芳纶纤维塑料筋与混凝土之间的黏结强度

薛伟辰，方志庆，王 圆，康明睿

（同济大学 土木工程学院，上海 200092）

钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性劣化的最重要的因素之一［1］，世界各国每年需花费大量资源用于维修因钢筋锈蚀而产生功能退化的结构［2－3］.纤维增强塑料（FRP）筋具有抗拉强度高、重量轻、抗腐蚀性能好等优点，是彻底解决混凝土结构中钢筋锈蚀问题行之有效的方法.按照纤维种类的不同，FRP筋主要可分为玻璃纤维增强塑料（GFRP）筋、碳纤维增强塑料（CFRP）筋和芳纶纤维增强塑料（AFRP）筋3 种.与GFRP，CFRP 筋相比，AFRP 筋横向抗剪强度高，冲击韧性好［4］，常替代混凝土桥梁中的先张法或后张法预应力钢筋.

FRP筋与混凝土之间良好的黏结性能是两者协同工作的基础，也是影响FRP筋混凝土结构受力性能的关键问题.国内外对GFRP，CFRP筋与混凝土黏结性能的研究起步较早，研究范围涉及FRP筋表面形态、直径、黏结长度等因素对其黏结性能的影响，并提出了相应的设计建议.相比之下，文献中有关AFRP筋与混凝土黏结性能的研究成果非常少.Pleimann［5］对42个AFRP筋拉拔试件进行了试验研究，结果表明，AFRP筋与混凝土的黏结性能和GFRP筋相似.Okelo等［6］针对AFRP筋与普通混凝土的黏结性能进行了9个拉拔试验研究，试验表明，AFRP筋与混凝土的黏结强度为钢筋与混凝土黏结强度的40%～100%，GFRP筋与混凝土黏结强度计算同样适用于AFRP筋与混凝土黏结强度的计算.张鹏等［7］通过27个拉拔试件和16个梁式试件的试验结果，分析了AFRP筋的黏结锚固性能和破坏模式.

总体来说，目前国内外对AFRP筋黏结性能的研究还很少，且着重于FRP筋与普通混凝土的黏结性能，对FRP筋与具有良好早期性能、耐久性能并适于预应力结构的高性能混凝土之间的黏结性能则缺乏相应的研究.此外，AFRP筋与水泥浆以及环氧树脂之间的黏结性能研究几乎空白，而这二者分别对AFRP 筋在后张黏结预应力混凝土结构中的应用及AFRP筋预应力锚具的研制具有重要意义.

鉴于此，本文通过48个拉拔试件，系统研究了2种直径的AFRP筋与普通混凝土、高性能混凝土、环氧树脂以及水泥浆之间的黏结强度，对AFRP筋与混凝土之间黏结强度的计算方法进行了探讨.

1 试验设计

1.1 试件设计

试件参数包括：筋材类型（AFRP 筋和变形钢筋），筋材直径db（AFRP筋直径为13，15mm，变形钢筋直径为12，16 mm），黏结介质（包括普通C50混凝土、高性能C50混凝土、E44环氧树脂和42.5R水泥浆）.表1为48个拉拔试件的具体参数.黏结试件的具体尺寸见图1.

黏结试验采用日本FIBEX 公司提供的AFRP筋（见图2），其力学性能见表2，混凝土配合比见表3，42.5R 水泥与水的质量比为2∶1，E44环氧树脂与固化剂的质量比为4∶1，混凝土与环氧树脂的力学性能见表4.水泥砂浆的立方体抗压强度试块尺寸为75mm×75mm×75mm.第1，2批水泥砂浆立方体抗压强度分别为37.6，38.0MPa.

