海水海砂再生混凝土与玻璃纤维增强塑料筋黏结性能

肖建庄， 廖清香， 张青天， 强成兵, 柳 献

(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092； 2. 同济大学 工程结构服役性能演化与控制教育部重点实验室，上海 200092)

混凝土是建筑结构的主要材料，制备混凝土的原材料包括砂石骨料、淡水以及胶凝材料，而在其生产制作和施工过程中消耗了大量的自然资源和能源，并排放了大量的CO2，对环境造成了严重影响.目前我国河砂、淡水资源缺乏，且原材料的获取很大程度受限于地理位置，在我国经济较为发达的东部沿海地区，有大量工程建设，但大多比较缺乏原材料.考虑到沿海地区以及海岛有丰富的海水、海砂资源储备，合理有效地利用海水、海砂资源制备混凝土无论是在环境还是经济方面都有很大效益.同时，将再生粗骨料作为生产原料加入到混凝土的制作中，可以实现资源的最大化有效利用.由于海水、海砂中存在着大量氯盐，钢筋不宜用于海水海砂混凝土中，而采用纤维增强塑料(FRP)可以有效解决这个问题.

海砂相较于河砂主要不同之处在于海砂中含有较高的贝壳含量，使混凝土的工作性能，强度有所下降，对收缩徐变亦有影响[1-4].海水中含有较多的Cl-以及SO42-对混凝土的强度也有一定的影响[5-6].因此，采用海水海砂将影响混凝土的基本性能.FRP对混凝土可以起到约束作用[7]以及加筋作用[8]，其中采用FRP筋作为加筋材料时，FRP与混凝土间的黏结性能是两者共同工作的基础，也是影响FRP筋混凝土构件破坏形态、受力性能和变形能力等的重要因素.目前FRP与普通混凝土间的黏结性能已有较为系统的研究，这些研究表明FRP黏结应力的组成和传递机理与钢筋相似[9]，影响FRP黏结性能包括[10]：混凝土的强度等级、保护层厚度、锚固长度、FRP外形以及构造方式等.由于海水、海砂、再生粗骨料的使用，会对混凝土的性能有一定影响[11]，且对于FRP筋与海水海砂再生混凝土黏结性能的研究尚属空白.因此，本文基于一系列的试验对玻璃纤维增强塑料(glass-fiber-reinforced polymer,GFRP)筋与海水海砂再生混凝土的黏结性能进行了研究与分析.

1 试验材料

试验材料如下：①海砂：福建海砂，基本性能见表1.②海水：依据美国材料实验协会关于海水制备规程[12]中所给的化学成分配而得，其中含量在0.1 g·L-1以下化学物质忽略不计，具体化学物含量见表2.③天然粗骨料：4.75～31.5 mm天然石子；④再生粗骨料：4.75～31.5 mm再生粗骨料，为上海再生粗骨料厂提供，基本性能见表3；⑤水泥：海螺牌，等级为42.5；⑥减水剂：聚羧酸高效减水剂；⑦GFRP筋：南京锋晖复合材料有限公司提供的带肋GFRP筋，肋高为3 mm，肋间距14 mm，基本性能见表4.

表1 海砂基本性能Tab.1 Basic properties of sea sand

表2 海水中化学物质含量Tab.2 Chemicals in seawater

表4 GFRP筋材料性能Tab.4 Material properties of GFRP bars

2 试验方案

本次拔出试验共分为2组：

(1)研究不同种类的混凝土与GFRP筋之间的黏结性能，水灰比固定为0.47(对应普通混凝土强度等级为C30).立方体试件：150 mm×150 mm×150 mm，每组制作6个，其中3个用于中心拔出试验，3个用于测量混凝土的立方体抗压强度，其配合比见表5.表中，NAC表示天然混凝土，RAC表示再生混凝土，SSNAC表示海水海砂天然混凝土，SSRAC表示海水海砂再生混凝土(下同).

(2)研究不同强度等级的海水海砂再生混凝土与GFRP筋之间的黏结-滑移本构关系，其中变化水灰比为0.52，0.47，0.4以及0.37(分别对应普通混凝土强度等级为：C20、C30、C40、C50).立方体试件：150 mm×150 mm×150 mm，每组制作6个，其中3个用于中心拔出试验，3个用于测量混凝土的立方体抗压强度，其配合比见表6.

