反复荷载下GFRP筋与混凝土黏结性能

高永红，申俊宇，金清平，汪光波，向亚男

(武汉科技大学城市建设学院， 武汉 430065)

0 前言

自20世纪末开始，国内外学者[1-10]研究了一般室内外环境下纤维增强聚合物(FRP)筋与混凝土的黏结性能，提出了影响两者间黏结性能的主要因素，这些因素有FRP筋组分、直径、锚固长度、表面形状、混凝土强度、龄期、浇筑位置、保护层厚度等；另有国内外学者[11-14]研究了高温、冻融、高温高湿、碱液、持续荷载等恶劣环境下两者间黏结性能，研究表明，上述环境因素均在一定程度上影响着两者间的黏结性能，多因素耦合条件下的试验研究目前相对较少，需进一步深入开展。上述关于FRP筋与混凝土黏结性能的考察从加载方式来看大多集中在单调静力加载下的黏结试验研究，目前仅有少数研究[15-18]是针对反复荷载下FRP筋黏结性能。Juliana考查了持续荷载、冻融循环及疲劳荷载作用等3个因素耦合下GFRP混凝土桥面板中两者的黏结性能。研究表明，3因素耦合作用下，黏结强度下降幅度约为50 %，疲劳荷载相对于持续荷载及冻融循环作用而言，其影响更显著。Amnon考查了循环荷载作用下FRP筋与混凝土的黏结性能，研究表明，循环荷载作用下黏结强度下降明显，一个循环后其下降了约20 %。基于目前研究，反复荷载作用对FRP筋与混凝土黏结性能影响并不是十分清楚，亦未形成较统一的结论。

本文基于中心拉拔试验，研究了不同应力水平反复荷载对GFRP筋与混凝土黏结性能的影响，具体考查了应力水平、循环次数、埋深等对黏结滑移滞回曲线、滑移量、黏结强度、黏结刚度、卸载刚度等的影响，为深入研究GFRP筋混凝土结构疲劳性能提供依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

GFRP筋，基体为聚乙烯，材料密度1.9～2.2 g/cm3，表面呈螺纹状，直径16 mm，深圳海川新材料科技有限公司；

C35混凝土，坍落度为35～50，配合比为水泥∶水∶砂∶石子为1∶0.54∶1.79∶3.32，水泥为华新P.O.42.5型号普通硅酸盐水泥，细骨料为普通中砂，粗骨料为粒径不大于20 mm的碎石。

1.2 主要设备及仪器

微机控制电液伺服万能试验机，WAW-1000，济南试金集团有限公司；

反力架，自制，可调节适应试件尺寸，强度和刚度满足要求；

混凝土塑料试模，200 mm×200 mm×200 mm，武汉致诚模具有限公司。

1.3 样品制备

制备中心拉拔试件，尺寸均为200 mm×200 mm×200 mm，按照上述配合比制备混凝土，采用专用混凝土塑料试模浇筑成型，浇筑前需固定GFRP筋的位置使其保持垂直，筋体与混凝土非黏结区用聚氯乙烯(PVC)套管隔开，共浇筑了17个立方体试件；试件的构造如图1所示，图1中d表示GFRP筋的直径，单位mm；另浇筑5个标准抗压试块与试验试件同条件养护于养护室28 d;

图1 试验试件示意图Fig.1 Diagram of test specimen

在进行黏结试验前，对标准混凝土立方体试块进行抗压试验，得到其平均抗压强度为43.45 MPa，混凝土强度满足试验要求。

1.4 性能测试与结构表征

混凝土立方体抗压试验测试:采用微机控制电液伺服万能试验机测试，按照GB/T 50081—2002[19]规定的方法测定，加载速度0.5 MPa/s;在进行黏结试验前，对标准混凝土立方体试块进行抗压试验，得到其平均抗压强度为43.45 MPa，混凝土强度满足试验要求;

