碳纤维筋与活性粉末混凝土粘结性能试验研究.pdf

第 3卷第 1 期 2 0 0 6年 2月 铁道科学与工程学报 J OURNA L OF R AI L AY S CI E NCE AND E NGI NE ERI NG V o 1 3 F e b NO 1 2 0 0 6 碳纤维筋与活性粉末混凝土粘结性能试验研究 黄政宇， 岑小艳。 柳红霞 ( 湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙4 1 0 0 8 2 ) 摘要： 通过拉拔试验， 对活性粉末混凝土与碳纤维筋的粘结性能进行了试验研究， 考察了水胶比、 钢纤雏掺量及硅灰掺量 等材料参数对粘结性能的影响。试验结果表明： 粘结滑移曲线的形状主要与碳纤维筋的表面形状有关， 与活性粉末混凝土 的配比无关； 碳纤维筋与活性粉末混凝土的粘结强度随着水胶比的降低而提 高， 但是提高的幅度并不明显； 钢纤维的掺入 可以有效地提高粘结强度， 是影响粘结强度的一个重要因素； 掺入硅灰有利于改善粘结性能， 但其掺量有一个最佳范围， 在 本次试验 中， 硅灰的 最佳掺量 为 0 2 5 0 3 5 。 关键词 ： 碳 纤维筋； 活性粉末混凝土 ； 粘 结性能 中图分类号： F U 5 2 8 5 8 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 6 ) 0 1 0 0 6 5 0 5 E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n t h e b o n d p e r f o r ma n c e b e t we e n CF R P b a r s a n d r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e HUANG Z h e n g y u，CEN Xi a o y a n，L I U Ho n g x i a ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，H u n a n U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： An e x p e r i i n e n t a i n v e s t i g a t i o n w a s c o n d u c t e d t o e x a mi n e t h e b o n d s t r e n g t h c h a r a c t e ri s t i c s b e t w e e n c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r( C F R P )b a r s a n d re a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e( R P C ) I t W as f o u n d t h a t t h e s h a p e o f t h e b o n d s t r e s s s l i p c u r v e m a i n l y d e p e n d s o n t h e s u rf a c e c o n d i t i o n s o f t h e C F R P b a r ，a n d h a s n o rel a t i o n t o t h e ma t r i x ；t h e b o n d s t r e n g t h b e t w e e n C F RP b ar and R P C w i l l i n c r e ase s l i g h t l y w i t h t h e d e c r e ase o f t h e w a t e r b i n d e r r a t i o ；t h e a d d i n g o f s t e e l fi b e r c a n i n c rease t h e bo n d s t ren g t h s i g n i fi c ant l y a n d t h e c o n t e n t o f s t e e l fi b e r i s a n i mp o r t a n t f a c t o r a f - f e c t i n g b o n d p e d b r manc e ； s i l i c a f u me C an i i n p i o v e t h e b o n d s t ren gth b e t w e e n C F R P b a r and R P C， b u t t h e b o n d s t r e n gth i s n t i n p r o por t i o n t o t h e c o n t e n t o f s i l i c a f u me I n t h i s e x p e ri me n t ，t h e o p t i ma l c o n t e n t o f s i l i c a f u m e i s 0 2 5 t o 0 3 5 Ke y wo r d s ： c arb o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r b a r ；r e a c t i v e pow d e r c o n c ret e ；bon d p e rf o r ma n c e 钢筋混凝土结构是土木水利工程 中应用最广 泛的结构， 但在某些恶劣条件下， 钢筋容易锈蚀， 严 重影响钢筋混凝土结构的应用。