新型FRP筋粘结性能研究

1 引言

钢筋混凝土结构具有受力性能好、造价低廉等优点。但当钢筋混凝土结构应用于桥梁、水工、港工等侵蚀性或暴露性环境时，由于钢筋锈蚀而导致结构破坏的后果是非常严重的。

据国外资料介绍，美国每年因钢材腐蚀造成的损失高达700亿美元。目前美国的近六十万座桥梁中，有近十万座钢筋腐蚀严重。英国建造在海洋及含氯化物介质环境中的钢筋混凝土结构，因钢筋锈蚀需要重建或更换钢筋的占三分之一以上。在日本，由于较多地区采用海砂作为混凝土中的细骨料，钢筋锈蚀也成为一个严重问题。对冲绳地区177座桥梁和672栋房屋的调查表明，桥面板和混凝土梁的损坏率达到90％以上，校舍一类民用建筑的损坏率也在40％以上。我国在1981年对华南18座钢筋混凝土码头的调查表明，尽管使用期仅7～15年，但有16座码头的钢筋严重锈蚀。1984年对浙江镇海的22座中小型海工建筑物的调查表明，967根构件中由于钢筋锈蚀导致顺筋开裂破坏的有538根，占构件总数的56％。

为解决混凝土结构中钢筋锈蚀问题，国内外学者从60年代开始研究对策，主要措施有：①在混凝土表面涂敷防水涂料，阻隔并防止腐蚀介质渗透到混凝土中；②提高钢材自身的防腐性能，开发不锈钢钢筋等耐腐蚀钢筋；③开发新型FRP筋；④开发新型涂层钢筋，如镀锌钢筋、镀铝钢筋、环氧涂层钢筋等；⑤利用电气防腐方式，防止钢筋锈蚀；⑥加大混凝土保护层厚度，增大外界腐蚀介质渗入到钢筋的距离；⑦在混凝土中掺加提高钢筋防腐性能的阻锈剂等。

国内外学者经过30年的分析、研究，认为采用新型FRP筋是行之有效的方法，无论从防腐性能、经济性、施工性．还是从生产的难易程度来看，都已达到或接近实用阶段。新型FRP筋是由多股连续长纤维(如玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维等)采用基底材料(如聚酰胺树脂、聚乙烯树脂、环氧树脂等)胶合后，经过特制的模具挤压、拉拔成型的。而传统的FRP筋，包括我国20世纪50、60年代研制的FRP筋，则是采用手糊工艺制作的低强、低弹性模量的FRP筋。文中以下的FRP筋均是指新型FRP筋。

按连续纤维材料种类的不同，FRP筋可分为玻璃纤维塑料筋(GFRP筋)、碳纤维塑料筋(CFRP筋)和芳纶纤维塑料筋(AFRP筋)等三种。FRP筋与普通钢筋及高强钢丝相比，它的主要特点有：①抗拉强度较高；②抗腐蚀性能优良，这是FRP筋最突出的优点；③容重小，仅为钢材的25％左右，施工操作方便；④热膨胀系数与混凝土相近，当环境温度发生变化时，FRP筋与混凝土能协同工作；⑤弹性模量小，约为普通钢筋的25％一70％，这是FRP筋的缺点；⑥抗剪和抗挤压强度低，通常不超过其抗拉强度的10％，在将FRP筋用作预应力筋时，其相应的预应力锚、夹具需专门研制；⑦成本较高，生产制作工艺较复杂，一般需采用专门的长线挤拉台座才能完成。目前，国际上FRP筋总的发展趋势是高强度、高弹性模量和高延伸率。

2 国内外研究现状

国外学者自上世纪80年代开始对FRP筋的粘结性能进行研究。1987年和1991年PLEIMANN与阿肯色州的马歇尔公司合作进行了一系列FRP筋拉拔试验，提出了FRP筋的锚固长度计算公式。1987年RALPH和SURENDRA通过拔出试验对不同埋置深度和不同养护时间(1—28天)的FRP光圆筋和FRP螺纹筋的荷载滑移特征进行了研究，建立了FRP筋早期粘结强度的修正公式。1992年CHAALLAL通过拉拔试验研究了GFRP筋与普通混凝土以及高强混凝土之间的粘结性能，建议FRP筋的锚固长度可近似取为20倍FRP筋直径。1996年EHSANI和SAADATMANESH对102个试件(其中48个梁式试件，18个拔出试验，36个弯钩试验进行了静载试验，推导了计算有弯钩和无弯钩的GFRP筋锚固长度的理论计算公式，并建议了考虑混凝土保护层厚度和FRP筋位置影响的约束参数。1998年TIGHIOUART、BENMOKRANE和GAO通过试验研究了FRP筋的粘结强度，并与钢筋的粘结强度进行了比较。

