CFRP筋与珊瑚混凝土的黏结性能试验研究

王 磊，吴 翔，曾 榕，易 金(.桂林理工大学土木与建筑工程学院, 广西 桂林 54004；2.广西建筑新能源与节能重点实验室, 广西 桂林 54004)

0 引 言

随着海洋资源的深度开发和利用，海洋权益的争夺也日渐加剧，包括军事在内的海洋工程建设日渐增多，对于远离大陆的岛礁工程建设来说，所需的各项材料需要从大陆运输，其运输成本非常昂贵[1]。开发可以就地取材的建筑材料是岛礁建设的迫切问题，而以珊瑚碎屑为骨料的珊瑚混凝土给人们一个选择途径。珊瑚碎屑为珊瑚虫死后的产物，主要化学成分为碳酸钙，在我国南海诸岛中大量分布，其质轻、多孔、筒压强度大于2.0 MPa，根据我国混凝土骨料的分类，可作为天然轻骨料来配置混凝土[2,3]。然而，由于长期以来海洋权益保护意识的淡薄所导致的岛礁建设低需求，珊瑚混凝土开发利用的相关研究并不为人所重视，加之珊瑚混凝土本身所存在的先天性缺陷，其应用范围局限于不加钢筋的路基路面等低层次的混凝土工程。

湿热海洋环境以及珊瑚碎屑所含的大量盐分导致的钢筋锈蚀问题，是困扰珊瑚混凝土工程应用的最主要障碍。近些年来，以碳纤维(CFRP)筋、玻璃纤维(GFRP)筋、玄武岩纤维(BFRP)筋等为代表的纤维增强塑料筋(Fiber Reinforced Polymer Rebar，简称FRP筋)，以其出色的力学性能、优异的耐腐蚀性等优点在有特殊要求的工程领域得到越来越广泛的应用[4]，也为珊瑚混凝土相关耐久性问题的解决提供了新的途径。但是，以当前的研究现状，无论是传统的钢筋混凝土结构理论，还是FRP筋混凝土结构的研究成果，在描述FRP筋珊瑚混凝土的基本力学性能特征时均存在明显的局限性，这方面的不足严重制约了FPR筋珊瑚混凝土结构在岛礁建设的实际工程应用。本文针对这一问题，开展了FRP筋与珊瑚混凝土的黏结性能试验研究。不仅为FRP筋结构在岛礁的实际工程应用提供理论基础，也将对完善FRP筋混凝土相关理论产生积极影响。

1 试验概况

1.1 筋 材

试验筋材为浙江海宁安捷复合材料有限公司生产的螺纹CFRP筋，在CFRP筋的筋锚固试验之前，通过筋材拉拔试验，确定CFRP筋基本力学参数，见表1。

表1 CFRP的物理力学性能Tab.1 Physico-mechanical properties of CFRP bars

1.2 珊瑚骨料及配合比设计

本次试验采用的粗骨料为北海涠洲岛上分布的珊瑚砂，其形状分为条状和块状，具有轻质、多孔的特点，按照我国混凝土骨料分类，属于天然轻骨料的一种，见图1。

图1 珊瑚骨料Fig.1 Coral aggregate

试验对珊瑚骨料24 h吸水率进行测定。1 h吸水率为17.8%，3 h吸水率为18.6%，7 h以后基本趋于饱和，达到峰值时为19.4%，此后骨料吸水基本处于饱和状态，不再增加，具体见表2。

本次试验设计拟用珊瑚混凝土强度等级为C15、C20、C25，均采用实验室配合比，其中水灰比为净用水量计算得出，由于珊瑚骨料的特性，还要加上珊瑚骨料1 h的吸水率17.8%作为附加用水[5]，附加用水量为127.4 kg/m3。珊瑚混凝土的水灰比及物理力学性能，见表3。

表2 珊瑚骨料吸水率Tab.2 Water-absorption of coral aggregate

表3 珊瑚混凝土的水灰比及物理力学性能Tab.3 Water-cement ratio and physico-mechanical properties of coral aggregate

