不同表面形态的黏砂变形GFRP筋与混凝土之间的黏结性能

薛伟辰，方志庆，杨 雨

(同济大学建筑工程系，上海200092)

与钢筋相比，纤维增强塑料筋(Fiber Reinforced Plastic Rebar，简称FRP筋)具有抗腐蚀性能优良、抗拉强度高、抗磁性能好和重量轻等诸多优点［1］.根据纤维种类的不同，FRP筋可分为玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP)筋、芳纶纤维增强塑料(Aramid Fiber Reinforced Plastics，AFRP)筋与碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)筋等3种.目前工程中常见的FRP筋表面形态分为黏砂变形、绕肋、黏砂与织物等4种，其中黏砂变形GFRP筋是利用绕线等方式使GFRP筋表面形成变形并辅以黏砂而成，其在工程中的应用最为广泛.

GFRP筋与混凝土之间良好的黏结性能是二者协同工作的基础.1991年，Pleimann等［2］基于44个FRP筋拉拔试件的试验结果，提出了FRP筋锚固长度的计算公式.1995 年，Alunno［3］研究了混凝土强度、GFRP筋在混凝土中的位置、混凝土的浇筑方向对GFRP筋黏结性能的影响.1995年，薛伟辰等［4］基于69个拉拔试件和27个梁式试件的试验，研究了外缠肋GFRP筋与混凝土之间的黏结性能，并提出了外缠肋GFRP筋黏结强度与锚固长度的设计建议.1998 年，Tighiouart B 等［5］基于12 个拉拔试件和64个梁式试件的试验，建立了GFRP筋与混凝土之间的黏结－滑移本构模型.2007年，薛伟辰等［6］基于18个梁式试验，42个Losberg拉拔试验和6个标准拉拔试验，研究了试验形式、GFRP筋直径、表面形态和黏结长度等因素对黏砂变形GFRP筋黏结性能的影响，并提出了黏砂变形GFRP筋与混凝土之间的黏结强度和锚固长度的计算公式.

总体来看，国内外学者对GFRP筋与混凝土黏结性能的研究已取得了一定的成果，但表面形态对GFRP筋与混凝土的黏结性能影响的相关研究还很少，而针对表面形态对黏砂变形GFRP筋与混凝土之间黏结性能影响的研究则几乎是空白.

综上，笔者通过27个Losberg拉拔试验，对具有不同粗细黏砂层颗粒、不同肋间距和肋宽度的黏砂变形GFRP筋与混凝土之间的黏结强度、破坏模式和黏结应力－滑移曲线(τ－S)等方面进行研究.

1 试验设计

1.1 材 料

试件中采用了普通变形钢筋和由国内两家大型复合材料生产厂商提供的2种黏砂变形Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋.Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋的表面均经过黏砂变形处理:①黏砂部分.Aslan－1 GFRP筋表面黏砂颗粒较粗，且黏砂层较薄，即少量砂粒分布于纤维黏结剂表面，而Aslan－2 GFRP筋表面黏砂颗粒较细，且分布较均匀，黏砂层也较厚;②变形部分.Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋表面均经过螺旋绕线处理(文中简称“变形”)，绕线间距(简称“肋”)略有差别，直径各有 2种.Aslan－1 GFRP筋、Aslan－2 GFRP筋和变形钢筋的物理力学性能见表1.

表1 GFRP筋和变形钢筋的物理力学性能

1.2 试件设计

设计了27个Losberg拉拔试件，共9组，每组3个试件.与标准拉拔试件相比，Losberg拉拔试件在试件的加载端和自由端分别设有无黏结段，可以更好地避免应力集中对黏结试验结果的影响［7－8］.试件设计参数包括:①筋材类型(GFRP筋和变形钢筋);②筋材直径db(GFRP筋直径为12.7 mm和16.0 mm，变形钢筋直径为 12.0 mm 和 16.0 mm)，黏结长度le均为5倍的筋直径;③混凝土强度(C30和C50).表2列出了27个Losberg拉拔试件的具体参数情况，试件构造及尺寸如图1所示.表2中试件编号A－Bb－Cc－D中各字母代表的意义分别为:A为混凝土强度等级;B中G代表GFRP筋，S代表变形钢筋;b为受力筋直径;C中P代表拉拔试验;c中5代表le=5db;D中A1代表Aslan－1 GFRP筋，A2代表Aslan－2 GFRP筋.表2中，破坏模式a|b|c中的a，b，c分别为每组3个试件的破坏形态，S代表劈裂破坏，P代表拔出破坏;备注中a(b)的意义:发生的破坏模式为b时，测得的黏结强度为a，单位为MPa;对于存在不同破坏模式的同一组试件，取破坏形态多者作为该组试件的破坏模式进行讨论.

图1 拉拔试件构造图

表2 试件参数

1.3 量测内容

试验共设置了4个位移计，分别用于测量加载端和自由端受力筋与混凝土表面的相对滑移，拉拔试验加载装置如图2所示，图中的1，2，3，4分别代表4个位移计.根据《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—92)的规定，此次拔出试验量测的滑移量取为自由端的滑移量.

图2 拉拔试验加载装置图

2 试验结果及分析

2.1 破坏模式和破坏形态

从表2中可见，在某些情况下，不同表面形态的黏砂变形GFRP筋试件的破坏模式会有所不同.对于混凝土强度为C30，直径为16.0 mm，黏结长度为80.0 mm的Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋试件破坏模式截然不同，Aslan－1 GFRP筋的3个试件破坏模式皆为拔出破坏，而Aslan－2 GFRP筋的3个试件破坏模式则都为劈裂破坏.

试件的破坏形态可分为GFRP筋拔出破坏和混凝土劈裂破坏2种.试件典型的破坏形态如图3所示.

