冻融循环对GFRP筋与混凝土粘结性能的试验研究

2018-03-23刘承斌余世策王激扬

浙江建筑 2018年3期

刘承斌,余世策,王激扬,陈勇

(浙江大学土木工程学系,浙江杭州 310058)

传统钢筋混凝土结构在工程中得到了广泛的应用,但是在某些特定的环境中,比如在季节温差变化大、湿度大的地区,由于氯离子容易沿着微裂缝进入混凝土内部与钢筋接触,引起钢筋锈蚀,从而导致构件甚至结构的破坏。因此,近年来研究能够代替钢筋的新型纤维筋材料(FRP)已成为研究热点。其中,应用最普遍的是玻璃纤维筋(GFRP),它具有相近的模量、耐腐蚀、抗拉强度高、重量轻等优点,而GFRP筋与混凝土之间的粘结性能特别是在恶劣环境中的粘结性能是两种材料协同工作的前提与关键。

国内外学者已针对GFRP筋与混凝土的粘结滑移性能开展了很多研究[1-5],一般按照钢筋粘结性能试验方法进行拔出试验或梁式试验。试验表明,GFRP筋粘结强度高于钢筋约77%[1]。粘结破坏的主要形态为拔出破坏或劈裂式破坏,主要与混凝土保护层厚度及锚固长度有关。但这些研究的环境都是普通环境,而对于特殊恶劣环境下的粘结性能研究却较少。陈诗学[6]对处于酸、碱环境中的GFRP筋与混凝土粘结性能的耐久性进行了试验研究；李趁趁[7]对侵蚀环境下的FRP筋混凝土圆柱进行了试验研究,并提出了相应的设计方法。在水工结构和寒冷地区的混凝土建筑结构上,冻融破坏是钢筋混凝土结构病害的主要原因之一,因此,本文应用GFRP筋代替普通钢筋,在考虑冻融循环作用后,研究两者之间粘结性能,以便为GFRP在特殊环境下的应用提供依据。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本试验研究冻融对GFRP筋和混凝土材料特性以及两者间粘结性能的影响,为了进行对比研究,同时取样两倍数量(共计12个)的GFRP筋、浇筑两批混凝土试块以及制作两批粘结试件,其中一批模拟冻融后的性能测试,另外一批用于正常环境下的性能对比。

首先给出正常环境下的材料特性：FRP螺纹筋共有Φ6、Φ10、Φ12、Φ18四种规格, 取不同规格各3根进行材料性能拉伸试验,测得各个规格的抗拉强度ffil平均值顺序为845.0、550.9、524.4、379.0 MPa,各个规格的弹性模量Ef平均值顺序为55.7、35.9、42.0、46.3 GPa。混凝土立方体抗压强度fcu,k为32.4 MPa,轴心抗压强度fck为24.6 MPa,弹性模量E为2.72×104MPa。

针对GFRP筋与混凝土的粘结锚固问题,主要有两类:拉拔试验和梁式试验。拉拔试验采用中心拉拔试验进行粘结性能研究。混凝土粘结试件的尺寸统一定为150 mm×150 mm×200mm,并将粘结区设置在试件的中心,在加载端和自由端均设置PVC硬塑料套管,隔离FRP筋与混凝土之间的粘结,从而控制FRP筋的埋置长度,同时还可避免加载端因荷载较大造成的混凝土局部挤压破坏,试件示意图见图1,具体埋长尺寸见表1。试件制作采用特制的木模板(图2),试件水平方向浇注,养护到龄期后拆模并进行试验。

图1 试件示意图

图2 试件木模板

试件编号直径D/mm埋深L/mm表面情况FRP-112140螺纹FRP-212110螺纹FRP-31280螺纹FRP-41250螺纹FRP-518140螺纹FRP-66140螺纹

1.2 加载及测试方案

试验采用北京诚银海岸技术开发中心生产的DDR-2型全级配混凝土加压冻融试验机,该试验设备主要由控制系统、冻融箱及冷却装置三大部分组成,见图3。试件箱与冻融箱内壁之间充满防冻液。该试验设备能使混凝土试件静止在所配制的溶液中,依靠热交换液体的温度变化而连续、自动地按照中华人民共和国国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082—2009)》的要求进行冻融的装置。

冻融试验机见图3,冻融试验过程如下：首先设定50次冻融次数,见图4,根据试验梁试件分组,分别放入试件箱中进行冻融循环实验；当试件达到指定冻融循环次数,取出试件,擦去表面积水,检查外观损伤情况,然后进行力学性能试验。

图3 冻融试验机

图4 试件表面温度随时间的变化曲线

粘结试验在Instron8802型1 000 kN液压伺服试验机上进行,试验加载装置见图5。在混凝土试件的自由端和加载端均设有位移计,以量测自由端和加载端的相对滑移。试验时以约0.2 kN/s的速率加载至破坏。