1.3 试验设计

为了研究CFRP筋与珊瑚混凝土的黏结性能，探明纤维筋种类、直径、锚固长度、混凝土强度等相关因素对黏结性能的影响，试验设计如下。

采用中心拉拔试验方法，试件制作标准参考《混凝土结构试验方法标准》(GB50152-2012)。本次试验共浇筑10组30个带CFRP筋的珊瑚混凝土立方体试件，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，详见表4。为了消除试件加载端的端部效应，在加载端设置未黏结段，自由段设置黏结区，用塑料套管将FRP筋与珊瑚混凝土隔离，黏结长度通过调整塑料套管的位置来实现。在制作拉拔试件的同时，同批浇筑3个边长为150 mm的标准立方体试件，并在相同的条件下，同期养护28 d，用来测量各种配合比混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。

表4 试件设计Tab.4 The specimen design

1.4 加载方案

本次试验的加载装置示意图，见图2。整个拉拔装置体系由4根高强螺杆、2根角钢和1块中心钻孔的30 mm厚的钢板组成。在试验中用到2个电子百分表，电子百分表1测量钢板的变形值，电子百分表2测量CFRP筋的自由端绝对滑移值，两者的差值即为CFRP筋的相对滑移值。现场拉拔试验加载装置，见图3。

1-电子百分表1；2-电子百分表2；3-FRR筋；4-塑料套管；5-瑚珊混凝土；6-30 mm厚钢板；7-高强螺杆图2 拉拔试验装置示意图(单位：mm)Fig.2 Schematic of the pull-out test device

图3 现场拉拔试验加载装置Fig.3 The pull-out test loading device on site

本次试验计算试件的平均黏结应力采用公式(1)，即：

(1)

式中：τ为平均黏结应力；P为拉拔力；d为FRP筋的直径；ln为黏结长度。

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态及机理分析

本次试验总共制作了30个中心拉拔试件，对30个试件全部进行了拉拔试验。本次试验未出现劈裂破坏，试件的主要破坏形式为FRP筋与珊瑚混凝土的滑移破坏以及FRP筋断裂。

(1)FRP筋与珊瑚混凝土滑移破坏。本次试验，10组中心拉拔试件中总共25个试件都发生了黏结滑移破坏；其中CFRP筋在加载开始后不久，试件的自由端就产生了滑移，滑移值基本上是随着荷载值的增加而线性增加；继续加载当达到极限滑移荷载后，自由端滑移值突然增大，加载端滑移值迅速下降，甚至降到接近0值。但是，CFRP筋并未被全部拔出，黏结力也没有全部消失；此时若继续加载，自由端滑移值会进一步增大，而荷载值会出现上升下降的逐步递减趋势，直至CFRP筋全部拔出。GFRP筋也会发生类似的破坏过程，但是在上升过程中，速度会更快，峰值会较小，并且在下降的过程中，残余应力也较小。FRP筋的滑移破坏，见图4。

图4 CFRP筋黏结滑移破坏Fig.4 The slip failure of CFRP bars

(2)FRP筋断裂。在本次试验中，直径8 mm，黏结长度大于10d的8个中心拉拔试件发生了CFRP筋断裂。在试验加载过程中可以清楚地听到纤维与树脂的剥离声，最后随着“啪”的一声巨响，CFRP筋的纤维散开，筋被拉断；GFRP筋没有发生断裂现象。CFRP筋被拉断时均未达到其极限抗拉强度，这可能是因为其在运输以及浇筑过程中，CFRP筋受到了部分损伤，还有制作过程中纤维和树脂未能均匀混合，导致在试验时，受力不均匀，造成局部应力集中[6]。CFRP筋的断裂，见图5。