拉拔性能测试:采用微机控制电液伺服万能试验机测试，配合反力架，参考ACI 440.3R-12[20]及CSA S806-02[21]规范要求，设定加载速度0.2 mm/min，由计算机自动加载，加载方式分为静载和反复加载，试验加载装置如图2所示；

(a)试验装置 (b)示意图图2 试验装置及示意图Fig.2 Test device and schematic diagram

GFRP筋加载端位移由万能试验机操作系统采集，加载过程中，每3 kN记录一次滑移量和荷载，直到达到以下条件之一为止：(1)GFRP筋发生断裂破坏；(2)混凝土劈裂破坏；(3)加载端滑移量较大且荷载到峰值后开始下降。

2 结果与讨论

2.1 破坏形态

静力加载时，GFRP筋混凝土拉拔试件的破坏形式均为GFRP筋拔出破坏；当拉拔力至峰值后，混凝土试块表面没有出现明显的裂纹(如图3所示)，试件仍能承受一定的拉拔力，达到峰值后卸载并终止试验。

(a)加载端 (b)自由端图3 试件典型破坏形式Fig.3 Typical failure mode of specimen

等应力幅反复加载时，采用60 %Fm和80 %Fm极限拉拔力(Fm为对应组静载拉拔力峰值均值)循环10次，再静力加载至破坏，若循环过程中发生黏结破坏，则终止试验，反复加载试验中，试件破坏形式均为拔出破坏。等应力幅荷载循环10次直至荷载上升至极限拉拔力后，试块表面未出现明显裂纹，试件仍能承受一定的拉拔力。待试验结束后，通过敲开并移去GFRP筋粘结段表面混凝土，观测到GFRP筋与混凝土黏结界面破坏形态，如图4所示。

(a)静力加载试件破坏后界面 (b)反复加载试件破坏后界面图4 试件黏结界面破坏形态Fig.4 Failure modes of specimen in the bonding interface

2.2 黏结滑移关系

■—JL16-5 ◆—FF16-5-60 % ▲—FF16-5-80 %图5 静载和反复荷载作用下黏结滑移曲线对比Fig.5 Comparison of bond slip curves under monotonic loading and cyclic loading

鉴于每组中试件的黏结滑移曲线有着类似规律，故以直径16 mm，锚固长度为5d工况为例，根据试验数据绘制出的静载及等应力幅反复荷载下GFRP筋拉拔试件的黏结滑移曲线如图5所示。JL16-5代表：直径为16 mm，锚固长度为5 d，JL为静力加载，FF为反复加载。

由图5可知，从黏结强度来看，FF16-5-60 %经过反复加载其黏结强度略高于JL16-5静力加载，而FF16-5-80 %黏结强度低于前面两者，表明反复荷载应力幅处于合理范围时，其黏结强度较静载黏结强度有小范围提高，而当应力幅超出这个范围时，其黏结强度便随之降低，这是由于合理范围内的反复荷载不足以损伤GFRP筋横肋，反而使肋与混凝土之间咬合更紧，机械咬合力与摩擦力均增大，从而黏结强度增大；当应力幅超出一定范围后，反复荷载便会对GFRP筋横肋产生一定的损伤，随之黏结强度下降。从峰值滑移量来看，3种工况下相差不大，表明上述2种应力幅的反复荷载，当循环次数较少时对峰值滑移量影响不大。从黏结刚度(dτ/ds)来看，进入反复荷载前曲线几乎重合，走势一致，FF16-5-60 %经10次反复荷载后，黏结刚度有所提高，曲线走势开始位于JL16-5上方，曲线变陡峭；而FF16-5-80 %经10次反复荷载后，滑移量突然增大，曲线虽未出现明显拐点，但很快达到其极限黏结应力，随之开始下降，筋体开始被拔出，这是因为横肋受损所致。从反复荷载施加阶段曲线来看，后一次的曲线均较前一次曲线右移，表明循环过程中产生了残余变形，残余变形主要是由于筋体在受力过程中对砂浆内部的微小孔隙发生了挤压而导致的，且残余变形并不会随着荷载的卸载而还原至初始状态。

