高温后BFRP筋与纤维混凝土黏结性能

李趁趁，魏非凡，刘超伟，赵军

(郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001)

纤维增强复合材料(FRP)筋，由高强连续纤维通过合成树脂黏结而成，具有轻质高强、耐久性较好、抗电磁、与混凝土的热膨胀系数接近等诸多优点，可作为钢筋的补充或替代材料用于增强混凝土结构，应用前景十分广阔[1-2]。但FRP 筋耐高温性能较钢筋差，多用于无抗火要求的混凝土结构中，极大地限制了FRP 筋的应用范围。高温后FRP 筋与混凝土黏结性能对结构的安全可靠性至关重要。吕西林等[3-4]研究了温度、混凝土强度和粗骨料粒径等因素对火灾高温时玻璃纤维复合材料(GFRP)筋与混凝土黏结性能的影响，发现随着温度的升高，黏结强度呈显著下降趋势。SOLYOM 等[5]从黏结强度、黏结应力-滑移关系、破坏形式3 个方面讨论了20～300 ℃温度下GFRP筋与混凝土的黏结性能，开发了一种非接触式高温拉拔测试自由端滑移的技术，并校准了BEP(Bertero,Eligehausen and Popovrelationship)和CMR(Cosenza,Manfredi and Realfonzo)2 种应用较广的分析模型。HAJILOO 等[6]研究了高温下涂砂表面、涂砂编织表面和带肋表面3 种不同的GFRP 筋表面处理形式对黏结性能的影响，发现基体玻璃化转变温度影响GFRP 筋高温黏结强度最显著。已有研究表明，提高FRP 筋与混凝土的抗高温性能可以从FRP 筋表面处理、树脂类型、混凝土强度等方面入手。在混凝土中加入合适纤维可以提高混凝土的强度、韧性和抗高温性能[7-8]。MA 等[9]通过对素混凝土和4 种不同纤维素纤维(CF)掺量的纤维混凝土进行力学性能对比试验，发现纤维素纤维掺量为0.9 kg/m3时对混凝土的抗压、劈拉、抗弯性能提升最为显著。GUO 等[10]研究表明，纤维素纤维在高温下融化，可在混凝土内部熔融形成孔道，促进混凝土内部压力的释放，减小混凝土的损伤，提高混凝土高温下的抗剥落能力。LU 等[11]研究表明，在混凝土中掺入玄武岩纤维(BF)可以抑制混凝土高温碳化，显著提高混凝土的抗氯离子渗透性能。KHAN 等[12]研究得出，在混凝土中掺入玄武岩纤维可提高混凝土室温和高温下的韧性和抗裂能力。LIAO 等[13]发现，通过增加混凝土强度或在混凝土中掺加纤维均可提高GFRP筋在混凝土中的黏结强度。已有研究表明，在混凝土中加入合适纤维预期可以提高高温环境中FRP 筋与混凝土之间的黏结性能，但目前相关的系统研究较少。因此，本文开展高温后BFRP 筋与纤维混凝土黏结性能试验，探究在混凝土中单掺玄武岩纤维、混掺玄武岩纤维和纤维素纤维、BFRP 筋表面形式、黏结长度与直径对BFRP 筋与纤维混凝土黏结性能的影响，建立考虑上述因素的高温后BFRP 筋与纤维混凝土黏结强度计算公式，为FRP 筋纤维混凝土结构在高温环境下的工程应用提供理论与数据支持。

1 试验概况

1.1 原材料

试验采用P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，以天然河砂为细骨料，5～20 mm 碎石为粗骨料。玄武岩纤维由浙江石金玄武岩纤维股份有限公司生产，长度为18 mm，直径为13 µm。纤维素纤维由西安万达工程材料有限公司生产，单丝直径19 µm。试验采用江苏绿材谷公司生产的BFRP 筋，玄武岩纤维体积率为65%～72%，基体树脂为环氧树脂，其玻璃化转换温度为120～140 ℃，热分解温度为300～320 ℃。BFRP 深肋筋和浅肋筋表面肋由筋材主体表面缠绕玄武岩纤维束形成，表面无喷砂。BFRP 喷砂筋表面砂层厚度为0.2 cm。BFRP 筋材表观特征如图1 所示，图中S10，P10 和Q10 分别表示直径10 mm 深肋筋、喷砂筋和浅肋筋。BFRP筋实测力学性能如表1所示。

