玄武岩纤维增强塑料筋混凝土黏结性能的梁式试验研究

周俊龙,李炳宏,江世永,石钱华,胡显奇

(1.后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;2.后勤工程学院军事建筑工程系,重庆401311;3.浙江石金玄武岩纤维有限公司,浙江横店322118)

玄武岩纤维增强塑料筋混凝土黏结性能的梁式试验研究

周俊龙1,李炳宏2,江世永2,石钱华3,胡显奇3

(1.后勤工程学院化学与材料工程系,重庆401311;2.后勤工程学院军事建筑工程系,重庆401311;3.浙江石金玄武岩纤维有限公司,浙江横店322118)

设计制作了14个玄武岩纤维增强塑料筋(BFRP筋)混凝土梁式试件和2个钢筋混凝土梁式试件,通过梁式试验分析了影响BFRP筋混凝土黏结性能的主要因素。结果表明,(1)BFRP筋的受力过程可分为微滑移段、正常滑移段、加速滑移段和下降段;(2)当BFRP筋的锚固长度相同时,随着混凝土强度的提高,黏结强度随之增大;(3)当混凝土强度相同时,随着BFRP筋锚固长度的增加,黏结强度明显减小,并且试件的破坏模式也发生了改变;(4)BFRP筋直径的大小对黏结强度的影响不明显;(5)当筋直径、锚固长度和混凝土强度相同时,BFRP筋混凝土的黏结强度与钢筋混凝土基本相当;(6)BFRP筋的外形对BFRP筋混凝土的黏结性能有着较大的影响。

玄武岩纤维增强塑料筋;混凝土;黏结性能;梁式试验

0 前言

纤维增强塑料筋(FRP筋)是一种高强纤维和树脂的复合材料,具有轻质、高强、耐腐蚀、非磁性及耐久性良好等优点,同时也具有弹性模量较低、热稳定性较差、非顺纤维方向强度较低等缺点[1]。根据纤维类型的不同,常见的FRP筋分为碳纤维增强塑料筋(CFRP筋)、玻璃纤维增强塑料筋(GFRP筋)、芳纶纤维增强塑料筋(AFRP筋)和玄武岩纤维增强塑料筋(BFRP筋)。将FRP筋替代钢筋用于混凝土结构中,对提高结构承载力、减轻结构自重及改善结构耐久性能等方面效果显著。FRP筋可以显著改善其配筋混凝土梁的正常使用性能[2]。

FRP筋与混凝土的黏结是影响FRP筋增强混凝土构件使用性能的重要因素,在承载能力和正常使用极限状态下,FRP筋强度能否得到充分利用取决于黏结的有效程度。黏结性能的研究也是FRP筋混凝土基本理论中最重要的问题之一[3]。

本文设计制作了14个BFRP筋混凝土梁式试件和2个钢筋混凝土梁式试件,研究了BFRP筋混凝土的黏结性能和破坏模式,并分析了影响BFRP筋混凝土黏结性能的主要因素,为BFRP筋混凝土梁的受弯性能试验中BFRP筋的锚固长度提供依据[4]。

1 实验部分

1.1 BFRP筋材料

试验中采用的BFRP筋由石金玄武岩纤维有限公司提供,它是以连续玄武岩纤维为增强材料,以乙烯基树脂及填料固化剂等为基体材料,通过拉挤工艺加工成型的,BFRP筋的表面变形采用了表面缠绕处理方法,其表面变形的特征非常明显,具有良好整体性能,如图1所示。试验中采用的BFRP筋直径分别为6、8和10 mm,BFRP筋为完全线弹性材料,其性能指标如表1所示。

图1 试验中采用的BFRP筋Fig.1 BFRP bars used in the tests

表1 BFRP筋的性能指标Tab.1 Properties of BFRP bars

1.2 BFRP筋混凝土的梁式试验

为分析混凝土强度、BFRP筋直径、BFRP筋锚固长度等各种因素对BFRP筋混凝土黏结性能的影响,设计制作了4组共16个梁式试件,如表2所示。为避免剪切破坏,各试件中均配置足够的箍筋。试件简图如图2所示。