表1 试件的具体参数Table 1 Details of test specimens

图1 拉拔试件构造图Fig.1 Pull－out test specimens（size：mm）

图2 AFRP筋Fig.2 AFRP rebars

表2 AFRP筋和钢筋的力学性能Table 2 Mechanical properties of AFRP rebars and steel rebars

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix proportion kg／m3

表4 混凝土与环氧树脂的力学性能Table 4 Mechanical properties of concrete and epoxy resin

1.2 加载方法与测量内容

拉拔试验装置见图3.拉拔装置上装有球铰，以避免加载过程中因受力筋与受荷面不严格垂直而导致混凝土撕裂破坏.试验测量内容包括：加载端受力筋与混凝土下表面的相对滑移W1p，自由端受力筋的绝对位移W2p，混凝土上表面的绝对位移W3p，W4p，受力筋的应变ε1p，ε2p.若加载端和自由端受力筋与混凝土表面的相对滑移分别记为Sap，Sfp，则有：

GB 50152—92《混凝土结构试验方法标准》规定：钢筋和混凝土黏结强度对比试验的加载速率vf＝0.03d2（kN／min），其中d 为拉拔试验中筋的直径（mm）.GB 50152—92和JSCE－E 539—1995［8］规定：在拉拔试验中，受力筋的滑移量为其在自由端处的滑移值.

图3 拉拔试验装置Fig.3 Loading installation of pull－out specimens

2 试件的破坏模式

与钢筋相似，FRP筋与混凝土之间的黏结力主要包括混凝土中水泥凝胶体与FRP 筋表面的化学胶着力、FRP筋与混凝土接触面间的摩擦力和FRP筋与混凝土之间的机械咬合力［9］.试验中AFRP筋的破坏模式分拔出破坏与劈裂破坏2 种（见图4，5）：

（1）拔出破坏.加载初期，AFRP 筋与混凝土的黏结力主要为化学胶着力［10］，随着加载的进行，胶着力逐渐减小，机械咬合力和摩擦力逐渐增加，AFRP筋表面由于摩擦力的作用而发生磨损，而这种磨损又使机械咬合力进一步减小，直至AFRP筋被拔出.试件发生拔出破坏时，AFRP筋从黏结介质中拔出，AFRP 筋的表面磨损较严重（见图4（a）），混凝土表面可能产生细微裂缝（见图4（b））.

（2）劈裂破坏.与发生拔出破坏的试件不同，当发生劈裂破坏时，试件中混凝土的拉应力先于AFRP筋达到其抗拉强度，混凝土出现明显裂缝甚至劈裂（见图5（b）），化学胶着力和机械咬合力基本消失，摩擦力也大幅减小.总体上看，AFRP 筋的表面磨损相对较小，但也有不同程度的损坏（见图5（a））.

综上可见：发生拔出破坏的试件其破坏过程较为平缓，AFRP筋的表面磨损较严重，而混凝土表面没有明显破坏；发生劈裂破坏的试件其破坏过程则很突然，混凝土表面出现明显裂缝甚至劈裂，而AFRP筋表面磨损则相对较小.

图4 拔出破坏Fig.4 Pull－out failure

图5 劈裂破坏Fig.5 Splitting failure

3 黏结强度－滑移曲线

试件在加载过程中的黏结强度τ 可按式（3）计算.

式中：db，ldb分别为AFRP 筋或钢筋的直径和黏结长度；F 为施加荷载.

3.1 破坏模式

从表1可见，AFRP 筋黏结试件的破坏模式可分为拔出破坏和劈裂破坏2种，而钢筋黏结试件的破坏模式仅有拔出破坏1种.图6为相同黏结介质中不同破坏模式下AFRP筋的黏结强度－滑移（τ－S）曲线.由图6可见：

（1）破坏模式不同，AFRP筋的τ－S 曲线形态有明显不同.当发生拔出破坏时，τ－S 曲线可分为上升段、下降段和残余段，其中上升段又可分为微滑移段和滑移段.当发生劈裂破坏时，τ－S 曲线则仅有上升段.

（2）钢筋黏结试件的破坏模式皆为拔出破坏，其τ－S 曲线可分为上升段、下降段和残余段.

