温度对玻璃纤维增强聚合物筋与混凝土黏结性能影响试验研究

高永红，彭梦蜜，金清平

（武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065）

0 前言

GFRP筋作为一种新型材料具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀等优点[1]，但其耐高温性能力较差[2-4]，其玻化转变温度（Tg）仅为60～120℃，高温下树脂的软化与分解会造成GFRP筋与混凝土之间黏结性能急剧下降[5]。因此诸多学者围绕温度对GFRP筋与混凝土间黏结性能的影响展开研究，Masmoudi[6]和 Solyom[7]发现升温后筋体与混凝土界面发生退化，造成二者黏结性能的明显降低，并且降低幅度随温度的升高而增大。Rosa等分别对涂砂GFRP钢筋[8]和对2种不同带肋GFRP钢筋[9]进行了稳态拉伸和拉拔试验得出GFRP-混凝土界面的强度和刚度随着温度的升高而严重退化。Wang等[10]通过理论分析、试验结果等研究了高温下的黏结滑移本构关系，提出了黏结应力与相对滑移量本构关系的双折线模型，该模型可预测沿黏结方向从加载端到自由端不同位置处的滑移量和黏结应力。Hajiloo[11]和 Ozkal[12]通过拉拔试验分别研究了高温对 3种GFRP筋与混凝土黏结性能的影响以及提出了一种GFRP筋在高温下与砼黏结强度退化的经验建模方法。鞠竹等[13]对GFRP筋与混凝土黏结试件在20～190℃温度范围进行拉拔实验，分析发现GFRP筋与混凝土的黏结滑移量随温度的升高呈上升趋势，且在Tg附近有所波动，基于实验结果建立了黏结滑移方程。上述研究成果表明高温环境对GFRP筋与混凝土黏结性能的影响较为明显。

以上研究加温方式基本以一次升温为主，本文在20～220℃温度范围对GFRP筋-混凝土试件进行单调升温、循环升温、单调升温-自然冷却和单调升温-快速冷却4种组合及不同温度工况下进行拉拔试验，探究加热温度、及升降温方式对GFRP筋与混凝土黏结性能影响的规律。

1 实验部分

1.1 主要原料

表面喷砂带肋GFRP筋，树脂基体为不饱和聚酯，公称直径为10 mm，肋高1 mm，肋宽10 mm，深圳海川新材料科技有限公司；

水泥，P.O42.5普通硅酸盐水泥，华新水泥股份有限公司；

粗骨料，粒径在5～20 mm范围内级配良好的碎石，常州佩祥建筑材料有限公司；

细骨料，细黄砂，常州佩祥建筑材料有限公司；

水，生活用自来水。

1.2 主要设备及仪器

微机控制电液伺服万能试验机，WAW-1000，济南新时代试金仪器有限公司；

静态电阻应变仪，BZ2205C，武汉优泰电子技术公司；

位移传感器，KSC-30，深圳市米朗科技有限公司；

加热烘箱，FCD-3000，上海坤天实验室仪器有限公司；

裂缝宽度观测仪，ZBL-F101，北京智博联科技股份有限公司。

1.3 样品制备

GFRP筋材料基本性能见表1。选用强度等级为C40的混凝土，根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）[14]规范要求，混凝土配合比见表2。

表1 GFRP筋基本力学性能Tab.1 Basic mechanical properties of GFRP bars

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of the concrete

拉拔试件尺寸如图1所示，在混凝土浇筑范围内筋体锚固长度上下两端安装陶瓷套管。

图1 拉拔试件和混凝土试块的尺寸Fig.1 Size of the pull-out specimen and concrete test block

本试验设置温度和黏结长度为参数，进行单调升温、循环升温、单调升温-自然冷却和单调升温-快速冷却4种组合的拉拔试验；升温作用以50℃为一个温度梯度[15]，选取常温（约20 ℃）、70、120、170及220 ℃；试件锚固长度设计为4d和5d。本试验共30组，每组3个试件，共计90个试件，试件分组如表3所示。同时浇筑100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土试块18组，每组3个试件共计54个。