图2 梁式试件示意图Fig.2 Schematic diagram of beam specimen

表2中的BA试件考虑了混凝土强度的影响,BB试件考虑了BFRP筋直径的影响,BC试件考虑了BFRP筋锚固长度的影响。

采用液压千斤顶-反力架体系对构件进行加载。在试件顶部用液压千斤顶施加竖向荷载,BFRP筋的滑移量用百分表测量。当BFRP筋与混凝土发生滑移破坏或BFRP筋断裂时停止加载。试验参照GB 50152—1992的有关规定进行[5]。测量内容包括:各级荷载作用下加载端和自由端的滑移、试件破坏时的最大荷载、试件破坏时加载端和自由端的最大位移。

表2 梁式试件Tab.2 Beam test specimens

2 结果与讨论

2.1 破坏模式

试件的破坏模式有2种:BFRP筋被拔出和BFRP筋被拉断,如图3所示。当BFRP筋被拔出时,BFRP筋上突出的肋会被削弱,部分试件上沿BFRP筋的轴向出现纵向裂缝。

图3 梁式试件的破坏模式Fig.3 Failuremode of beam specimens

BFRP筋与混凝土之间的相互作用如图4所示。BFRP筋与混凝土之间力的传递主要是依靠BFRP筋与周围混凝土之间的斜向压力来实现的。斜向压力的径向分力由BFRP筋周围混凝土的拉应力平衡,斜向压力的轴向分力提供了BFRP筋混凝土之间的黏结应力。

从图4可以看出,当BFRP筋受到拉力作用时,BFRP与周围混凝土之间形成拉力环,拉力环的强度取决于混凝土的拉伸强度。随着BFRP筋拉力的增大,拉力环中的力也随之增大,当拉力环的强度超过混凝土的拉伸强度时,拉力环发生破坏,BFRP筋与周围混凝土之间的传力机制丧失,导致BFRP筋被拔出。此时,混凝土也可能会因为拉力环的作用产生沿BFRP轴向的纵向裂缝。若BFRP筋表面突出的肋较弱,也可能会在拉力环破坏前发生肋的剪切破坏,同样导致BFRP筋被拔出。

图4 BFRP筋与混凝土之间的相互作用Fig.4 Interaction between BFRP bars and surrounding concrete

在相同的拉力作用下,当BFRP筋的锚固长度较大时,拉力环中的拉力将会减小,从而使BFRP筋可以承受更大的拉力作用,这样BFRP筋就有可能在混凝土外被拉断。

2.2 受力分析

试件的受力过程可分为4个阶段:(1)微滑移段:该阶段荷载较小,滑移量很小,此时BFRP筋与混凝土之间的胶结力起着主要作用;(2)正常滑移段:随着荷载增加,滑移量逐渐增加,各级荷载之间的滑移增量比较均匀,此时BFRP筋与混凝土之间的摩擦力以及BFRP筋表面的肋与混凝土之间的机械咬合力起着主要的作用;(3)加速滑移段:当接近极限荷载时,滑移量迅速增加,呈现出明显的非线性变形性质;(4)下降段:超过极限荷载后,荷载迅速下降,之后暂时趋于稳定,在此过程中,滑移量继续增加,最后BFRP筋被拔出或者被拉断。

加载初期,自由端滑移量远小于加载端滑移量,且变化也不明显。至加载中后期(约0.5～0.6倍极限荷载之后),自由端才开始出现较为明显的滑移。说明在逐渐增大的拉力作用下,加载端BFRP筋混凝土的黏结力逐渐失效,从而使拉力逐渐到达自由端,自由端才最终出现滑移。

由于BFRP筋的弹性模量较低,其出现初始滑移量时的黏结应力略大于钢筋,达到峰值黏结应力时BFRP筋的滑移量不仅大于钢筋,也大于AFRP筋[6]。BFRP筋的黏结-滑移曲线的下降趋势比AFRP筋要大,破坏时的滑移量也远大于AFRP筋[6]。

