混凝土中玻璃纤维筋黏结强度试验研究

2021-09-01安徽省公路桥梁工程有限公司安徽合肥230001

安徽建筑 2021年8期

程涛 (安徽省公路桥梁工程有限公司,安徽合肥 230001)

作为建筑工程中不可缺少的建筑材料，钢筋已广泛应用于钢筋混凝土结构工程、锚杆工程等各个领域，由于钢筋存在腐蚀严重、防腐蚀处理费用高、自重大、运输和安装困难等诸多缺点[1]。因此，近年来欧美国家纷纷采用纤维增强塑料筋代替传统钢筋，用于钢筋混凝土结构中，试图从根本上解决因钢材腐蚀所引起的耐久性问题。纤维增强塑料筋（Glass Fiber Reinforced Polymer，简称GFRP）是由树脂基质和玻璃纤维材料经加工而成的一种新型复合材料，较传统钢筋具有抗拉强度高、自重轻、耐腐蚀、造价低、施工操作方便等诸多优点，因此在工程上得到了广泛应用。但同样存在塑性差、热稳定性不高、粘结强度较低等明显缺点[2]，其中粘结强度是作为衡量GFRP筋能否用于混凝土结构的重要评价指标之一，它的大小将直接影响结构构件的极限承载力以及裂缝宽度，因此，开展GFRP筋与混凝土之间粘结强度的研究工作具有重要指导作用，而影响GFRP筋材粘结强度因素有：混凝土的强度及保护层厚度、GFRP筋材的埋长、直径、肋间距等[3]。因此，基于室内试验研究不同混凝土强度及埋长下的GFRP筋材的粘结强度分布情况，获得不同外在因素下GFRP筋材的极限承载力变化规律，揭示GFRP筋材在不同结构工程中的真实作用机理，从而为GFRP筋材代替传统钢筋用于建筑结构的设计及施工提供理论依据。

1 试验材料

玻璃纤维增强塑料筋中一般含有70%～80%玻璃纤维，20%～30%树脂，其公称直径一般10mm～36mm。本试验采用淮北宇鑫新型材料有限公司生产的拉挤型GFRP锚杆，其直径为15mm，其中杆体表面经过喷砂处理，并缠绕纤维，基质材料为热固型环氧树脂[4]。本次试验所采用的GFRP筋材的基本参数为：17.3%树脂，75.7%玻璃纤维，7%石英细砂。HRB335钢筋与GFRP筋材的各项性能参数见表1。

由表1可知，与HRB335钢筋性能相比，GFRP筋具有抗拉强度较大、表观密度较小、热膨胀系数较小等诸多优点，但也存在弹性模量、剪切强度、极限拉应变均较小等缺点，造成GFRP筋代替钢筋用于建筑工程表现出弹性变形较小、抗剪承载力较低、破坏时的变形量较小等不良工程特性。

GFRP筋与HRB335筋性能参数表1

2 试验方案

研究GFRP锚杆粘结性能的试验方法主要是拉拨试验。其具体的试验步骤为：

①筋材准备。为研究混凝土强度及锚固长度对GFRP筋材承载力的影响，故在本次试验中采用四种不同混凝土抗压强度，分别为C30、C40、C50、C60；五种不同锚固长度，分别为：5倍、10倍、15倍、20倍、25倍筋材直径。试验时将不同外表形式的GFRP筋材切割180根，并进行编号，每根切割长度为500mm，分为60组，每组三根。

②混凝土浇筑。本试验混凝土试块设计强度采用 C30、C40、C50、C60，试验时采用普通硅酸盐水泥，砂子采用中粗砂，石子采用粒径小于18mm的普通碎石。根据现有国家标准的规定，试验时混凝土试块尺寸为160cm×120cm×60cm(长×宽×高)，为避免相邻筋材拉拨时的影响，筋材间距设定为40cm；为模拟不同锚固长度时筋材的极限承载力，选择的锚固长度分别为5倍、10倍、15倍、20倍、25倍筋材直径。

