碱性环境下GFRP/BFRP水泥复合板与混凝土界面的粘结性能研究

王自新,宋小软,闫 朝

(1. 中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610；2.北方工业大学土木工程学院, 北京 100144)

碱性环境下GFRP/BFRP水泥复合板与混凝土界面的粘结性能研究

王自新1,宋小软2,闫 朝2

(1. 中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州 510610；2.北方工业大学土木工程学院, 北京 100144)

设计了GFRP增强水泥板/混凝土、BFRP增强水泥板/混凝土两类复合试件,研究碱性环境对两类复合试件界面粘结性能的劣化影响。分别把两类复合试件在5%NaOH溶液中浸泡7 d、15 d、35 d、70 d后进行推出试验,通过对其界面剪切粘结应力、相对滑移及界面应变的测试和分析,得出了碱性环境下两类复合试件的界面粘结性能衰减规律,并对两类纤维复合试件在碱性环境中的劣化性能进行了对比分析。试验表明在碱性侵蚀15 d内, GFRP类复合试件和BFRP类复合试件的各项界面性能指标均急剧衰减,其中BFRP类复合试件的界面性能劣化程度更为严重。

碱性环境；GFRP；BFRP；水泥复合板；界面粘结性能

近年来,对FRP增强复合水泥板作为永久性建筑施工模板的研究和应用越来越多[1-5]。GFRP(玻璃纤维增强聚合物)和BFRP(玄武岩纤维增强聚合物)是建筑工程中常采用的两种纤维材料,GFRP具有重量轻、强度高、但耐碱性腐蚀差等特点,BFRP具有电绝缘、耐高温、耐腐蚀性好、但力学性能稍逊于GFRP的特点[6-9]；目前增强复合水泥板材中多采用GFRP类纤维。无论采用何种增强纤维,均需良好的界面粘结性能来保证复合水泥模板与混凝土共同工作,由于复合构件在使用过程中不可避免会遭遇碱性环境,为了研究碱性环境对构件界面粘结性能的影响,本文设计了GFRP增强水泥板/混凝土、BFRP增强水泥板/混凝土两类复合试件,分别在5%NaOH溶液中浸泡不同龄期后再进行推出试验,通过对试件界面剪切应力、相对滑移及界面应变的实测分析,得到了两类复合试件界面粘结性能的衰减规律,并对两类纤维复合试件在碱性环境中的劣化性能进行了对比分析。

1 试验方案

1.1试件设计

两类复合试件的形式相同,如图1所示,外形尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm,两侧均为厚20 mm的FRP增强水泥复合板,中间浇筑混凝土,混凝土下方留40 mm高空隙。为了研究纯粹自然粘结界面在碱性环境中的受侵蚀情况,所有试件界面均未采取任何增强粘结的辅助措施。水泥复合板的配合比(质量比)为：水泥∶粉煤灰∶砂子∶减水剂∶偶联剂=1∶0.25∶0.15∶0.007∶0.015,靠近水泥板上下表面处分别铺设一层纤维网格布。GFRP增强水泥板采用低碱度水泥,BFRP增强水泥板采用普通硅酸盐水泥。夹芯混凝土强度为C30,配合比为：水泥∶砂∶石∶水=1∶2.17∶3.62∶0.6。

对两类复合试件均分别进行不同龄期的碱性溶液侵蚀,然后进行推出试验。

图1 复合试件结构形式(单位：mm)

1.2耐碱试验方案

采用标准GB/T 20102—2006中用于评估玻璃纤维网格布抵抗碱性侵蚀能力的方法进行耐碱试验[10]。配制5%NaOH溶液并把试件浸泡其中,试验周期分别选0 d、7 d、15 d、35 d及70 d,到达设定的试验龄期后,将试件从溶液中取出,用清水冲洗干净并擦干,观察记录试件外表及界面变化情况,并于通风处放置24 h后进行推出剪切试验。试件类型及试验方案见表1。

表1 复合试件类型及耐碱试验方案

1.3 推出剪切试验方案

在试件两侧的FRP水泥板处及夹芯混凝土处分别布置3个位移计,以便获得界面的相对滑移；在FRP水泥板与夹芯混凝土的两侧粘结界面处布置应变片,用以测试界面接缝部位的应变,位移计及应变片位置见图1所示。在加载过程中,观察试验现象,记录界面抗剪承载力、粘结滑移与界面应变的变化情况,并观察复合试件的破坏状态,从而分析各种不同工况对纤维复合水泥板与混凝土界面粘结性能的影响。使用SANS压力试验机对复合试件进行推出剪切试验,使用BETC-2205C无线静态应变仪采集数据。试验加载方式见图2。

