高温对玄武岩纤维筋混杂纤维再生混凝土粘结性能的影响

刘华新， 朱伯衡

(1.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室， 南京 210018； 2. 辽宁工业大学土木建筑工程学院， 锦州 121001)

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，FRP)筋具备良好的耐腐蚀性、耐疲劳性、轻质高强等特性[1-2]，具有广阔的工程应用前景。与传统的钢筋混凝土结构相似，FRP筋和混凝土的粘结性能是二者共同工作的基础。李杨等[3]通过梁式拉拔试验研究了温度对FRP筋与混凝土粘结性能的影响，结果表明：当环境温度范围为-30～0 ℃范围内，FRP筋与混凝土的粘结强度随着环境温度的下降而提高。童谷生等[4]通过试验研究了碳纤维增强复合材料FRP与混凝土间的粘结滑移曲线，结果发现：FRP筋与混凝土界面的剪应力随着的粘结剂厚度的增加而有所减小，但FRP筋与混凝土间的相对位移却在持续增大，界面断裂能不减反增。Alves J等[5]考虑了持续荷载、疲劳荷载以及冻融循环作用下玻璃纤维增强复合材料(glass fiber reinforced polymer，GFRP)混凝土桥面板中两者的粘结性能，认为疲劳荷载相对于持续荷载及冻融循环作用而言，对粘结性能的影响更为重要。Dai等[6]通过拉拔试验研究了GFRP筋在疲劳载荷下的粘结强度，结果表明：与200万次循环载荷后的静态粘结强度相比，GFRP筋的粘结强度降低了63%～70%。对湿热环境中疲劳载荷作用下的FRP筋混凝土粘结强度的研究表明，FRP筋混凝土界面在湿热环境中的粘结性能降低。此外湿热预处理后试件的疲劳寿命明显短于未处理的试件[7]。现有的试验研究结果表明：高温对FRP筋的力学性能有明显的负面影响[8-10]。已有的研究主要集中在FRP筋与混凝土在高温下的粘结性能，最高温度不超过350 ℃[11-12]。但是关于FRP筋与混凝土在高温后的残余粘结性能的研究较少。

再生粗骨料作为天然骨料的替代材料，目前在工程结构物中应用较少。为了应对自然资源的破坏、建设需求的增加和填埋成本的提高，加大对再生混凝土(recycled aggregate concrete，RAC)的研究和使用符合社会的可持续发展。火灾或者高温除了影响混凝土外观外，对混凝土结构耐久性影响较大[13-14]。混凝土中掺入纤维明显改善普通混凝土的力学性能，尤其可以防止混凝土高温爆裂和降低高温损伤[15]。已有纤维混凝土的研究集中于普通混凝土、高性能混凝土和自密实混凝土，对混杂纤维RAC高温后力学性能研究很少。

现通过试验研究高温后玄武岩纤维(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋与混杂纤维再生混凝土(hybrid fiber recycled aggregate concrete，HFRAC)之间的粘结性能即破坏模式、峰值粘结强度、粘结滑移应力-应变曲线等，为纤维再生混凝土的防火设计及安全评估提供试验和理论参考。

1 试验设计

1.1 材料及试件设计

选用直径12 mm的BFRP筋，表面经过挤压成肋、黏砂处理，其抗拉强度为1 114 MPa，拉伸弹性模量为47.5 GPa，拉伸试验其长度取520 mm，拉拔试验其长度取500 mm，上述参数参考文献[16-17]。为避免试验中BFRP筋被夹具剪切损坏，采用钢管套注入膨胀水泥的方法锚固端头。选用拉拔试验测试BFRP筋与HFRAC的粘合强度。相较于其他测试方法，拉拔试验更简易，并且更适用于比较相对粘结性能。BFRP筋与RAC粘结区长度取5d(d为纤维筋直径，取值12 mm)。拉拔试件的尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm，自由端BFRP筋留出20 mm，以便量测滑移量。试块采用42.5级P.O水泥；天然河沙，Ⅱ区级配；拌合水为生活用水；5～20 mm连续级配的粗骨料，其中再生粗骨料取代率50%，试验前浸泡12 h以补偿其吸水性；再生粗骨料取自某废弃建筑物，测试原混凝土强度等级约为30 MPa。

粗骨料的基本性能见表1，纤维性能指标见表2。混凝土基本配合比(按质量计算)设计为水泥∶砂∶再生粗骨料∶天然粗骨料∶水 = 1∶1.46∶1.04∶1.04∶0.48。试验目的在于定性地研究高温后HFRAC与BFRP筋粘结性能，因此并未探讨纤维体积分数的影响，玄武岩纤维(basalt fiber，BF)和纤维素纤维(cellulose fiber，CF)体积掺量均为混凝土体积的0.15%。