③拉拨试验。拉拔试验时在混凝土试块与杆件接触面采用PVC套管进行隔离，避免筋材与混凝土之间的粘结，从而有效消除GFRP锚杆端部的局部压力，试验时为有效避免加载过程中产生的偏心问题，采用自制的反力架来确保加载过程中杆件的平稳，以便获得符合工程实际的GFRP筋材粘结滑移时的应力应变关系。

3 试验结果

3.1 试验现象

玻璃纤维筋受到拉拨力后将发生变形后，会在玻璃纤维筋的表面产生斜向压力。斜向压力的径向分力使得纤维聚合物筋周围混凝土产生拉应力，而周围混凝土接受传递来的荷载能力主要受接触面形式及周边混凝土的约束破坏能力所决定。因此，筋材在混凝土中的相对位置将决定拉拨试验中的破坏形式。若筋材直径相对较小，而混凝土保护层厚度较大，则混凝土会产生沿筋材表面边缘的剪切破坏或筋材横肋被剪坏，筋材从混凝土中剥离拔出，这种现象称为拔出破坏。否则因玻璃纤维筋周边的混凝土保护层较薄而发生劈裂破坏。除了劈裂和拔出破坏外，玻璃纤维筋也可能因锚固力过大而发生拉伸破坏[5]。

3.2 试件破坏形式

GFRP筋材在拉拔试验过程中表现出筋材拔出破坏、混凝土劈裂破坏、筋材拉断这三种不同破坏形式。

在混凝土强度等级较小，锚固长度相对较低时，GFRP筋材多发生筋材拔出破坏，即在拉拔过程中，混凝土一直未劈裂，GFRP筋也未被拉断，直至试验结束，加载端均可靠加载，最终因GFRP筋从混凝土中拔出而破坏。

当混凝土强度相对较低，沿GFRP筋拉拨力的径向分量会在GFRP筋周围混凝土中产生环向拉应力，当混凝土相对保护层厚度较小，所产生的拉应力超过混凝土抗拉强度，使得混凝土发生劈裂破坏，即在荷载—滑移曲线上升段因混凝土突然劈裂而发生破坏。

当混凝土强度等级较大而锚固长度又较长时，因粘结力大于GFRP筋材极限抗拉力，在筋材出现较小位移时粘结力达到较大值，同时部分筋材因变形量较大先拉断，进而整个GFRP筋材被拉断。

3.3 试验结果

GFRP筋材与混凝土的黏聚强度随混凝土强度及锚固长度的变化关系见表2，由表2可知，在混凝土强度等级为C30～C50之间，锚固长度在2.5d～12.5d之间时的筋材极限承载力在12.67kN～250.23kN之间，变化幅度相对较大，说明锚固长度及混凝土等级均能显著影响GFRP筋材与混凝土间的黏聚强度，但平均黏结强度在 8.07MPa～32.13MPa，变化幅度相对较小。

黏结强度随砼强度及锚固长度变化关系表2

变形钢筋的抗剪强度高，故钢筋从混凝土中拔出是由于钢筋表面横肋之间的混凝土被剪坏所导致的。而GFRP筋抗剪强度较钢筋为低，且表面肋的刚度和强度也均弱于钢筋，故GFRP筋从混凝土中拔出时，不仅肋间混凝土被剪坏破损，筋表面变形也会有一定程度的磨损。这是由于筋材在拔出过程中GFRP筋沿纵向会产生较大的滑移，混凝土孔壁上GFRP筋肋的轮廓已被磨平，同时GFRP筋表面也会产生较为严重的磨损。

GFRP筋表面变形肋与混凝土之间的机械咬合力沿GFRP筋轴向的分量可视作两者间的界面粘结应力，沿GFRP筋拉拨力的径向分量会在GFRP筋周围混凝土中产生环向拉应力。拉拔过程中，界面粘结应力和混凝土中的环向拉应力同时增长。当环向拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，接触面上的混凝土将开始产生纵向劈裂裂纹，当混凝土保护层厚度较小，而粘结应力未达到最大值时，该纵向劈裂裂纹就会扩展成为贯穿整个混凝土保护层的纵向劈裂裂缝，导致混凝土的劈裂破坏，且劈裂裂缝成轴射状。若混凝土浇筑过程中掺入钢纤维，混凝土表面发生劈裂破坏时，因钢纤维对混凝土裂缝扩展的约束作用而使得轴射状裂缝宽度较小，发生劈裂破坏后的混凝土仍能保持整体性，而不会完全裂开。因发生劈裂破坏时GFRP筋材沿纵向上的相对滑移量较小，肋间混凝土破坏较少，故混凝土孔壁上GFRP筋肋的轮廓仍保留完整。

