极地低温下CFRP筋与混凝土的黏结性能

2021-07-07王启辰

建筑材料学报 2021年3期

谢剑，乔羽，王启辰

(1.天津大学建筑工程学院, 天津 300350; 2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室, 天津 300350)

大量工程实例表明，钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土结构失效的主要原因之一.在极地低温下，为了使混凝土顺利固化，工程中常引入各类外加剂，其含有的多种成分将加剧钢筋锈蚀；另外，混凝土长期受冻引起其内部裂隙发展，各类腐蚀性物质更易侵入，也加快了钢筋锈蚀产生.2006年，长城站建筑损伤评估发现，历经20a极地低温的科考站损伤严重，钢筋外露锈蚀，部分结构构件锈穿甚至锈断[1].纤维增强聚合物(FRP)筋在低温等恶劣环境下可以保持较好的耐腐蚀性，为极地低温工程结构提供了新方向.

现有关于FRP筋与混凝土黏结性能的研究主要集中在常温[2]与部分特殊环境，如：高温[3-4]、冻融[5-6]等.低温相关的研究较为匮乏，且所涉及的温度不能满足实际工程需要.李扬等[7]通过-10～-30℃ 下玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋混凝土梁式试验发现，随温度降低，在相同荷载作用下筋材滑移量减小了17%～50%.Borosnyói[8]通过研究喷砂型碳纤维增强聚合物(CFRP)筋与混凝土的黏结性能，发现-25℃下其黏结强度较常温提高了50%以上.张志春[9]研究发现-30℃下GFRP筋与混凝土的黏结强度小于常温环境.谢剑等[10-11]针对低温下钢筋、钢绞线与混凝土的黏结性能进行了深入研究，为FRP筋与混凝土的低温黏结性能研究提供了参考.

本文通过极地低温下CFRP筋-混凝土拉拔试验，探索极地低温对CFRP筋与混凝土黏结性能的影响，同时考虑CFRP筋直径、黏结长度、混凝土强度、保护层厚度等参数的影响，为极地低温环境下CFRP筋的研究和应用提供参考.

1 试验

1.1 原材料

采用南京海拓复合材料有限公司生产的刻痕型CFRP筋，纤维丝类型为T700级碳纤维，基体材料为环氧树脂，纤维体积含量为68%；采用唐山冀东水泥公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；砂为Ⅱ区级配的普通河砂(中砂)；采用5～20mm连续级配的碎石；拌和水为10～15℃的自来水.混凝土配合比见表1，fcu为混凝土立方体抗压强度(后文简称强度).

表1 混凝土配合比

1.2 试件设计

试件参数见表2，每种工况下制作5个平行试件，试验结果取平均值.A、B、C、D、E组试件分别用于研究温度(t)、混凝土强度(fcu)、CFRP筋直径(d)、黏结长度(l)及保护层厚度(C)对CFRP筋-混凝土黏结性能的影响.

表2 试件参数

CFRP筋-混凝土拉拔试验试件为混凝土中心或偏心埋置CFRP筋的形式，CFRP筋夹持端由于自身抗剪强度较小，为了避免试验过程中局部剪切破坏，采用无缝钢管内添环氧树脂对其端部进行处理.

1.3 拉拔试验

本试验在天津大学土木工程中心结构实验室进行，试验装置由加载设备、降温保冷设备及测量设备构成.试件被固定于装有钢反力架的液压伺服试验机上，通过向保温箱内注入液氮来营造低温环境.试件温度由埋置其中的PT100实时监测，在试验反力架上下钢板处分别固定2支千分表，采集试验中试件两端滑移值(δ)的变化.需要注意的是，试验过程中千分表所测得的位移数据并非试件两端的真实滑移值，需要分别排除CFRP筋自由拉伸段、传力钢柱受拉变形的影响.试验过程为：先将试件置于复叠式低温冷库内预冷5.0h以上；待试件温度稳定于目标温度后，将试件取出并快速安装于试验机上；通过调整液氮阀门，使试件温度保持在试验温度点并持温0.5h；随后启动程序开始加载，加载控制方式为荷载控制，参照ACI 400.3R-12 《Guide test methods for fiber-reinforced polymer(FRP) composites for reiforcing or strengthening concrete and mensory structures》,加载速率为0.02kN/s，当试件加载端发生2.5mm滑移时，即认为CFRP筋与混凝土的黏结作用失效，试验结束.本试验所取CFRP筋黏结长度l较小，可以近似认为在该长度范围内黏结应力均匀分布，故后文取平均应力作为CFRP筋与混凝土的黏结应力(σ)，并取加载端滑移值为2.5mm 时的黏结应力作为CFRP筋与混凝土的黏结强度(τu).

