不同表面形态的黏砂变形GFRP筋与混凝土之间的黏结性能.pdf

第 3 4卷第 1期 2 0 1 3年 2月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f N o ah C h i n a I n s t i t u t e 0 f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r Vo 1 3 4 No 1 Fe b20l 3 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 25 6 3 4 2 01 3 0 1 0 0 2 不 同表面形态 的黏砂变形 GF R P筋 与 混凝 土之 间的黏结性能 薛伟辰 ，方志庆 ，杨 雨 ( 同济大学 建筑工程系 ， 上 海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要 ： 基于 2 7个 L o s b e r g 拉拔试验 ， 对 不同表面形态的黏砂变形玻璃纤维( G F R P ) 筋与混凝 土之间的黏结 性能进 行 了较为系统 的研究 研究 表明 ： G F R P筋与混凝土之间的黏结应力 一滑移 ( r s ) 曲线 可分 为上 升段 、 下降 段和振荡段 3段 ， 其 中上升段 又可分 为微 滑移 段和滑移段 ； 黏砂变形 G F R P筋 的肋 间距 越大 ， 则 相应的 r s曲线振荡段波谷之间的距离也越大 ； 对 于 2种 不 同表 面形 态 的黏砂变 形 G F R P筋 ( A s i a n一1和 A s i a n一 2 ) ， 其破坏模式包 括 拔 出和 劈 裂 2种 ； 黏 砂 变 形 G F R P筋 试 件 的黏 结 强 度 约 为 钢筋 试 件 的 8 4 2 一 9 8 6 ； 相 比于黏砂变形 A s i a n一1 G F R P筋 ， A s i a n一2 G F R P筋黏砂颗粒较 细 ， 且分 布更均匀 ， 黏砂层 略厚 ， 与混凝土之间的黏结强度略高 1 0 左右 ； 随着筋直径 的增 大和混凝土强度 的降低 ， 2种不 同表 面形 态的黏 砂变形 G F R P筋试件与混凝土之 间的黏结强度均有所 降低 关键词 ： 黏砂变形 G F R P筋 ； 表 面形 态 ； 混凝土 ； 破 坏模 式 ； 黏结应力 一滑移 曲线 ； 黏结强度 中图分类号 ： T U 3 7 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 0 7 0 4 与钢筋相 比， 纤维增强塑料筋( F i b e r R e i n f o r c e d P l a s t i c R e b a r ， 简称 F R P筋 ) 具有抗腐蚀性能优 良、 抗拉强度高 、 抗磁性 能好和重量轻 等诸 多优点 根据 纤维 种类 的不 同 ， F R P筋 可 分 为玻 璃 纤 维 增 强 塑料( G l a s s F i b e r R e i n f o r c e d P l a s t i c s ， G F R P ) 筋 、 芳纶 纤 维 增 强 塑 料 ( A r a m i d F i b e r R e i n f o r c e d P l a s t i c s ， A F R P ) 筋 与 碳 纤 维 增 强 塑 料 ( C a r b o n F i b e r R e i n - f o r c e d P l a s t i c s ， C F R P ) 筋 等 3种 目前 工 程 中常 见 的 F R P筋表面形态分为黏砂变形 、 绕肋 、 黏砂与织物等 4种 ， 其 中黏砂变形 G F R P筋是利用绕线 等方式使 G F R P筋表面形成变形并辅 以黏砂而成 ， 其在工程 中的应用 最为 广泛 G F R P筋与混 凝 土之 间 良好 的黏结 性 能 是 二 者 协 同工作 的基 础 1 9 9 1年 ， P l e i ma n n等 基 于 4 4个 F R P筋拉拔试件 的试验结果 ， 提 出了 F R P筋锚 固长 度 的计 算 公 式 1 9 9 5年 ， A l u n n o 研 究 了混 凝 土 强 度 、 G F R P筋在混凝土 中的位置 、 混凝土的浇筑方向 对 G F R P筋黏结性 能的影响 1 9 9 5年 ， 薛伟辰 等 基 于 6 9个 拉拔 试 件 和 2 7个 梁 式试 件 的试 验 ， 研 究 了外 缠肋 G F R P筋 与 混 凝 土 之 间 的 黏结 性 能 ， 并 提 出了外缠 肋 G F R P筋 黏结 强度 与锚 固长 度 的设计 建 议 1 9 9 8年 ， T i g h i o u a r t B等 基于 l 2个拉拔试件和 6 4个梁 式试 件 的试 验 ， 建立 了 G F R P筋 与 混 凝 土之 间的黏结 一滑移本 构模型 2 0 0 7年 ， 薛伟辰等 基 于 1 8个梁 式试 验 ， 4 2个 L o s b e r g 拉 拔 试验 和 6个 标 准 拉拔试 验 ， 研 究 了 试 验 形 式 、 G F R P筋 直 径 、 表 面 形态和黏结长度等因素对黏砂变形 G F R P筋黏结性 能 的影 响 ， 并 提 出 了黏 砂 