有资料表明， 美国 1 6 万座桥梁在设计基准期 内因钢筋锈蚀而所需要 的维修费用高达 2 0 0 亿美元， 而欧洲因钢筋锈蚀而 引起的损失估计每年达 1 5亿美元l l J 。因此 ， 自 2 0 世纪 8 O年代 以来 ， 提出用连续纤维增强塑料 ( 简称 F R P 筋) 来代替钢筋。它具有抗拉强度高、 抗腐蚀 性能强、 密度小， 热膨胀系数与? 昆 凝土相近等优 点l 2 , 3 J 。此外 ， 由于混 凝土耐久性 问题造成 的混凝 土结构破坏也时有发生 ， 在某些国家 ， 因耐久性不 足而引起的结构维修和更换费用占到建筑总投资 的 4 0 。活性粉末混凝 土( 简称 R P C) 是 2 O世纪 9 O 年代初法国学者 P i e r r e 等研究成功的一种超高 性能混凝土 ， 它具有 良好的力学性能和耐久性能 ， 在石油、 核电、 海洋等各种耐腐蚀工程中有着广阔 收稿 日期 ： 2 0 0 5 1 0 1 0 基金项目： 国家 自 然科学基金资助项L =J ( 5 0 4 7 8 5 0 2 ) 作者简介： 黄政宇 ( 1 9 5 9 一)， 男， 湖南湘潭人， 教授， 从事高性能混凝土研究 维普资讯 http:/ 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 6年 2月 的应用前景l 4 J 。将这 2 种材料结合使用， 可大大 提高结构的耐久性。R P C与碳纤维筋结合的一个 基本问题是 R P C 与碳纤维筋的粘结性能， 在此， 作 者对 R P C与碳纤维筋的粘结性能进行试验研究， 考察水胶比、 钢纤维掺量及硅灰掺量等材料参数的 影响， 以期为 2 种材料的结合使用提供参考数据。 1 试验 1 1 材料 水泥： 湖南韶峰水泥集团有限公司生产的“ 韶 峰牌” 4 2 5 级普通硅酸盐水泥， 其化学成分见表 1 。 表 1 水泥的化学成分 Ta b l e 1 C h e mic a l c o mpon ant o f c e me n t w S i A I ： 0 3 C a O M f ；( 】 F e 2 0 3 S O 3 烧 失量 2 2 1 3 5 3 7 6 5 ( 1 0 6 2 1 2 5 2 8 1 1 R 石英砂： 粒径为 2 l 2 3 8 0 m的石英砂。 硅灰 ： W( S i ( ) ， )9 0 ， 比表 面积 为 1 82 0 m g ， 平均粒径为 0 1 2 。 石英粉： 粒径为 4 7 的石英粉， 实测平均粒 径为 3 1 3 3 f 上 r n ， 密度为 2 6 3 g c m 3 。 高效减水剂： 氨基磺酸盐型高效减水剂， 半透 明棕红色液体， 含固量为 3 0 。 钢纤维 ： 平直钢 纤维 ， 直径 为 0 1 7 5 m l n ， 长为 1 5 m m， 抗拉强度为 5 3 0 M P a 。 碳纤维筋： 进 口碳纤维筋， 表面为螺旋肋， 等效 直径为9 。 8 n ll n ， 抗拉强度保证值为2 5 5 0 M P a 。 1 2 试验配比 R P C的试验配合 比及抗压强度见表 2 。 1 3 试件的制备 如图 1 所示 ， 试件采用外径为 7 6 m m， 内径为 6 6 m ln的钢管， 碳纤维筋埋置于钢管中心， 混凝土 浇注方 向与筋平行。碳纤维筋埋置深度为 1 0 0 m m， 其中粘结长度为 6 0 m ln ， 加载端的4 0 m ln内用 一 硬质塑料套管隔开筋与混凝土之间的粘结， 以减 少加载端的应力集中所造成的影响。 I 一 d d d 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 CFRI I “- 塑料套管 I e 廿 _ 盟 地 l ： = 二二二 口 口 二二 单位：m i l l 图 1 试件尺寸图 Fig 1 Di me n s i o n s o f t e s t s p e c ime n 每组制作 3个同配比的试件， 同时浇注 3个 1 0 0 m ln 1 0 0 m ln 1 0 0 m ln的混凝土立方体试件同 期养护， 以测定混凝土的抗压强度。 试件采用外径为5 m ln 的捣棒分 2 层插捣成。 试件在拆模后， 在标准养护室养护 3 d ， 再在 ( 8 0 2 )的温水中养护2 d ， 然后进行试验。 1 4 试验方法 这里主要对 比各参数对粘结强度的影响， 因 此， 采用较简单、 经济的拉拔试验。 试验装置如图2所示。试件上部用 1 个两端 带螺钉的铁架子把百分表固定于钢管上， 用于量测 自由端碳纤维筋的滑移； 试验机采用位移控制， 加 载速度为 2 m m m i n 。