GFRP筋与混凝土黏结性能拉拔试验研究

师晓权，张志强，李志业，李化云

(西南交通大学 土木工程学院 地下工程系，成都 610031)

钢筋腐蚀引起钢筋混凝土结构耐久性破坏是土木工程中最普遍的问题之一。随着纤维筋广泛应用，使得纤维筋替代钢筋应用于混凝土结构已成不可逆转的发展趋势。玻璃纤维(GFRP)筋具有耐腐蚀、强度高、重量轻、耐电磁、易切割等优点，是一种既能防腐又有良好力学性能及特点的混凝土增强材料。用它替代混凝土结构中的钢筋，将会较大地提高混凝土结构使用性能，延长混凝土结构使用寿命。但GFRP筋与钢筋材料性能存在着本质区别，与混凝土间的黏结性能也有很大差异。GFRP筋与混凝土的黏结性能是GFRP筋混凝土结构中最基本的力学行为，是进行GFRP筋混凝土结构设计与应用的基本前提。因此，笔者通过135个GFRP筋和20个钢筋混凝土试件拉拔试验，对GFRP筋与混凝土黏结性能进行了细致研究，并得出有价值的结论。

1 试验概况

1.1 筋材

试验筋材为深圳生产的螺纹 GFRP筋，在 GFRP筋锚固试验之前，通过筋材拉拔试验，确定GFRP筋基本力学参数，见表1。试验中钢筋为二级螺纹钢筋。

1.2 试验设计

为全面研究GFRP筋与混凝土黏结性能，探明纤维筋直径、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:

表1 GFRP筋力学性能

1)GFRP 筋直径为 φ10，φ12，φ14，φ18，φ22，φ25，φ28，φ32 mm;使用塑料管分隔筋材与混凝土来严格控制锚固长度，锚固长度分别为 5d，10d，15d，20d(d为筋材直径)，同时在纤维筋自由端粘贴钢管避免筋材被夹具夹碎。

2)试件制作标准参考《混凝土结构试验方法标准GB50152—92》。采用两种试件尺寸，当筋材直径小、锚固长度短时，使用标准模具(200 mm×200 mm×200 mm)，如图1;当直径大、锚固长度长时，则采用特制混凝土模板拼制相应模具，如图2。

3)为避免试验结果离散，每种试件均制备5个样本，混凝土按C20，C30，C40三种级别考虑。

1.3 加载与量测

图1 拉拔试件示意(单位:mm)

图2 拉拔试件示意 (单位:mm)

已有研究结果表明［1］，纤维筋与混凝土“黏结—滑移”曲线分为上升段、下降段和残余段。考虑到大多数工程结构设计、应用仅涉及使用阶段(即上升段)，人们主要关注筋材的锚固位移、锚固长度及最大锚固力等相关问题，故本次试验通过中空千斤顶及千分表量测滑移曲线上升段拉拔力及拔出位移，对黏结滑移曲线上升段进行精确确定，忽略下降段及残余段的量测。

2 试验结果分析

2.1 破坏形态及机理分析

试验结果汇总见表2;试件破坏形态有筋材拔出、筋材断裂、钢套管拔脱、混凝土劈裂等四种形式，见图3。试验结果表明，锚固长度为5d时，纤维筋试件发生筋材拔出和混凝土劈裂破坏，而钢筋试件均为筋材拔出破坏。分析原因可知，纤维筋弹性模量与混凝土相差不大、刚度相当，在纵向滑移过程中，会产生较大径向膨胀力，若混凝土保护层厚度不足，则出现混凝土劈裂破坏。相对而言，钢筋刚度远大于混凝土，钢筋在外力作用下直接将混凝土剪碎，导致承载力丧失发生拔出破坏。锚固长度等于15d时，直径≤φ25 mm的纤维筋试件破坏形态全部为筋材断裂，可见筋材与混凝土间的锚固力已大于筋材极限抗拉强度。对于φ28 mm，φ32 mm的纤维筋试件，由于混凝土保护层厚度不足及钢套管黏结强度不够，出现了筋材断裂、混凝土劈裂和钢套管拔脱三种破坏形态。锚固长度等于20d时，φ28 mm，φ32 mm纤维筋试件再次出现以上三种破坏形态。

表2 试验结果汇总

2.2 直径对黏结强度影响

图3 试件破坏形态

GFRP筋的黏结强度定义为在黏结长度内黏结应力的平均值，即拉拔力除以筋材与混凝土接触面积所得到的值为锚杆与砂浆之间的平均黏结强度。

式中，d，l分别为GFRP筋或钢筋的直径和黏结长度;F为拉拔力。

两种筋材从开始受力到极限破坏“黏结—滑移”曲线接近线性关系，GFRP筋曲线位于钢筋曲线下方，如图4。这是由于纤维筋弹性模量较低，相同外荷载下会产生较大变形，并且随着外荷载增大泊松效应将导致筋材横截面略微减小，降低纤维筋与混凝土机械咬合力。在锚固长度相同时，无论钢筋还是纤维筋，随着直径增大黏结强度均处于下降趋势，见图5。因为筋材直径越大，相对黏结面积越小，为获得同样的黏结力需要更多的锚长，而黏结强度随着锚长的增加而降低，同时对于大直径纤维筋而言，还存在剪切滞后效应［2］。通过研究还可发现在锚固长度、筋材直径相同的条件下，钢筋与纤维筋黏结力比例系数为1.2～1.5，换言之，同等条件下纤维筋的锚固长度为钢筋的1.2～1.5倍，这对编制纤维筋混凝土规范及指南具有指导意义。

