GFRP筋与珊瑚混凝土黏结性能的试验研究

王 磊， 毛亚东， 陈 爽， 李 威， 谷文慧

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004；2.广西建筑新能源与节能重点实验室， 广西 桂林 541004)

相关研究和工程实践表明，海水拌养珊瑚碎屑混凝土在远海岛礁建设中具有较高的应用价值.目前国内外对珊瑚混凝土已经开展了许多研究，美国学者Ehlert[1]讨论了珊瑚混凝土的合理配合比并证明其具有较好的耐久性；印度学者Arumugam等[2]研究表明珊瑚混凝土抗压强度随龄期增加而增长，但在早期发展较快，后期则增长缓慢；日本学者Tehada等[3]、Wattanachai等[4]研究了珊瑚骨料中氯离子与钢筋锈蚀的问题；王磊等[5-6]对珊瑚骨料混凝土的基础性能及纤维增强塑料(FRP)筋应用等方面进行了分析研究.由于珊瑚混凝土含有的大量盐分容易引发钢筋锈蚀，使珊瑚混凝土的应用受到了较多限制.采用具有高强、轻质、耐腐蚀等特点的FRP筋可以有效解决钢筋锈蚀引发的耐久性问题，但FRP筋与珊瑚混凝土间黏结行为的研究缺失影响了FRP筋珊瑚混凝土结构性能的分析及工程应用.

已有FRP筋与混凝土黏结性能的理论研究和试验验证工作，在描述湿热海洋环境下FRP筋与珊瑚混凝土的黏结强度、黏结滑移及劣化、破坏机理等方面存在明显的局限性.因此，本文开展了玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋与珊瑚混凝土黏结性能的拉拔试验研究，对GFRP筋与珊瑚混凝土的黏结强度、黏结破坏受力过程和黏结-滑移曲线特征进行分析，并揭示保护层厚度、黏结长度和珊瑚混凝土材料特性等因素对两者黏结强度的影响.

1 黏结滑移试验

1.1 试验概况

试验筋材为浙江生产的带肋GFRP筋，其直径d分别为6,12mm，表面形式如图1所示，力学性能见表1所示.试验用珊瑚混凝土的拟配强度等级为C20，为实验室配合比，采用的粗骨料为北海涠洲岛上分布的普通碎石型珊瑚礁碎屑；水泥为P·O 32.5级普通硅酸盐水泥；细骨料为普通天然河砂，含水率*本文所涉及的含水率、掺量及水灰比等均为质量分数或质量比.2.84%；拌和水采用人工海水，含盐率3.5%.浇筑拉拔试件的同时，预留6个边长为150mm的标准立方体试块，在标准条件下养护28d， 用以测定珊瑚混凝土的28d抗压强度和劈裂抗拉强度，试验数据见表2.

表1 GFRP筋的力学性能

图1 GFRP筋的表面形式Fig.1 GFRP bar and its surface condition

ConcretestrengthWater-cementratioCubecompressivestrengthat28d/MPaSplittingtensilestrengthat28d/MPaC200.4722.52.01

拉拔试件的保护层厚度c设计为25，30，35mm， 标准黏结试块参照Canadian Standards Association(CSA)标准的设计规定[7]，尺寸为150mm×150mm×150mm.试验浇筑A，B两组共36个带肋GFRP筋-珊瑚混凝土黏结试件，其中A组试件相对保护层厚度c/d=4.17，5.00，5.83，相对黏结长度l/d=8，12，20，用以分析相对保护层厚度和相对黏结长度对试件黏结性能的影响；B组试件相对保护层厚度c/d=2.01，2.50，2.92，相对黏结长度l/d=8，用以分析相对保护层厚度较小时试件的黏结性能.试件编号由Gd-l-c共3部分组成，其中Gd表示GFRP筋直径，l表示黏结长度，c表示珊瑚混凝土保护层厚度.为避免加载端的混凝土应力集中，将黏结段设置在自由端，未黏结段设置在加载端，用塑料套管将GFRP筋与珊瑚混凝土隔离并调整黏结长度，如图2所示.