表1 BFRP筋力学性能Table 1 Mechanical properties of BFRP bars

图1 BFRP筋表观特征Fig.1 Apparent characteristics of BFRP bars

1.2 试件设计

试验研究温度、基体混凝土类型、BFRP 筋表面形式、直径d和黏结长度l对BFRP 筋与混凝土黏结性能的影响。试件设计详见表2，表中字母N，B 和H 分别表示试件采用的是普通混凝土、单掺玄武岩纤维混凝土以及混掺纤维混凝土，0.15%B+0.10%C 表示混掺体积掺量为0.15%的玄武岩纤维和0.10%的纤维素纤维，其余符号含义类推。试验选用掺量来自于前期高温下纤维混凝土试验结果中的最优值。基准混凝土抗压强度等级为C30，混凝土配合比见表3。

表2 试件设计表Table 2 Specimen design table

表3 C30混凝土配合比Table 3 Mix proportion of C30 concrete

试验参照《纤维增强复合材料筋基本力学性能试验方法》GB/T 30022—2013[14]进行，BFRP 筋黏结试件的混凝土试块立方体尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，BFRP 筋长度为700 mm，加载端长450 mm。BFRP 筋与混凝土黏结段预留在混凝土顶部，非黏结段套有PVC 管，管内空隙用四氟乙烯缠绕填充以防止高温对非黏结段的影响。在其加载端采用长度250 mm，外径32 mm，壁厚2.5 mm 的镀锌钢管锚固防止发生剪切破坏，BFRP筋与镀锌钢管之间用套筒灌浆料填充。BFRP 筋黏结试件如图2(a)所示。

图2 BFRP筋黏结试件及加载装置Fig.2 FRP bar bonding specimen and Loading device

1.3 试验方法

试验采用加热装置为洛阳高温仪器设备厂生产的RT-120-12QD 箱式高温炉，加热方式为电加热，采用智能程序控制仪表，可以自动升温、保温和停机，利用热电偶测得恒温238 min 混凝土试件中心温度同炉内目标温度，试验恒温时间取4 h。BFRP 筋黏结试件经过高温处理自然冷却至室温后，参照GB/T 30022—2013[14]进行拔出试验，试验加载装置为1 000 kN 液压伺服万能试验机，如图2(b)所示。采用位移控制加载，加载速率为0.5 mm/min，当混凝土试块发生劈裂破坏或者加载端滑移值超过20 mm时，停止加载。

本文用平均黏结应力计算BFRP 筋与混凝土的黏结强度。黏结强度计算公式为：

式中：τu为BFRP 筋与混凝土黏结强度，MPa；Pu为试件峰值荷载，N；d为BFRP 筋直径，mm；l为BFRP筋黏结长度，mm。

2 试验结果

2.1 破坏形态

试验中BFRP 筋黏结试件破坏形态包括BFRP筋拔出破坏、混凝土劈裂破坏、BFRP 筋拔出且混凝土劈裂破坏3种破坏形态，详见表4。

表4 试件破坏形态Table 4 Failure modes

BFRP 筋黏结试件在加载过程中，带肋BFRP筋肋部对周围混凝土产生斜向挤压力[15-16]，该斜向挤压力分解为沿BFRP 筋表面的纵向分力和径向分力，径向分力在混凝土中产生环向拉应力。当纵向分力超过BFRP 筋与纤维混凝土黏结强度时，BFRP筋黏结试件发生BFRP筋拔出破坏，如图3(a)所示。破开试件发现BFRP 筋肋间有混凝土碎屑，BFRP 筋表面的肋磨损。当环向拉应力超过混凝土抗拉强度时，BFRP 筋黏结试件发生混凝土劈裂破坏，如图3(b)和3(c)所示。当水平分力达到BFRP筋与纤维混凝土黏结强度，环向拉应力也达到混凝土抗拉强度，BFRP 筋黏结试件发生BFRP 筋拔出且混凝土劈裂破坏，如图3(d)所示。

