摘要：碳纖維筋是一種新型的復合材料，用它代替混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，可解決因鋼筋銹蝕造成的耐久性問題。而它與混凝土的粘結(jié)性能好壞，是影響其推廣應用于增強混凝土結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過拔出試驗，研究了碳纖維筋與混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)與滑移關(guān)系，分析了粘結(jié)破壞的機理。采用了連續(xù)自動的采集方式，測出了較完整的粘結(jié)滑移曲線以及粘結(jié)應力沿埋長的分布。
關(guān)鍵詞：碳纖維筋；混凝土；拔出試驗；粘結(jié)滑移；應力分布
中圖分類號：TU528.572 文獻標識碼：B 文章編號：1001- 702X（2006）10- 0009- 05
為了解決混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題，科技人員用長纖維復合材料與樹脂經(jīng)特殊的擠壓和成型工藝，制成纖維復合增強筋（以下簡稱FRP 筋）。FRP 筋具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、低松弛、非電磁、抗疲勞等優(yōu)點。用它部分代替或全部代替混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋，對增強混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性能具有非常積極的意義。
我國對FRP 筋的研究和應用時間較短。目前，工程中應用的FRP 筋主要有4 種，即玻璃纖維筋（GFRP）、碳纖維筋（CFRP）、芳倫纖維筋（AFRP）和混雜纖維筋（HFRP）。
FRP 筋與混凝土能很好地結(jié)合在一起，前提是當受到外力作用時，2 種材料能夠保持協(xié)同工作，共同抵抗外力。FRP筋與混凝土粘結(jié)性能的好壞，是保證它們良好結(jié)合的關(guān)鍵。因此，研究FRP 筋與混凝土的粘結(jié)性能就顯得非常重要。
1 FRP 筋與混凝土粘結(jié)性能研究的現(xiàn)狀
國外學者自20 世紀80 年代開始對FRP 筋與混凝土的粘結(jié)性能進行研究。Pleimann 分別于1987 年和1991 年通過拉拔試驗研究了GFRP 筋和AFRP 筋與混凝土的粘結(jié)性能，并提出了基本錨固長度的計算公式[1- 2]。1992 年，Chaallal 通過拔出試驗，研究了GFRP 筋的粘結(jié)性能，并建議錨固長度近似取為20 D [3]。Ehsani、Saadatmanesh 和Tao 在1996 年測試了48 根梁式試件和18 個拔出試件，推導并修正了GFRP 筋的錨固長度計算公式[4] 。1998 年B.Tighiouart 和B.Benmokrane，通過64 根梁式試件和18 個拔出試件研究了GFRP 筋與混凝土的粘結(jié)強度及影響因素，并與鋼筋的粘結(jié)強度進行對比[5]。
國內(nèi)，鄭州大學高丹盈教授和上海同濟大學薛偉辰教授等約在2000 年前后，相繼開始對FRP 筋與混凝土的粘結(jié)性能展開了研究[6- 10]。雖然，國內(nèi)外學者對FRP 筋混凝土粘結(jié)性能的試驗研究已取得了一定進展，但在他們的研究中，多為GFRP筋和少量的AFRP 筋，而碳纖維筋與混凝土做粘結(jié)性能試驗的很少。由于FRP 筋的類型和表面成型工藝的不同，其力學性能存在明顯的差異，它們與混凝土之間的粘結(jié)性能自然也不相同。因此，本文對GFRP 筋做了進一步的試驗研究和理論分析。
2 試驗設(shè)計和方法
由于表面光滑的FRP 筋與混凝土的粘結(jié)強度很低，不適用于普通混凝土結(jié)構(gòu)。所以，一般都通過對FRP 筋表面的變形和處理，以改善其與混凝土的粘結(jié)性能。
本次試驗采用了拔出試驗的方法，將FRP 筋的一端埋入混凝土，中間放置了千斤頂和傳感器，另一端使用專門的錨具以承受反力（加載裝置見圖1）。
