BFRP筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特性及海水环境下时变规律.pdf

第 卷 第 期 年 月 仲恺农业工程学院学报 .:./.收稿日期:基金项目:广东省自然科学基金(、)、广州市科技计划项目().作者简介:杨永民()男 内蒙古赤峰人 教授级高级工程师 博士.通信作者:.筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特性及海水环境下时变规律杨永民 唐昀超 冯万辉 李 松 于 磊 吴玉友 杨智诚(.仲恺农业工程学院 城乡建设学院 广东 广州.广东省岭南乡镇绿色建筑工业化工程技术研究中心 广东 广州.仲恺农业工程学院 可持续建筑与节能研究所 广东 广州.佛罗里达大西洋大学 海洋材料与结构中心 佛罗里达 博卡拉顿)摘要:为了分析玄武岩纤维筋的粘结滑移特性以及长期暴露在海洋环境中的配筋混凝土的长期粘结滑移时变行为 研究了玄武岩纤维()筋增强地质聚合物混凝土中筋尺寸、腐蚀龄期和混凝土强度对人工海水作用下混凝土中 筋粘结滑移行为的影响 并采用改进的()模型来描述 筋的粘结滑移行为.结果表明 随 筋直径的增大 筋与地质聚合物混凝土间的极限粘结强度与对应的滑移均逐渐降低 极限滑移与对应的粘结强度也逐渐降低 经过 海水腐蚀后极限粘结强度与对应的滑移降低 粘结滑移曲线出现了水平段 提高混凝土强度等级对提高海水环境下 筋和混凝土之间粘结性能有利.改进的 模型更加适合表征 筋与混凝土之间的粘结滑移 海水腐蚀后曲线的上升段更加趋于刚性 曲线的下降段更加趋于柔性.关键词:玄武岩纤维筋 地质聚合物混凝土 粘结滑移特性 时变规律中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):().().:由于钢筋腐蚀膨胀引起的裂缝 传统的钢筋混凝土结构经常遇到耐久性问题.就钢筋而言玄武岩纤维()筋作为一种具有高化学稳定性的新型非金属筋 具有优异的耐腐蚀性 被认为是一种潜在的替代材料 可以取代海洋混凝土结构等极端腐蚀环境下的钢筋混凝土结构中的传统钢筋.对 筋或 筋混凝土的力学性能和粘结耐久性能已有大量研究 在 碱性溶液中浸泡 后 筋的抗拉强度损失高达 在人工海水中浸泡 后 混凝土中的 筋粘结强度降低了.等证 实 当 使 用 大 直 径 筋时 筋和混凝土之间的界面很容易泌水 导致 筋与混凝土之间的粘结强度降低.等发现 在 的人工海水中暴露 后混凝土中 筋的粘结强度基本保持不变.粘结滑移行为影响钢筋锚固、搭接强度、混凝土保护层要求、适用性和极限状态 是 筋作为混凝土结构内部钢筋成功应用的关键特征.需要注意的是 混凝土中 筋的粘结滑移行为与钢筋的粘结滑动行为不同.尽管关于 筋和混凝土之间的粘结滑移行为已经取得了一些成果 但大多数成果都集中在小尺寸 筋()有望用作海洋混凝土结构的增强材料 尤其是在中国南部沿海地区.因此 本文研究 筋尺寸、腐蚀龄期和混凝土强度对人工海水作用下混凝土中 筋粘结滑移行为的影响 并采用改进的()模型来描述 筋的粘结滑移行为 希望更好地了解海洋环境下 筋在混凝土中的粘结滑移行为 能为海洋混凝土结构的设计和使用寿命预测提供基础数据.材料与方法 材料 混凝土混凝土材料为地质聚合物混凝土和普通混凝土两类 用胶凝材料地质聚合物()和 水泥制备成地质聚合物混凝土()和硅酸盐水泥混凝土()物理力学性能见表.细骨料为惠来天然海砂 粗骨料为 连续级配的石灰岩碎石.地质聚合物和普通硅酸盐水泥混凝土配合比见表.表 地质聚合物混凝土及普通硅酸盐水泥混凝土的物理力学性能)材料名称工作性能抗压强度/坍落度/坍扩度/.)硅酸盐水泥混凝土 地质聚合物混凝土.