表3 GFRP筋混凝土试件分组Tab.3 The groups of GFRP bar concrete specimen

1.4 性能测试与结构表征

单调升温拉拔：将养护完成的试件放入烘箱内加温，设定烘箱内温度至各试验分组的温度，在烘箱恒温6 h后[16]，使用锡纸包裹试块，将试件固定于反力架上[13，17]（图2），采用微机控制电液伺服万能试验机进行中心拉拔试验。循环升温拉拔：试件在烘箱内加热到指定温度，恒温6 h后取出降温至室温，然后再次放入烘箱内加热至该指定温度恒温6 h后进行拉拔加载。单调升温-自然冷却拉拔：在试件处于设定温度内恒温6 h后停止加热，并静置于烘箱内12 h，待其自然冷却到室温后，进行中心拉拔试验。单调升温-快速冷却拉拔：在试件处于设定温度内恒温6 h后停止加热，立即将试件置于冷水中浸泡0.5 h后取出，进行中心拉拔试验。

图2 反力架装置Fig.2 Reaction frame device

各工况下拉拔试验对试件进行等位移加载，加载速度为0.5 mm/min[18]。加载端荷载和位移变化量可通过万能试验机自动获取，自由端位移变化量可通过连接位移计的静态电阻应变仪自动获取，试件在加载至条件为：（1）GFRP 筋断裂破坏；（2）混凝土劈裂破坏；（3）加载端滑移量急剧增大或加载荷载急速降低后停止试验，记录试件破坏形态，记录峰值荷载。

同样对各组立方体混凝土试块进行与拉拔试件相同的单调升温和单调升温-自然冷却条件下的抗压强度和劈裂抗拉强度测试。

2 结果与讨论

2.1 高温对混凝土强度的影响

图3（a）是单调升温和单调升温-自然冷却时各温度下混凝土抗压强度曲线，2种状态下随温度升高混凝土抗压强度表现出先下降后上升再下降的变化趋势，且同时在170℃时达到抗压强度最大值。单调升温至170℃时，较初始抗压强度提高3.3%，单调升温-自然冷却状态较初始抗压强度提高约3.9%。总体上随温度升高混凝土抗压强度表现出下降趋势，主要是由于在经过高温后，混凝土内部毛细孔裂缝中的自由水损失，在受压时裂缝边缘产生应力集中破坏混凝土内部结构，致使其抗压强度降低；同时当环境温度升高时，混凝土中骨料受热膨胀导致体积增加，而水泥胶凝体则因升温失水、分解等原因导致体积减小。当温度超过100℃以后，二者的差异更为显著，骨料界面和水泥砂浆内部变形的不协调致使裂缝的产生和发展，造成混凝土抗压强度降低[16]。

图3 混凝土的抗压强度和抗拉强度Fig.3 Compressive strength and tensile strength of the concrete

图3（b）给出单调升温和单调升温-自然冷却时混凝土抗拉强度随温度升高的变化曲线，2种状态下混凝土试块均在120℃时达到抗拉强度最小值，单调升温状态约为初始值的83.5%，单调升温-自然冷却状态约为初始抗拉强度的76.5%。图3中各曲线均出现先下降后上升再下降的变化趋势，分析其原因是因为温度在120℃以下时，混凝土强度逐渐降低；在120～170℃之间混凝土因水泥逐步完全水化致使抗拉强度有所回升[19]。总体上随温度升高混凝土抗拉强度呈下降趋势。

2.2 拉拔破坏形态

试验中试件出现两种破坏形态：GFRP筋拔出破坏和混凝土劈裂破坏。拉拔试件在加载过程中，会发出连续不断“叮叮叮”脆响声，声响主要来源于GFRP筋体内部玻璃纤维丝被拉断所致。随荷载增大，“叮叮叮”声出现更加频繁，当荷载持续增大至峰值后突然下降时，试件发出“轰”一声，混凝土发生劈裂破坏，如图4（a）所示；当荷载缓慢增加至峰值后再慢慢降低时，“叮叮叮”脆响声消失，脆响声消失主要与树脂基体的玻璃化转变温度（Tg）和热分解温度相关，试件出现筋体拔出破坏，如图4（b）所示。试件破坏形态主要与试件黏结锚固长度和升温方式有关，5d试件基本发生混凝土劈裂破坏；4d试件在单调升温、循环升温及单调升温-自然冷却3种状态下大部分出现筋体拔出破坏，而在快速冷却状态下基本出现混凝土劈裂破坏。当温度低于120℃时，4d试件在单调升温和循环升温两状态下出现劈裂破坏较拔出破坏多；温度超过120℃时，试件破坏形态基本为拔出破坏。单调升温-自然冷却方式下，随温度升高，拔出破坏和劈裂破坏交替出现，无明显规律。