為了研究埋長對粘結(jié)性能的影響，拔出試件分別設(shè)計了不同的埋入長度（5 D、10 D、15 D、20 D 等），并在加載端放置了塑料套管以防止混凝土局部擠壓造成的影響。試驗中混凝土設(shè)計強度為C40，F(xiàn)RP 筋采用由日本三菱化學株式會社生產(chǎn)的直徑為8 mm、表面變形帶肋的高性能碳纖維筋。該筋的基材由瀝青基纖維和環(huán)氧樹脂組成，纖維和樹脂的體積含量分別為65%和35%。變形帶肋碳纖維筋（Leadline）外表形狀見圖2，性能見表1。
此外，以往試驗在測量FRP 筋滑移時，只注重荷載滑移關(guān)系曲線的上升段，而忽略了下降段滑移的測量。本次拔出試驗，改進了測試方法，采用自動、連續(xù)采集方式，可以測出荷載滑移曲線的上升段、下降段及殘余應力段，使得荷載滑移曲線更完整、更客觀地描述FRP 筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系。
3 主要試驗結(jié)果和分析
3.1 破壞特征
3.1.1 混凝土劈裂破壞
本次混凝土劈裂破壞的試件，由于混凝土受到環(huán)向拉力的作用，混凝土自CFRP 筋混凝土的接觸面上開裂，后擴展至混凝土外表面，并沿筋植入方向發(fā)展成混凝土縱向劈裂裂縫（見圖3）。
2 個劈裂破壞的試件埋入長度均為5 D，其相對保護層厚度較薄（C/D=4.5）；截面尺寸為：80 mm×80 mm×80 mm。而10D，截面尺寸為：120 mm×120 mm×120 mm 及以上的試件，因
相對保護層較厚（C/D≥7），均未發(fā)生混凝土劈裂破壞。顯然，混凝土劈裂破壞過程，受混凝土保護層厚度的影響較大。
3.1.2 CFRP 筋與混凝土滑移破壞
當埋入混凝土中的CFRP 筋長度為10 D 和15 D 時，粘結(jié)力不足以抵抗作用在加載端上的拉力，CFRP 筋與混凝土產(chǎn)生相對滑移，導致滑移破壞。被拔出的CFRP 筋表面破壞情況見圖4。
從圖4 中可以看出，埋入混凝土中的CFRP 筋的表面肋被嚴重削弱和剪切破壞。這是因為CFRP 筋與鋼筋的情況不一樣，其表面硬度和肋的抗剪切強度均低于混凝土，因此，被拔出時肋破壞嚴重。
3.2 粘結(jié)滑移曲線
本次試驗中，發(fā)生粘結(jié)破壞試件的埋入長度有3 種：5 D、10 D、15 D。它們的粘結(jié)滑移曲線分別如圖5、圖6 和圖7 所示。
圖5～圖7 中粘結(jié)滑移曲線的上升段、下降段分析如下：
（1）圖5 為CFRP 筋埋入長度為5 D 的粘結(jié)滑移曲線。在τ—s 曲線（即結(jié)應力τ- 與相對滑移s）上升段中，CFRP 筋與混凝土在a 點處開始產(chǎn)生相對滑移，由于CFRP 筋肋與界面混凝土的機械咬合作用而產(chǎn)生的斜向作用力，不僅在CFRP筋表面產(chǎn)生切向分力，而且產(chǎn)生沿徑向的環(huán)向分力，使混凝土處于受拉狀態(tài)。如果環(huán)向拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土會產(chǎn)生內(nèi)部和徑向裂縫，當其發(fā)展至構(gòu)件表面，即形成自加載端至自由端的縱向劈裂裂縫。若粘結(jié)應力達到最大值b 點時，即產(chǎn)生劈裂破壞。
從圖5 可以看出，上升段粘結(jié)應力τ與相對滑移s 呈非線性關(guān)系。當粘結(jié)應力經(jīng)過峰值后，由于橫向無箍筋約束，且相對保護層較薄（C/D=4.5），劈裂裂縫很快發(fā)展，τ—s 關(guān)系曲線進入下降段。此時，滑移迅速增加，混凝土沿筋方向劈裂，粘結(jié)應力τ與相對滑移s 呈線性關(guān)系，直至粘結(jié)應力為零的c點。
（2）圖6、圖7 分別是CFRP 筋埋入長度為10 D 和15 D，時的粘結(jié)滑移曲線。曲線均有上升段a～b、下降段b～c 和殘余應力段c～d。由于相對保護層厚度較厚（C/D≥7），混凝土內(nèi)裂縫的發(fā)展受到約束，CFRP 筋與界面混凝土之間產(chǎn)生局部剪切破壞和相對滑移，粘結(jié)與滑移τ—s 曲線呈光滑、連續(xù)的非線性關(guān)系。此外，在殘余應力段c～d 中，除了滑動摩擦力的作用外，還有部分變形肋與混凝土的機械咬合作用，只是抵抗相對滑動的能力下降，τ—s 關(guān)系曲線的上升段斜率較前一個波形小。
3.3 粘結(jié)滑移機理分析