表 地质聚合物混凝土及普通硅酸盐水泥混凝土的配合比)材料名称强度等级水灰比砂率/胶凝材料/(/)砂/(/)碎石/(/)减水剂/(/)水/(/)./)硅酸盐水泥混凝土 地质聚合物混凝土.玄武岩纤维筋(筋)试验用的 筋由广东辉固材料科技有限公司生产 共有 个规格 分别为 、和 典型 筋的照片及尺寸见图.试验方法将 长的 筋放置于 模具的中心 在 筋的加载端覆盖 管 控制 筋嵌入混凝土长度(为 筋直径的 倍).浇筑新拌混凝土 振捣 后置于()和的相对湿度环境中 养护 后脱模 将 筋的自由端用钢套筒加固(筋和钢套筒用环氧树脂粘结)以防止拉力机夹头对 筋的剪切破坏(图).用环氧树脂对试样底部自由端(的半圆)进行密封 并将样品置于()的饱和石灰水中养护 后取出 再放入有人工海水的侵蚀箱中进行不同龄期的侵蚀试验(图)将达到龄期的拉伸试件放置在拉力机(图)加载及数 第 期 杨永民 等:筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特性及海水环境下时变规律 据采集系统中进行粘结滑移试验.图 筋照片和尺寸图 试样及试验过程示意图 结果与分析 筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特性 筋直径对粘结滑移性能的影响不同直径的 筋与地质聚合物混凝土及普通硅酸盐水泥混凝土间的粘结滑移曲线见图 粘结滑移测试结果见表.随 筋直径的增大 筋与地质聚合物混凝土间的极限粘结强度(t)与对应的滑移()均逐渐降低 极限滑移()与对应的粘结强度(t)也逐渐降低.即 筋直径越大 极限粘结强度t越小 对应的滑移值 越小 极限滑移值 越小 对应的粘结强度t越小(图).与普通混凝土(图)相比 筋与地质聚合物混凝土的极限粘结应力(t)和对应的滑移()略高.例如 直 径 为 的 筋与普通混凝土的极限粘结强度和对应滑移为 和 而 筋与地质聚合物混凝土的极限粘结强度和对应滑移分别增加至 和 (表).图 直径对混凝土中 筋粘结滑移特性的影响 仲恺农业工程学院学报第 卷表 混凝土中 筋的粘结滑移测试结果 筋的规格混凝土种类t/t/地质聚合物混凝土.硅酸盐水泥混凝土.地质聚合物混凝土.硅酸盐水泥混凝土.地质聚合物混凝土.硅酸盐水泥混凝土.混凝土强度等级对粘结滑移性能的影响随着混凝土强度的提高 极限粘结强度(t)增加 对应的粘结滑移值()以及极限滑移值()均减小(图).混凝土强度等级由 提高到 和 时 筋与地质聚合物混凝土的极限粘结强度分别提高 和 提高率分别为 和 极限粘结滑移值分别降低 和 分别降低 和(表).因此提高混凝土强度等级对 筋与混凝土之间的改善粘结滑移性能有利.这是因为 筋与混凝土的极限粘结强度主要取决于二者的机械咬合力 混凝土强度较低时机械咬合力较小 筋横肋间混凝土压碎破坏后筋被拔出.与普通混凝土相比混凝土强度等级的提高 对 筋与地质聚合物混凝土的极限粘结强度提高较多 所对应的滑移值降低较明显.图 混凝土强度等级对 筋()粘结滑移的影响表 筋()与混凝土之间的粘结滑移测试结果混凝土种类混凝土强度等级t/t/硅酸盐水泥混凝土.地质聚合物混凝土.海水环境下 筋与地质聚合物混凝土粘结性能时变规律 筋直径对粘结滑移性能的影响 筋与地质聚合物混凝土在海水环境下的粘结滑移性能可以通过t、和t来表征.由图 及表 可见 直径为 的 筋与混凝土的t和 分别为 和 经过 海水腐蚀后t和 分别减少至 和 即随着腐蚀龄期的延长 筋与地质聚合物混凝土的最大粘结强度降低 对应的粘结滑移值减小.经过 的腐蚀 的 筋与地质聚合物混凝土的t从 增加至 相对应的 从 减少至 .经过腐蚀以后 粘结滑移曲线出现了水平段 接近极限粘结滑移值时 很小的拉力即可使滑移值增大很多.对于 的 筋与地质聚合物混凝土t、和t 个参数的变化规律和 的 筋与地质聚合物混凝土的变化规律类似 遭受海水腐蚀后 相应的参数降低程度较大(表).