变 形 G F R P筋 与 混 凝 土 之 间的黏结强度和锚 固长度 的计算公式 总 体来 看 ， 国 内外 学 者 对 G F R P筋 与 混 凝 土黏 结性 能 的研究 已取 得 了一 定 的成 果 ， 但 表 面 形 态对 G F R P筋与混凝土的黏结性能影响的相关研究还很 少 ， 而针 对表 面形 态 对 黏 砂 变 形 G F R P筋 与 混凝 土 之 间黏结 性能 影 响的研究 则几 乎是 空 白 综 上 ， 笔 者通 过 2 7个 L o s b e r g拉拔试 验 ， 对具有 不同粗细黏砂层颗粒 、 不 同肋间距 和肋宽度的黏砂 收 稿 日期 ： 2 0 1 21 10 3 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 9 7 8 1 9 3 ) ； 交 通部西 部交通 建设科技 项 目( 2 0 0 6 3 1 8 8 2 2 4 4 ) ； 教育部新 世纪优 秀人才 支持 计划 ( N C E T一1 0 0 6 3 6 ) 作者 简介 ： 薛伟辰 ( 1 9 7 0 一 ) ， 男 ， 江苏扬州人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事现代预应力结构与先进复合材料应用方面的研究 8 华北水利水 电学 院学报 变 形 G F R P筋 与混 凝 土 之 间 的 黏结 强 度 、 破 坏 模 式 和黏结 应力 一滑移 曲线 ( r s ) 等方 面进行 研究 1 试验设计 1 1 材料 试 件 中采 用 了普 通 变形 钢 筋 和 由 国内 两 家大 型复合材料生产厂商提供的 2种黏砂变形 A s l a n一1 G F R P筋和 A s i a n一 2 G F R P筋 A s i a n一1 G F R P筋 和 A s l a n一2 G F R P筋 的 表 面 均 经 过 黏 砂 变 形 处 理 ： 黏砂部分 A s l a n一1 G F R P筋表面黏砂颗粒较粗， 且 黏砂层 较薄 ， 即少量 砂粒 分布于 纤维黏 结剂表 面 ， 而 A s l a n一 2 G F R P筋 表 面 黏砂 颗 粒较 细 ， 且 分 布 较 均 匀 ， 黏 砂 层 也 较 厚 ； 变形 部 分 A s i a n一1 G F R P 筋 和 A s l a n一2 G F R P筋 表 面 均 经 过 螺 旋 绕 线 处 理 ( 文中简称“ 变形” ) ， 绕线间距 ( 简称 “ 肋” ) 略有差 别 ， 直 径 各 有 2种 A s i a n一1 G F R P筋 、 A s l a n一2 G F R P筋 和变形 钢筋 的物理力 学性 能见表 1 表 1 GF R P筋和变形钢筋的物理力学性能 1 2试 件设计 设 计 了 2 7个 L o s b e r g 拉 拔试 件 ， 共 9组 ， 每 组 3 个 试件 与标 准拉 拔 试 件 相 比 ， L o s b e r g拉 拔 试 件 在 试 件 的加载 端和 自由端 分 别设 有 无 黏 结段 ， 可 以更 好地 避免应 力 集 中对 黏 结 试 验结 果 的影 响 试 件设计参数包 括： 筋材类 型 ( G F R P筋 和变形钢 筋) ； 筋材 直径 d ( G F R P筋直径 为 l 2 7 mm和 1 6 0 m m， 变形 钢筋 直径 为 1 2 0 m m 和 1 6 0 m m) ， 黏结长度 f 均为 5倍 的筋直径； 混凝土强度( C 3 0 和 C 5 0 ) 表 2列 出了 2 7个 L o s b e r g拉拔试 件 的具 体 参数 情况 ， 试 件构 造及 尺寸如 图 1 所 示 表 2中试 件 编号 AB bC cD中各 字 母代 表 的意 义分 别 为 ： A为混凝土强度等级 ； B中 G代表 G F R P筋 ， s代表 变形 钢筋 ； b为受 力筋直 径 ； C中 P代 表 拉拔 试 验 ； C 中 5代表 f = 5 d ； D中 A 1代 表 A s l a n一1 G F R P筋 ， A 2代表 A s i a n一 2 G F R P筋 表 2中 ， 破坏 模式 a I b I c 中的 a ， b ， C分 别 为每 组 3个 试 件 的破坏 形 态 ， S代 表劈 裂破 坏 ， P代表拔 出破 坏 ； 备 注 中 a ( b ) 的意 义 ： 发 生 的破 坏模式 为 b时 ， 测 得 的黏 结 强度 为 a ， 单位 为 MP a ； 对于存 在不 同破坏 模式 的同一组 试件 ， 取破 坏形态 多者作 为该组 试件 的破坏模 式进 行讨论 表 2 试 件参 数 圈 1 拉拔试件构造 图 1 0 华北水利水 电学院学报 2 0 1 3年 2月 与钢 筋试件 的黏 结强 度进行 对 比 ， 得 出如下结 论 1 ) 与钢 筋相 比 ， 在 混凝 土 强 度 相 同 的情 况下 ， 2 种不 同表面 形态 的黏砂 变形 G F R P筋试 件 与混 凝 土 之间的黏结强度均略低 ， 约为相应钢筋黏结强度的 8 4 2 9 8 6 2 ) 相比于黏砂变形 A s i a n一1 G F R P筋 ， A s i a n一 2 G F R P筋黏砂颗粒较细 ， 且分布更均匀 ， 黏砂层略 厚 ， 其与混凝土之间的黏结强度也略高 