图5 CFRP筋断裂Fig.5 The CFRP bars fracture

2.2 黏结-滑移曲线

本次试验有25个试件为黏结滑移破坏，并测得了相应的自由端黏结-滑移曲线，现给出一个CFRP筋的自由端黏结-滑移曲线做具体分析，见图6。

图6 CFRP筋黏结-滑移曲线Fig.6 The bond-slip curve of CFRP bars

通过观察图6可知，与普通混凝土和FRP筋一样[7]，珊瑚混凝土和FRP筋的黏结滑移曲线也可大致分为4个阶段，但每个阶段局部有所不同，具体如下：

(1)微滑移阶段。在FRP筋拔出的初始阶段，FRP筋加载端的滑移量很小，而自由端尚未开始滑移，在这一阶段，滑移慢慢从加载端向自由端发展，但未达到自由段顶部；此时FRP筋与周围珊瑚混凝土基体之间的黏结力主要为化学胶着力。珊瑚混凝土相对与普通混凝土微滑移阶段时间比较短，也就是这一阶段同一黏结强度对应的滑移量更大，提前进入滑移阶段。

(2)滑移阶段。随着荷载的增加，化学胶着力逐渐丧失，自由端开始出现滑移，黏结滑移曲线开始呈现非线性状态；此时的黏结力主要为FRP筋与珊瑚混凝土基体之间的机械咬合力和摩擦力。

(3)拔出阶段。当荷载加载至极限荷载附近，FRP筋与珊瑚混凝土基体之间的相对滑移进一步增加；当荷载继续增加到达极限荷载时，FRP筋周边的珊瑚混凝土被剪碎，黏结滑移曲线出现了明显的转折；此时的黏结力仍由FRP筋与周围珊瑚混凝土基体之间的摩擦力以及机械咬合力组成。珊瑚混凝土中的FRP筋极限黏结应力对应的滑移量约为2.5～3 mm，小于普通混凝土的3～5 mm。

(4)残余阶段。荷载到达峰值后，荷载迅速下降，滑移值大幅增长，继续加载荷载会出现上升下降的逐渐递减过程，直至FRP筋被拔出。这一阶段的黏结力仍然由机械咬合力以及摩擦力组成。珊瑚混凝土中的FRP筋进入残余阶段对应的残余应力值为峰值的30%左右，而普通混凝土对应的残余应力值为峰值的40%左右。

2.3 直径对黏结强度的影响

本文设计了黏结长度均为5d时，不同直径CFRP筋在相同珊瑚混凝土强度下的2组中心拉拔试验，结果数据如图7所示：随着CFRP筋的直径增大，其极限平均黏结强度显著减小。主要原因为以下几点：

(1)CFRP筋的黏结面积与面周界长度成正比，而拉力与截面面积成正比，二者的比值反映了CFRP筋的相对黏结面积，在相同的黏结长度时，直径较大的相对黏结面积反而减小，降低了CFRP筋与珊瑚混凝土之间的黏结性能。

(2)CFEP筋的直径越大，包裹在CFRP筋表面的珊瑚混凝土泌水就会越严重，CFRP筋表面就会有较大的空隙，导致CFRP筋与珊瑚混凝土之间的黏结性能降低[8]。

(3)对于中心拉拔试验中较大直径的CFRP筋，筋的截面中心与筋的表面变形不一致，从而导致CFRP筋截面正应力分布不均匀，产生了剪应力滞后现象，不利于极限黏结强度[9]。但相比较普通混凝土与FRP筋的黏结滑移曲线[7]，可以发现普通混凝土中极限平均黏结强度随直径下降的幅度很小，在10%以内，而珊瑚混凝土极限平均黏结强度下降幅度更加显著，如图7所示。

图7 不同直径的CFRP筋黏结-滑移曲线Fig.7 The bond-slip curve of different diameters CFRP bars

2.4 锚固长度对黏结强度的影响

本文设计了CFRP筋直径均为8 mm时，不同锚固长度的CFRP筋在相同珊瑚混凝土强度下的3组中心拉拔试验，结果数据如图8所示：在一定锚固长度内，随着锚固长度的增大，极限平均黏结强度减小。相关研究表明[10]：这是由于在中心拉拔的试件中应力拱作用产生的峰值效应而导致的；黏结应力在锚固长度内分布是不均匀的，当锚固长度较小时，高应力区分布较长，平均黏结应力较大；当锚固长度较大时，高应力区分布较短，所以平均黏结应力较小。相对于普通混凝土[7]，珊瑚混凝土中FRP筋极限平均黏结强度随着锚固长度的增加，变化相对平缓；其中从表8可以看出黏结长度从5d增大到12d，而极限平均黏结强度只下降了4.8%。