图4 GFRP筋拔出破坏和混凝土劈裂破坏Fig.4 Pullout failure of GFRP bar and splitting failure of the concrete

2.3 界面破坏形态

单调升温拉拔试验结束后，敲开并移除试件GFRP筋黏结段表层混凝土，观测到不同温度下GFRP筋与混凝土界面破坏形态及筋体表面损伤状况，如图5所示。70℃时混凝土内表面与筋体咬合形成的凸起部分被削平，混凝土表面留有细小散落的纤维丝，而黏结界面筋体表面肋也因被削而损伤，筋体表面肋与肋之间凹处存在部分削掉的混凝土；120℃时混凝土内表面与筋体咬合形成的凸起部分同样被削平，混凝土黏结界面内形成灰白交错的纹路，灰色区域内混凝土表面有部分细小裂纹，而筋体表面变得粗糙干裂，使用裂缝综合测试仪将筋体表面放大40倍后可观测到筋体表面树脂开裂（图6），有明显纵向裂缝；170℃时混凝土内表面与筋体咬合形成的凸起部分被削平，混凝土黏结界面内也形成灰白交错的纹路，但灰色区域内颜色由深变浅，而筋体表面树脂不仅被削出部分露出纤维丝，且在黏结锚固区内筋体表面形成了一条纵向主裂缝，将筋体表层与内部之间剥离。220℃时混凝土内表面与筋体咬合形成的凸起部分未被削平，且在混凝土凸起区域内留有少许剥落的筋体外表皮，筋体表面在黏结区内出现多条纵向主裂缝，将筋体表层与内部之间完全剥离。分析其成因，由于随温度升高，GFRP筋的黏结树脂发生玻璃软化，甚至热分解，使筋体表层硬度逐渐降低，在拉拔过程中咬合部分的混凝土由被筋体削平转变为削平筋体，且由于混凝土对筋体存在环向挤压作用，到了升温后期，表层筋体逐渐产生纵向裂缝，并由外向内产生剥离。

图5 不同温度下试件界面典型破坏形态Fig.5 Typical failure modes of specimen interface at different temperature

图6 120℃时筋体表面裂缝观测图Fig.6 Surface crack observation of GFRP bars at 120℃

2.4 温度对GFRP筋与混凝土黏结性能的影响

2.4.1 单调升温黏结性能变化

由图7可知，3种状态下的GFRP筋与混凝土黏结强度整体趋势是随着温度升高而呈现显著下降，相同温度下锚固长度5d试件的黏结强度均较4d的小。当温度超过GFRP筋的Tg后，无论锚固长度4d还是5d，其黏结强度依次是单调升温-自然冷却＞单调升温-快速冷却＞单调升温。4d试件220℃时，单调升温-自然冷却的黏结强度是单调升温-快速冷却和单调升温的1.57倍和2.19倍。5d试件220℃时，单调升温-自然冷却的黏结强度是单调升温-快速冷却和单调升温的1.59倍和2.45倍。图8中随着温度升高，GFRP筋与混凝土黏结滑移量波动较大。单调升温-自然冷却和单调升温-快速冷却状态在70～120℃时黏结滑移量均呈上升趋势，单调升温状态在70℃以后黏结滑移量快速下降。对于单调升温-快速冷却状态锚固长度为5d的试件黏结滑移量220℃时黏结滑移量与20℃时相比上升了4.0%。

图7 单调升温3种状态黏结强度变化Fig.7 Variation of bond strength in three states of monotonic heating

图8 单调升温3种状态黏结滑移量变化Fig.8 Variation of bond slip in three states of monotonic heating

单调升温3种状态当温度低于120℃时，黏结强度下降幅度较小，黏结滑移量增加；当温度达到120℃后，黏结强度下降幅度增大，黏结滑移量开始下降。分析主要原因有：GFRP筋体不饱和聚酯树脂的Tg为60～120℃，当温度超过70℃后，不饱和聚酯树脂由玻璃态进入橡胶态，筋体自身抗剪能力下降，导致与混凝土黏结性能急剧下降，温度达到120℃时，树脂几乎完全软化[17]。拉拔过程中，筋体在温度和应力耦合作用下，由表层树脂软化开裂逐渐演变成表层筋体被剥离，造成GFRP筋与混凝土之间的化学胶着力消失、摩擦力和机械咬合力逐渐减弱；同时温度达到120℃，混凝土的抗压强度较低，抗拉强度下降达到最低，筋体与混凝土的黏结性能退化严重。而升温-自然冷却至常温过程中，黏结段的树脂胶体会恢复部分黏结性能，混凝土的抗压强度和抗拉强度也有所恢复。所以，升温-自然冷却后黏结强度降低幅度是3种状态中最小的。