由于碳纤维筋的抗剪强度很 低， 为避免在夹持处发生剪切破坏， 试验采用了专 门的夹片式锚具进行夹持。 衰2 R P C的配合比及抗压强度 T a b l e 2 M i x p r o p o r t i o n( b y m a s s )a n d t h e c o m p r e s s i v e s t l n g th o f R P C Cl c 2 C 3 c 4 1 1 1 0 1 5 1 1 1 O 2 5 l 1 1 0 3 5 l 1 1 0 4 5 0 4 5 0 3 5 O 2 5 0 1 5 O 2 7 O 2 2 O 2 l O 2 l 8 8 3 1 2 2 8 1 2 7 7 l 3 0 2 注： l 所有配比高效减水剂掺量均为2 ； 2除钢纤维掺量为体积掺量外 ， 其余均为质量比。 维普资讯 http:/ 第 l 期 黄政字， 等： 碳纤维筋与活性粉末混凝土粘结性能试验研究 6 7 F 1 一 百分表； 2 一 铁架； 3 一 螺钉； 4 一 试件； 5 一承压垫板 图 2 试验装置图 F i g 2 S e t u p f o r t e s t 粘结应力即碳纤维筋与 R P C接触面上的剪应 力由下式计算得出： P d b l d。 式中： r 为粘结应力， M P a ； P为拉拔力， N ； d 为碳 纤维筋的等效直径， m m； 为碳纤维筋的埋长， 2 试验结果与分析 2 1 粘结滑移特性 由于碳纤维筋表面的缠绕， 肋抗剪强度比较 低， 因此， 其破坏型式通常为碳纤维筋表面的缠绕 肋被剪切破坏， 而不是肋间的混凝土被挤碎， 如图 3 所示。所有试件 的粘 结滑移曲线与钢筋同混 凝 土的拔出曲线类似， 都分为上升段 、 下降段和残余 段。在残余部分， 粘结应力有回弹， 随后下降， 呈波 浪衰减的趋势； 粘结 一滑移曲线的形状主要与筋的 类型有关， 而与材料无太大关系， 所有试件的峰值 罨 錾 一 - 一A1 W B= 0 2 2 ； 2 4 6 8 l 0 l 2 滑移 ra m 粘结应力均发生在滑移约 4 m m即约为 1 个肋长 时； 粘结能( 即 粘结一 滑移曲线下的面积) _7 随着粘 结强度的增加而增加。 图 3 拔 出碳纤维筋 的表面 F i g 3 S u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c o f CF R P b a r a f te r p u l l o u t 2 2水胶比对粘结强度的影响 不同水胶比试件的粘结强度见图4 。与钢筋 与普通混凝土的粘结类似， 碳纤维筋与 R P C的粘 结强度随着水胶比的减小而增大。即使相对普通 混凝 土 ， 本 试 验 采用 R P C 的水 胶 比较 小 ( 小 于 O 2 8 ) ， 然而， 由于 C F R P筋表面比较光滑， 仍然存 在少量的泌水， 随着 R P C中水胶比的减少， R P C与 碳纤维筋的粘结界面区的泌水减少， 减小了界面区 的孔隙率， 提高了密实度， 改善了界面结构； 同时， 硅灰的加入以及水胶比的减少， 在一定程度上制约 了C a ( O H ) 2 和 A f t 晶体的长大， 改变或减小其取向 性， 生成了更多的 C S H凝胶， 提高了 R P C与碳 纤维筋的接触 面积 ， 从而提高了粘结强度。此外 ， 随着水胶比的减小， R P C的强度也随之增大， 这在 一 定程度上也提高了碳纤维筋与 R P C的粘结强 度。 图 4 水胶 比对粘结强度 的影响 F i g 4 I n fl u e n c e o f mw mb o N t h e b o n d s t r e n g t h 水胶 比 罨 斌瓣摇 维普资讯 http:/ 6 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 6年 2月 2 3 钢纤维掺量对混凝土粘结强度的影响 钢纤维掺 量对粘结 强度 的影响见 图 5 。可 以 看出， 粘结强度随着钢纤维掺量的增大而增大。钢 纤维加入? 昆 凝土 中后 ， 可以阻止和延缓混凝土裂缝 的发生和发展， 使混凝土的抗拉强度明显提高_ 8 _8， 而混凝士的抗拉强度是影响混凝土粘结强度的一 个重要因素， 所以， 加入钢纤维后可以显著提高混 凝土粘结强度 。从图 5可见， 当钢纤维掺量从 0增 加到 2 时， 粘结强度明显提高， 即使是钢纤维掺 量从 1 提高到 2 时 ， 混凝土抗压强度没有明显 提高的情况下， 粘结强度也提高较大。由此可见， 钢纤维是一个独立于抗压强度 的影响因素。当钢 纤维掺量从 2 增加到 3 时， 粘结强度的提高趋 平缓， 这是由于钢纤维的增强效果与其掺量并不是 呈线性增加关系， 随着纤维体积掺量的增加， 混凝 土抗拉强度的增加速率明显减小。钢纤维掺量越 大， 它在水泥浆体中的分散难度也越大， 其新拌混 善 巷 姆 蜒 善 j l 蜒 滑移， m m 凝土的捣实更加困难 ， 因而， 不能最 大程度地发挥 其增强作用 。基于本次试验结果 ， 从经济性及强度 2个方面考虑 ， 钢纤维的最佳掺量为 2 。 