第 期 杨永民 等:筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特性及海水环境下时变规律 图 直径对 筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特征的影响表 海水腐蚀后不同直径的 筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特征参数 筋的规格侵蚀龄期/t/t/.混凝土强度等级对粘结滑移性能的影响提高混凝土强度等级 最大粘结强度t相应提高 最大粘结强度对应的粘结滑移值 降低极限粘结滑移值 降低 与极限滑移值对应的粘结强度t提高(图)经过 的海水侵蚀 筋与、和 地质聚合物混凝土相对于侵蚀前t分别降低、和 分别降低 、和 .侵蚀后 筋与 和 地质聚合物混凝土相比 地质聚合物混凝土t分别提高、分别降低、(表).最大粘结强度t和对应的粘结滑移值 提高 即提高混凝土强度等级对提高海水环境下 筋和混凝土之间粘结性能有利.图 海水腐蚀前后 筋与不同强度等级地质聚合物混凝土的粘结滑移特征表 海水腐蚀后 筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特征侵蚀龄期/混凝土强度等级t/t/.筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移及时变模型分析 通常用()模型来分析钢筋和混凝土之间的粘结滑移特征(图)粘结滑移曲线的上升段()粘结强度(t)和粘结滑移()可以表示为:tt().()式中:t为极限粘结强度()为极限粘结强度对应的粘结滑移值()为曲线常数(又出现一个水平段 此时所表征的是筋材与混凝土之间的摩擦力 此时tt.根据无机纤维筋的特性改进了 模型 即省略第二阶段(水平段)表征无机纤维筋与混凝土之间的粘结滑移特征(图).下降段和原始的 模型一致 该部分的斜率为 t/粘结强度(t)和粘结滑移()可以用公式表示:tt ().()式中:为常数 为极限粘结滑移值()为筋与混凝土之间的摩擦滑移值().图 模型中应力与应变的关系 对 筋与混凝土粘结滑移试验的分析结果表明 改进的 模型更加适合表征 筋与混凝土之间的粘结滑移.改进的 模型可以进一步用、和 来表征(图):t()t()t ()t()ttt.()在图 中 低 值表示当粘结强度提高时没有明显的滑移 上升段的粘结滑移曲线表明 筋与混凝土之间的粘结特性更加刚性.对于下降段较大的 和 t/则表现出更大的滑移值 此时筋与混凝土之间则更具延性.图 改进 模型中的几何关系 筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移曲线符合改进的 模型 可分为 个阶段:微滑移段、滑移段、下降段.对于微滑移段(加载的初期)t 曲线斜率为常数 自由端无明显滑移说明 筋与混凝土之间处于完全粘结状态 对于滑移段 粘结应力来源于 筋横肋与混凝土产生的机械咬合力以及筋与混凝土之间的摩擦力t 曲线处于非线性阶段 筋与混凝土产生相对滑移 说明界面粘结开始发生破坏t 曲线进入下降段时 荷载达到峰值后筋与混凝土的机械咬合力显著下降 自由端滑移急剧增大 说明 筋横肋开始发生磨损破坏 筋逐渐从混凝土中拔出.筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移模型分析根据改进的 模型 计算可得 筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移模型参数(表)进而得到不同 筋直径与不同强度等级地质聚合物混凝土的粘结滑移模型(图).由图 可见 筋直径越大 极限粘结强度t越小 对应的滑移值 越小 极限滑移值 越小 对应的粘结强度t越小.