图3 试件破坏形态Fig.3 Failure modes

温度低于250 ℃时，混凝土抗拉强度降低程度较小，在加载过程中，沿BFRP 带肋筋表面先出现纵向分力超过BFRP 筋与混凝土极限黏结强度，发生BFRP筋拔出破坏。经250，300和350 ℃高温作用后，混凝土抗拉强度降低程度较大，沿BFRP 筋表面的径向分力在混凝土内部产生的环向拉应力超过混凝土抗拉强度，深肋BFRP 筋和浅肋BFRP筋黏结试件开始发生混凝土劈裂破坏现象。在加载过程中，喷砂筋与纤维混凝土产生的摩擦力超过BFRP 筋与纤维混凝土黏结强度，便发生BFRP筋拔出破坏。

当黏结长度为2.5d和5d时，深肋BFRP筋黏结试件倾向于发生BFRP 筋拔出破坏。当黏结长度为10d和15d时，深肋BFRP 筋黏结试件发生混凝土劈裂破坏，这是由于相同黏结强度条件下，黏结长度大的试件承担的破坏荷载更大，BFRP 筋对周围混凝土产生的径向力也就越大，当径向力在混凝土中产生的环向拉应力超过混凝土抗拉强度时，发生混凝土劈裂破坏。经250，300 和350 ℃高温作用后，1-N 和2-N 试组BFRP 筋黏结试件的破坏形态均为混凝土劈裂破坏，而1-B，1-H 和2-H 组BFRP 筋黏结试件出现有BFRP 筋拔出破坏，这是由于纤维的掺入提高了高温后混凝土的抗拉强度。直径8 mm 和10 mm 深肋BFRP 筋黏结试件均出现了BFRP 筋拔出破坏，当直径增大，BFRP 筋表面到混凝土表面的距离减少，筋材外围混凝土的抗劈裂能力降低，直径为12 mm 的黏结试件大多是混凝土劈裂破坏。

2.2 黏结滑移曲线

图4 显示了经高温作用后1-B 组BFRP 筋黏结试件自由端黏结滑移曲线(图4(a))和加载端黏结滑移曲线(图4(b))。经高温作用后，黏结试件黏结应力峰值随着温度的升高逐渐降低。随着温度的升高，黏结应力滑移曲线斜率逐渐降低即黏结刚度逐渐减小。同黏结应力值下，加载端滑移值高于自由端滑移值。

图4 高温作用后1-B试件黏结滑移曲线Fig.4 Bond stress-slip curves of specimen 1-B after different temperatures

2.3 黏结强度影响因素分析

2.3.1 温度

由图5 可知，黏结长度为50 mm，直径为10 mm 的BFRP 深肋筋与普通混凝土、玄武岩纤维混凝土及混掺纤维混凝土的黏结强度均随温度的升高不断降低。当温度为70～350 ℃时，BFRP 筋与普通混凝土黏结强度的降低率为17.1%～48.6%，BFRP 筋与玄武岩纤维混凝土黏结强度的降低率为14.5%～46.8%，BFRP 筋与混掺纤维混凝土的黏结强度的降低率为11.4%～48.3%。

图5 1-N，1-B和1-H试件黏结强度随温度的变化Fig.5 Variation of bond strength of 1-N,1-B and 1-H specimens with temperature