由于CFRP 筋表面有變形帶肋，因此界面相互作用機理類似于變形鋼筋與混凝土的關(guān)系。一般由變形肋與混凝土的擠壓作用產(chǎn)生斜向作用力，斜向力在筋表面會產(chǎn)生切向分力和徑向分力，徑向分力使截面混凝土處于環(huán)向受拉狀態(tài)。當加載到一定載荷時，界面混凝土因環(huán)向拉應力的作用而產(chǎn)生內(nèi)裂縫，若混凝土保護層較薄，環(huán)向拉應力超過混凝土抗拉強度時，試件內(nèi)形成徑向—縱向裂縫，這種裂縫由筋表面沿徑向試件外表發(fā)展，同時由加載端往自由端延伸，最后導致混凝土劈裂破壞。若混凝土保護層較厚或有橫向箍筋的約束，徑向裂縫的發(fā)展受到限制，不致于產(chǎn)生劈裂破壞。但筋的滑移會大幅增加，隨著CFRP 筋肋的不斷削弱和滑移的繼續(xù)，最終導致筋被拔出的滑移破壞。
CFRP 筋與混凝土的粘結(jié)力組成也與鋼筋混凝土類似，主要由化學吸附力、摩擦力和機械咬合力組成。與鋼筋不同的是CFRP 筋的表面硬度、抗剪強度低于混凝土。因此，產(chǎn)生滑移破壞時，一般以表面肋被削弱、剝離或剪切破壞為主要特征。對于普通CFRP 筋混凝土，在CFRP 筋被拔出的初始階段，化學吸附力起主要作用。產(chǎn)生滑移后，化學吸附力退出工作，即在粘結(jié)滑移曲線的上升段中，由摩擦力和變形肋的機械咬合力承擔主要抗拔作用。當粘結(jié)應力經(jīng)過峰值以后，粘結(jié)滑移曲線進入下降段，界面混凝土對CFRP 筋的握裹力逐漸降低，摩擦力隨之減??；此外，變形肋的機械咬合作用也逐漸削弱，導致滑移迅速增加。當下降段結(jié)束時，粘結(jié)滑移曲線進入殘余應力段，粘結(jié)力不會就此消失。此時的粘結(jié)力仍由摩擦力和部分變形肋的機械咬合力組成，并進入下一個“上升段—下降段—殘余應力段”的循環(huán)過程，只是在粘結(jié)力逐步下降的同時，滑移也較前一個曲線來得更大、更快。
3.4 CFRP 筋表面應變沿埋長方向的分布
為了分析CFRP 筋與混凝土沿埋長方向的粘結(jié)應力分布情況，本次試驗通過在筋表面的應變計，測出了各級荷載作用下，筋表面應變沿埋長方向的分布（見圖8），圖中T 表示最大的拔出載荷。
從圖8 可以看出，在CFRP 筋混凝土沿埋長方向上的粘結(jié)應變分布很不均勻，其趨勢與鋼筋混凝土的粘結(jié)應變分布趨勢基本相同[11]。
距加載端約30 mm 附近，筋表面變形最大，即達到峰值粘結(jié)應力。隨著與自由端距離的縮小，CFRP 筋與混凝土間的粘結(jié)應力也迅速減小。當拔出荷載增加到極限荷載T 的50%左右時，在距自由端附近，CFRP 筋表面的應變出現(xiàn)負值，可能是因為CFRP 筋與混凝土產(chǎn)生相對滑移后，在近自由端區(qū)域的界面上，部分筋肋受到混凝土的局部擠壓作用造成的。
由于拔出試件的軸向拉力受到CFRP 筋與混凝土之間粘結(jié)力的作用，限制了CFRP 筋的自由拉伸，在界面上產(chǎn)生粘結(jié)應力τ，將部分拉力傳給混凝土，使混凝土受拉。粘結(jié)應力的大小取決于CFRP 筋與混凝土之間的應變差，當彈性模量一定時，應變差與粘結(jié)應力呈對應的線性關(guān)系，詳見公式（1）[11]。
在加載端附近時，應變差值最大，粘結(jié)應力達到峰值。隨著距加載端距離的增大，CFRP 筋表面相應的應變減小，而混凝土相應的應變增大，二者應變差值逐漸減小，在距自由端某處，應變差值為零，相對變形消失，粘結(jié)應力為零。
4 粘結(jié)強度
由圖8 可知，實際CFRP 筋與混凝土的粘結(jié)應力在埋長La 范圍內(nèi)的分布是不均勻的、變化的，而且埋入長度越長，粘結(jié)應力分布就越不均勻。試件破壞時，整個埋長上最大荷載下的平均粘結(jié)應力τm與實際最大粘結(jié)應力τmax 的比值也越小。因此，平均粘結(jié)應力τm隨埋長La 的增加而降低。取τm為拔出荷載作用下的平均粘結(jié)強度。其計算公式如下：
由試驗得知，在相對保護層厚度為C/D=4.5 至C/D=7 之間時，粘結(jié)強度隨埋長的增加而降低；而當C/D>7 后，粘結(jié)強度隨埋長的增加而變化較小。
5 結(jié)語
?。?）在CFRP 筋的拔出試驗中，埋長為5 D 的試件，在沒有箍筋的情況下，因相對保護層較?。–/D≤4.5），易發(fā)生劈裂破壞。
