GFRP筋与UHPC粘结性能试验研究①

□□ 唐宇哲,刘 恒,周景深

(湖南高速铁路职业技术学院,湖南 衡阳 421200)

引言

目前,钢筋混凝土是各大建筑工程中最常见的组合结构,具有取材方便、可模性好和受力性能好等诸多优点。钢筋与混凝土物理力学性能完全不同,但两者具有良好的粘结能力,能共同受力,发挥各自优点,满足工程结构性能要求[1]。然而,传统钢筋混凝土在长期荷载作用下,其耐久性和抗裂性能力会逐步下降,尤其是在腐蚀环境中,极易发生内部钢筋腐蚀,进而大大降低结构使用寿命,从而造成严重后果[2]。因此,提高钢筋混凝土结构耐久性已成为国内外学者研究热点问题之一。

从材料生产难度和性能优异方面来看,利用纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,下文简称FRP筋)代替普通钢筋能有效解决钢筋腐蚀性危害的问题,相比于普通钢筋,FRP筋密度仅为普通钢筋的1/5,而强度却是普通钢筋的6倍,且耐久性强[3]。因此,FRP筋已逐步代替普通钢筋。

20世纪90年代,超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,下文简称UHPC)应运而生。UHPC作为一种新型混凝土材料,在满足高耐久性的同时,能极大减轻自重,进而减少材料用量,节约水泥,减少碳排放,符合国家节能减排的要求[4]。

综上,将FRP筋与UHPC组成的新型结构以探讨有效改善传统钢筋混凝土不足的方法。FRP筋与UHPC组合构件能共同工作的前提是两者具有良好的粘结性能,基于此,为探究FRP筋与UHPC粘结性能,拟选取使用较多的GFRP筋,采取中心拉拔试验来分析GFRP筋表面处理形式、直径等因素对粘结性能的影响,为FRP筋与UHPC组合使用提供参考。

1 试验概况

1.1 UHPC制备

UHPC是根据最大堆积密度理论发展成的高性能纤维增强水泥基复合材料[5]。此次试验UHPC组成中,水泥采用安徽海螺水泥股份有限公司生产的P·O 52.5水泥;矿粉采用东盛微粉有限责任公司生产的矿渣微粉;采用天然河沙;采用减水剂为科之杰新材料集团有限公司生产的Point-400S高效减水剂;钢纤维长度为13 mm,直径为0.2 mm。具体配比见表1。

表1 UHPC配比表

1.2 试件设计

采用标准中心拉拔试验,试件由混凝土与GFRP筋组成。混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,GFRP筋总长为600 mm,其中,预留50 mm测量滑移量。因GFRP筋横向抗剪强度较低,为了避免加载过程中GFRP筋加载端发生剪切破坏,在加载段套上无缝钢管[6]。拉拔试件示意图如图1所示。

图1 拉拔试件示意图

分别以GFRP筋表面处理形式和直径为变量,同时设置UHPC与普通钢筋的对照组,设置4组,共计12个试验构件。试件具体情况见表2。

表2 试件设置明细表

为了试验块能顺利脱模,浇筑混凝土之前在模板内部涂抹润滑油,浇筑时应用小型振捣棒振捣均匀密实,不可接触到内部钢筋,以免其产生位置偏移。灌注后每个试块做好标记,24 h后可拆模,并对混凝土及时进行养护作业。UHPC试块进行≮7 d的热水养护,同时盖上薄膜,避免水分过快蒸发,28 d后,进行施力试验,而普通混凝土可用冷水养护[7]。

1.3 试验加载

此次拉拔试验使用仪器为拉力试验机,试块放置位置主要有上下钢板利用高强度螺栓连接而成,顶部设置穿心球铰,避免在拉拔过程中钢筋产生偏心而影响试验结果。试验主要仪器与采集框架如图2所示。

图2 试验仪器及采集示意图

根据拉拔试验现有规范,加载位移速度≯1.3 mm·min-1[8]。试验规定加载速度控制在1 mm·min-1,采用分三级加载,取极限荷载的40%、70%和100%。每一级加载完成后,须试验读数趋于稳定,方可进行下一级加载。试验停止条件为:拔出破坏、拔断破坏和剪切破坏。