图5 试验加载装置

2 试验结果及分析

2.1 冻融前后材性的比较分析

图6给出了冻融前后的GFRP筋材性试验结果比值对比,可以发现各个直径的GFRP筋的弹性模量均没有大的变化,而直径较小的GFRP筋的破断力则略有降低。图7给出了冻融前后混凝土的材性变化,可以发现与受力筋相比,混凝土受冻融的影响较大,材料的劣化特征十分明显。

图6 冻融前后GFRP筋的材性比较

图7 冻融前后混凝土的材性比较

2.2 冻融前后拉拔试验比较分析

沿锚固长度上GFRP筋与混凝土之间的平均粘结应力按下式计算：

(1)

式中，τ为GFRP筋或钢筋与不同环境介质之间的粘结应力;

d、l、F分别为GFRP筋或钢筋的直径、埋置长度及有效拉力。

加载端滑移的计算公式为

(2)

式中，s为加载端滑移量;

st为加载端位移计测量得到的滑移值;

F为拉拔力;

lt为加载端距位移计布置点的距离(本次实验中为30 mm);

E为GFRP筋弹性模量;

A为GFRP筋横截面面积。

正常环境和冻融破坏后的粘结测试结果分别见表2和表3,其中τu表示极限粘结强度,su1表示表示极限粘结应力对应的加载端滑移值,su2表示表示极限粘结应力对应的自由端滑移值。

表2 粘结试验结果汇总表(正常环境)

表3 粘结试验结果汇总表(冻融循环后)

典型的应力-应变曲线和破坏形态见图8、图9。

图8 混凝土劈裂

图9 FRP筋夹持处破裂

2.3 分析与讨论

GFRP树脂基体处于冻融循环环境中,在低温或水分中继续固化,本身弹性模量提高,抗冻融能力增强,使得FRP复合材料弹性模量提高及抗冻融能力增强,这是有利的一面。但另一方面,GFRP吸湿性强,在其固化过程中,纤维与树脂基体之间不可避免会存在微孔等缺陷,水分侵入其中,在温度的升降中使得纤维与树脂基体脱粘,降低了FRP的抗冻融能力,这是不利的一面,具体结果是这两方面的综合影响结果。结合本文及已有的试验结果看,可以认为有限次的冻融循环对于直径较大的GFRP筋的影响不显著。混凝土在冻融破坏后导致强度降低,从微观上看,实际上是水化产物结构由密实体到松散体的过程,而在这一发展过程中又伴随着微裂缝的出现和发展。而且微裂缝不仅存在于水化产物结构中,也会使引气混凝土中的气泡壁产生开裂和破坏。

对于粘结力,从表2和表3可以看出,对于给定的混凝土,当埋深较短时,把GFRP筋从混凝土中拔出所需要的力随着埋长的增加而增加,破坏时GFRP筋均没有达到极限值；当埋深较长时,GFRP筋在拔出试验过程中会被拉断。因此,当埋长一定时,GFRP筋从混凝土从拔出时,当应力达到极限强度,此时的埋长为基本锚固长度。对于试件粘结破坏强度τuE小于极限粘结强度τu,而受力筋强度达到极限值时σu,有

τuE=0.25σud/la

(3)

混凝土发生劈裂破坏时的剪应力为[8]

τuE=(0.3+0.6c/d)ftk

(4)

式中，c为保护层厚度。

图10 试件粘结破坏强度曲线 (G12)(正常环境)

图11 试件劈裂破坏时粘结破坏强度(正常环境)

图12 试件粘结破坏强度曲线 (G12)(冻融循环后)

图13 试件劈裂破坏时粘结破坏强度(冻融循环后)

以直径12 mm的GFRP筋为例(后续简称G12)进行分析,由式(3)可获得正常环境下理论曲线(图10),由图10可知当G12的FRP锚固长度大于74.77 mm,则可充分发挥FRP筋的作用,此时不会出现粘结滑移破坏,极限粘结强度为21.04 MPa。由混凝土材性试验可知,从而由(4)式给出了试件劈裂破坏时的强度理论值和试验值见图11。由图12可知,冻融循环后,当G12的FRP锚固长度大于81.04 mm,则可充分发挥FRP筋的作用,此时不会出现粘结滑移破坏,极限粘结强度为18.04 MPa。利用式(4),图13同样给出了试件劈裂破坏时的强度理论值和试验值。通过与冻融前试验结果进行比较,可发现试件的粘结破坏性能基本没有大的变化,冻融后极限粘结强度下降了10%,对应的锚固长度也相应地增加了10%,但仍小于规范要求的最小值[9]。