图2 拉拔试件尺寸Fig.2 Size of poll-out specimen(size:mm)

1.2 试验装置

本次试验的加载拉拔辅助装置如图3所示.该装置由高强螺杆、角钢和方形钢垫板组成，钢板中心有对准孔，以避免试件受拉时出现偏心受力.加载方式参照CSA标准对试验机的要求，试验中分别测量GFRP筋自由端的绝对滑移值和钢板的变形量，二者之差即为GFRP筋自由端的相对滑移值.记录荷载、位移读数以及试验现象.当发生珊瑚混凝土劈裂、自由端滑移量超过45mm或者GFRP筋断裂等情况时试验结束.

图3 拉拔试验装置Fig.3 Set-up of pull-out test

2 试验结果和分析

假设黏结应力沿GFRP筋埋长均匀分布，GFRP筋的黏结强度定义为在黏结长度内黏结应力的平均值，即拉拔力除以GFRP筋埋长部分表面积，公式为τ=P/πdl，式中：τ为平均黏结应力；P为拉拔力.

2.1 破坏形态分析

不同于中心拉拔试验，采用不同保护层厚度设计的试件更加贴近结构实际受力状态，其破坏模式可分为GFRP筋拔出、断裂和混凝土劈裂3种情况，具体破坏模式主要取决于GFRP筋-混凝土的黏结应力、GFRP筋极限拉应力、混凝土强度、保护层厚度等各因素之间的极限应力大小.

(1)GFRP筋拔出破坏.相对保护层厚度c/d≥4.17的A组试件均未出现混凝土劈裂破坏且观察不到裂缝产生.当黏结长度小于20d时，试件破坏形式主要表现为GFRP筋的拔出破坏.加载端GFRP筋在加载初期便发生滑移，自由端未出现滑移，此时化学胶着力为黏结力主要来源；荷载继续增大后，自由端出现相对滑移，黏结力主要来源转变为GFRP筋横肋与周围珊瑚混凝土的机械咬合力和摩擦力；随着拉拔力的继续增大，GFRP筋逐渐从试块中拔出，如图4所示.

图4 拔出破坏Fig.4 Pull-out failure

(2)GFRP筋断裂破坏.黏结长度为20d的试件主要发生GFRP筋断裂破坏.加载后期可以听到纤维与树脂的剥离声，最后随着“啪”的一声，GFRP筋断裂，试件破坏.加载后期自由端虽有少量滑移但未继续发展，珊瑚混凝土中未观察到有裂缝产生.发生此类破坏的原因是随黏结长度增加，GFRP筋-珊瑚混凝土的黏结力已经大于GFRP筋的极限拉应力，使GFRP筋断裂破坏，如图5所示.

图5 断裂破坏Fig.5 Fracture failure

(3)混凝土劈裂破坏.相对保护层厚度c/d≤2.92的B组试件，以珊瑚混凝土劈裂破坏为主.随着荷载的增加，裂缝通常在保护层厚度较小一侧产生，开裂后若拉拔力继续增加，则裂缝将沿珊瑚混凝土保护层厚度较小的对称面迅速贯穿至整个试件，珊瑚混凝土劈裂破坏，如图6所示.对于直径较大的GFRP筋，由于筋肋作用在混凝土周围产生的环向拉应力也较大，当其超过混凝土的极限拉应力时，通常在混凝土薄弱部位最先出现裂缝甚至劈裂.试验中，部分试块裂缝并没有出现在保护层相对较薄的位置，而是沿试件对角线方向或横向产生裂缝.

图6 劈裂破坏Fig.6 Splitting failure

图7为GFRP筋拔出破坏试件断面图.与钢筋-混凝土的黏结破坏存在显著不同，在拔出的GFRP筋黏结段上，可清楚观察到GFRP筋横肋被严重磨损而变得光滑，混凝土黏结面上也有明显的摩擦痕迹.原因主要是GFRP筋抗剪强度不高，且筋表面硬度低于珊瑚混凝土，在产生相对滑移时，GFRP筋横肋易被剪切磨损，从而降低了两者间的机械咬合力和摩擦力，而钢筋表面的硬度和抗剪强度均远高于混凝土，所以钢筋-混凝土的破坏一般发生在混凝土基体中.