（2）埋長為10D、15D的試件，因其相對保護層較厚（C/D≥7），多數(shù)發(fā)生滑移破壞?；破茐臅r，由于CFRP 筋表面硬度和抗剪強度低于混凝土，因此，一般以筋肋被削弱或剪切破壞為主要特征。
?。?）劈裂破壞時τ—s 關(guān)系曲線的上升段，粘結(jié)與滑移呈非線性關(guān)系；而下降段時，粘結(jié)與滑移呈線性關(guān)系。
（4）發(fā)生滑移破壞時τ—s 關(guān)系曲線上升段—下降段—殘余應力段，其粘結(jié)與滑移均呈非線性關(guān)系，只是粘結(jié)應力經(jīng)過峰值以后，滑移明顯加快。殘余應力段又進入下一個上升段—下降段的循環(huán)過程，而隨著粘結(jié)應力的減小，滑移進一步加快。
?。?）粘結(jié)應力沿埋長方向分布明顯不均勻，在距加載端附近達到最大值，經(jīng)過峰值后迅速減小，接近自由端時，粘結(jié)應力衰減趨于零。這與鋼筋混凝土粘結(jié)應力分布非常相似。
此外，表面變形帶肋CFRP 筋的粘結(jié)應力峰值隨著拔出荷載的增加，向自由端方向幾乎沒有移動GFRP 筋表面的變形大小與粘結(jié)應力呈對應關(guān)系，即表面變形越大，粘力應力也越大。
?。?）CFRP 筋與混凝土的粘結(jié)強度隨埋長增加到大于7 D后減小。
參考文獻:
[1] Pleimann L G.Tension and bond pull- out tests of deformationfiberglass rods.Civil Engineering Department,University of Arkansas,Fayettevill Ark.,1987.
[2] Pleimann L G. Strength,modulus of elasticity and bond of deformedFRProds. Advanced Composites Materials in Civil Engineeringand Structures. Proceedings of the Specialty Conference,MaterialEngineering Division, ASCE,1991：99- 110.
[3] Chaallal O,Benmokrane B,Masmoudi R.An innovative glass- fibercomposite rebar for concrete structures.Advanced Composite Materialsin Bridges and Structures,Canadian Society for Civil Engineering,1992：179- 188.
[4] Ehsani M.R,Saadatmanesh H,Tao S.Design recommendations forbond of GFRP rebars to concrete.Journal of Structural Engineering,1996：247- 254.
[5] B. Tighiouart,B.Benmokrane,D.Gao.Investigation of bond in concretemember with fibre reinforced polymer(FRP) bars.Constructionand Building Materials，1998，12：453- 462.
[6] 高丹盈,B.Brahim.纖維聚合物筋混凝土的粘結(jié)機理及錨固長度的計算方法.水利學報，2000，11.
[7] 薛偉辰，康清梁.纖維塑料筋粘結(jié)錨固性能的試驗研究.工業(yè)建筑，1999，29（2）：19- 21.
[8] 高丹盈，B.Brahim.纖維聚合物筋與混凝土粘結(jié)性能的影響因素.工業(yè)建筑，2001，（2）：31.
[9] 高丹盈,朱海棠,謝晶晶.纖維增強塑料筋混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)模型.工業(yè)建筑，2003，33（7）:41- 44.
[10] 薛偉辰，劉華杰，王小輝.新型FRP 筋粘結(jié)性能研究.建筑結(jié)構(gòu)學報，2004，（2）:25.
[11] 藍宗建，梁書亭，孟少平.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理.南京：東南大學出版社，2002.