3.2 黏结介质

图7为相同条件下AFRP筋和钢筋与4种黏结介质（普通C50混凝土、高性能C50混凝土、环氧树脂和水泥浆）的τ－S 曲线.由图7可见：

（1）AFRP筋与高性能C50混凝土、环氧树脂和水泥浆的τ－S 曲线均可分为上升段、下降段和残余段，其中上升段又可分为微滑移段和滑移段.当AFRP筋的黏结应力达到峰值后进入下降段，在其黏结应力下降到某一谷值后，τ－S 曲线会再次上升，但增幅较小（一般小于5MPa），在达到第2峰值后，黏结应力继续下降.钢筋与4种黏结介质之间的τ－S 曲线则均可分为上升段、下降段和残余段.钢筋和混凝土之间的黏结应力达到峰值后则进入下降段，当其黏结应力下降到某一谷值后，τ－S 曲线出现波动.与AFRP 筋相比，钢筋的τ－S 曲线上升段更加陡峭，下降段则更加突然.

图6 不同破坏模式的黏结强度－滑移曲线Fig.6 Relationship of failure patterns and bond－slip

图7 不同黏结介质的黏结强度－滑移曲线Fig.7 Relationship of bonding types and bond－slip

图8 直径对试件黏结强度的影响Fig.8 Relationship of diameter of rebars and bond－slip

（2）AFRP筋与普通C50混凝土发生劈裂破坏时，τ－S 曲线仅有上升段，且上升段又可分为微滑移段和滑移段.

3.3 直径

图8为AFRP 筋和钢筋直径对试件黏结强度的影响.由图8可见：

（1）总体上，2种直径的AFRP筋和钢筋其τ－S曲线形态差别不大，只是AFRP筋的直径会对其τ－S 曲线的下降段产生一定影响.对于直径为15mm的AFRP筋τ－S 曲线，当其黏结应力下降到某一谷值后会再次上升，而直径为13mm 的AFRP 筋，其τ－S 曲线则没有类似现象.

（2）AFRP筋试件的黏结强度随着AFRP 直径的增加而降低，直径为15mm 的AFRP筋黏结强度为直径为13 mm 的AFRP 筋黏结强度的83%左右.与AFRP 筋试件相比，直径的变化对钢筋试件黏结强度的影响规律不明显，直径为13，15mm 的AFRP筋的黏结强度相差5%左右.

4 黏结强度

4.1 破坏模式

图9为破坏模式对黏结强度的影响.由图9可见：对同一组试件，当AFRP筋发生拔出破坏时，其黏结强度比劈裂破坏时略低，两者的比值为0.85～0.92.

4.2 黏结介质

图10为黏结介质对黏结强度的影响.由图10可见：

图9 破坏模式对黏结强度的影响Fig.9 Influence of failure patterns on bond strength

图10 黏结介质对黏结强度的影响Fig.10 Influence of bond materials on bond strength

（1）AFRP筋与环氧树脂之间的黏结强度最高.直径为13，15mm 的AFRP筋与环氧树脂之间的黏结强度分别为18.3，14.80MPa.AFRP筋与水泥浆之间的黏结强度最低.相比AFRP 筋与高性能C50混凝土之间的黏结强度，AFRP 筋与普通C50混凝土之间的黏结强度略高.AFRP 筋与环氧树脂之间的黏结强度分别是其与高性能C50 混凝土、普通C50混凝土以及水泥浆之间的1.04～1.31，1.12～1.31，1.50～1.72倍.

（2）钢筋与普通C50混凝土之间的黏结强度最大，直径12，16mm 的钢筋与普通C50混凝土之间的黏结强度分别为17.15，18.43MPa，与环氧树脂、高性能C50混凝土之间的黏结强度次之，与水泥浆之间的黏结强度最小.而钢筋与普通混凝土之间的黏结强度则分别是其与环氧树脂、高性能C50混凝土、水泥浆之间的1.11～1.12，1.42～1.50，3.79～4.13倍.