2.3 埋深对黏结性能影响

■—JL16-5 ●—FF16-5-60 % ▲—FF16-5-80 %(a)极限拉拔力 (b)黏结强度 (c)峰值荷载滑移量图6 极限拉拔力、黏结强度、峰值荷载滑移量与埋深关系图Fig.6 Relationship between ultimate pulling force,bond strength,the slip of the peak load and embedment length

结合图6，由静载试验数据可知，极限拉拔力、黏结强度和峰值滑移量均随埋深的增加而增大，表明在一定范围内增加GFRP筋埋深，其拉拔力峰值会增大，黏结强度也会适当提高。但拉拔力的增加并非与锚固长度成正比，当锚固长度超过合理范围，极限拉拔力提高并不明显，相对应的黏结强度反而会降低。

反复荷载下，埋深对黏结性能的影响规律与静载下类似。极限拉拔力随应力水平增大而减小，进行反复拉拔时，GFRP筋表面肋与混凝土进行摩擦，导致两者的摩擦因数减小，摩阻力减小，从而呈现出静载>60 %Fm>80 %Fm，但极限黏结强度与加载端峰值滑移量却呈现波动，60 %Fm处于三者的最大值，表明文中几种工况下，埋深为5d，应力水平为60 %Fm时为较优选择。

2.4 循环次数对滑移量影响

■—FF16-5-60 % ●—FF16-5-80 %图7 滑移量与循环次数的关系曲线Fig.7 Relationship between slip and the number of cycles

取2种60 %Fm、80 %Fm应力水平下反复加载过程中每次加载完成后的滑移量与对应的循环次数得到循环次数与滑移量的关系图，如图7所示，其中滑移量是指每次循环卸载后加载端滑移量。由图7可知，2种工况下的共同规律是随着循环次数的增加，滑移量先是逐步增大，而后缓慢增加并逐渐趋于稳定；不同的是80 %Fm应力水平反复荷载下，循环阶段滑移量增幅大于60 %Fm应力水平下的滑移量增幅，表明80 %Fm应力水平反复荷载对GFRP筋与混凝土界面已产生一定程度的损伤。

2.5 循环次数对卸载刚度的影响

■—FF16-5-60 % ●—FF16-5-80 %图8 卸载刚度与循环次数关系图Fig.8 Relationship between unloading stiffnessand the number of cycles

GFRP筋与混凝土黏结退化的另一个表现特征就是在每次循环后，随着卸载点处滑移量增加，卸载曲线和再加载曲线的交点逐渐上升，使卸载点处的初始刚度逐渐降低。在反复加卸载过程中，卸载刚度(卸载曲线的割线斜率，单位为 MPa/mm)会随着每次循环后滑移量增量的减少而降低。图8以FF16-5-60 %和FF16-5-80 %为例。由图8可知，卸载刚度随循环次数的增加而减小，前3～4个循环降幅明显，这是因为试件在反复荷载下，大部分滑移量均在前3个循环产生，且应力水平越高，卸载刚度降低越明显。在反复荷载作用下，随着界面损伤的产生，应力重分布，黏结应力不断向自由端传递，随着不断加载卸载，损伤不断累积，从而导致黏结性能退化。

3 结论

(1)试验中所有黏结试件，无论是静载还是反复荷载下，试件破坏形态均是拔出破坏；

(2)反复荷载作用下，当循环次数较少时，黏结滑移曲线变化规律大体上类似于静载作用下的变化规律；反复荷载应力水平在合理范围内时(如60 %Fm)，黏结强度较静载黏结强度有小范围提高，而当超出这个范围时(如80 %Fm)，其黏结强度便随之降低，且黏结性能退化较明显；循环过程中产生了残余变形，且残余变形不会随着荷载的卸载还原至初始状态；残余变形主要由前3次循环过程中产生；

(3)当埋深较小时，随着埋深的增大，黏结性能不断提升；当埋深超过合理范围时，对黏结性能的提升并不明显，黏结强度反而下降。