP嵌贴加固技术开展相关的试验和理论研究具有较重要的工程实践意义。为对FRP表层嵌贴加固技术的加固效果及设计方法开展研究，本文首先研究了FRP筋与混凝土的粘结性能。研究成果初步表明影响混凝土表层嵌贴FRP筋性能的主要因素有：粘结长度、FRP筋种类与表面特征、槽尺寸与表面特征、粘结剂种类和FRP筋到混凝土边缘距离等。本文主要研究：不同类型筋材与混凝土的粘结强度、粘结滑移及破坏模式。

1　试验设计

1.1试验程序

目前抗剪粘结强度试验研究所用方法主要有单剪、双剪和修正梁等方法。本文采用单剪直接拉拔式试验研究混凝土表层嵌贴FRP筋的抗剪粘结强度[15](以下简称粘结强度)。

共设计了3组6个拉拔试件，拉拔试件采用在150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方体试块表面开设1.5d×1.5d方形浅槽(d为所嵌入FRP筋的公称直径)并分别埋入CFRP、GFRP、BFRP筋材制作而成，选用高强度环氧树脂胶(Sikadur@-30)作为粘结剂，FRP筋与混凝土的粘结长度为150 mm，试件具体参数详见表1。

1.2试验加载及测量装置

本文试验采用万能拉力机进行竖向静力加载，加载装置见图3，FRP筋纵向与万能拉力机作用力方向保持一致。

试验过程，通过万能拉力机自带传感器测量荷载大小，使用LVDT位移传感器结合静态采集仪对FRP筋与混凝土的粘结滑移进行数据采集，在FRP筋表面等距离粘贴三片电阻应变片以此观测各级荷载作用下FRP筋的应变及应力分布情况，同时观测裂缝开展及最终破坏形态，传感器及应变片布置详见图4。通过对试验结果的分析，研究本文混凝土表层嵌贴三种不同FRP筋的粘结性能及破坏模式。

表1　粘结试验参数及破坏模式汇总

注：具体破坏模式详见图5。

图3　试验加载装置图

图4　应变片及位移传感器布置图

图5　直接拉拔式表层嵌贴FRP粘结试件破坏模式

2　试验结果及分析

2.1粘结强度

如表1所示，混凝土表层嵌贴GFRP、BFRP、CFRP筋粘结强度介于9 MPa～12 MPa之间，均具有良好的粘结性能，与杨勇[16]等学者前期试验研究结果较为吻合。对比不同FRP筋材类型，表层嵌贴GFRP、BFRP筋材的粘结强度略高于CFRP筋。CFRP筋表面为螺旋缠绕喷砂处理，BFRP筋虽未进行喷砂处理，但螺旋缠绕较深较宽，因此相比CFRP筋，混凝土表层嵌贴BFRP粘结强度略大。试验结果表明FRP筋种类与表面特征是影响表层嵌贴FRP筋粘结性能的主要因素之一，而缠绕深度及宽度、喷砂处理均对表层嵌贴FRP筋粘结性能的提高具有显著作用。

2.2破坏模式

其他学者[17]的试验结果表明，混凝土表层嵌贴FRP的粘结破坏形式由三介质(混凝土、粘结剂、FRP)和两界面(FRP-粘结剂、粘结剂-混凝土)的物理、几何性质决定，主要破坏模式有：(a) FRP-粘结剂间界面滑移破坏； (b) 粘结剂-混凝土间界面滑移破坏； (c) 槽表面混凝土开裂破坏； (d) 粘结剂劈裂破坏；(e) 试件边缘混凝土拉剪破坏。

本文试验过程，混凝土表面无明显裂缝；随着荷载增加，拉拔试件端部混凝土表面出现微裂缝，槽表面混凝土开裂破坏， FRP筋表面无开裂现象，FRP筋也未出现断裂未出现明显拔出破坏，试件破坏时产生较大响声。粘结剂沿筋材纵向与槽上半部混凝土界面发生劈裂破坏，下半部粘结剂与槽底部混凝土界面未发生劈裂破坏。

本文试验拉拔试件G9-1、G9-2、B9-1、B9-2破坏模式为槽表面混凝土开裂破坏，拉拔试件C10-1、C10-2破坏模式为同时发生槽表面混凝土开裂破坏与试件混凝土边缘拉剪破坏，详见图5、图6，该结果与其他学者研究结论相矛盾。一些学者研究[17-19]发现，FRP喷砂筋、环氧树脂粘结剂一般发生FRP筋拔出破坏，FRP带肋筋、螺纹筋、环氧树脂粘结剂一般发生劈裂破坏。分析试验结果发现，本文选用高强度环氧树脂胶(Sikadur@-30)与混凝土及FRP筋均具有良好的粘结性能。粘结剂对破坏模式具有显著的影响，不同组分的环氧树脂的剪切强度、粘结强度、弹性模量等材料属性决定了两界面的物理性质，因此环氧树脂的不同直接影响着破坏模式的差异。建议后期进一步开展基于不同环氧树脂作为粘结剂表层嵌贴FRP筋的粘结性能试验研究。

图6　试件最终破坏形态

2.3应变

如图7，加载逐级进行，FRP筋材A1、A2、A3处(详见图7注解)相继产生应变，并逐渐增大，表明随荷载增大，FRP筋受荷载作用，荷载从加载端向自由端传递。试验结果表明，表层嵌贴FRP筋拉拔试件，表现出较好的延性。如图8，试验结果表明，不同种类FRP筋的荷载-应变曲线形状及趋势大致接近，不考虑应变片失效及试验离散性的影响，可以得出筋材的种类对单剪拉拔试件粘结应力应变无显著影响。