图7 试件断面图Fig.7 Sectional view of the specimen

2.2 受力过程

试验结果表明，GFRP筋-珊瑚混凝土拉拔试验的受力过程及试验现象与FRP筋-普通混凝土相似，其典型黏结-滑移曲线(τ-s曲线)如图8所示.根据τ-s曲线特征，可以将其大致分为4个阶段：(1)微滑移阶段.在拉拔试验的初始阶段，滑移量较小，曲线接近线性，此时二者间的化学胶着力为黏结应力主要来源.(2)滑移阶段.随着荷载增加，滑移量增长加快，曲线呈现出非线性特征并趋于平缓，黏结应力主要来源转变为GFRP筋横肋与周围珊瑚混凝土间的机械咬合力和摩擦力.(3)下降阶段.峰值过后的较短时间内，黏结应力下降缓慢，随着GFRP筋横肋逐渐被磨损，楔块效应减弱，摩擦力也逐渐减小，曲线迅速进入下降阶段，滑移量大幅增加，直到滑移量接近GFRP筋的1个肋间距，这表明1个横肋被拔出的过程.此阶段黏结应力的主要来源为摩擦力和部分机械咬合力.(4)残余阶段.滑移量继续增加，黏结应力回升，曲线呈现出往复上升和下降的衰减过程，应力峰值逐渐减小，直至GFRP筋被完全拔出.在残余阶段，GFRP筋横肋不断被剪切磨损，但残余机械咬合力和摩擦力仍能提供一定黏结力.

图8 拔出破坏试件的典型τ -s曲线Fig.8 Typical bond-slip curve of pull-out failure specimen

FRP筋与钢筋、珊瑚混凝土与普通混凝土在力学性能等方面存在较大差异，导致不同类型黏结试件的τ-s曲线特征存在明显不同，如图9所示，其中参考文献[8-10]的黏结试件类型分别为GFRP筋- 普通混凝土、碳纤维增强塑料(CFRP)筋-普通混凝土和钢筋-普通混凝土.由图9可见：(1)带肋GFRP筋-珊瑚混凝土试件G12-12d-35的τ-s曲线特征与FRP筋-普通混凝土相似，而与钢筋-普通混凝土有较大差异；试件G12-12d-35残余段表现为不断上升—衰减的曲线，且相邻波峰或波谷之间的距离近似等于GFRP筋的1个肋间距，而钢筋-普通混凝土残余段曲线趋于平缓；(2)钢筋-普通混凝土τ-s曲线的上升段斜率明显较大，主要是因为钢筋与FRP筋两者的弹性模量相差较大，FRP筋的弹性模量约为钢筋的25%～75%[11]；(3)在τ-s曲线上升段的初始阶段，GFRP筋-珊瑚混凝土的曲线斜率略小于GFRP筋-普通混凝土，即对于相同的黏结强度，珊瑚混凝土对应的滑移量较大，这主要是由于珊瑚混凝土的弹性模量低于普通混凝土[5]，相同应力下珊瑚混凝土应变更大所致；(4)GFRP筋 -珊瑚混凝土的残余黏结应力峰值约为其极限黏结应力的60%～80%，FRP筋-普通混凝土的残余黏结应力峰值约为其极限黏结应力的50%～ 60%[8]，钢筋-普通混凝土则约为20%～40%[12].

图9 不同类型黏结试件τ -s曲线对比Fig.9 Comparison of bond-slip curves for different bonded specimens

3 黏结强度影响因素分析

3.1 珊瑚混凝土保护层厚度

相对保护层厚度对试件的破坏模式影响明显，相对保护层厚度较小的B组试件，当GFRP筋横肋对周围珊瑚混凝土产生斜向挤压力的径向分力大于珊瑚混凝土的抗拉强度时，在其黏结-滑移曲线上升段会因保护层劈裂而突然破坏，对应的黏结-滑移曲线如图10(a)所示.由图10(a)可见，当B组试件的c/d由2.08d增加到2.92d时，其平均黏结应力由9.97MPa增加到12.52MPa，这表明适当增大保护层厚度，可以提高GFRP筋外围珊瑚混凝土的抗劈裂能力，进而提高GFRP筋-珊瑚混凝土的黏结性能.

随着保护层厚度的增加，试件破坏模式逐渐表现为GFRP筋拔出或断裂.相对保护层厚度较大的A组试件均未出现劈裂破坏，其平均黏结应力随保护层厚度变化曲线如图10(b)～(d)所示.结果表明，增大试件的保护层厚度，可增强GFRP筋外围珊瑚混凝土的抗劈裂能力和黏结性能；叠加外围混凝土对GFRP筋-珊瑚混凝土界面区的约束效应，最终使试件的平均黏结应力得到不同程度的提高，且黏结长度较短时该增强效果明显，当黏结长度或保护层厚度增加到一定程度时，该增强作用逐渐减弱.