当温度为70～170 ℃时，BFRP 筋纤维束不受高温影响，而树脂基体会发生玻化现象，黏结树脂由固态变为黏塑性状态，BFRP 筋与混凝土黏结强度降低，等恢复到室温时，BFRP 筋与混凝土的黏结性能会有一定程度的恢复。当温度为250～350 ℃时，BFRP 筋纤维束受高温影响较小，树脂基体会出现热分解和碳化现象，树脂基体对纤维束黏结作用降低，BFRP 筋表面变得疏松，BFRP筋与混凝土黏结强度下降幅度较大[3]。混凝土劈裂抗拉强度随着温度的升高逐渐降低，BFRP 筋黏结试件在加载过程中，BFRP 筋表面产生环向扩张分力，当环向扩张力超过混凝土劈裂抗拉强度时，BFRP 筋黏结试件就会发生混凝土劈裂破坏，造成黏结强度的降低。另外，高温下FRP 筋与混凝土热膨胀系数不同，使得FRP 筋与混凝土黏结界面易产生裂缝等缺陷，也会对黏结强度造成不利的影响。

2.3.2 BFRP筋表面形式

由图6可知，在各温度下，深肋筋与混凝土的黏结强度最高。在170 ℃之前，喷砂筋与混凝土的黏结强度大于浅肋筋与混凝土的黏结强度，250 ℃之后，喷砂筋与混凝土的黏结强度低于浅肋筋与混凝土的黏结强度，这是因为喷砂筋在高温作用下，表面砂层从BFRP 筋主体剥离。常温时，深肋筋与混凝土的黏结强度为25.72 MPa，与之相比，喷砂筋和浅肋筋与混凝土的黏结强度分别降低了47.6%和57.9%。170 ℃时，喷砂筋和浅肋筋与混凝土的黏结强度相比较深肋筋分别降低了56.1%和58.5%。350 ℃时，深肋筋与混凝土的黏结强度为13.23 MPa，与之相比，喷砂筋和浅肋筋与混凝土的黏结强度分别降低了78.7%和75.6%。

图6 不同表面形式BFRP筋与玄武岩纤维混凝土黏结强度Fig.6 Bond strength of BFRP bars with different surface forms to basalt fiber concrete

在加载过程中，当BFRP 筋和混凝土之间产生滑移，化学黏着力消失之后，喷砂筋与混凝土的黏结应力主要由表面砂层和混凝土之间的机械咬合力和摩擦力来提供。与深肋筋和浅肋筋相比，喷砂筋与混凝土之间的机械咬合力较小，黏结应力主要由表面砂层与混凝土之间的摩擦力来提供，其黏结强度主要取决于喷砂层的制作工艺、粗糙度和强度[4]。在170 ℃之前，喷砂筋黏结试件经高温作用冷却至室温后，喷砂筋受高温影响较小，黏结强度降低较少。在250 ℃之后，喷砂筋表面结合砂层的树脂出现热分解、碳化，砂层摩擦力降低，黏结强度大幅度降低。浅肋筋和深肋筋与混凝土的黏结应力主要由凸肋和混凝土之间的机械咬合力提供，由于深肋筋与浅肋筋的肋间距接近，肋高是浅肋筋的2倍，能提供的机械咬合力高于浅肋筋，所以深肋筋与混凝土之间的黏结强度高于浅肋筋。

2.3.3 基体混凝土类型

图5 也显示了在各温度下单掺加入0.20%玄武岩纤维与混掺0.15%玄武岩纤维和0.10%纤维素纤维对BFRP 深肋筋和混凝土黏结强度的影响。图7显示了在各温度下单掺加入0.20%玄武岩纤维对BFRP 喷砂筋、浅肋筋和混凝土黏结强度的影响。与普通混凝土相比，玄武岩纤维加入使得深肋筋、喷砂筋、浅肋筋与混凝土的黏结强度分别提升8.4%～18.8%，56.3%～99.6% 和27.5%～51.8%，混掺玄武岩纤维和纤维素纤维使得深肋筋与混凝土的黏结强度提升了17.6%～35.1%。这是因为玄武岩纤维耐高温，当混凝土在高温作用后强度降低，受荷载作用产生应力，玄武岩纤维在混凝土中可以形成骨架结构，有效抑制水泥浆体产生微裂缝以及横跨在微裂缝之间通过拔出和拔断消耗能量[7]。纤维素纤维在165 ℃左右熔融形成孔道，有利于混凝土内部水分的蒸发，减少混凝土内部热应力的产生，减少经高温作用水泥浆体出现裂缝的数量，增大BFRP 筋拔出过程中的阻力，提高黏结强度[8]。