图8 不同锚固长度的CFRP筋黏结-滑移曲线Fig.8 The bond-slip curve of different anchorage length CFRP bars

2.5 珊瑚混凝土的强度等级对黏结强度的影响

本文设计了黏结长度均为10d时，不同等级珊瑚混凝土强度在相同直径的CFRP筋下的3组中心拉拔试验，结果数据如图9所示：珊瑚混凝土强度从C15增加到C20，CFRP筋的极限平均黏结强度上升了26%；从C20增加到C25，CFRP的极限平均黏结强度上升了39%。也就是说在强度小于C30的情况下，随着珊瑚混凝土强度的提高，CFRP筋的黏结强度增长显著。相关研究表面[9]，FRP筋与混凝土间的黏结破坏与普通钢筋混凝土存在较大差异，主要表现在：①钢筋混凝土中平均黏结强度与混凝土抗压强度的平方根呈比例的结论已不再适用于强度较高的FRP筋混凝土。②由于FRP筋的材料性质与钢筋不同，对于C30及以上混凝土来说，FRP筋的表面刚度和抗剪强度均低于混凝土的强度，拔出破坏时以筋材表面肋被削弱或剪切破坏为主要特征，随着混凝土强度的提高，对拔出破坏的黏结性能影响不大。

图9 不同强度等级珊瑚混凝土的CFRP筋黏结-滑移曲线Fig.9 The CFRP bars bond-slip curve with different strength grades of coral concrete

3 结 论

本文对30个FRP筋中心拉拔试件进行了试验研究，主要研究CFRP筋与珊瑚混凝土的黏结性能，得到以下结论：

(1)CFRP筋的拔出受力过程大致可以分为四个阶段：微滑移阶段、滑移阶段、拔出阶段和残余阶段。

(2)CFRP筋与珊瑚混凝土的黏结强度随着CFRP筋直径的增加而显著减小。

(3)CFRP筋在一定锚固长度内，随着锚固长度的增大，极限平均黏结应力相应减小。

(4)在珊瑚混凝土强度较低的情况下，CFRP筋的黏结强度随着珊瑚混凝土强度提高而增长。

(5)CFRP筋的种类、生产规格、筋表面处理情况等因素对黏结强度影响较大，试验结果所表现出的离散性明显高于钢筋与混凝土间的黏结。

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[1] 王 磊，赵艳林，吕海波. 珊瑚骨料混凝土的基础性能及研究应用前景[J].混凝土，2012,(2).

[2] GB/T 17431.1-2010，轻集料及其试验方法第一部分：轻集料[S].

[3] JGJ51-2002，轻骨料混凝土技术规程[S].

[4] 吕志涛. 高性能材料FRP应用与结构工程创新[J]. 建筑科学与工程学报，2005，22(1).

[5] 李 林. 珊瑚骨料预湿对混凝土力学性能的影响[J]. 混凝土，2011,(1).

[6] 张永康，高晓明. FRP筋与混凝土黏结性能试验研究[J]. 城市道桥与防洪，2012,(10).

[7] 吴 芳. 玄武岩纤维筋与混凝土黏结性能试验研究[D]. 辽宁大连：大连理工大学，2009.

[8] B Tighiouart, B Benmokrance, D Gao. Investigation of bond in concrete member with fiber reinforced polymer(FRP) bars[J]. Construction and Building Materials 12,1998.

[9] 郭恒宁. FRP筋与混凝土黏结锚固性能的试验研究和理论分析[D]. 南京：东南大学，2006.

[10] 王洪昌. 超高韧性水泥基复合材料与钢筋黏结性能试验研究[D]. 辽宁大连：大连理工大学，2007