图10 保护层厚度对试件黏结强度的影响Fig.10 Effect of cover layer thickness on bond strength of specimens

3.2 黏结长度

图11为黏结长度对试件黏结强度的影响.由图11可见，与FRP筋-普通混凝土相同，GFRP筋-珊瑚混凝土的黏结应力峰值随黏结长度增加而明显降低，当黏结长度由8d增加到12d时，黏结应力峰值降低了15.30%；当黏结长度由8d增加到20d时，黏结应力峰值降低了30.33%.黏结应力沿GFRP筋黏结长度的分布并不均匀，当黏结长度较短时，高应力区相对较长，平均黏结应力较大；黏结长度较长时，高应力区相对较短，平均黏结应力较小[13].图12反映了相对黏结长度l/d与筋材应力σ的关系，其中引用了参考文献[10，14-15]中FRP筋-普通混凝土试件的试验数据.由图12可以看出：随着相对黏结长度的增加，GFRP筋的最大应力不断增加，总黏结力逐渐变大，但这种趋势在黏结长度达到一定程度后趋缓，试件破坏形式也逐渐由筋被拔出转变为筋材断裂.因此，在保证珊瑚混凝土保护层厚度的前提下，直径较小的GFRP筋的最小黏结长度可取为20d，而直径较大的GFRP筋因平均黏结应力较小，所以应适当增加其黏结长度.

图11 黏结长度对试件黏结强度的影响Fig.11 Effect of bond length on bond strength of specimens

图12 相对黏结长度与筋材应力关系Fig.12 Relationship between relative bond length and stress of FRP bars

3.3 材性

与普通钢筋相比，FRP筋与混凝土的黏结强度较低，当混凝土强度等级超过一定范围后，黏结破坏主要发生在FRP筋表面，提高混凝土强度对二者间黏结强度影响并不显著[12].在黏结条件相近的情况下，GFRP筋-珊瑚混凝土的黏结强度低于GFRP筋-普通混凝土黏结试件[11]，且滑移量较大.此外，对于FRP筋-普通混凝土黏结试件，当相对保护层厚度c/d≤4.5时易发生劈裂破坏[9]，而本文A组中的对应试件未发生劈裂破坏，这主要是因为珊瑚骨料性能与普通碎石骨料性能存在着较大差异所致.在GFRP筋与珊瑚混凝土产生相对滑移后，筋横肋与混凝土间的机械咬合力是黏结力的主要来源，具有轻质疏松、多孔、易碎、强度和弹性模量低等特点的珊瑚骨料在受到挤压时，肋前的珊瑚骨料混凝土易破碎变形，机械咬合力降低，造成其总黏结力低于普通混凝土，进而导致GFRP筋在珊瑚混凝土中更易被拔出，GFRP筋与珊瑚混凝土间的相对滑移也较近似条件下的GFRP筋-普通混凝土来得更早，滑移量更大.此外，需要特别提出的是，GFRP筋的肋间距、肋高等筋表面状况对试件的黏结性能影响显著.由于本文采用的6mm筋的肋间距相对较大，筋被拔出时，肋间混凝土应力重新分布，减缓了楔块效应的增长速度，因此产生了更大的滑移量[16].

4 结论

(1)GFRP筋-珊瑚混凝土的受力过程及试验现象与FRP筋-普通混凝土相似，其τ-s曲线可大致分为微滑移段、滑移段、下降段和残余段这4个阶段，其黏结强度能够满足一般工程需要.

(2)GFRP筋-珊瑚混凝土的平均黏结应力随相对保护层厚度增加而相应增加，随黏结长度增加而显著减小.相对保护层厚度较小时，试件发生劈裂破坏；相对保护层厚度较大时，随黏结长度增加，破坏形式逐渐由筋被拔出转变为筋材断裂.

(3)拔出破坏中，破坏特征表现为GFRP筋横肋被剪切磨损而变得光滑，珊瑚混凝土黏结面有明显摩擦痕迹.GFRP筋表面状况以及基体的表面硬度与抗剪强度对试件的黏结强度影响较大.

(4)珊瑚混凝土与普通混凝土材料性能存在一定差异，相对于普通碎石骨料，珊瑚骨料具有轻质疏松、多孔、易碎、强度和弹性模量低等特点，从而造成GFRP筋-珊瑚混凝土的黏结强度低于GFRP筋-普通混凝土，且滑移量较大.

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