4 数据分析

4.1 混凝土强度影响分析

拉拨试验时，GFRP筋材上的拉应力使得筋材与混凝土接触面上产生剪应力，即为粘结应力，这种剪应力使得GFRP筋材中的应力沿纵向不断发生变化。粘结应力是GFRP筋材与混凝土两者间作用力进行传递的桥梁，通过粘结应力使得两者协调变形。实际应用中一般采用拉拔、简支梁式和悬臂梁式等粘结试验方法测量拔出时的极限荷载，来计算获得平均粘结强度。

试验结果表明，混凝土抗压强度的提高将使得混凝土与玻璃纤维筋之间的粘结力逐渐增大，但摩阻力不受其影响。同时，较大的混凝土抗压强度将有效延迟混凝土的内裂，从而有效提高GFRP筋材的极限粘结强度。研究表明：混凝土与钢筋间的粘结强度与混凝土抗压强度平方根近似成线性关系，由于玻璃纤维筋的弹性模量仅为钢筋的1/4，因此玻璃纤维筋的表面变形较钢筋为大[6]。

GFRP筋材粘结强度与混凝土抗压强度间的相关关系见图1所示，由图1可知，平均粘结强度随着混凝土强度的增加近似成线性增大，且锚固长度越长，平均粘结强度随混凝土强度增加而增大的幅度越明显，说明混凝土强度的提高能够显著增加筋材与混凝土间的黏结强度，进而能够提高GFRP筋材的极限承载力。

图1 黏结强度随混凝土强度变化关系

4.2 锚固长度影响分析

当混凝土强度等级较高且保护层厚度较大时，锚固长度较大的纤维聚合物筋易发生受拉破坏，而锚固长度较小的纤维聚合物筋易产生拔出。由于玻璃纤维筋的剪切刚度相对较小，受力后的玻璃纤维筋在横截面上变形极为不均匀，造成横截面上应力分布的不均匀，这种现象称为剪切滞后，且直径越大，横截面中心与边缘的变形差异性越明显。因此，玻璃纤维筋表面的粘结应力受筋材直径的影响较大。

玻璃纤维筋与混凝土的粘结强度随筋材埋长的变化关系，见图2所示。

图2 黏结强度随锚固长度变化关系

由图2可知，玻璃纤维筋的埋长对其粘结强度有一定的影响。在相同直径时，粘结强度随锚固长度的增加而先小幅增大，达到一定值后小幅减小，这是因粘结应力沿玻璃纤维筋纵向上分布不均匀所造成的。

粘结应力沿GFRP筋表面分布并不均匀，而我们通过试验所得到的粘结强度多为GFRP筋整个粘结区段内的平均最大粘结应力，与实际所能达到的最大粘结应力存在一定的差异。受力后GFRP筋沿纵向上的粘结应力随着埋长增加而越发分布不均匀，破坏时所获得的平均最大粘结应力远小于实际最大粘结应力，造成相同直径的GFRP筋粘结强度随锚固长度的增加而逐渐降低。郑乔文等认为在其他条件不变的情况下，GFRP筋埋置长度每增加1倍，其粘结强度就降低18%～44%[7]。

埋长较小时，虽锚固长度方向上的局部粘结应力差异性较小，使得平均粘结强度更接近试件破坏时的实际最大粘结强度，但试验结果的离散性较大；反之，当GFRP筋埋长较大时，虽平均粘结强度不能准确地反映GFRP筋的实际最大粘结应力，但试验结果的离散性较小。目前多数学者根据《混凝土结构试验方法标准》进行直接拉拔试验时，取5倍的GFRP筋材直径做为埋置长度[8]。