混凝土强度等级越高 极限粘结强度t越大 对应的滑移值 越小 极限滑移值 越小 对应的粘结强度t越大.第 期 杨永民 等:筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特性及海水环境下时变规律 表 改进 模型中 筋与混凝土的粘结滑移特性参数 筋规格混凝土种类及强度等级/t/硅酸盐水泥混凝土().硅酸盐水泥混凝土().硅酸盐水泥混凝土().地质聚合物混凝土().地质聚合物混凝土().地质聚合物混凝土().硅酸盐水泥混凝土().地质聚合物混凝土().硅酸盐水泥混凝土().地质聚合物混凝土().图 地质聚合物混凝土中 筋粘结滑移的 几何模型 筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移时变模型分析 筋地质聚合物混凝土腐蚀前 为 腐蚀 后降低至 .低的 值表示当粘结强度增大时没有明显的滑移 即腐蚀后粘结特性表现的更加刚性(图 表).在下降段 直径为 的 筋地质聚合物混凝土 腐蚀前 和 t/分别为 和 腐蚀 后降低至 和 较大的 和 t/则表现出更大的极限滑移值 即 筋与混凝土之间更为柔性(图 表).的 筋经过海水腐蚀后、和 t/值显著降低(图 表).分析表明 海水腐蚀后曲线的上升段更加趋于刚性 曲线的下降段更加趋于柔性 海水的腐蚀对大直径 筋和混凝土的粘结性能影响更大.图 筋与地质聚合物混凝土海水腐蚀后的粘结滑移几何模型 仲恺农业工程学院学报第 卷表 筋与混凝土的粘结滑移的改进 模型参数 筋的规格侵蚀龄期/t/.结论()随 筋直径的增大 筋与地质聚合物混凝土间的极限粘结强度(t)与对应的滑移()均逐渐降低 极限滑移()与对应的粘结强度(t)也逐渐降低.提高混凝土强度等级对 筋与混凝土之间的改善粘结滑移性能有利.()经过 海水腐蚀后极限粘结强度(t)与对应的滑移()降低 提高混凝土强度等级 最大粘结强度t相应的提高 最大粘结强度对应的粘结滑移值 降低 极限粘结滑移值 降低 与极限滑移值对应的粘结强度t提高.()改进的 模型更加适合表征 筋与混凝土之间的粘结滑移.筋直径越大 极限粘结强度t越小 对应的滑移值 越小 极限滑移值 越小 对应的粘结强度t越小.混凝土强度等级越高 极限粘结强度t越大 对应的滑移值 越小 极限滑移值 越大 对应的粘结强度t越小.参考文献:蔡榜文 裴强 崔迪 等.单轴循环加载海水腐蚀下的 加固钢筋混凝土柱轴压性能研究.建筑结构 ():.刘霞 李峰 佘殷鹏.玄武岩纤维增强聚合物筋增强珊瑚礁砂混凝土柱轴压试验.复合材料学报 ():.华云涛 尹世平 王璐晨.玄武岩纤维筋海水海砂混凝土梁承载性能及使用性能影响因素研究.建筑结构学报():.刘霞 李峰 佘殷鹏.玄武岩纤维增强聚合物筋增强珊瑚礁砂混凝土柱轴压试验.复合材料学报 ():.景芳达 韩松 秦野 等.玄武岩纤维增强聚合物复合材料及其机械性能的研究进展.当代化工 ():.郑晨 白晓宇 张明义 等.玻璃纤维增强聚合物锚杆在地下结构抗浮工程中的研究进展.材料导报 ():.王强 刘晓峰 吕杨 等.钢板复合加固钢筋混凝土梁的抗弯性能研究.工程抗震与加固改造 ():.吴敬宇 咸贵军 李惠 等.玄武岩纤维及其复合筋的耐久性能研究.玻璃钢/复合材料():.高傲 杨树桐 高广希 等.海洋环境下 筋与珊瑚混凝土粘结性能的试验研究.玻璃钢/复合材料():.王海良 李龙.碱溶液疲劳耦合作用下 布加固损伤钢筋混凝土梁抗弯试验研究.玻璃钢/复合材料():.孔祥清 于洋 邢丽丽 等.筋与钢筋混合配筋混凝土梁抗弯性能试验研究.玻璃钢/复合材料():.().():.().():.():.:.():.():.():.【责任编辑 林江娇】第 期 杨永民 等:筋与地质聚合物混凝土的粘结滑移特性及海水环境下时变规律