图7 各温度下BFRP喷砂筋和BFRP浅肋筋与不同基体混凝土黏结强度对比Fig.7 Comparison of bond strength between BFRP sandcoated bar and BFRP shallow rib bar and concrete at different temperatures

2.3.4 黏结长度

由图8可知，在各温度下，随着黏结长度的增加，峰值荷载逐渐增加，深肋筋与纤维混凝土黏结强度逐渐降低。与黏结长度为2.5d时的黏结强度相比，黏结长度为5d时，深肋筋与混凝土黏结强度降低率为-1.2%～22.2%；黏结长度为10d时，深肋筋与混凝土黏结强度降低率为35.0%～52.9%；黏结长度为15d时，黏结强度降低率为50.9%～59.8%。

图8 各温度下BFRP深肋筋与玄武岩纤维混凝土峰值荷载和黏结强度随黏结长度变化Fig.8 Variation of peak load and bond strength between BFRP deep rib bar and basalt fiber reinforced concrete with bond length at different temperatures

黏结强度是按照沿黏结长度方向线性分布的平均黏结应力计算的，而实际上BFRP 筋与混凝土黏结应力沿黏结长度分布是不均匀的，两端黏结应力小，中间黏结应力大，随着黏结长度的增加，应力分布不均匀现象加剧，平均黏结应力与最大黏结应力比值减小，造成BFRP 筋与混凝土黏结强度降低[16]。同时，在BFRP 筋黏结试件加热过程中，热量沿黏结长度由两端向中间传递，经高温作用后，黏结长度两端树脂基体玻化、热分解、碳化程度高于中间段，也会加剧加载过程中黏结长度上应力分布不均匀，造成黏结强度随黏结长度的增加逐渐降低[17]。

2.3.5 BFRP筋直径

由图9 可知，在各温度下，当黏结长度为5d时，随着BFRP 筋直径的增加，峰值荷载逐渐增加，深肋筋与纤维混凝土黏结强度逐渐降低。与直径8 mm 相比，直径10 mm 深肋筋与混凝土黏结强度降低了6.4%～27.9%，直径12 mm 深肋筋与混凝土黏结强度降低了27.9%～30.6%。分析其原因，BFRP 筋黏结试件在加载过程中，由于泊松效应[13]，BFRP 筋横截面积变小，沿轴向方向伸长，BFRP 筋与周围混凝土黏结界面更容易产生微裂缝，降低了BFRP 筋与周围混凝土的机械咬合力，直径越大，泊松效应越明显，BFRP 筋与纤维混凝土黏结性能减弱。同时，BFRP 筋直径越大，混凝土保护层厚度相对越小，混凝土的抗劈裂能力随之减小，进而减小了BFRP 筋黏结试件的黏结强度，且随着BFRP 筋直径的增大，剪切滞后效应越明显，BFRP 筋表面变形大于横截面中心变形，导致同一截面处正应力的分布不均匀，黏结强度降低[18]。再者，BFRP 筋直径越大，BFRP 筋表面混凝土泌水现象也就越严重[19]，硬化之后产生较多的空隙，导致黏结强度降低。

图9 各温度下BFRP深肋筋与玄武岩纤维混凝土峰值荷载和黏结强度随BFRP筋直径变化Fig.9 Variation of peak load and bond strength between BFRP deep rib bar and basalt fiber reinforced concrete with BFRP bar diameter at different temperatures

3 BFRP 筋与纤维混凝土黏结强度计算

根据GB/T 30022—2013[14]和《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》GB 50608—2010[20]的规定，本文按照黏结长度为5 倍BFRP 筋直径来计算BFRP 筋与混凝土的黏结强度。ACI 440.1R-03[21]中给出了FRP筋与混凝土截面受力平衡条件：