图3 拉拔试件的破坏形态

1)发生拔出破坏的试件在加载初期，GFRP筋与混凝土的黏结作用主要由化学胶结力提供，随着加载的进行，机械咬合力和摩擦力增加，而胶结力逐渐被破坏，GFRP筋表面由于摩擦力的作用而发生表面磨损又使机械咬合力进一步降低，发生破坏时，GFRP筋完全从混凝土中拔出，其表面磨损严重.

2)发生劈裂破坏的试件在加载初期GFRP筋滑移量并不明显，黏结力逐渐增加的同时混凝土拉应力也逐渐增加，当达到混凝土抗拉强度时裂缝产生，其中主劈裂裂缝基本沿受力筋方向产生.通常裂缝产生后混凝土直接劈裂成2～4块，黏结力瞬间丧失.

2.2 黏结应力－滑移(τ－S)曲线

在其他条件相同的情况下(筋直径为16.0 mm、混凝土强度等级为C30)，对比了2种不同表面形态黏砂变形GFRP筋和钢筋的τ－S曲线，如图4所示.

图4 不同体积配箍率的GFRP筋混凝土试件τ－S曲线

由图4可知:①2种不同表面形态的GFRP黏砂变形筋的τ－S曲线相近，均可分为上升段、下降段和振荡段，区分这3段的特征点分别为峰值滑移点Au和残余滑移点Ar，其中上升段又可分为微滑移段和滑移段，而区分这2段的特征点为Ae.②GFRP筋试件的τ－S曲线的振荡段部分近似呈正弦曲线，而相应钢筋试件的残余段曲线呈缓慢降低的趋势，未出现明显上下波动的现象.③Aslan－1 GFRP筋的τ－S曲线振荡段波谷之间的距离约为26 mm，而Aslan－2 GFRP筋则为18 mm左右，其可能的原因是:Aslan－1 GFRP筋的肋间距为3.0 mm，而Aslan－2 GFRP筋的肋间距则较小，为1.5 mm.④2种不同表面形态的GFRP筋试件的τ－S曲线残余滑移点Ar的黏结应力相近，约为3～5 MPa.⑤相比钢筋，GFRP黏砂变形筋试件峰值滑移点的滑移量Su较大，Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋分别约为5 mm和10 mm，而相应钢筋试件则为1.5 mm左右.

2.3 黏结强度

表2给出了27个Losberg拉拔试件的黏结强度.将2种不同表面形态的黏砂变形GFRP筋试件与钢筋试件的黏结强度进行对比，得出如下结论.

1)与钢筋相比，在混凝土强度相同的情况下，2种不同表面形态的黏砂变形GFRP筋试件与混凝土之间的黏结强度均略低，约为相应钢筋黏结强度的84.2% ～98.6%.

2)相比于黏砂变形Aslan－1 GFRP筋，Aslan－2 GFRP筋黏砂颗粒较细，且分布更均匀，黏砂层略厚，其与混凝土之间的黏结强度也略高10%左右.

3)在混凝土强度相同的情况下，当筋直径由12.7 mm增加至16.0 mm时，黏砂变形GFRP筋与混凝土之间的黏结强度有所降低，Aslan－1 GFRP筋和Aslan－2 GFRP筋分别降低了7.8%和12.7%.

4)随着混凝土强度的提高，黏砂变形GFRP筋试件与混凝土之间的黏结强度有显著提高，将混凝土强度等级由C30提高至C50，2种不同表面形态的黏砂变形GFRP筋的黏结强度均提高了50%左右.

3 结语

1)2种不同表面形态的黏砂变形GFRP筋试件的破坏形态总体上可分为拔出破坏和混凝土劈裂破坏2种.

2)2种不同表面形态的黏砂变形GFRP筋与混凝土的τ－S曲线均可分为上升段、下降段和振荡段3段，其中上升段又可分为微滑移段和滑移段;黏砂变形GFRP筋的肋间距越大，则相应的τ－S曲线振荡段波谷之间的距离越大.

3)黏砂变形GFRP筋试件的黏结强度约为钢筋试件的84.2% ～98.6%;相比于黏砂变形Aslan－1 GFRP筋，Aslan－2 GFRP筋与混凝土之间的黏结强度略高10%左右.

4)随着筋直径的增大和混凝土强度的降低，2种不同表面形态的黏砂变形GFRP筋试件与混凝土之间的黏结强度均有所降低.

［1］薛伟辰.现代预应力结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［2］ Larry G，Pleimann.Strength，modulus of elasticity，and bond of deformed FRP rods［J］.Advanced Composites Materials in Civil Engineering Structures，1991，99 －110.

［3］ Alunno R，Osseit V，Galeota D，et al.Local bond stress-slip relationships of glass fiber reinforced plastic bars embedded in concrete［J］.Materials and Structures，1995，28:340 －344.

［4］薛伟辰，康清梁.纤维塑料筋黏结锚固性能的试验研究［J］.工业建筑，1999，29(12):5 －7.

［5］ Tighiouart B，Benmokrane B，Gao D.Investigation of bond in concrete member with Fiber Reinforced Polymer(FRP)bars［J］.Construction and Building Materials，1988，12(8):453－462.

［6］薛伟辰，郑乔文，杨雨.黏砂变形GFRP筋黏结性能研究［J］.土木工程学报，2007，40(12):59 －68.

［7］中国建筑科学研究院.GB 50152—92混凝土结构试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，1992.

［8］ Zenon Achillides，Kypros Pilakoutas.Bond behavior of fiber reinforced polymer bars under direct pullout conditions［J］.Journal of Composites for Construction，2004，8(2):173－181.