图2 推出试验加载方式

2 试验现象及结果分析

2.1破坏形态

1) 碱性试验后复合试件中混凝土与水泥板的界面损伤形态

试验发现,两类复合试件在5%NaOH溶液中浸泡后的外观变化情况相似。浸泡7 d后两类复合试件均未发现粘结裂缝,浸泡15 d后开始在试件顶部界面出现细小粘结裂缝,浸泡35 d后粘结裂缝明显向下延伸,浸泡70 d的试件与浸泡35 d试件外观无明显差异。其中,BFRP类复合试件的粘结裂缝相对GFRP类试件更明显,但差异不大。图3为在碱性溶液中浸泡不同龄期后的部分试件图片。

图3 在碱性溶液中浸泡不同龄期后的复合试件形态

2) 复合试件的界面剪切破坏形态

试验观察发现,所有复合试件的最终界面剪切破坏形态相似,基本均为一侧或两侧的水泥板与混凝土发生分离破坏。未经碱性腐蚀的复合试件界面破坏时,纤维复合水泥板底部有压碎现象,且水泥板上粘结有剥离的混凝土；而经过碱性腐蚀的复合试件破坏时,两侧的水泥板与夹芯混凝土分离,且剥离破坏的水泥板表面光滑,水泥板与混凝土均未发生破坏,如图4所示；不同之处是,随浸泡龄期变化破坏时界面粘结强度及界面变形能力有所不同。

图4 在碱性溶液中浸泡不同龄期后的复合试件界面剪切破坏形态

2.2界面剪切承载力

1) 实测界面剪切粘结强度及衰减规律

两类复合试件通过剪切试验得到的界面平均剪切承载力、界面剪切应力及强度保留率见表2,界面剪切承载力与在碱性溶液中浸泡龄期的关系曲线见图5。

图5 复合试件界面剪切承载力与碱性侵蚀龄期关系

由表2及图5可知,随着在碱性溶液中浸泡龄期的增加,两类纤维复合试件的界面剪切承载力呈现出类似的衰减趋势,均为在浸泡15 d龄期内,界面剪切强度衰减速率很大,强度损失率达80%左右,此后强度降低速率明显减缓；耐碱试验进行70 d后,界面剪切强度保留率仅为13%左右。还可发现,BFRP类复合试件未经碱性侵蚀的原始界面粘结强度与GFRP类试件相差并不大,但经碱性侵蚀后BFRP类复合试件的界面强度保留率略低于GFRP类试件。

表2 在碱性溶液中浸泡不同龄期后复合试件的界面剪切应力及剪切强度保留率

2) 界面剪切粘结强度随碱性侵蚀龄期的计算公式

为了得到更具有适用性的界面剪切粘结强度与碱性试验龄期间的计算公式,分别对两类复合试件的剪切应力与碱性试验龄期关系曲线进行了拟合,由于两类复合试件的应力实测曲线规律性均较强且二者规律非常一致,故采用了同样的两段抛物线式计算模型,见公式(1)：

τ=A·d^2-B·d+C

(1)

式中τ为复合试件界面剪切应力,d为复合试件在5%NaOH溶液中的浸泡天数,A、B、C为常数。

通过参数取值变化来体现两类复合试件的不同,通过曲线拟合得到的GFRP类复合试件与BFRP类复合试件的界面剪切粘结强度变化公式,分别见公式(2)和公式(3),两类复合试件的剪切应力实测变化曲线及拟合曲线分别见图6和图7,可看出,两类复合试件的拟合曲线均与试验曲线吻合得非常好,同类情况下不具备试验条件时,可采用给出的公式近似计算复合试件的界面剪切强度。

对GFRP类复合试件,带入相应参数后可得公式(2),即

(2)

对BFRP类复合试件,带入参数后可得公式(3),即

(3)