2种降温方式下，快速冷却方式对GFRP筋与混凝土黏结性能的衰减程度超过自然冷却。2种降温方式的实质是：在升温后试件内部热量对外扩散的速率不同，不同的热扩散速率会在筋体和混凝土内部形成不同的热应力场，出现不同的温度梯度，引起筋体和混凝土内部产生不等同的热膨胀变形，2种材料热膨胀系数有差异，故2种材料的黏结界面收缩变形量也会有变形差，两种降温方式对GFRP筋与混凝土黏结性能影响区别大。自然冷却时，热量对外扩散速率慢，两种材料及其界面的热变形量较小，快速冷却时，热量对外扩散速率快，两种材料及其界面的热变形量较大。因此快速冷却方式对GFRP筋与混凝土的黏结性能影响大。

2.4.2 不同升、降温方式黏结性能比较

从图9可知，随着温度上升，整体上黏结强度均显著降低，滑移量也呈下降趋势，仅循环升温方式120℃时出现较大幅上升。当温度低于120℃时，升温方式对GFRP筋与混凝土黏结强度和黏结滑移量影响较大；当温度超过120℃时，升温方式对GFRP筋与混凝土黏结强度和黏结滑移量的影响相对减弱。图9（a）温度为70℃时，循环升温的黏结强度比单调升温下降了10%，120℃时循环升温的黏结强度比单调升温上升了14.2%；当温度超过170℃后，单调升温和循环升温状态下的黏结强度和黏结滑移量相差不大。图9（b）温度为70℃时，循环升温的黏结滑移量比单调升温下降了16.2%，120℃时循环升温的黏结滑移量比单调升温上升了29.6%，当温度超过120℃时，单调升温和循环升温状态下的黏结滑移量几乎相等。由于循环升温方式其实质是在单调升温方式基础上增加了一次加热循环，可知树脂的Tg是影响其黏结性能的关键因素。

图9 两种升温方式的黏结性能Fig.9 Variation of bonding performance with two heating methods

由图10可知，随温度升高，曲线峰值不断减小，说明了升温导致GFRP筋与混凝土的黏结强度逐渐减小。无论温度的高低，极限黏结强度所对应的滑移量都较大，约在4～7 mm不等。值得注意的是，由于快速冷却时，试件破坏形式基本为混凝土劈裂破坏，只能测试到GFRP筋与混凝土黏结-滑移曲线上升段如图10（d）所示。不同升、降温方式下黏结刚度（上升段曲线的斜率，MPa/mm）也由于组成材料的力学性能退化而受到影响呈下降趋势，如图11所示。可以看出，黏结刚度随着温度的升高而降低，并且在120℃时已经有不可忽略的降低率。随温度升高，试件所有主要的黏结控制机制（化学胶着力、摩擦力和机械咬合力）都受到树脂基体刚度降低的影响导致黏结刚度退化的速率加快。

图10 不同升（降）温方式下黏结-滑移曲线Fig.10 Bond stress-slip relationships with different heating（cooling）methods

图11 不同升、降温方式黏结刚度变化率Fig.11 Rate of change of bond stiffness with different heating（cooling）methods

3 结论

（1）试件拉拔破坏形态与试件黏结锚固长度和温度处理方式有关，呈GFRP筋拔出破坏和混凝土劈裂破坏两种模式；界面破坏形态随温度升高表现为筋体表面由树脂开裂转变为表层裂缝，最终演变为表层筋体剥离；

（2）两种升温方式下，GFRP筋与混凝土黏结性能随温度升高严重退化；220℃时，黏结强度较常温分别下降了59.8%（循环升温）、64.6%（单调升温）；平均黏结滑移量较常温分别下降了22.4%（单调升温）、23.5%（循环升温）；2种降温方式下，单调升温-自然冷却时，黏结强度随温度升高呈下降趋势，滑移量在Tg附近波动，整体上黏结性能退化不明显；单调升温-快速冷却时，GFRP筋与混凝土黏结性能随温度升高退化显著；

（3）不同升、降温方式试件的黏结-滑移曲线呈现与常温状态相似的变化规律，试件黏结刚度随温度升高逐渐降低，仅循环升温220℃时滑移曲线没有反弯段。