摘要：碳纖維筋是一種新型的復(fù)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(yīng)用于增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)拔出試驗(yàn)，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(jī)理。采用了連續(xù)自動(dòng)的采集方式，測(cè)出了較完整的粘結(jié)滑移曲線以及粘結(jié)應(yīng)力沿埋長(zhǎng)的分布。
關(guān)鍵詞：碳纖維筋；混凝土；拔出試驗(yàn)；粘結(jié)滑移；應(yīng)力分布
中圖分類號(hào)：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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(zhǎng)纖維復(fù)合材料與樹脂經(jīng)特殊的擠壓和成型工藝，制成纖維復(fù)合增強(qiáng)筋（以下簡(jiǎn)稱FRP 筋）。FRP 筋具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、低松弛、非電磁、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)。用它部分代替或全部代替混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋，對(duì)增強(qiáng)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(guó)對(duì)FRP 筋的研究和應(yīng)用時(shí)間較短。目前，工程中應(yīng)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(dāng)受到外力作用時(shí)，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(guó)外學(xué)者自20 世紀(jì)80 年代開始對(duì)FRP 筋與混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行研究。Pleimann 分別于1987 年和1991 年通過(guò)拉拔試驗(yàn)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(zhǎng)度的計(jì)算公式[1- 2]。1992 年，Chaallal 通過(guò)拔出試驗(yàn)，研究了GFRP 筋的粘結(jié)性能，并建議錨固長(zhǎng)度近似取為20 D [3]。Ehsani、Saadatmanesh 和Tao 在1996 年測(cè)試了48 根梁式試件和18 個(gè)拔出試件，推導(dǎo)并修正了GFRP 筋的錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式[4] 。1998 年B.Tighiouart 和B.Benmokrane，通過(guò)64 根梁式試件和18 個(gè)拔出試件研究了GFRP 筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度及影響因素，并與鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比[5]。
國(guó)內(nèi)，鄭州大學(xué)高丹盈教授和上海同濟(jì)大學(xué)薛偉辰教授等約在2000 年前后，相繼開始對(duì)FRP 筋與混凝土的粘結(jié)性能展開了研究[6- 10]。雖然，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FRP 筋混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究已取得了一定進(jìn)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(yàn)的很少。由于FRP 筋的類型和表面成型工藝的不同，其力學(xué)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(duì)GFRP 筋做了進(jìn)一步的試驗(yàn)研究和理論分析。
2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法
由于表面光滑的FRP 筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度很低，不適用于普通混凝土結(jié)構(gòu)。所以，一般都通過(guò)對(duì)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(yàn)采用了拔出試驗(yàn)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(zhǎng)對(duì)粘結(jié)性能的影響，拔出試件分別設(shè)計(jì)了不同的埋入長(zhǎng)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(yàn)中混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，F(xiàn)RP 筋采用由日本三菱化學(xué)株式會(huì)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(yàn)在測(cè)量FRP 筋滑移時(shí)，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(cè)量。本次拔出試驗(yàn)，改進(jìn)了測(cè)試方法，采用自動(dòng)、連續(xù)采集方式，可以測(cè)出荷載滑移曲線的上升段、下降段及殘余應(yīng)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(yàn)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(kuò)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(gè)劈裂破壞的試件埋入長(zhǎng)度均為5 D，其相對(duì)保護(hù)層厚度較?。–/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(duì)保護(hù)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(guò)程，受混凝土保護(hù)層厚度的影響較大。