2 4 硅灰对混凝土粘结强度的影响 在普通及高强混凝土中， 掺加硅灰可以提高其 与钢筋的粘结强度。研究表明l 9 J ， 硅灰是独立于强 度之外对钢筋与混凝土粘结产生影响的因素。因 而， 此处将其单独列为一个影响因素。 在维持硅灰与石英粉总掺量不变的条件下， 硅 灰分别采用 0 1 5 ， 0 2 5 ， 0 3 5 及 0 4 5 共 4种掺量， 考虑到施工的要求， 4 组试件的水胶比分别取为保 证基本和易性下的最小水胶 比。 R P C与碳纤维筋的粘结强度的试验结果见图 6 。由图6 可见， 当硅灰掺量在 0 1 5 0 3 5范围内 变化时， 随着硅灰掺量 的增加 ， 粘结强度也随之增 加 ， 而当硅灰掺量增大到 0 4 5 时 ， 粘结强度反而有 所下降。 钢纤维掺量 图5 钢纤维对粘结强度的影响 F i g 5 I n fl u e n c e o f t i l e c o n t e n t o f s t e e l fi b e r o n t h e bon d s tr e n g t h m m 2 4 6 8 1 O l 2 滑移 ra m 硅灰掺t t , - m ， 图 6 硅灰对粘结强度的影响 F i g 6 I nfl u e n c e o f s i l i c a f u me c o n t e n t o n t h e b o n d s t r e n g t h 善越蠼好椠 口 d 罨 鹱姆椠 维普资讯 http:/ 第 1 期 黄政宇， 等： 碳纤维筋与活性粉末混凝土粘结性能试验研究 6 9 当硅灰掺量较小 时( 如 0 1 5 ) ， 为了满足和易 性的要求 ， 所需 的水胶 比较 大， 从而造成混凝土抗 压强度及粘结强度均较低。当硅灰掺量从 0 1 5 增 大到0 3 5 时， 随着硅灰掺量的增加 ， 粘结强度有所 提高。提高硅灰掺量导致粘结强度提高， 其原因是 硅灰的掺入改善了界面区的泌水。此外， 混凝土粘 结强度还与界面薄弱层有关 。因为在 R P C与碳纤 维筋之间存在一个界面， 这个界面水胶比较大， 氢 氧化钙 富集且结 晶取 向性强， 加入硅灰后 ， 可与氢 氧化钙发生反应 ， 生成胶凝性很强的水化硅酸钙 c s H ， 从而提高了界面的密实度， 也减弱了氢氧 化钙的取向性， 提高了粘结强度。而当硅灰掺量从 0 3 5 增大到0 4 5 时， 由于硅灰的加入使得 R P C变 稠， 在保证工作度的前提下， 增大了 R P C的需水 量。过量的硅灰还会聚集在界面区， 从而减弱了界 面区的粘结， 此外， 硅灰掺量对抗拉强度的影响并 不如抗压埘抗拉强度的影响明显【 l0 j ， 即使是混凝 土抗压强度提高， 抗拉强度有可能反而降低。因 此 ， 硅灰掺量应 以0 2 5 0 3 5为宜 。 3 结论 1 )所有 的试件均发生 的是拔 出破坏 ， 在拔 出 的筋 f 可 以看到 ， 筋上 的表 面缠绕 肋均被剪切破 坏； 所有试件的粘结滑移曲线与钢筋与混凝土的拔 出曲线类似， 都分为上升段、 下降段和残余段。在 残余段， 粘结应力有所回弹， 随后下降， 呈波浪衰减 的趋势。 2 ) 粘结 一 滑移曲线的形状主要与筋的类型有 关 ， 而与材料无太大关系 ， 所有试件的峰值应力均 发生在滑移约 4 B i n即约为 1 个肋长时。 3 )碳纤维筋与 R P C的粘结强度随着水胶比的 降低而提高， 但是提高的幅度并不明显。水胶比的 降低减少了 R P C与碳纤维筋的粘结界面区的泌 水， 减小了界面区的孔隙率， 提高了密实度， 改善了 界面结构， 从而提高了粘结强度。 4 ) 钢纤维的掺入可以显著提高碳纤维筋与 R P C 的粘结强度。但是， 钢纤维的增强效果与掺量 并不是呈线性增加关系。综合经济性及粘结强度 2 个方面考虑， 钢纤维的最佳掺量为2 。 5 ) 在 本次试验 中， 当硅灰掺量在 0 1 50 3 5 范围内变化时， 随着硅灰掺量的增加， 粘结强度也 随之增加， 但当硅灰掺量达到0 4 5 时， 粘结强度反 而下降； 硅灰掺量为 0 3 5 时， 粘结强度最大。 参考文献 ： 1 C h al l al O， B e m n o k r ane B P u l l o u t a n d b 0 n d o f a s s fi b e r r o d s e m b e d d e d i n c o n c r e t e a n d c e m e n t g r o u t l J J M a t e ri a l s a n d S tr u c t u r e s ， 1 9 9 3 ， 2 6： 1 6 71 7 5 2 U o m o t o T ， M u t s u y o s h i HU s e o f fi b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r c o m pos i t e s a s r e i nf o r c i n g m a t e r i a l f o r c o n c r e J J J o u r n a l o f Ma t e r i als i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 