图6 GFRP复合试件剪切应力变化曲线

2.3界面粘结滑移

两类复合试件破坏时的界面相对滑移量见表3,相对滑移曲线分别见图8和图9。由图表可知,随着在碱性溶液中浸泡龄期的增长,两类试件破坏时界面的相对滑移量均逐渐减小,经历7 d、15 d、35 d、70 d碱性侵蚀后,GFRP类复合试件的界面粘结滑移损失率分别为17%、43%、72%、78%；BFRP类复合试件的界面粘结滑移损失率分别为74%、91%、86%、93%；表明碱性侵蚀极大削弱了复合试件的界面粘结性能,且BFRP类复合试件的界面滑移损失率要高于GFRP类复合试件。

表3 在碱性溶液中浸泡不同龄期后复合试件的界面滑移及滑移损失率

图8 GFRP复合试件粘结滑移曲线示意

图9 BFRP复合试件粘结滑移曲线示意

2.4 界面剪切应力应变关系

两类复合试件在碱性溶液中浸泡不同龄期后的界面应变见表4,相应的剪切应力应变曲线分别见图10和图11。由图表可知,与界面强度及相对滑移规律类似,随着浸泡龄期的增长,两类复合试件破坏时的界面应变也逐渐降低；未经碱性侵蚀情况下,两类复合试件的界面最大应变均在200 με以上,经过7 d、15 d、35 d、70 d的碱性侵蚀后,GFRP类复合试件的界面应变分别降至166 με、121 με、110 με、60 με,BFRP类复合试件的界面应变分别降为103 με、57 με、31 με、32 με。试验结果同样表明了碱性环境对两类复合试件的界面变形能力存在明显劣化效应,其中BFRP类复合试件受到的劣化影响更显著。

图10 GFRP复合试件应力应变曲线示意

图11 BFRP复合试件应力应变曲线示意

表4 在碱性溶液中浸泡不同龄期后复合试件的界面极限剪切应力及应变

3 结语

1) 随着在碱性溶液中浸泡龄期的增加,GFRP类复合试件和BFRP类复合试件的界面剪切粘结性能均明显劣化,且在碱性侵蚀15 d内各项界面性能指标均急剧衰减,其中强度损失率达80%左右,变形损失率达50%以上,之后衰减速度虽逐渐趋于稳定,但各项指标保留率已基本不足20%。

2) BFRP类复合试件未经碱性侵蚀的原始界面粘结强度及变形性能与GFRP类试件相差不大,但经碱性侵蚀后,不同龄期的BFRP类复合试件的界面强度及变形保留率均低于GFRP类试件。

3) 对于GFRP/BFRP增强水泥板与混凝土类复合构件,在碱性侵蚀环境下完全依靠界面自然粘结是不可靠的,为了保证安全及复合构件能够更好协同工作,建议使用中设置更为可靠的界面抗剪连接措施。

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[10] 玻璃纤维网布耐碱性试验方法 氢氧化钠溶液浸泡法：GB/T 20102—2006[S]. 北京：中国标准出版社,2006．

(本文责任编辑 马克俊)

Study on Interfacial Bond Behavior between BFRP/GFRP Composite Cement Plate and Concrete under Alkaline Environment

WANG Zixin1, SONG Xiaoruan2, YAN Chao2

(1.China Water Resources Pearl River Planning Surveryinng &Designing Co.,Ltd , Guangzhou 510610，China; 2.School of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

In order to study the influence of alkaline environment on the interface of FPR reinforced cement slab and concrete, two types of composite specimens are designed, which are the GFRP reinforced cement slab / concrete and the BFRP reinforced cement slab / concrete. All composite specimens are immersed in 5% NaOH solution for 7 days, 15 days, 35 days and 70 days respectively. With the help of the push-out tests, it can be summarized the interfacial shear strength, relative slip and interfacial strain. Through analysis, the attenuation relationships of the interfacial bond properties are obtained, and the deterioration characteristics of the two kinds of fiber composite specimens are compared and analyzed. The tests indicate that all interfacial properties of these two types of fiber composite specimens are under abrupt degradation. The BFRP reinforced cement slab / concrete has worse degradation performance than the other.

Alkaline environment; GFRP; BFRP; cement composite plate; interfacial bond properties

TU502

2016-10-20;

2016-10-29 基金项目：国家自然科学基金资助(编号:51208006)。

王自新(1974),男,博士,高级工程师,从事水利水电工程设计工作。