式中：d为FRP 筋直径，mm；lbf为FRP 筋基本锚固长度，mm；τu为FRP筋与纤维混凝土黏结强度，MPa；Af为FRP 筋横截面面积，mm2；ffu为FRP 筋抗拉强度设计值，MPa。

根据《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010[22]，假设黏结强度与混凝土轴心抗拉强度成正比，则BFRP 筋与纤维混凝土的黏结强度计算公式可表示为：

式中：α为BFRP 筋的外形系数，根据本文试验结果(见表5)，保守考虑，对于BFRP 深肋筋、喷砂筋和浅肋筋，α分别取5，3.75和3；ffc,t为纤维混凝土轴心抗拉强度设计值；ft为普通混凝土轴心抗拉强度设计值；β为纤维增强系数，β取1.2。

表5 常数α和k的计算结果Table 5 Calculation results of α and k

对于混凝土劈裂破坏和拔出破坏，ACI 440.1R-03[21]中规定基本锚固长度和黏结强度分别为：

式中：fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；k为系数，本文试验k值计算结果见表5。为了安全和便于计算，对于BFRP 深肋筋、喷砂筋和浅肋筋，k取值分别为36，20 和16，利用公式(3)和公式(8)得到黏结强度计算值，列于表5。最后，基于安全考虑并结合参考文献[16]和[23]，建议不同外形BFRP 筋与纤维混凝土黏结强度计算公式按较小值来选择，即：

对于BFRP深肋筋与纤维混凝土：

对于BFRP喷砂筋与纤维混凝土：

对于BFRP浅肋筋与纤维混凝土：

经高温作用后，FRP 筋与混凝土黏结强度降低。高温后BFRP 筋与混凝土的黏结强度计算公式为：

式中：τut为高温作用后BFRP 筋与纤维混凝土黏结强度，MPa；kt为高温作用后BFRP 筋与纤维混凝土黏结强度折减系数；τu为常温下BFRP 筋与纤维混凝土黏结强度，MPa。

由表6 计算结果以及参考相关文献[24]，偏于安全考虑，建议当温度介于常温与170 ℃之间，对于BFRP深肋筋和浅肋筋，kt取0.60，对于BFRP喷砂筋，kt取0.50。当温度为170～300 ℃时，对于BFRP 深肋筋kt取0.50，对于BFRP 浅肋筋，kt取0.40。当温度高于170 ℃时，BFRP 喷砂筋不宜作为混凝土结构增强材料。当温度高于300 ℃时，BFRP 深肋筋与浅肋筋不宜作为混凝土结构增强材料。

表6 kt值的计算Table 6 Calculation of kt from experiment

4 结论

1) 随着温度的升高，BFRP 深肋筋与普通混凝土、玄武岩纤维混凝土及混掺玄武岩和纤维素纤维混凝土的黏结强度均逐渐降低，在70～350 ℃之间，它们相应黏结强度的降低率分别为17.1%～48.6%，14.5%～46.8%和11.4%～48.3%，纤维的加入使得高温作用后FRP 筋与混凝土黏结强度的降低率变小。

2) 混凝土中掺入纤维后，可以明显提高常温和高温下BFRP 筋与混凝土的黏结强度。单独掺入0.20%体积掺量玄武岩纤维，在各温度下，使深肋筋、喷砂筋、浅肋筋与混凝土黏结强度分别提高8.4%～18.8%，56.3%～99.6% 和27.5%～51.8%。混合掺入0.15%玄武岩纤维和0.10%纤维素纤维，在各温度下，使深肋筋与混凝土黏结强度提高了17.6%～35.1%。

3) 不同表面形式对BFRP筋与纤维混凝土黏结强度影响明显，各温度下，深肋筋与纤维混凝土黏结强度最高。随着BFRP 筋直径和BFRP 筋与混凝土黏结长度的增加，深肋筋与纤维混凝土黏结强度均逐渐降低。

4) 考虑温度、混凝土强度、FRP 筋表面形式与直径的影响，提出了高温后BFRP 筋与纤维混凝土黏结强度计算公式。