FRP 筋与混凝土间粘结性能影响因素的研究综述

韩德利 孙荣书 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（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）是将纤维材料与基体材料进行复合而制成的高性能材料，FRP筋具有耐腐蚀、抗拉强度高、轻质高强等特性，因此可以替代为普通的钢筋用于各种侵蚀环境中，在土木中有着广阔的应用前景。FRP筋与混凝土能否有效协同工作的基础就是两者之间的粘结性能，这也是FRP筋能在混凝土结构中成功运用的重要依据。

2 FRP筋与混凝土粘结性能的研究现状

FRP筋与混凝土的粘结性已成为国内外学者十分关注的课题。影响粘结性能有诸多因素：钢筋的表面形状、钢筋直径、锚固长度等。针对这些影响因素，国内外学者做了一系列的研究。

2.1 FRP筋直径

国内外对FRP筋混凝土粘结性能的实验研究均表明，在FRP筋埋置长度一定时，粘结强度随钢筋直径的增大而减小。王毅红等[1]认为，钢筋直径增大，其相对的表面积减小，粘结面积减小，因此对钢筋和混凝土的粘结力不利；WeiWei等[2]则认为是随着钢筋直径的增加，粘结强度逐渐降低的原因是粘结界面的损伤分布与不均匀的应力分布密切相关，从而获得了较低的平均粘结强度。

李杨等[3]在低温的条件下研究了FRP筋直径对粘结性能的影响，他得出的结论也是钢筋直径与粘结强度呈反比关系，不过他认为的原因是FRP筋与混凝土之间由泌水现象，影响混凝土的致密性以及FRP筋与混凝土的握紧力，从而影响了FRP筋与混凝土之间的粘结性。

2.2 FRP筋表面状况

FRP筋的表面状况是影响粘结性能的主要因素，用于改善钢筋的表面轮廓有：喷砂、表面压痕、表面缠绕以及树脂的变形（表面凹痕或肋骨）。

Ivan Hollý[4]在实验中通过控制三种变量：沙子涂砂层、螺旋式编制纤维包裹、带肋钢筋的GFRP筋分别于混凝土做了拉拔试验。得出的结论是：带肋有螺旋包裹在周围的钢筋其平均粘结强度要高于纯涂砂层钢筋，并也表明GFRP筋与混凝土之间的粘结强度是取决于连续纤维和钢筋变形之间的抗剪强度。这一论点在WeiWei的研究中也得到验证：螺旋包浆的表面处理在玻璃钢钢筋和混凝土之间提供了最好的粘结性能。

宋金华等[5]人在其实验中提出FRP的带肋筋与混凝土之间的粘结强度的主要影响因素是FRP带肋筋表面的凸肋与混凝土的胶着力和咬合力，并指出带肋筋的凸肋参数对粘结性能是有很大影响的，且FRP筋的最佳肋间距/直径为应取为1；FRP带肋筋的最佳肋高度/直径为0.06。

2.3 锚固长度

足够的锚固长度可以保证FRP筋与混凝土之间足够的粘结强度。王毅红、BaiZhang通过实验数据一致认为随着锚固长度的增加，锚固段的平均粘结应力下降，因锚固段粘结应力分布不均匀，极限粘结应力一定时，锚固段越长则平均粘结应力越低。BaiZhang等[6]在其实验中提出附加锚固可以通过改变混凝土的粘结应力的传递机制，从而延缓混凝土开裂的发生，以此来提高粘结性能。李杨是在低温的条件下做了相关实验，得出的结论：锚固长度与粘结强度呈反比关系。

2.4 混凝土种类

肖良丽等[7]通过在混凝土里混掺纤维的方式来提高粘结性能，控制钢纤维和聚乙烯醇纤维两种纤维的体积率之比，通过数据得出：当钢纤维的体积率占比比较大时，GFRP筋与混杂纤维增强混凝土之间的粘结性能就越好。

牛建刚等[8]人则是通过控制在混凝土中掺入的聚丙烯粗纤维这一种变量来探究了粘结性能。结论中明确表示随着塑钢纤维掺量的增加，钢筋与轻骨料混凝土之间的粘结性能是有所提高的，且相对粘结强度随着塑钢纤维掺量的增加呈线性增长的。当纤维掺量达6kg/m3，增韧幅度达到最大值，若继续掺量，其增长幅度呈下降趋势。

Huahuang等[9]人在混凝土里掺入了三种纤维：碳纤维、聚丙烯纤维、芳纶纤维。其实验数据显示：混合纤维混凝土中直径12mm的GFRP筋的极限粘结应力比普通混凝土高2.1%；16mm和22mm的GFRP筋极限粘结应力要比普通混凝土分别高7.3%和8%；而对于直径12mm的喷砂GFRP筋，其极限粘结应力的增加可达到36.87%。通过这些数据表明碳纤维、聚丙烯纤维和芳纶纤维的协同作用可以改善GFRP筋与混合纤维混凝土之间的粘结行为。此外，增加碳纤维和聚丙烯纤维的体积分数对GFRP筋和混凝土之间的粘结行为和延性性能是有积极影响的。