表5 不同种类C30混凝土配合比Tab.5 Mix proportion of different C30 concrete

表6 不同强度混凝土配合比Tab.6 Mix proportion of concrete with different strength grades

混凝土采用小搅拌机拌制，搅拌均匀后浇筑到木模内振捣密实.不同强度的海水海砂混凝土实测塌落度为：SSRAC20：35 mm、SSRAC30：110 mm、SSRAC40：130 mm、SSRAC50：120 mm.塌落度实测结果表明，减水剂仍可以明显调控海水海砂混凝土的工作性能.混凝土的黏聚性和保水性良好.养护28 d，每天上下午分别洒水、覆盖湿薄膜来进行养护.

图1 标准立方体拔出试验试件 (单位：mm)Fig.1 Specimens of standard cube pull-out tests (unit: mm)

3 试验结果

3.1 破坏模式与分析

试验过程中GFRP筋未出现明显滑移，所有试件均为混凝土突然发生劈裂破环.由于在达到最大黏结强度时，混凝土突然劈裂，此时固定在GFRP筋端部的位移计由于震动而掉落，因此黏结-滑移曲线只有上升段，而没有下降段，部分混凝土试件劈裂为三块，部分劈裂为两块，如图3所示.

图2 标准立方体拔出试验装置Fig.2 Set-up of standard cube pull-out tests

GFRP筋与混凝土的黏结作用主要由三部分组成，即GFRP筋与混凝土之间的化学胶着力、接触面上的摩擦力以及GFRP筋通过表面变形处理与混凝土产生的机械咬合力[14].

对于本试验而言，采用的是带肋GFRP筋，试验刚开始施加荷载时，起主要作用的是化学胶着力和摩擦力；随着荷载的增加，肋前由于纵向挤压作用形成楔形块，一个肋间距范围内的混凝土受到的作用力有：钢筋对混凝土的挤压应力P，滑移面上的摩擦应力μP，μ为摩擦系数，如图4所示.图中，θ为滑移面切向与钢筋纵向的夹角，d为筋直径，c混凝土外表面到筋中心距离.将P和μP分别沿纵向和径向分解，二者的纵向分量之和形成黏结应力τu，径向分力即为环向拉力σρ.当环向拉力达到抗拉强度时，混凝土中产生环向裂缝，裂缝发展到混凝土表面时，则形成试验中所看到的劈裂裂缝,进而破坏[15-16].

a 破坏截面b 劈裂为两块c 劈裂为三块

图3试件破坏模式

Fig.3Failuremodeofspecimens

图4 混凝土受力分析模型[15]Fig.4 Stress analysis model of concrete[15]

根据高等混凝土结构理论[17]，肋前楔形块的产生与筋材的肋高h和间距m比值有关.其机理如图5所示：

a 肋间距较小时

b 肋间距较大时

当肋过高和间距过小时(图5a)，剪应力会控制黏结性能，筋材被拔出；当肋的间距大于肋高时(图5b)，局部压碎的混凝土就可能在肋前形成一个楔形块，进而使周围混凝土产生劈裂破坏.与以上机理相似，肋间距和高度的比值是控制GFRP筋与混凝土的黏结劈坏模式的重要因素，本次试验用GFRP筋材肋间距和高度的比值为4.76.

3.2 主要试验结果

试验数据包括预留混凝土试块的立方体抗压强度、混凝土与GFRP筋的最大黏结强度，见表7.

表7 混凝土试件基本力学性能Tab.7 Basic mechanical properties of concrete specimens

由表7可知，第一组实验，对于相同水灰比，再生粗骨料的使用降低了混凝土与GFRP筋之间的黏结强度，比普通混凝土与GFRP筋的黏结强度低17%；海水海砂混凝土与普通混凝土的黏结强度相近，海水海砂对于混凝土黏结性能的影响不明显.同样地，海水海砂再生混凝土的黏结强度较普通混凝土也有较大的降低，为普通混凝土的83%.另外，相对黏结强度均在0.5左右，而再生混凝土与GFRP筋之间的相对黏结强度高于普通混凝土与GFRP筋的相对黏结强度，可能是因为再生粗骨料表面包裹着水泥砂浆，使再生粗骨料与新的水泥砂浆之间弹性模量相差较小，界面结合可能得到加强.同时，再生粗骨料表面的许多微裂缝会吸入新的水泥颗粒使接触区的水化更加完全，形成致密的界面结构[18].

第二组实验，对于海水海砂再生混凝土，其黏结强度随混凝土强度增加而增加，与普通混凝土规律类似.相对黏结强度均在0.5左右.