2 5： 1 9 1 2 0 9 3 F u k u y a m a H n c o m p o s i t e s i n J a p a n J J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n al， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 1 o ) ： 3 3 3 6 4 杨吴生， 黄政宇 活性粉末混凝土耐久性能研究 J 混 凝土与水泥制品， 2 0 0 3 ( 1 ) ： l 9 2 O Y A NG Wu - s h e n g ， HUA NG Z h e n g y uRe s e a r c h o n t h e d u r a b i l i t y o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e l J J C o n c r e t e a n d C e m e n t P r o d u c t ， 2 0 o 3 ( 1 ) ： 1 9 2 0 5 R i c h a r d P ， C h e y t e z y MR e a c t i v e pow d e r c o n c r e t e w i th h i g h d u c t i l i t y and 2 0 08 0 0 M P a c o m p res s i v e s t re n g t h J A 0， 1 9 9 7 S p 1 4 4 ： 5 0 75 1 8 1 6 J Ma I I V， R i c h e t C ， M o r anv i l l e MC h a r a c t e r i z a t i o n o f R e a c t i v e P o w d e r C o n c ret e as a C and i d a t e f o r t h e S t o r a g e of N u c l e a r Wa s t e s l A S y m pos i u m O ll H i g h P e r f o r m a n c e and R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e c S h e r b r o o k e ， C ana d a ， 1 9 9 8 ： 7 5 8 8 7 A l a v i F a r dM， M a s -z o u k H B o n d o f h i ghs t r e n g t h c o n c re t e u n d e r m o n o t o n i c p u ao u t l o a d i n g 【 J M a g a z i n e of C o n c re t e R e s e a r c h ， 2 0 o 4 ， 5 6 ( 9 ) ： 5 4 5 5 5 7 8 朱海堂 ， 汤寄予， 赵 军 钢纤维高强混凝土抗拉强度 试验研究 J 河南科学， 2 0 0 2 ， 2 0 ( 6 ) ： 6 5 3 6 5 5 Z HU H a l ta n g ， T A NG J i y u， Z HA O J u nE x p e ri me n t a l t u d y o n t h e t e n s i l e s t r e n g th of st e e l fi b e r hi g l 1 一s t r e n g t h c o n e re t o J H e n a n S c ie n c e ， 2 0 0 2 ， 2 0 ( 6 ) ： 6 5 3 6 5 5 9 欧阳东 稻草灰对高强超高强混凝士钢筋粘结强度的 影响 J 工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 1 ) ： 4 6 4 8 O U Y A N G D o n g E ff e c t of r i c e h u s k a s h O ll ben d s t r e n be t w e e n s t e e l b a r a n d H S C U H S C J I n d u s t r i al C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 1 )： 46 4 8 1 0 张承志， 王爱勤， 邵惠， 等 建筑混凝土 M 北京： 化 学工业出版社， 2 0 0 1 ： 1 1 8 1 1 9 Z HA N G C h e n g - z h i ， W A N G A i q i n ，S H AO Hni ，e t a 1 C o n s t r u c t i o n C o n c r e t e M B e i j i n g ：C h e m i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 ( x 】 l ： 1 1 8一 l 1 9 维普资讯 http:/