1 0 左右 3 ) 在 混 凝 土 强 度 相 同 的 情 况 下 ， 当 筋 直 径 由 1 2 7 mm增 加 至 1 6 0 m m 时 ， 黏 砂变 形 G F R P筋与 混凝土之间的黏结强度有所降低， A s i a n一1 G F R P筋 和 A s i a n一 2 G F R P筋分别 降低 了 7 8 和 1 2 7 4 ) 随着混凝土强度的提高， 黏砂 变形 G F R P筋 试 件 与混凝 土之 间 的黏 结 强度 有 显 著 提高 ， 将 混 凝 土强度等级由 C 3 0提高至 C 5 0 ， 2种不同表面形态的 黏砂变形 G F R P筋的黏结强度均提高了 5 0 左右 3 结 语 1 ) 2种不同表面形态的黏砂变形 G F R P筋试件 的破 坏形态 总体 上可 分为拔 出破坏 和混 凝土劈 裂破 坏 2种 2 ) 2种不 同表 面形态 的黏砂 变 形 G F R P筋 与 混 凝土的 r s曲线均可分为上升段 、 下降段和振荡段 3段 ， 其 中上升段又可分为微滑移段和滑移段 ； 黏砂 变形 G F R P筋的肋间距越大， 则相应的 r一s曲线振 荡段 波谷 之间 的距离 越大 3 ) 黏砂 变形 G F R P筋试 件 的黏结强 度约 为钢 筋 试件 的 8 4 2 9 8 6 ； 相 比于 黏砂 变形 A s l a n一1 G F R P筋 ， A s l a n一2 G F R P筋 与混凝 土 之 间的黏 结强 度 略高 1 0 左右 4 ) 随着筋直径的增大和混凝土强度 的降低 ， 2 种不同表面形态的黏砂变形 G F R P筋试件与混凝土 之 间的黏结 强度均 有所 降低 参 考 文 献 薛伟辰 现 代预应 力结 构设计 M 北 京 ： 中 国建 筑工 业 出版社 ， 2 0 0 3 La r r y G， P l e i ma n n S t r e n g t h， mo d ul us o f e l a s t i c i t y， a nd bo n d o f d e f o r m e d F R P r o d s J A d v a n c e d C o m p o s i t e s Ma t e r i a l s i n Ci v i l En g i n e e r i n g S t r u c t ur e s ， 1 991， 9 91 1 0 Al u nn o R， Os s e i t V， Ga l e o t a D， e t a 1 L o c a l b o nd s t r e s s s l i p r e l a t i o n s hi p s o f g l a s s fib e r r e i n f o r c e d p l a s t i c ba r s e mb e d d e d i n c o n c r e t e J Ma t e ri a l s a n d S t ruc t u r e s ， 1 9 9 5 ， 2 8 ： 3 4 0 3 4 4 薛伟辰 ， 康清梁 纤维塑料筋 黏结锚 固性 能的试验 研究 J 工业建筑 ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 1 2 ) ： 5 7 Ti g hi o u a r t B， Ben mo k r a n e B， Ga o D I n v e s t i g a t i o n o f b o n d i n c o n c r e t e me mb e r wi t h F i b e r Re i n f o r c e d P o l y me r( F RP ) b a r s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 1 9 8 8 ， 1 2 ( 8 )： 4 5 34 6 2 薛伟辰 ， 郑乔文 ， 杨雨 黏砂变形 G F R P筋黏结性能研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 1 2 ) ： 5 96 8 中国建筑科 学研 究院 G B 5 0 1 5 2 -9 2混凝 土结构 试验 方法标准 s 北京 ： 中国计划 出版社 ， 1 9 9 2 Ze n o n Ac h i l l i d e s， Ky pr o s P i l a k ou t a s Bo n d b e h a v i o r o f fib e r r e i n f o r c e d p o l y me r b a r s u nd e r d i r e c t p ul l o ut c o nd i t i o ns J J o u r n a l o f C o mp o s i t e s f o r C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 4 ， 8 ( 2 ) ： 1 73 1 8】 Bo nd Be ha v i o r s be t we e n S a nd c o a t e d GFRP Re ba r a nd Co n c r e t e i n Di f lf e r e nt S ur f a