常温(18℃)试验中：前期荷载持续增加，而试件中部CFRP筋并未发生滑移；当荷载继续增大时，CFRP筋与混凝土之间开始出现相对滑移，且伴随有CFRP筋从混凝土内部拔出的摩擦声；随后试件滑移值持续增加，CFRP筋被拔出的声响也逐渐加剧，直至加载端滑移值达到2.5mm，试件发生拔出破坏.低温试验中：荷载开始施加后，试件两端千分表读数即开始增加，表明CFRP筋已发生滑移；随着试验进行，试件会随机且突然发出“砰”的剧烈声响，荷载曲线随之发生突降，同时伴有两端滑移值的骤增(约0.15mm)，但随后荷载仍会逐渐回升.试验进行的整个过程中，“砰”声与荷载骤降的现象会反复出现.该现象在-30、-60℃ 下偶有发生，而在-80℃下非常显著.

2 结果与讨论

2.1 混凝土强度对黏结强度的影响

目前关于混凝土强度对FRP筋与混凝土黏结性能的影响尚存在争议[12-13]，本文研究了不同混凝土强度下CFRP筋与混凝土黏结强度的变化规律，结果见图1.由图1可见，与混凝土强度为 24.02MPa 的试件相比，混凝土强度为37.32、46.51MPa的试件黏结强度分别增大了2.99%、25.00%，表明随着混凝土强度的增加，CFRP筋与混凝土黏结强度逐渐增大.混凝土强度对CFRP筋与混凝土黏结性能的影响，与CFRP筋表面的加工形式密切相关.对于表面黏砂或缠绕肋型筋[13]，黏结破坏往往发生在筋的表层材料与内筋之间，因此黏结性能受混凝土强度影响较小.本文所选CFRP筋为表面刻痕型，由于刻痕的存在，在试件拉拔过程中，CFRP筋表面变形处与周边混凝土发生挤压咬合作用，黏结破坏最终表现为二者界面的破坏.因此，当混凝土强度提高时，CFRP筋与混凝土间的机械咬合作用显著增强，试件的黏结强度得到提高.

图1 不同混凝土强度下CFRP筋与混凝土的黏结强度

2.2 温度对黏结强度的影响

图2、3为不同温度下的CFRP筋与混凝土的黏结强度以及黏结滑移(σ-δ)曲线.由图2可见：相比于常温环境，极地低温下黏结强度均有不同程度的降低，说明极地低温作用对CFRP筋黏结性能有不利影响；在试验温度区间内，随着温度的降低，黏结强度呈现先降低后升高的变化趋势，-30、-60、-80℃ 下黏结强度分别比18℃时减小了74.81%、26.12%、35.82%.

图2 不同温度下CFRP筋与混凝土的黏结强度

现有研究[14]表明低温下混凝土强度有所增加，且由2.1分析可知，提高混凝土强度将有利于改善CFRP筋与混凝土的黏结性能.由图3可见，相比于常温环境，极地低温下黏结强度反而降低，表明极地低温下黏结性能还受其他因素影响.CFRP筋的径向热膨胀系数约为22×10-6～25×10-6/℃，而混凝土热膨胀系数约为8×10-6～12×10-6/℃.极地低温下CFRP筋沿径向的收缩变形大于混凝土，进而减弱了二者间的黏结作用，试件加载初期便出现滑移现象也进一步证明了材料间热变形差异的影响.此外，Miura[15]、刘麟玮[16]等研究发现，随着温度的降低，混凝土并非呈现持续收缩的趋势.当处于-30～-60℃范围时，混凝土的体积收缩将减缓甚至发生逆膨胀的现象，而-60℃之后又恢复收缩变形.混凝土逆膨胀现象的存在，间接改善了CFRP筋与混凝土的黏结性能.综上，极地低温下CFRP筋与混凝土的黏结性能，受到多种因素的耦合作用，使得其黏结强度并未随温度降低而呈现持续降低的单一变化趋势.