2.3 黏结强度

从表3可以看出,当BFRP筋的锚固长度和混凝土强度相同时,直径较大的BFRP筋的黏结强度稍小于直径较小的BFRP筋,BFRP筋直径的大小对黏结强度的影响不明显;当BFRP筋的锚固长度相同时,随着混凝土强度的提高,黏结强度随之增大;当混凝土强度相同时,随着BFRP筋锚固长度的增加,黏结强度明显减小,并且试件的破坏模式也发生了改变;当筋直径、锚固长度和混凝土强度相同时,钢筋混凝土的黏结强度稍大于BFRP筋混凝土的黏结强度。

表3 BFRP筋混凝土的平均黏结应力Tab.3 Average bond stress between BFRP bars and concrete

2.4 黏结-滑移曲线

从图5可以看出,在各级荷载作用下,BFRP筋加载端的滑移量明显大于自由端的滑移量,超过峰值应力后,平均黏结应力迅速减小,滑移量大幅增加。

图5 BFRP筋的平均黏结应力-滑移曲线Fig.5 Curves for average bond stressof BFRP bars versus slippage

从图6可以看出,黏结应力沿BFRP筋的轴向是不均匀分布的,在接近加载端的某处黏结应力达到最大值,在自由端黏结应力为零,黏结应力是由加载端逐步传递到自由端的,从而造成加载端的滑移量大于自由端的滑移量。

2.5 影响BFRP筋混凝土黏结性能的主要因素

2.5.1 混凝土强度

从图7可以看出,随着混凝土强度的增大,BFRP筋与混凝土之间的黏结强度也随之提高。提高混凝土的强度,BFRP筋与混凝土之间的化学胶着力和机械咬合力也会随之增加,也就增大了黏结应力。同时,混凝土强度的增大,也延迟了混凝土中内部裂缝的发展,提高了黏结强度。

图6 黏结应力沿BFRP筋轴线的分布情况Fig.6 Distribution of bond stress along BFRP bars

图7 黏结强度与混凝土强度的关系Fig.7 Relationship between bond strength and concrete strength

当试件发生黏结破坏时,若混凝土强度较低,BFRP筋与混凝土之间产生的黏结滑移就较大,此时混凝土表面会出现许多细微裂缝;而当混凝土强度较高时,BFRP筋与混凝土之间的黏结滑移很小,混凝土表面产生较为明显的裂缝。

2.5.2 BFRP筋的锚固长度

从图8可以看出,BFRP筋的锚固长度对黏结强度有较大的影响。随着BFRP筋锚固长度的增加,BFRP筋的极限荷载也随之增大,但黏结应力的分布更加不均匀,试件破坏时的平均黏结应力与实际最大黏结应力的比值减小,即试件的黏结强度随锚固长度的增加而降低,这是黏结应力沿BFRP筋呈非线性分布的结果[7-8]。

图8 黏结强度与BFRP筋锚固长度的关系Fig.8 Relationship between bond strength and embedment length of BFRP bars

2.5.3 BFRP筋的直径

从图9可以看出,BFRP筋的黏结强度随着BFRP筋的直径的增大而略有减小。对于大直径的BFRP筋,因筋的截面中心与筋表面变形不一致,会导致筋截面正应力分布不均匀,即剪应力滞后现象[9]。剪切滞后现象将会造成BFRP筋中的应力集中现象,从而降低BFRP筋与混凝土的黏结性能。同时,直径较大的BFRP筋的相对黏结面积较小,也不利于黏结强度的改善[10]。因而,直径较大的BFRP筋更加易于被拔出。

图9 黏结强度与BFRP筋直径的关系Fig.9 Relationship between bond strength and diameter of BFRP bars

2.5.4 BFRP筋的外形

FRP筋的外形对黏结性能有着较大的影响[1]。光圆FRP筋混凝土的黏结性能较差,其黏结强度仅为钢筋的10%～20%[11]。当采用变形 FRP筋时,其与混凝土的黏结性能明显改善。M alvar[12]研究了4种具有不同表面形状的 GFRP筋与混凝土之间的黏结性能,即便是表面变形较小的 GFRP筋,它所能提供的黏结强度也能满足美国混凝土设计规范的要求。研究表明[9],通过有效地改变 FRP筋表面的变形,FRP筋与混凝土之间的黏结强度可比普通钢筋与混凝土之间的黏结强度高出50%以上。