4 试验分析

4.1 混凝土组分对黏结滑移曲线影响

对试验数据进行处理，可以得到每组混凝土的自由端黏-结滑移曲线，不同组分混凝土黏结应力-滑移曲线以及量纲一黏结-滑移曲线如图6和图7所示，其中τu、su为极限黏结强度和相对应的极限滑移.

图6 不同组分混凝土黏结应力滑移曲线Fig.6 Bond stress-slip curves of concrete with different concretes

图7 不同组分混凝土量纲一黏结滑移曲线Fig.7 Non-dimensional bond-slip curves of concrete with different concretes

由图7可知，普通混凝土与海水海砂混凝土的量纲一黏结-滑移曲线基本重合，再生混凝土与海水海砂再生混凝土的量纲一黏结-滑移曲线基本重合.可得海水海砂的使用对混凝土与GFRP筋的黏结-滑移本构关系影响不大，因此对于海水海砂混凝土的黏结-滑移曲线的上升段可以采用与普通混凝土相同的本构关系模型.同时表明，海水海砂中的少量贝壳等杂质并不会影响混凝土与GFRP筋的黏结-滑移本构关系，对于海砂中贝壳含量变化对混凝土的黏结-滑移本构关系可能产生的影响需要进一步的研究.而再生混凝土的量纲一黏结-滑移曲线略高于普通混凝土量纲一黏结-滑移曲线，曲线与横轴所围成的面积较大，说明再生混凝土在黏结-滑移过程吸收的能量较大，这主要是由于再生粗骨料与新的水泥砂浆之间弹性模量相差较小，骨料对水泥石的变形约束较小，这种“弹性协调”延缓微裂缝的发展[19].

4.2 黏结强度与立方体强度关系

ACI 440.1R-06[20]中给出黏结强度与混凝土圆柱体抗压强度的关系如下：

(1)

在本试验中，GFRP筋直径保持不变，为14 mm，混凝土外表面到GFRP筋中心距离为75 mm，黏结长度为70 mm，因此，

(2)

即：

(3)

(4)

因此黏结强度与混凝土立方体抗压强度的关系可表示为

(5)

本文中，不同强度等级海水海砂再生混凝土的黏结强度见表7.

对ACI 440.1R-06[20]给出的黏结强度与混凝土立方体抗压强度的公式添加修正系数a，可表示为

(6)

(7)

同时，给出另一种黏结强度与混凝土立方体抗压强度的公式，表示为

(8)

式中：b为指数.

图8显示了使用不同公式对混凝土的黏结强度与混凝土的抗压强度关系的拟合结果.

图8 海水海砂再生混凝土黏结强度与混凝土立方体抗压强度关系Fig.8 Relationship between bond strength and compressive strength of SSRAC

表8给出了不同的拟合方程的相关系数，可以看出相对使用ACI推荐的公式，使用相关劈裂抗拉强度公式进行拟合，有着更好的决定系数.

表8黏结强度与抗压强度关系各拟合方程的决定系数

Tab.8Coefficientofdeterminationofthefittedequationsfortherelationshipbetweenbondstrengthandcompressivestrength

拟合方程τu=3.26fcuτu=1.30f0.75cuτu=0.32f1.13cu决定系数R20.680.870.97

4.3 黏结滑移本构关系

对于不同强度等级(水灰比)海水海砂再生混凝土的GFRP筋自由端的黏结-滑移曲线进行处理，不同强度的海水海砂再生混凝土的黏结应力-滑移曲线与量纲一黏结-滑移曲线如图9和图10所示.

由图9可以看出，在加载早期，随着混凝土的强度等级增大，相同的滑移量对应的黏结应力越小，随着端部滑移的逐渐增加，相同滑移条件下，强度较高的混凝土的黏结应力逐渐增大，增长速率超过强度较低的混凝土.与其他混凝土类似，海水海砂再生混凝土的黏结强度随着混凝土的抗压强度增大而提高.

由图10可知，4种不同立方体抗压强度的混凝土的量纲一黏结-滑移曲线有较大的差异，表明海水海砂再生混凝土的量纲一黏结-滑移曲线与混凝土的抗压强度有关.当混凝土强度等级小于C50时，海水海砂再生混凝土的量纲一黏结-滑移曲线整体趋势较为一致，呈凸形；而混凝土强度等级为C50时，量纲一黏结-滑移曲线呈凹形，黏结-滑移曲线与横轴所围成的面积明显减小，说明黏结滑移过程吸收的能量减小.这是由于与普通混凝土类似，当混凝土强度等级为C50及以上时，混凝土的脆性性能更为明显.

