纤维增强筋材与混凝土粘结性能

赵 琳 辽宁工业大学土木建筑工程学院

1 前言

纤维增强复合材料（FRP）是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的复合结构材料。一般FRP 具有质轻，抗拉强度高，耐腐蚀性能好等特性[1-4]。由于FRP的重量轻，高抗拉强度和优异的耐腐蚀性能，FRP筋已经被引入作为混凝土结构的常规钢筋的理想替代品。FRP筋与混凝土之间的足够的粘结应力是保证二者共同工作的基础，对于混凝土结构构件的受力性能有着极其重要的影响。具有良好的粘结性能是二者共同工作和变形的基本条件。因此，FRP筋混凝土的粘结性能对结构的破坏模式、承载能力和变形能力有很大的影响，如何改善粘结性能引起了人们的广泛关注。

2 国内外相关试验研究方法

影响FRP 筋混凝土的粘结性能的因素较多，目前国内外采用不同的试验方法：轴心拉拔法、半梁或全梁法及搭接法等。轴心拉拔法作为一种最直接和简单的测试方法，在美国及加拿大规范等均进行了描述如图1所示。

图1 轴心拉拔试件

与轴心拉拔试验相比，梁式试验能够更准确地测试出梁在真实受力状态下的抗剪、抗弯和抗拉性能。此外，直接拉拔试件在加载过程中，试验装置中的承压板对混凝土接触面产生摩擦力，从而限制了混凝土试件的横向变形能力，试验所得数据会产生一定的偏差。而梁式试验能够有效避免此类误差，得到混凝土梁中筋材与混凝土之间更真实的粘结性能。梁式试验的试件示意图见图2。

图2 梁式试件

3 国内外相关研究成果

太原理工大学的梁利生等通过试验研究对影响FRP加固效果主要因素的进行系列探讨，建立了FRP 约束轴心受压柱的强度计算模型[5-7]。

Wei Wei 等[8]通过试验研究FRP 筋混凝土的粘结性能。考虑了FRP 筋的类型、直径和钢筋表面处理等三个变量的影响。结果表明：高强、高密混凝土可提高混凝土的粘结耐久性；由于表面喷砂的粘结应力滑移曲线的初始微滑移值比表面螺旋缠绕或螺纹的粘结应力滑移曲线更陡；同时，表面螺旋缠绕和表面螺纹的FRP筋的粘结应力滑移曲线呈现周期性变化，因此，建议对FRP筋表面进行螺旋缠绕或者螺纹处理。

Bai Zhang[9]提出了一种新的锚固方法并进行了优化以提高FRP 筋与混凝土的粘结性能。将铝合金管附着在CFRP 筋表面，用电液钳子从多个旋转角度进行挤压，以确保铝合金管可以均匀地附着在CFRP 筋表面后进行拉拔试验。实验结果表明：由于增加的肋骨提供的机械联锁的增强，除了减少混凝土劈裂的发生外，更重要的是，可以有效地提高FRP筋的锚固性能；除此之外，优化的锚固方法对FRP筋的抗拉强度损失极小，附加肋的存在产生了末端压力，改变了FRP筋与混凝土之间的传力机制，减少了径向施加在周围混凝土上的力从而延迟混凝土开裂破坏的发生。这种通过加肋锚固提高粘结性能的方法可以减少FRP 筋在混凝土中的滑移，并有助于充分利用FRP 筋在混凝土中的抗拉强度，可以认为附加肋锚固系统是一种有效的可以改善粘结力和拔出力的锚固系统。

在我国，处于季冻地区的道路工程约占全国的70%，连续配筋混凝土路面受冻融循环作用导致钢筋与混凝土之间的粘结强度等性能受到影响，这将降低路面结构耐久性能。薛刚等[10]对冻融后的橡胶混凝土与钢筋的粘结性能进行了试验研究。实验结果表明：不同的橡胶粉的掺量有着不同的影响，橡胶掺量为15%时试件的极限粘结强度下降56%，而橡胶掺量为5%、10%的试件的极限粘结强度几乎没有下降。在冻融循环125 次作用下，橡胶掺量为5%、10%、15%的混凝土试件粘结强度分别下降了60%、58%、50%，与未掺橡胶混凝土粘结强度下降68%相比下降幅度减小了8%。由此可得出结论，冻融循环影响下，当橡胶掺量为5%、10%时，极限粘结强度对应的自由端滑移量随着冻融循环次数的增加，呈下降的趋势，当橡胶掺量为15%时，自由端滑移量则随着冻融循环次数的增加而增加；故掺入5%～10%的橡胶粉，可以提高混凝土抗冻性。

王磊等[11]通过试验研究天然珊瑚混凝土抗压强度，在远海岛礁建设中具有较高的应用价值。将制作的不同保护层厚度的碳纤维筋、玻璃纤维筋-珊瑚混凝土试件经28d 标准养护后置于30℃海水中浸泡，养护时间为0d、10d、30d、60d、120d后进行拔出试验。研究表明：经过浸泡后受力性能有一定程度的降低。随着泡时间增加，碳纤维筋表层树脂与纤维间的孔隙率明显增大，筋材仅表面基体有少许损伤，其耐久性能明显高于玻璃纤维筋；粘结性能呈现出先增大然后减小的规律，部分玻璃纤维筋-珊瑚混凝土试件的破坏类型由玻璃纤维筋拔出转变为筋材断裂；增加混凝土保护层厚度能有效地提高玻璃纤维筋-珊瑚混凝土的粘结强度。

由于高温材料的物理力学性能发生一定的变化，导致两者界面可靠的粘结性能产生退化，进而对结构的承载力产生重大影响[12-16]。近年来，国内外学者就对高温前后钢筋与混凝土间粘结性能的研究取得了较好的研究成果。大量试验结果表明[17-19]：极限粘结应力（粘结强度）随温度的上升呈逐渐下降的趋势。然而，不同学者获得的结论存在有一定的差异，一些学者认为粘结强度所对应的滑移量随温度的升高有所增大，还有一些学者认为峰值滑移值随温度的升高而有所下降[19-22]。薛维培等[23]通过试验研究了高温下二者之间粘结-滑移性能，可知粘结应力的变化规律与混凝土抗拉强度类似，并提出了粘结-滑移本构模型且与试验结果吻合较好。

4 结束语

目前虽然已对二者之间的粘结机理进行了研究，但理论和数值模拟方面有所欠缺，建议需要从以下几个方面进行系统的研究工作：干湿循环、化学侵蚀等恶劣环境下FRP筋与混凝土间的粘结性能试验研究；除破坏形态、混凝土强度等级、埋置深度、纤维筋直径、和表面状况等，对于影响粘结性能的其它因素应进行进一步深入地研究；动荷载下的FRP 筋与混凝土间的粘结性能试验研究；目前低温或冻融循环作用下FRP筋与混凝土的粘结性能研究较少，且研究表明冻融循环对粘结性能影响较大，但研究温度较多位于-25℃～15℃，而实际室外最低温度经常出现-40℃以下的情况，故此方面需要进一步深入研究。由于不同地区也存在多种不利因素共同作用，虽目前已经开展酸碱盐溶液、疲劳作用、冻融作用等共同作用对二者之间粘结性能的研究，但成果不多且缺乏准确的定量分析，需要深入开展研究以明确粘结-滑移性能和机理;对高温作用前后纤维筋与混凝土的粘结强度应进行系统研究。