c e Co nd i t i o ns XUE W e i c he n，FANG Z h i q i n g，YANG Yu ( D e p a r t me n t o f B u i l d i n g E n g i n e e r i n g ，T o n g j i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，C h i n a ) Abs t r ac t：Ba s e d o n t e s t s o f 2 7 Lo s b e r g p ul l o u t s p e c i me ns，t he bo n d be h a v i o r s b e t we e n s a nd c o a t e d GFRP r e ba r a nd c o n c r e t e i n d i f - f e r e nt s u rfa c e c o n d i t i o ns we r e s y s t e ma t i c a l l y a na l y z e dTe s t r e s u l t s s h o we d t h a t t h e e x pe r i me n t a l b o n d s t r e s s s l i p c u r v e s be t we e n GFRP r e b a r a n d c o n c r e t e( r - S c u r v e )wa s d i v i d e d i n t o a s c e n d i n g s t a g e ，d e s c e n d i n g s t a g e a n d o s c i l l a t i n g s t a g e， a n d t h e a s c e n d i n g s t a g e c o u l d be d i v i d e d i n t o t he mi c r o s l i p pa g e s t a g e a n d s l i p p a g e s t a g e；wi t h l a r g e r r i b s p a c i ng o f s a nd c o a t e d GFRP r e b a r ，h i g h e r s p a c i ng be t we e n t r o u g h s o f t he o s c i l l a t i n g s t a g e wa s o b t a i n e d；f o r t wo ki n d o f t he s a n d c o a t e d GFRP r e b a r s p e c i me ns wi t h d i f f e r e n t s u r f a c e s，t h e f a i l ur e mo de s i n c l ud e d pu l l o u t f a i l u r e a n d s p l i t t i ng f a i l u r e：t h e bo nd s t r e n g t h o f s a nd - c o a t e d GFRP r e b a r wi t h c o nc r e t e wa s 8 4 29 8 6 o f t ha t o f t h e de for me d s t e e l ：c o mp a r e d wi t h t h e As l a n一 1 s a n d c o a t e d GFRP r e b a r 。t he bo n d s t r e n g t h o f As i a n一 2 s a n d c o a t e d GFRP r e ba r wi t h f i n e r，be t t e r di s t r i b ut e d a n d t h i c ke r s a nd wa s 1 0 h i g h e r ；t he b o n d s t r e n g t h s o f t he t wo k i nd s o f s a n d c o a t e d GFRP r e b a r wi t h d i f f e r e n t S u rfa c e s d e c r e a s e d a l o ng wi t h t h e i nc r e a s e o f t he r e b a r d i a me t e r a n d t he r e du c t i o n o f t h e c o n c r e t e s t r e ng t h Ke y wor d s：s a n d c o a t e d GF RP r e b a r ；s u rfa c e c o n di t i o n；c o nc r e t e；f a i l u r e mo d e；bo nd s t r e s s s l i p c u r v e；b o n d s t r e ng t h ( 责任编辑 ： 乔翠平 ) 1 J 1 j 1 J 1 j j 1 i 1 2 3 4 5 6 7 8 r L r L rL r L rL r