图7　典型试件筋材荷载-应变曲线

注：应变片A2位于混凝土表层嵌贴部分FRP筋的中点处；应变片A1、A3分别位于其四等分点处，其中A1靠近加载端，A3远离加载端。

图8　各试件荷载-应变曲线

2.4粘结滑移

试验加载初期，LVDT位移传感器未采集到明显滑移数据，随着荷载持续增大，FRP筋与混凝土之间出现明显相对滑移，随荷载增大，相对滑移逐渐增大，详见图9。在加载初期，FRP筋材相对滑移较大，随着荷载的增加，相对滑移速度变缓，直到试件破坏。拉拔试件达到极限承载力时，FRP筋与混凝土相对滑移达到4～6 mm，此时发生粘结失效破坏。

图9　局部粘结剪应力-滑移曲线

3　结语

1)选用高强度环氧树脂胶(Sikadur@-30)作为表层嵌贴加固粘结剂，单剪拉拔试件粘结强度达9-12MPa，破坏形态均为劈裂破坏，具有良好的粘结性能及较好的应用前景。

2)本文试件所发生的槽表面混凝土开裂破坏为较理想的破坏模式，选用FRP筋作为表层嵌贴加固法的加固材料具有广阔的工程应用前景，笔者研究团队将开展进一步的深入研究。

3)本文试验表明，FRP筋材的种类对粘结性能无显著影响，等直径筋材破坏粘结强度较为接近，故在实际加固工程中，可选择较为经济性筋材种类作为表层嵌贴材料。

4)筋材表面特征、环氧树脂种类等对混凝土表层嵌贴FRP筋的粘结性能影响较为明显，建议进一步开展基于FRP筋表面特征、粘结剂种类等影响因素的混凝土表层嵌贴FRP筋粘结性能研究。

5)总之，混凝土表层嵌贴FRP筋这一新技术尚需进行大量、深入的研究，以得到工程可应用的相关设计理论及公式。

[1]张鑫,李安起,赵考重.建筑结构鉴定与加固技术的进展[J].工程力学,2011(1):1-12.

[2]TENG J G. CHEN J F. SMITH S T. LAM L.FRP-strength-ened RC structures [M].John Wiley and Sons Ltd,2002.

[3]姚谏. FRP 复合材料加固混凝土结构新技术研究进展[J]. 科技通报, 2004,20(3):216-221.

[4]岳清瑞. 我国碳纤维(CFRP) 加固修复技术研究应用现状与展望[J]. 工业建筑, 2000, 30(10): 23-27.

[5]岳清瑞,李庆伟,杨勇新.纤维增强复合材料嵌入式加固技术[J].工业建筑,2004,34(4):1-4.

[6]李荣,滕锦光,岳清瑞.FRP材料加固混凝土结构应用的新领域—嵌入式(NSM)加固法[J].工业建筑, 2004,34(4):5-12.

[7]Asplund S O.Strengthening Bridge Slabs with Grouted Reinforcement.[J].ACI Journal,1949,20(6):397-406.

[8]岳清瑞,李庆伟,杨勇新.纤维增强复合材料嵌入式加固技术[J].工业建筑,2004,34(4):1-4.

[9]李荣,滕锦光,岳清瑞.FRP材料加固混凝土结构应用的新领域—嵌入式(NSM)加固法[J].工业建筑, 2004,34(4):5-12.

[10]王韬. 钢筋混凝土梁表层嵌贴CFRP的抗弯加固性能研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[11]陆新征,叶列平,滕锦光,等. FRP-混凝土界面粘结滑移本构模型[J]. 建筑结构学报,2005(4):10-18.

[12]俞裕果. FRP-混凝土界面粘结性能理论研究[D].广州:华南理工大学,2013.

[13]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(3):56-58.

[14]谢标云,杨勇,周丕健,等. 表层嵌贴碳纤维筋与混凝土粘结强度试验研究[J].工业建筑,2010(2):43-44.

[15]姚谏,滕锦光.FRP复合材料与混凝土的粘结强度试验研究[J].建筑结构学报,2003(5):10-18.

[16]杨勇,谢标云,聂建国,等.表层嵌贴碳纤维筋加固钢筋混凝土梁受力性能试验研究[J].工程力学,2009(3):106-112.

[17]De Lorenzis L and Nanni A. Characterization of FRP rods as near-surface mounted reinforcement[J]. Journal of Composites for Construction, 2001,5(2):114-121.

An Investigation into Bond Performance of Near-Surface Mounted Fiber-Reinforced Polymer Bars to Concrete

YANG JianbinZHENG YuJIANG LiangshengLUO Shijie

(College of Envionment and Civil Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808,China)

The near-surface-mounted (NSM) fiber-reinforced polymer (FRP) strengthening method is a promising strengthening technology for reinforced concrete (RC) structures. The bond behavior between NSM FRP bars and concrete should be investigated significantly. This paper reveals an experimental study of pull-out bond test of NSM FRP strengthened concrete specimens. Three types of strengthening materials, such as CFRP, GFRP and BFRP, are used in this study to investigate the effect of this parameter on the failure mode and bond-slip behavior. The experimental results demonstrate that the bond-slip behavior between FRP bars and concrete satisfies the requirement of NSM strengthening method and this strengthening scheme has potential to be more widely applied in the future.

FRP bar; near-surface-mounted (NSM) method; pullout test; bond strength

2016-04-27

广东省高等学校优秀青年教师培养计划资助项目研究计划(Yq2013155)；广东省交通厅科技计划(科技-2013-02-029)；2015广东省普通高校国际暨港澳台合作创新平台及国际合作重大项目(特色创新项目)，2014大学生创新创业训练计划项目。

杨健彬(1988—)男，广东阳江人，实验员，主要从事结构分析，复合材料应用研究。

TB332

A

1009-0312(2016)05-0091-06