2 试验结果

2.1 破坏形态

此次试验破坏模式共两种,即拔出破坏与拔断破坏。其中,一组(L1～3)与二组(L4～6)直径为8 mm与10 mm钢筋被拔出,12 mm钢筋发生拔断破坏;三组(L7～9)与四组(L10～12)GFRP筋均被拔出。试验现场部分试件如图3所示。

图3 试验部分试件破坏图

(1)拔出破坏。将钢筋从UHPC拔出后,UHPC试块表面均未发现开裂情况,三组和四组试件自由端外侧存在GFRP筋碎渣,而一组和二组试件自由端未发现明显变化。因此,在加载过程中,GFRP筋表面与UHPC分离严重,并伴随着严重摩擦,而钢筋与UHPC粘结性能更好。将试件劈开,三组和四组试件UHPC层内部有较多GFRP筋白色粉末,其中,四组白色粉末更多,且伴有少数纤维。说明螺纹钢筋表面相比光滑钢筋,与UHPC粘结面滑移时会产生更大的阻力,且破坏均发生在GFRP筋的表面。一组和二组试件UHPC内部未发现粉末,但二组试件UHPC粘结面更不平整。

(2)拔断破坏。此次四组试验试件中,仅有直径12 mm的普通钢筋被拔断。与直径为12 mm的GFRP筋对比可知,普通钢筋相比GFRP筋与UHPC能有更好的粘结性能。而在直径为12 mm的普通钢筋被拔断试验过程中,仅凭肉眼无法观察到钢筋在滑移,随着加载力慢慢增大,钢筋突然发生断裂;钢筋断裂后,混凝土表面未发现开裂迹象,说明钢筋拔断时,该12 mm普通钢筋与UHPC粘结强度未超过限值,而钢筋已到达极限抗拉强度。将试件劈开,发现粘结段的GFRP筋与混凝土未发生剥离,但GFRP筋整体向自由端产生了滑移,该段混凝土内侧产生了纵向划痕,但未完全分裂。

2.2 破坏机理分析

在四组试验中,无论是普通钢筋还是GFRP筋,与UHPC粘结力均由摩擦力、机械咬合力和化学粘结力构成,现对其破坏机理分析如下:

(1)拔出破坏。加载初期,主要化学粘结力提供钢筋与UHPC的粘结力,钢筋自由端未发生位移,当荷载持续增加,自由端开始出现滑移现象,化学粘结力逐渐降低,此时,钢筋与UHPC缓缓分离,但肉眼观察不到该现象。当化学粘结力完全消失,钢筋与UHPC的粘结仅靠两者摩擦力来维持。随着荷载继续增加,钢筋表面与UHPC不断发生挤压并摩擦,若钢筋带肋会产生更大摩擦,最终达到极限荷载。此时,钢筋与UHPC表面因摩擦均发生明显磨损,形成新的滑移面。与此同时,钢筋因摩擦而产生的铁锈杂质,会将钢筋与UHPC空隙填满,随着钢筋慢慢拔出会一起向外挤出,从而到达自由端表面。

(2)拔断破坏。此次试验四组试件中仅有直径12 mm的普通钢筋发生了拔断破坏,初始阶段与拔出破坏类似,同样是靠化学粘结力将钢筋与UHPC两者粘结,未产生滑移。随着荷载增大,化学粘结力减小而摩擦力与机械咬合力增大,相比GFRP筋,普通钢筋表面更粗糙,因而摩擦力与机械咬合力更大,此阶段普通钢筋与UHPC有着相比GFRP筋更强的粘结力。

2.3 粘结滑移曲线分析

因此次试验总共有4大组,共计12个试块,故不将粘结滑移曲线一一展示,但通过观察发现,4组粘结滑移曲线都有着相同的特征。每组代表性粘结滑移曲线如图4所示。

图4 四组试件代表粘结滑移曲线

通过图4可看出,每组试件粘结滑移曲线都包含上升、下降及平缓段,根据这三段特征,将整个拉拔试验过程可分为以下阶段:

(1)粘结固定段。加载初期,拉力较小,自由端未发生滑移,粘结曲线线性增长,此时钢筋与UHPC粘结力主要依靠化学胶着力。随着荷载增大,加载端的滑移逐步往自由端延伸,在到达自由端端部之前,仍处于粘结固定这一阶段。