王磊等[10]人研究了30℃海水浸泡下的GFRP筋、CFRP筋与珊瑚混凝土粘结性能。其实验结果表明，长时间的海水浸泡会造成FRP筋的腐蚀劣化，但是不同类型的FRP筋劣化程度是存在差异的。在海水浸泡初期，CFRP筋优于GFRP筋，随着浸泡时间的增长，两者的粘结强度都出现了先增大后减小的趋势，在120d后，CFRP筋的粘结强度保持率明显高于GFRP筋。并且王磊在结论中提出，增加钢筋的保护层厚度可以有效地减缓海水的侵蚀。

2.5 温度影响

不同温度下，钢筋和混凝土的化学成分、物理结构等均发生变化，对这两者之间的粘结性能产生比较大的影响。周子健等[11]曾通过高温下的中心拉拔试验，分析了高温下HRB400与混凝土的粘结性能。他得出高温下与高温后钢筋与混凝土的粘结强度均随着温度升高呈下降趋势。并且随着温度的升高，破坏形式由混凝土劈裂破坏转为钢筋的拔出破坏。黄华等[12]也在高温下探究了FRP筋的粘结性能。随着温度升高，粘结强度急剧下降，进而影响FRP筋与混凝土的共同作用。他认为的原因是在高温下，树脂容易软化和分解，会对纤维丝的粘结作用相对降低，FRP的抗剪性能和FRP筋与混凝土之间的粘结性能会降低。李杨利用梁式拉拔试验通过控制三种温度研究了低温对FRP筋与混凝土粘结性能的影响。实验数据显示：受相同荷载作用时，处于低温下的FRP筋混凝土的粘结性能要比正常温度下要高，温度每下降10℃，造成的平均粘结应力增长率为15.5%～40%。他认为其原因是温度的降低，使FRP筋的弹性模量等诸多力学性能增强组成的粘结应力中的机械咬合力得到了提升。

F.B Varona等[13]人通过模型预测探究了纤维的加入似乎对高温下的粘结强度有有益的影响。在800℃时，加入0.5%的混合纤维体积将使残余粘结强度损失降低7.6%。加入0.2%的聚丙烯纤维可以得到类似的效果。但是对于高温下加入纤维对粘结性能的影响有待进一步深究。

2.6 灌浆套筒

灌浆套筒是目前装配式混凝土结构中钢筋主要的连接方式，对接和搭接接头都是利用套筒约束浆锚连接的，钢筋的连接方式不同，其传力机理不同，会导致力学性能上有一定的差异。余琼等[14]人通过通过对接和搭接接头试件的单向拉伸试验，得出：当套筒长度相同的时候，搭接试件的粘结力要比对接试件的粘结力更大一些。吴涛等[15]人是通过改变套筒的材质来研究其力学性能。试件由钢制半管套筒和球墨铸铁半灌浆套筒组成。在连接钢筋直径及锚固长度一致时，铁铸套筒筒壁要略厚于钢制套筒。这是由于铁铸套筒产生了较大的筒壁应变，其握裹力强于钢制材料，灌浆料传递于筒壁的拉力更大。

2.7 附加约束

对处于海洋环境中的FRP筋混凝土墩柱结构来说，一般会在外表面附加一层FRP管，来进一步提高它的受力性能与耐久性能。王言磊等[16]通过拔出实验研究了FRP侧向约束对钢筋与混凝土粘结性能的影响。

试验结果表明：BFRP侧向约束可以有效地提高钢筋与混凝土的粘结力。该实验由无约束试件和有BFRP侧向约束试件组成。无约束试件随着粘结截面周围的混凝土环向应力的增大，混凝土内部产生了径向裂缝，随着加载的继续，最终会导致混凝土发生劈裂破坏。但是对于由BFRP侧向约束的试件来说，当混凝土内部产生径向裂缝时，由于BFRP约束层会提供侧向约束作用，劈裂后的混凝土依然可以和GFRP筋紧密地贴合在一起，粘结界面可以继续提供粘结力，从而使构件由脆性的混凝土劈裂转化为延性拔出破坏。

3 结束语

对于FRP筋与混凝土的粘结性能，国内外进行了较为广泛的试验和理论研究，但研究成果还存在不统一，存在的问题如下。（1）在低温条件下，在混凝土里掺入2～3种纤维，通过控制纤维的体积分数，分析FRP筋与混凝土的粘结性能。（2）在低温条件下，通过改变FRP筋的表面轮廓，探究其与混凝土之间的粘结性能。（3）探究FRP筋在混凝土中的浇筑位置不同，是否对粘结性能产生影响。