图4 筋材“黏结—滑移”曲线

2.3 锚固长度对黏结强度影响

图5 不同筋材直径黏结强度对比

当锚固力与筋材极限抗拉相同时，即锚固失效与GFRP筋受拉断裂同时发生，此时的锚固长度称为最小锚固长度。最小锚固长度是进行纤维筋混凝土结构设计规范编制的基本参数。通过不同筋材直径、不同锚固长度试验得到如下认识:随着锚固长度增加，黏结强度逐渐下降，原因是锚长较长时，应力分布很不均匀，高应力区相对较短，故平均极限黏结强度较低;锚长较短时，高应力区相对较长，应力分布均匀，平均极限黏结强度较高。对φ10 mm～φ25 mm纤维筋而言，当锚固长度≤15d时均出现筋材断裂现象。φ28 mm纤维筋锚固长度由5d变成20d，黏结强度下降25%，但筋材的应力却增加122%为525 MPa，已达到筋材极限抗拉强度，见图6、图7。通过研究给出如下建议，在钢套管黏结强度及混凝土保护层厚度得到保证的前提下，纤维筋最小锚固长度可以取为20d，该锚固长度对于纤维筋发生断裂破坏而非拔出破坏，具有可靠的保证率，能满足工程要求。

图6 不同锚长黏结强度曲线

图7 不同锚长筋材应力曲线

2.4 混凝土强度对黏结强度影响

已有研究表明，钢筋与混凝土的黏结强度同混凝土抗压强度 f′c的平方根成线性关系［3］。纤维筋的弹性模量为钢筋弹性模量1/5，且这两种筋材与混凝土黏结面破坏机理不尽相同，因此这一结论不适合纤维筋。试验表明，提高混凝土等级能提高混凝土的抗剪、抗拉强度，对于增强黏结强度有一定促进作用，见图8。混凝土强度由 C20变为 C40，对于不同直径纤维筋黏结强度整体略有增加，但效果并不显著，而且随着直径改变还具有明显的波动性。

图8 混凝土强度对黏结力的影响

2.5 GFRP筋与混凝土黏结刚度

现有研究成果中，有关纤维筋黏结刚度的成果甚少。通过本次试验数据对纤维筋与混凝土之间黏结刚度进行分析，为相关纤维筋数值模拟试验分析提供最基础的分析参数。

纤维筋与混凝土的黏结刚度k定义可表示为

式中，F为拉拔力(N);d为锚杆的直径(mm);l为锚杆的锚固长度(mm);Δu为锚杆与混凝土界面的相对轴向位移(mm)。

根据试验结果绘制“黏结—滑移”曲线，该曲线的斜率即为黏结刚度k。通过前面试验成果分析可知，纤维筋“黏结—滑移”曲线上升段近似线性，对其进行一元线性拟合，拟合直线斜率即为黏结刚度k。本次试验纤维筋与混凝土黏结刚度见图9。

结果表明，黏结刚度较大值发生在小直径、埋深浅的试件中;刚度较小值发生在直径大、埋深长的试件中。

当直径为φ14 mm，锚固长度为5d，其黏结—滑移曲线拟合公式为:y=1.915 7x+2.835 1，R2=0.962，黏结刚度可取1.915 7 MPa/mm;

当直径为φ32 mm，锚固长度为15d，其黏结—滑移曲线拟合公式为:y=0.604 7 x+0.510 1，R2=0.978 7，黏结刚度可取0.604 7 MPa/mm;

图9 黏结刚度拟合曲线

因此，可确定出纤维筋与混凝土的黏结刚度k的范围为0.604 7～1.915 7 MPa/mm。

3 结论

1)拉拔试件有筋材拔出、筋材断裂、钢套管拔脱、混凝土劈裂四种破坏形态，破坏形态与锚固长度、混凝土保护层厚度及钢套管黏结强度有密切关系。

2)纤维筋与混凝土黏结强度随着直径增加而降低，同等条件下钢筋与纤维筋黏结比例系数为1.2～1.5，即纤维筋锚固长度为钢筋的1.2～1.5倍，这对编制纤维筋混凝土规范及指南具有指导意义。

3)在钢套管黏结强度与混凝土保护层厚度得到保证的前提下，纤维筋最小锚固长度可以取为20d，该锚固长度对于纤维筋发生断裂破坏而非拔出破坏，具有一定可靠保证率。

4)混凝土强度等级提高对纤维筋黏结强度略有改善，但效果并不显著。

5)采用一元线性拟合确定出纤维筋与混凝土的黏结刚度k取值范围为0.604 7～1.915 7 MPa/mm，为相关纤维筋数值模拟试验提供最基本参数。

［1］薛伟辰，刘华杰，王小辉.新型FRP筋黏结性能研究［J］.建筑结构学报.2004，25(2):104-109.

［2］郝庆多，王言磊，侯吉林，等.GFRP带肋筋黏结性能试验研究［J］.工程力学，2008，25(10):158-179.

［3］蓝宗建.混凝土结构设计原理［M］.南京:东南大学出版社，2008.