（3）和钢筋相比，AFRP 筋与环氧树脂、水泥浆之间的黏结强度较高.当黏结介质为环氧树脂时，AFRP筋与之的黏结强度比钢筋与之的黏结强度高5%；而黏结介质为水泥浆时，AFRP 筋与之的黏结强度则是钢筋与之黏结强度的2.28 倍.这可为AFRP筋预应力锚具的研制及AFRP 筋在后张法预应力混凝土桥梁中的应用提供理论依据.

4.3 直径

图11为直径对黏结强度的影响，其中C50NC表示普通C50混凝土，C50HPC 表示高性能C50混凝土，ER 表示环氧树脂，GR 表示水泥浆.由图11可见：

（1）总体上，AFRP筋的黏结强度随着直径的增大而减小.当AFRP筋直径从13mm 增大到15mm时，在高性能C50 混凝土、环氧树脂和水泥浆中，AFRP筋的黏结强度分别降低约5.4%，19.1%，6.8%.

（2）与AFRP 筋拉拔试件相比，直径变化对钢筋试件黏结强度的影响较小，在4种黏结介质中，当钢筋直径从12mm 增大到16mm 时，黏结强度的变化范围约为5%.

5 黏结强度的计算方法探讨

图11 直径对黏结强度的影响Fig.11 Influence of bar diameter on bond strength

本文采用文献［11］中的AFRP 筋黏结强度计算公式（见式（4））计算黏结强度τu，th1（MPa），并基于试验结果对该式的适用性进行了验证.

式中：ft为混凝土抗拉强度设计值，MPa；lb为AFRP筋黏结长度，mm.

表5为国内外AFRP 筋与混凝土黏结试验结果，其中τu，exp，τu，th1，τu，th2，τu，th3分别为黏结强度的试验值和式（4）～（6）［6，12］的计算值.

式中：f′c为混凝土圆柱体28d 抗压强度，MPa；C为混凝土外表面至筋中心距离与相邻筋中心距离的小值，mm；le为筋的黏结长度，mm.

表5 AFRP筋黏结强度计算值与试验值的对比Table 5 Comparison of experimental and calculation values of bond strength of AFRP rebars

续表

由表5可见：

（1）按式（4）计算的AFRP 筋黏结强度与试验值吻合良好，两者比值的平均值分别为1.01，0.99，1.11，0.97，1.00，总方差为0.22.

（2）式（5）的计算结果与试验值的误差较大，两者比值的平均值分别为0.60，0.84，0.82，1.10，1.72，总方差为0.27；而式（6）的计算结果与试验值之比的平均值则分别为0.95，0.98，0.99，0.82，1.10，总方差为0.28.

（3）式（4），（6）主要考虑了混凝土强度、AFRP筋直径以及黏结长度等参数对黏结强度的影响，因此，其黏结强度计算值与试验值吻合良好.相比之下，式（4）计算值的总方差较小，能更准确地反映AFRP筋的黏结强度.

6 结论

（1）AFRP筋黏结试件的破坏模式可分为拔出破坏和劈裂破坏2种.当AFRP筋拉拔试件发生拔出破坏时，其黏结－滑移曲线可分为3 个阶段：上升段、下降段和残余段.而当AFRP 筋拉拔试件发生劈裂破坏时，其黏结－滑移曲线仅由微滑移段和滑移段2个阶段构成.

（2）AFRP筋与混凝土之间的黏结强度约为钢筋与混凝土黏结强度的0.79～1.11倍.相比于高性能C50混凝土，AFRP筋与普通C50混凝土的黏结强度高10%.AFRP筋与环氧树脂之间的黏结强度比钢筋与之黏结强度高5%，而AFRP 筋与水泥浆之间的黏结强度则是钢筋与之黏结强度的2.28倍.这为AFRP 筋预应力锚具的研制及其在后张法预应力混凝土桥梁中的应用提供了理论依据.

（3）由式（4）计算的黏结强度更精确.

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