表1 粗骨料基本性能Table 1 Properties of coarse aggregate

表2 纤维性能指标Table 2 Fiber performance index

参照已有的研究方案[18-20]，将此次试验目标温度设置为20、100、200、300、400和500 ℃，考虑高温环境可能加大试验数据的离散性，为保证试验结果可靠，拉拔试件每组制作5个试件。

1.2 试验装置及加载设备

试验所用高温电阻炉自带温度控制系统，为模拟真实火灾情况，将升温速率调节为10 ℃/min。为避免拉拔试件外部裸露的BFRP筋受到高温影响试验结果，试验前用防火材料对其表面进行处理。拉拔试验采用位移(0.2 mm/min)控制法加载，试验机实时采集力-时间数据。BFRP筋自由端处的滑移通过线性位移计(linear variable differential transformer，LVDT)量测。反力笼式装置可通过调节螺栓避免因偏心造成的BFRP筋对混凝土的劈裂，试验装置如图1所示。

2 试验结果和讨论

依据式(1)计算平均粘结应力值，拉拔试验主要结果如表3所示。

(1)

式(1)中：π为粘结强度，MPa；p为拉拔力，N；d和l分别为纤维筋直径和埋入深度，mm。

图1 拉拔试验装置Fig.1 The pull-out test setup

表3 拉拔试验结果Table 3 The results of pull-out tests

2.1 破坏模式

12组试件破坏形式大多数为拔出破坏，其中HN200和HN300试件为带裂纹拔出破坏，如图2所示，这表明在200 ℃和300 ℃高温作用后，RAC抗拉强度出现下降，略低于BFRP筋拉拔时产生的径向分力，故而出现带裂纹拔出破坏。500 ℃后试件HN500和HH500进行拉拔试验时，自由端出现滑移前BFRP筋就已经发生断裂，并未采集到数据。

2.2 粘结-滑移曲线

由图3可知，随着温度升高，各组试件曲线斜率均逐渐降低，表明BFRP筋和RAC间的粘结弹性模量损伤随着温度上升逐渐加大。结合表3进行分析：对于RAC试件，随着温度升高，其峰值粘结强度逐渐降低，且整体上呈加速降低趋势，200 ℃前下降缓慢，下降幅度约21%，300 ℃后下降加快，至400 ℃后强度残余率为31%。此外，随着温度升高，峰值滑移量su逐渐加大。对于HFRAC试件，随着温度升高，峰值粘结强度先上升后降低，200 ℃前略有加强，约12%，300 ℃后强度急速下降，至400 ℃后强度残余率为35%。此阶段影响粘结强度主要因素为RAC力学性能，分析其原因：BFRP筋相对于混凝土具有较高的热膨胀横向系数，当温度升高时，混凝土内会产生张应力，这会产生裂开的裂纹，从而影响粘结性能，HFRAC中CF熔化后形成的熔洞有助于基体均衡温度，降低因温度梯度产生的内应力，此外BF与基体紧密粘结形成空间整体，增大了RAC基体对BFRP筋的粘结力，此时高温后BFRP筋抗拉强度基本恢复至常温时的92%，可认为对粘结强度影响较小。而300 ℃后，各组RAC试件的粘结强度均大幅降低，影响粘结强度的主要因素不再是RAC力学强度，300 ℃后BFRP筋材内部环氧树脂基体开始出现缺氧状态下碳化，纤维力学性能也受到损伤，300 ℃和400 ℃后BFRP筋抗拉强度残余率分别为常温时88%和11%，可认为此阶段影响粘结强度主要因素为BFRP筋的性能。

图2 带裂纹拔出破坏Fig.2 Pull out failure specimen with cracks

图3 各温度下的粘结-滑移曲线Fig.3 The bond stress-slip curves at different temperatures

各目标温度条件下，HFRAC粘结强度均高于RAC，20、100、200和300 ℃后HFRAC峰值粘结强度较RAC分别升高6%、20%、36%和58%，表明混杂纤维的掺入可以减少RAC高温损伤，明显改善BFRP筋与RAC粘结性能。

此外，可通过试验数据建立RAC和HFRAC峰值粘结强度关于温度的拟合关系式，分别如式(2)和式(3)所示，拟合曲线见图4。

(2)

(3)