常见的FRP筋表面变形的处理方法有表面喷砂、表面缠绕、表面压痕、表面凸肋等[1,12]。目前,FRP筋的表面形式还没有标准的分类方法,对于不同表面形式的 FRP筋的黏结性能,尚需进一步开展研究,以区分其黏结强度的大小。

试验中BFRP筋表面变形的处理方法采用了表面缠绕的方法,具有比较明显的表面变形特征。结果表明,当筋直径、锚固长度和混凝土强度相同时,该BFRP筋的黏结性能与钢筋的黏结性能基本相当。

3 结论

(1)梁式试件中BFRP筋的受力过程可分为4个阶段:微滑移段、正常滑移段、加速滑移段和下降段;

(2)在各级荷载作用下,BFRP筋加载端的滑移量明显大于自由端的滑移量,超过峰值黏结应力后,平均黏结应力迅速减小,滑移量大幅增加;

(3)BFRP筋直径的大小对黏结强度的影响不明显;当BFRP筋的锚固长度相同时,随着混凝土强度的提高,黏结强度随之增大;当混凝土强度相同时,随着BFRP筋锚固长度的增加,黏结强度明显减小,并且试件的破坏模式也发生了改变;

(4)当筋直径、锚固长度和混凝土强度相同时,钢筋混凝土的黏结强度稍大于BFRP筋混凝土的黏结强度;

(5)BFRP筋的外形对黏结性能有着较大的影响,表面缠绕的BFRP筋具有比较明显的表面变形特征,黏结性能良好。

[1] American Concrete Institute.Guide fo r the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars(ACI 440.1R-06)[R].M ichigan:American Concrete Institute Committee 440,2006.

[2] American Concrete Institute.Prestressing Concrete Structures with FRP Tendons(ACI440.4R-04)[R].M ichigan:American Concrete Institute Committee 440,2004.

[3] 高丹盈,谢晶晶,李趁趁.纤维聚合物筋混凝上黏结性能的基本问题[J].郑州大学学报:工学版,2002,23(1):1-5.

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[5] 中华人民共和国建设部.GB 50152—1992混凝土结构试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,1992.

[6] 熊 晔.芳纶纤维增强塑料筋混凝土黏结性能的试验研究[D].重庆:后勤工程学院化学与材料工程系,2006.

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[12] Malvar.Bond Properties of GFRP Reinfo rced Bars[J].ACIMaterials Journal,1995,92(3):276-285.

Experimental Study on Bond Behavior of BFRP Bars Embedded in Concrete by Beam Test

ZHOU Junlong1,L IBinghong2,JIANG Shiyong2,SH IQianhua3,HU Xianqi3
(1.Department of Chemistry and Materials Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311,China;2.Department of M ilitary A rchitecture Engineering,Logistical Engineering University,Chongqing 401311,China;3.Zhejiang GBFBasalt Fiber Co,L td,Hengdian 322118,China)

The beam test method was used to investigate the bond behavior between BFRP bar and concrete.Fourteen BFRP bar and 2 steel bar beam specimens were prepared and tested.It was found that the loading process of BFRP bars could be identified as four steps:minor slippage,normal slippage,accelerated slippage,and descending approach.With constant embedment length of BFRP bars,the bond strength increased with increasing concrete strength.With constant concrete strength,the bond strength decreased with increasing em bedment length of BFRP bars,mean while the failure patterns changed from slippage to rupture of BFRP bars.The diameter of BFRP bars has little effect on the bond strength.At the same bar diameter,embedment strength,and the concrete strength,the bond strength of BFRPbars was close to that of steel bars.The bond behavior of BFRP bars was greatly influenced by the surface deformation conditions of BFRP bars.

basalt fiber reinforced plastics bar;concrete;bond behavior;beam test

TQ327

B

1001-9278(2011)04-0083-06

2010-12-26

重庆市科技攻关项目(全无磁、耐腐蚀地震观测站建筑设计及施工技术)

联系人,junlongzhou@163.com