(2)滑移段。随着荷载增加,加载端部分钢筋与UHPC粘结部位发生局部脱落,化学胶着力逐步下降,自由端开始慢慢出现滑移,粘结滑移曲线已逐渐出现非线性增长,粘结力主要靠摩擦力和机械咬合力支撑。

(3)上升段。此时钢筋表面与UHPC层逐渐脱落,粘结滑移曲线越来越缓,钢筋自由端与受力端滑移量越来越大且速度变快,此阶段随着荷载增大,粘结应力也逐渐增大,直至粘结应力达到最大值。

(4)下降段。当粘结应力达到最大值,粘结滑移曲线进入下降段,此时钢筋自由端与受力端急速滑移,粘结应力逐渐减小,钢筋也在拉力作用下被拉出。

(5)平缓端。通过观察粘结滑移曲线,每组试件的粘结滑移曲线达到最低点后,又开始回弹上升,到达一定数值后出现波动,整体呈下降趋势。此阶段钢筋与UHPC粘结体系已被破坏,在钢筋拉出时,由钢筋与UHPC摩擦产生的铁锈杂质逐渐将空隙填满,而后产生了一定的咬合力。

3 粘结性能影响因素分析

3.1 钢筋类型

此次试验混凝土材料均采用了UHPC,而一、二组与三、四组分别采用了普通钢筋与GFRP筋作为试验对照,其中,选取L3与L9试验块,即钢筋表面光滑且直径均为12 mm的试验块粘结试验结果进行对比,如图5所示。

图5 同条件下普通钢筋与GFRP筋粘结曲线对比

由图5可知,普通钢筋与UHPC的粘结性能比GFRP筋更好,最大粘结应力大于GFRP筋,并且在产生相同粘结应力的情况下,普通钢筋的滑移量更小;普通钢筋与UHPC上升段更长,线性关系更好,粘结滑移曲线斜率大于GFRP筋;当粘结应力达到最大值时,GFRP筋滑移量大于普通钢筋滑移量;钢筋达到拉力最大值后无下降段,直接被拉断。

3.2 钢筋表面处理形式

此次试验钢筋表面处理形式分为光滑与螺纹两种。选取L7与L10试验块,即均为GFRP筋且直径为8 mm的试验块粘结性能进行对比,如图6所示。

图6 同条件下光滑GFRP筋与螺纹GFRP筋粘结性能数值对比

以直径为8 mm的GFRP筋试验结果为例,同条件下,表面有螺纹的GFRP筋粘结应力极值是表面光滑GFRP的1.27倍,而极限荷载是表面光滑GFRP的1.23倍。由此可得,当直径相同时,表面带肋的GFRP筋与UHPC的粘结性能相比于普通混凝土更加优异。这是由于钢筋滑移的过程中,部分粘结力来源于摩檫力与化学咬合力,而螺纹筋表面更粗糙,产生摩擦力更大,从而产生更好的粘结性能。

3.3 钢筋直径

此次试验共设置了直径为8 mm、10 mm及12 mm的变量组,以一组(即L1、L2和L3试块)与三组(即L7、L8和L9试块)的试验块粘结性能进行对比,如图7所示。

图7 同条件下不同直径普通钢筋与GFRP筋粘结性能数值对比

通过图7可得,在相同条件下,普通钢筋与GFRP筋随着直径的变化,极限粘结应力与极限荷载有着相同的变化趋势,即钢筋直径越大,极限粘结应力缓慢下降,而极限荷载逐步增加。通过查阅相关资料,导致粘结强度随着直径增大而减小的根本原因是GFRP筋的泊松效应和剪切滞后[9-10]。

4 结论

通过标准中心拉拔试验,以钢筋类型、表面处理形式和直径等因素对GFRP筋与UHPC的粘结性能展开研究,主要结论如下:

4.1 GFRP筋与普通钢筋类似,与UHPC的粘结滑移曲线有着相同的特征,大致可分为粘结固定段、滑移段、上升段、下降段和平缓段。

4.2 同条件下,普通钢筋与UHPC的粘结性能相比于GFRP筋更好,最大粘结应力大于GFRP筋,并且在产生相同粘结应力的情况下,普通钢筋的滑移量更小。

4.3 同条件下,表面带肋的GFRP筋与UHPC的粘结性能相比于普通混凝土更加优异。

4.4 钢筋直径越大,极限粘结应力缓慢下降,而极限荷载逐步增加。