图9 海水海砂再生混凝土黏结应力滑移曲线Fig.9 Bond stress-slip curves of SSRAC

图10 海水海砂再生混凝土量纲一黏结滑移曲线Fig.10 Non-dimensional bond slip curves of SSRAC

对于GFRP筋与混凝土之间的黏结本构关系，已有学者提出4种较为成熟的被认可的模型.本试验中所有试件均为达到最大黏结强度时，突然发生混凝土劈裂破坏，此时固定在GFRP筋端部的位移计由于震动而掉落，因此黏结-滑移曲线只有上升段，而没有下降段.对于不同模型给出的黏结-滑移曲线的上升段，分别如下：

(1)BPE(Bertero- Popov- Eligehausen)模型[22]

(9)

式中：τ1为最大黏结强度；s1为对应于τ1相应的滑移；α为不大于1的曲线修正参数.

(2)Malvar模型[23]

(10)

式中：τm、sm为峰值黏结应力和相应的滑移；F、G是根据各种类型筋试验拟合τ-s曲线得到的经验常数.

(3)CMR(Cosenza-Manfredi-Realfonzo)模型[24]

(11)

式中：τm为峰值黏结应力；sr和β是根据试验拟合得到的参数.

(4)连续曲线模型[25]

(12)

式中：τ1、s1为峰值点的黏结应力和相对应的滑移.

表9给出了不同模型与不同强度的海水海砂再生混凝土的量纲一黏结-滑移试验数据直接拟合的决定系数.由表9可得，不同学者提出的本构模型均有较高的拟合度，相对而言，Malver模型有更好的拟合度.

表9 黏结本构关系各拟合方程的决定系数Tab.9 R2 of the fitted equations for bond constitutive relation

在Malvar试验中，保持相同的混凝土抗压强度，根据不同外形的GFRP筋与混凝土的黏结试验拟合τ-s曲线得到的F、G经验常数.而在本试验中，筋材相同，混凝土强度不同，拟合得到F、G值见表10.对于经验常数F、G与混凝土的抗压强度关系并不十分明确，还需要进一步的研究.

表10 不同强度海水海砂再生混凝土经验常数F、G取值Tab.10 F、G value of SRAC with different strength

5 结语

完成了不同组分的混凝土以及不同强度等级的海水海砂再生混凝土与GFRP筋之间的标准立方体中心拔出试验，分析了混凝土的破坏特征，混凝土组分对GFRP筋黏结强度的影响以及峰值黏结应力、峰值位移与混凝土立方体抗压强度之间的关系，同时对比分析给出适用于海水海砂再生混凝土与GFRP筋的黏结-滑移本构模型.主要得到以下结论：

(1)再生粗骨料的使用降低了混凝土与GFRP筋之间的黏结强度，海水海砂的使用对混凝土的黏结强度基本没有影响，再生混凝土的相对黏结强度要高于普通混凝土，海水海砂混凝土以及海水海砂再生混凝土与GFRP筋之间的相对黏结强度与普通混凝土相似，影响可以忽略不计.

(2)由不同组分的混凝土与GFRP筋的量纲一的黏结-滑移曲线可知，再生粗骨料的影响较大，海水海砂几乎没有影响.普通混凝土与海水海砂普通混凝土有着相近量纲一的黏结-滑移曲线，同样，再生混凝土与海水海砂再生混凝土的量纲一的黏结-滑移曲线相似.

(3)与普通混凝土相似，海水海砂再生混凝土与GFRP筋的黏结强度随着混凝土抗压强度增加而增加，使用相关劈裂抗拉强度公式进行拟合，得出了黏结强度与抗压强度的关系.

(4)使用了4种不同的学者提出的较为成熟的适用于GFRP筋的黏结-滑移本构关系进行拟合，与试验结果对比表明：4种模型均能较好地拟合本次试验曲线，相对而言，Malvar模型拟合程度最高.Malvar模型中的经验常数F、G与混凝土的立方体抗压强度的关系需要进一步的研究.

海水海砂再生混凝土与GFRP筋之间的黏结性能受多种因素影响.因此，需要进一步研究其他因素，如筋材直径、筋材的肋高和间距、海水海砂的贝壳含量以及服役时间等对海水海砂再生混凝土与GFRP筋之间的黏结性能的影响，以给出适用度更广的黏结-滑移本构模型.