式中：τu1为BFRP筋与RAC间粘结强度，MPa；τu2为BFRP筋与HFRAC间粘结强度，MPa；T为温度， ℃。

取粘结-滑移曲线上升段做无量纲-粘结-滑移曲线，如图5所示。从图5(a)可知，HN20和HN100曲线趋势相近，呈上凸趋势，说明暴露于100 ℃后BFRP筋与RAC粘结-滑移关系变化较小；HN200、HN300和HN400曲线趋势相近，呈下凹趋势，与HN20和HN100曲线有较大差别。表明经历高温200 ℃之后，BFRP筋与RAC间的粘结-滑移性能已经发生显著变化。从图5(b)可知，试件HH20、HH100、HH200和HH300曲线趋势相近，呈上凸趋势。表明温度不高于300 ℃时，BFRP筋与RAC粘结-滑移关系变化较小，混杂纤维的掺入可以有效缓解升温对粘结性能的破坏。HH400曲线呈下凹趋势，表明经历高于300 ℃后，BFRP筋与RAC粘结-滑移关系已经发生显著变化。高温暴露是改变RAC和HFRAC无量纲粘结滑移曲线趋势的关键因素，混杂纤维的掺入可以提高RAC高温暴露后粘结性能。

图4 RAC和HFRAC试件的峰值粘结强度曲线Fig.4 Peak bond strength curves of RAC and HFRAC

图5 各温度下的无量纲粘结-滑移曲线Fig.5 Non-dimensional bond-slip curves at different temperatures

根据无量纲粘结滑移曲线趋势的不同，可建立试件HH20、HH100、HH200、HH300、HN20和HN100的关系式，如式(4)所示，拟合曲线见图6。此关系式适用HFRAC经历温度20～300 ℃作用后，以及RAC经历温度20～100 ℃作用后，关系式与试验数据吻合良好。

(4)

式(4)中：τ为粘结强度，MPa；τu为峰值粘结强度，MPa；s为滑移值，mm；su为峰值滑移值，mm。

HH400、HN200、HN300和HN400关系式，如式(5)所示，拟合曲线见图7。此关系式适用HFRAC经历温度300～400 ℃作用后，以及RAC经历温度100～400 ℃作用后，关系式与试验数据吻合良好。

(5)

粘结-滑移曲线下所围面积(area under curve，AUC)反映BFRP筋拔出试验过程中能量消耗情况，数值越大则表明能量消耗越多。各组试件AUC如图8所示。可以看出，HFRAC试件AUC随着温度升高具有先升高后下降趋势，200 ℃时达到峰值，增幅约4.6%；200 ℃后迅速降低，300 ℃和400 ℃后分别仅为60.9%和24.4%。RAC试件AUC随着温度升高逐渐降低，200 ℃前变化不大，降幅约为73.2%；与HFRAC相似，200 ℃后下降显著，300 ℃和400 ℃后分别仅为41.3%和21.2%。这与BFRP筋基体发生高温碳化，表面肋失效等有关。另外，200 ℃前，RAC与HFRAC数值差距随温度升高逐渐加大，200 ℃之后两者数值差距逐渐减小，至400 ℃时数值基本相等，这也反映出随温度升高，控制RAC和HFRAC粘结性能因素由RAC性能向BFRP筋材料性能转换。

图6 凸型粘结-滑移拟合曲线Fig.6 Convex stress slip fitting curve

图7 凹型粘结-滑移拟合曲线Fig.7 Concave stress slip fitting curve

图8 各组试件在不同温度下的曲线下面积Fig.8 Area under the curve of specimens at different temperatures

3 结论

通过高温后的中心拉拔试验，分析温度对粘结性能的影响，得出如下结论。

(1)相同温度条件下，HFRAC与BFRP筋间粘结性能均优于RAC。随着温度升高，各组试件粘结-滑移曲线斜率均逐渐降低，表明BFRP筋和RAC间的粘结弹性模量损伤随着温度上升逐渐加大。HFRAC峰值粘结略有上升后下降，300 ℃时达到峰值，而RAC峰值粘结强度始终逐渐降低，两者在300 ℃后降幅明显增大。

(2)无论RAC还是HFRAC试件，300 ℃前影响粘结强度主要因素为RAC性能，300 ℃后粘结强度主要受BFRP筋性能控制。

(3)由粘结-滑移曲线上升段可以看出，随着温度上升，RAC和HFRAC曲线从凸型向凹型转变，表明高温在100 ℃后会改变RAC与BFRP粘结-滑移本构关系，混杂纤维的掺入可以将此变化延缓至300 ℃后。

(4)通过计算粘结-滑移曲线下所围面积，评估BFRP拔出试验过程中能量消耗情况。发现HFRAC能量消耗均大于RAC，这是因为混杂纤维的掺入提高了RAC韧性。RAC随着温度升高与坐标轴所围面积逐渐降低，表明高温增加了混凝土脆性。

(5)建立了无量纲量粘结-滑移上升段关系式，与试验结果吻合较好，可为FRP筋与纤维RAC粘结-滑移计算和设计提供一定的参考。