3.1.2 CFRP 筋與混凝土滑移破壞
當(dāng)埋入混凝土中的CFRP 筋長(zhǎng)度為10 D 和15 D 時(shí)，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(duì)滑移，導(dǎo)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(yán)重削弱和剪切破壞。這是因?yàn)镃FRP 筋與鋼筋的情況不一樣，其表面硬度和肋的抗剪切強(qiáng)度均低于混凝土，因此，被拔出時(shí)肋破壞嚴(yán)重。
3.2 粘結(jié)滑移曲線
本次試驗(yàn)中，發(fā)生粘結(jié)破壞試件的埋入長(zhǎng)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：
?。?）圖5 為CFRP 筋埋入長(zhǎng)度為5 D 的粘結(jié)滑移曲線。在τ—s 曲線（即結(jié)應(yīng)力τ- 與相對(duì)滑移s）上升段中，CFRP 筋與混凝土在a 點(diǎn)處開始產(chǎn)生相對(duì)滑移，由于CFRP 筋肋與界面混凝土的機(jī)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(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土?xí)a(chǎn)生內(nèi)部和徑向裂縫，當(dāng)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(yīng)力達(dá)到最大值b 點(diǎn)時(shí)，即產(chǎn)生劈裂破壞。
從圖5 可以看出，上升段粘結(jié)應(yīng)力τ與相對(duì)滑移s 呈非線性關(guān)系。當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力經(jīng)過(guò)峰值后，由于橫向無(wú)箍筋約束，且相對(duì)保護(hù)層較?。–/D=4.5），劈裂裂縫很快發(fā)展，τ—s 關(guān)系曲線進(jìn)入下降段。此時(shí)，滑移迅速增加，混凝土沿筋方向劈裂，粘結(jié)應(yīng)力τ與相對(duì)滑移s 呈線性關(guān)系，直至粘結(jié)應(yīng)力為零的c點(diǎn)。
?。?）圖6、圖7 分別是CFRP 筋埋入長(zhǎng)度為10 D 和15 D，時(shí)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(yīng)力段c～d。由于相對(duì)保護(hù)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(duì)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(yīng)力段c～d 中，除了滑動(dòng)摩擦力的作用外，還有部分變形肋與混凝土的機(jī)械咬合作用，只是抵抗相對(duì)滑動(dòng)的能力下降，τ—s 關(guān)系曲線的上升段斜率較前一個(gè)波形小。
3.3 粘結(jié)滑移機(jī)理分析
由于CFRP 筋表面有變形帶肋，因此界面相互作用機(jī)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(huì)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(dāng)加載到一定載荷時(shí)，界面混凝土因環(huán)向拉應(yīng)力的作用而產(chǎn)生內(nèi)裂縫，若混凝土保護(hù)層較薄，環(huán)向拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，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(shí)由加載端往自由端延伸，最后導(dǎo)致混凝土劈裂破壞。若混凝土保護(hù)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(huì)大幅增加，隨著CFRP 筋肋的不斷削弱和滑移的繼續(xù)，最終導(dǎo)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(xué)吸附力、摩擦力和機(jī)械咬合力組成。與鋼筋不同的是CFRP 筋的表面硬度、抗剪強(qiáng)度低于混凝土。因此，產(chǎn)生滑移破壞時(shí)，一般以表面肋被削弱、剝離或剪切破壞為主要特征。對(duì)于普通CFRP 筋混凝土，在CFRP 筋被拔出的初始階段，化學(xué)吸附力起主要作用。產(chǎn)生滑移后，化學(xué)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(jī)械咬合力承擔(dān)主要抗拔作用。當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力經(jīng)過(guò)峰值以后，粘結(jié)滑移曲線進(jìn)入下降段，界面混凝土對(duì)CFRP 筋的握裹力逐漸降低，摩擦力隨之減小；此外，變形肋的機(jī)械咬合作用也逐漸削弱，導(dǎo)致滑移迅速增加。當(dāng)下降段結(jié)束時(shí)，粘結(jié)滑移曲線進(jìn)入殘余應(yīng)力段，粘結(jié)力不會(huì)就此消失。此時(shí)的粘結(jié)力仍由摩擦力和部分變形肋的機(jī)械咬合力組成，并進(jìn)入下一個(gè)“上升段—下降段—?dú)堄鄳?yīng)力段”的循環(huán)過(guò)程，只是在粘結(jié)力逐步下降的同時(shí)，滑移也較前一個(gè)曲線來(lái)得更大、更快。