图3 不同温度下CFRP筋与混凝土的黏结滑移曲线

由图3可见，-80℃下试件黏结滑移曲线呈现明显的“锯齿状”，与试验过程中剧烈声响出现的时刻相对应.在CFRP筋从混凝土内拔出的过程中，随着相对滑移，二者间不断建立新的黏结界面，使得拉拔过程中黏结应力持续增长，而极地低温使CFRP筋内环氧树脂硬化，进而影响树脂基体的应力传递作用，黏结长度范围内的黏结应力趋于不均匀分布，最大应力值将增加，由此导致黏结界面更易发生破坏，CFRP筋被拔出.随着CFRP筋的拔出，混凝土与CFRP筋的界面会发生随机的脆性破坏，进而出现黏结应力骤减与滑移量骤增；当混凝土与CFRP筋再次建立新的黏结界面时，二者的黏结锚固作用得以恢复，故黏结应力再次增加.在-30、-60℃下试件的黏结应力分布较-80℃均匀，使得在该2组工况下界面反复破坏现象较少发生.

2.3 CFRP筋直径和黏结长度对黏结强度的影响

图4、5分别为不同CFRP筋直径及黏结长度下的CFRP筋与混凝土的黏结强度.由图4、5可见：随着CFRP筋直径和黏结长度的增加，CFRP筋与混凝土的黏结强度更易呈现降低趋势；CFRP筋直径为10mm 的试件的黏结强度明显小于直径为5、8mm 的试件；与黏结长度为2.5d时比较，黏结长度为5.0d、7.5d、13.0d时试件的黏结强度分别减小了11.11%、11.89%、18.35%.

图4 不同CFRP筋直径下CFRP筋与混凝土的黏结强度

图5 不同黏结长度下CFRP筋与混凝土的黏结强度

在拔出过程中，CFRP筋横截面上变形分布不均，越靠近截面中心处变形越小，导致了剪切滞后现象.CFRP筋直径越大，剪切滞后现象越明显，则更易发生黏结破坏.CFRP筋与混凝土的黏结应力在黏结长度范围内并非均匀分布，而是呈两端小中间大的分布规律，随着黏结长度的增加，这种不均匀分布的现象愈加明显，平均黏结应力与最大黏结应力的差值也越来越大，进而更容易发生破坏.由于本试验试件黏结长度较小(最大为130mm)，黏结长度范围内黏结应力的不均匀分布现象并不突出，所以不同黏结长度下试件的黏结强度相差也较小，基本在20%以内.CFRP筋直径5mm的试验组由于CFRP筋较细且黏结长度较短(仅为25mm)，使本组试验更易受到外部环境及人为因素的干扰，进而导致该组结果存在较大误差，所得黏结强度略低于CFRP筋直径8mm组.除黏结长度130mm组以外，其他试验组均通过PVC管控制试件的黏结长度，但黏结长度100mm组的PVC管较短，与泡沫方板贴合不紧密，导致部分试件在浇筑中混凝土渗入管内，增强了CFRP筋与混凝土的黏结作用，使得该组试验结果偏大.

上述试验均在-80℃下进行，同样可观察到伴随有剧烈声响的界面反复破坏现象.当黏结长度增加时，CFRP筋与混凝土间建立可靠黏结界面的概率增大，因而界面破坏现象出现较晚且频率明显降低.有学者[12]对与本文相同的CFRP筋进行黏结试验发现，当黏结长度超过100mm时，试件破坏形式将由CFRP筋拔出向混凝土劈裂转变.而在本次试验中，由于极地低温环境下混凝土强度的提高及其与CFRP筋的热变形差异的影响，黏结长度为130mm的试件仍发生CFRP筋拔出破坏，表明极地低温环境下混凝土脆性劈裂的发生概率降低.

2.4 保护层厚度对黏结强度的影响

图6为不同保护层厚度下CFRP筋与混凝土的黏结强度.由图6可见：随着保护层厚度的增加，CFRP筋与混凝土的黏结强度逐渐增大；保护层厚度为45、70mm的试件黏结强度比保护层厚度为15mm 的试件分别增大了22.17%、62.26%，这是因为随着混凝土保护层厚度的增加，增强了周边混凝土对CFRP筋的约束作用，二者界面上的机械咬合力与摩擦力也因此增大，最终表现为黏结强度的增大；当保护层厚度仅为15mm时，试件也未发生劈裂破坏，体现了极地低温环境有利的一面.