3.4 CFRP 筋表面應(yīng)變沿埋長(zhǎng)方向的分布
為了分析CFRP 筋與混凝土沿埋長(zhǎng)方向的粘結(jié)應(yīng)力分布情況，本次試驗(yàn)通過(guò)在筋表面的應(yīng)變計(jì)，測(cè)出了各級(jí)荷載作用下，筋表面應(yīng)變沿埋長(zhǎng)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(zhǎng)方向上的粘結(jié)應(yīng)變分布很不均勻，其趨勢(shì)與鋼筋混凝土的粘結(jié)應(yīng)變分布趨勢(shì)基本相同[11]。
距加載端約30 mm 附近，筋表面變形最大，即達(dá)到峰值粘結(jié)應(yīng)力。隨著與自由端距離的縮小，CFRP 筋與混凝土間的粘結(jié)應(yīng)力也迅速減小。當(dāng)拔出荷載增加到極限荷載T 的50%左右時(shí)，在距自由端附近，CFRP 筋表面的應(yīng)變出現(xiàn)負(fù)值，可能是因?yàn)镃FRP 筋與混凝土產(chǎn)生相對(duì)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(yīng)力τ，將部分拉力傳給混凝土，使混凝土受拉。粘結(jié)應(yīng)力的大小取決于CFRP 筋與混凝土之間的應(yīng)變差，當(dāng)彈性模量一定時(shí)，應(yīng)變差與粘結(jié)應(yīng)力呈對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，詳見公式（1）[11]。
在加載端附近時(shí)，應(yīng)變差值最大，粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到峰值。隨著距加載端距離的增大，CFRP 筋表面相應(yīng)的應(yīng)變減小，而混凝土相應(yīng)的應(yīng)變?cè)龃?，二者?yīng)變差值逐漸減小，在距自由端某處，應(yīng)變差值為零，相對(duì)變形消失，粘結(jié)應(yīng)力為零。
4 粘結(jié)強(qiáng)度
由圖8 可知，實(shí)際CFRP 筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力在埋長(zhǎng)La 范圍內(nèi)的分布是不均勻的、變化的，而且埋入長(zhǎng)度越長(zhǎng)，粘結(jié)應(yīng)力分布就越不均勻。試件破壞時(shí)，整個(gè)埋長(zhǎng)上最大荷載下的平均粘結(jié)應(yīng)力τm與實(shí)際最大粘結(jié)應(yīng)力τmax 的比值也越小。因此，平均粘結(jié)應(yīng)力τm隨埋長(zhǎng)La 的增加而降低。取τm為拔出荷載作用下的平均粘結(jié)強(qiáng)度。其計(jì)算公式如下：
由試驗(yàn)得知，在相對(duì)保護(hù)層厚度為C/D=4.5 至C/D=7 之間時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度隨埋長(zhǎng)的增加而降低；而當(dāng)C/D>7 后，粘結(jié)強(qiáng)度隨埋長(zhǎng)的增加而變化較小。
5 結(jié)語(yǔ)
?。?）在CFRP 筋的拔出試驗(yàn)中，埋長(zhǎng)為5 D 的試件，在沒有箍筋的情況下，因相對(duì)保護(hù)層較薄（C/D≤4.5），易發(fā)生劈裂破壞。
（2）埋長(zhǎng)為10D、15D的試件，因其相對(duì)保護(hù)層較厚（C/D≥7），多數(shù)發(fā)生滑移破壞?；破茐臅r(shí)，由于CFRP 筋表面硬度和抗剪強(qiáng)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(shí)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(shí)，粘結(jié)與滑移呈線性關(guān)系。
?。?）發(fā)生滑移破壞時(shí)τ—s 關(guān)系曲線上升段—下降段—?dú)堄鄳?yīng)力段，其粘結(jié)與滑移均呈非線性關(guān)系，只是粘結(jié)應(yīng)力經(jīng)過(guò)峰值以后，滑移明顯加快。殘余應(yīng)力段又進(jìn)入下一個(gè)上升段—下降段的循環(huán)過(guò)程，而隨著粘結(jié)應(yīng)力的減小，滑移進(jìn)一步加快。
?。?）粘結(jié)應(yīng)力沿埋長(zhǎng)方向分布明顯不均勻，在距加載端附近達(dá)到最大值，經(jīng)過(guò)峰值后迅速減小，接近自由端時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力衰減趨于零。這與鋼筋混凝土粘結(jié)應(yīng)力分布非常相似。
此外，表面變形帶肋CFRP 筋的粘結(jié)應(yīng)力峰值隨著拔出荷載的增加，向自由端方向幾乎沒有移動(dòng)GFRP 筋表面的變形大小與粘結(jié)應(yīng)力呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，即表面變形越大，粘力應(yīng)力也越大。
?。?）CFRP 筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度隨埋長(zhǎng)增加到大于7 D后減小。
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