我国对FRP筋的研究起步较晚。1995年在水利部水利科技基金(项目编号J9548)的资助下，作者在国内首次对国产新型FRP筋的粘结性能进行了探索性的研究心,通过拉拔试验对FRP筋与混凝土之间的粘结性能进行了初步研究。

总的来说，目前国内外对FRP筋粘结性能的研究虽已取得了一定的成果，但仍存在着以下几方面的问题：①国外已进行的粘结试验大多为拉拔试验，梁式试验较少，而国内仅做过少量拉拔试验，试验方法单一，研究成果具有一定的局限眭；②研究内容方面，主要研究了FRP筋与普通混凝土之间的粘结性能，而对于FRP筋与具有良好早期力学性能的掺聚丙烯纤维混凝土之间的粘结性能则缺乏研究；③对FRP筋与水泥浆以及与环氧树脂之间的粘结性能也缺乏研究，而这二者分别对FRP筋在后张有粘结预应力混凝土结构中的灌浆锚固以及FRP筋预应力锚具的研制具有重要的意义。

鉴于此，本文基于33个拉拔试验与27个梁式试验，针对国产新型FRP筋，较为系统地研究了FRP筋与混凝土C30、与不掺聚丙烯纤维的混凝土C50、与掺聚丙烯纤维的混凝土C50、与R42．5水泥浆以及与环氧树脂之间的粘结性能。

3 试验设计

试件设计按《混凝土结构试验方法标准》(GB50152–92)进行。

3．1拉拔试件

拉拔试件分为8组，共33个。拉拔试件中FRP筋或钢筋的有效锚固长度。均为5d，d为FRP筋或钢筋的直径。试件参数有：①普通钢筋与国产新型FRP筋；②不同的环境介质，分为混凝土C30、不掺聚丙烯纤维的混凝土C50、掺聚丙烯纤维的混凝土C50、R42．5水泥浆以及环氧树脂等五种。拉拔试件明细表见表1。

FRP筋的力学指标为：极限抗拉强度504．2MPa，弹性模量41GPa。为增强FRP筋的粘结锚固性能，我们专门研制开发了自动粘纱机，在FRP筋表面连续粘贴经过浸渍的FRP纱束，纱束的高度与宽度均为2mm左右。聚丙烯纤维的体积掺量为0．2％，其物理力学性能为：长度19mm，直径100μm，极限抗拉强度400MPa，弹性模量60GPa，延伸率8％，熔点160℃。

3．2 梁式试件

梁式试件分6组，共27个。梁式试件每侧FRP筋或钢筋的有效锚固长度L_n。均为5d，d为FRP筋或钢筋的直径。试件参数有：①FRP筋与钢筋；②混凝土类型，分混凝土C30、不掺聚丙烯纤维的混凝土C50以及掺聚丙烯纤维的混凝土C50等三种。梁式试件明细表参见表2。

3．3加载与测试

拉拔试件的加载方案见图1a，梁式试件加载方案见图1b。主要测试内容为试验荷载以及FRP筋端部滑移值S。

4 试验结果

FRP筋、钢筋与不同环境介质之间的粘结应力的计算公式为
Γ=p／(πdl_n) (1)

式中，Γ为FRP筋或钢筋与不同环境介质之间的粘结应力；d、l_n、P分别为FRP筋或钢筋的直径、埋置长度及有效拉力。

4．1 拉拔试件的粘结应力.滑移曲线

实测的典型拉拔试件的粘结应力．滑移(Γ．S)曲线如图2一图4所示，试验特征值汇总见表

3。4．2 梁式试件的粘结应力．滑移曲线

实测的典型梁式试件的粘结应力．滑移(Γ-S)曲线如图5一图7所示，试验特征值汇总见表4。

从图2一图7以及表3、表4可见：

(1)对于上述三种不同混凝土的拉拔试件和梁式试件，FRP筋出现初始滑移时的粘结应力略高于钢筋，在峰值点处FRP筋的滑移值则小于钢筋，FRP筋的Γ-S．s曲线在达到峰值点以后下降段比钢筋平缓，破坏时的滑移值也远小于钢筋。这是由于FRP筋的粘结破坏发生在滑移值较小时，此时FRP筋的表面外缠肋依次与核心处FRP剥离，随后FRP筋的粘结强度迅速丧失，破坏前没有明显的预兆。而钢筋的粘结破坏是由于钢筋表面变形肋之间的混凝土被压碎造成的，破坏前有显著的滑移。

(2)对于FRP筋，梁式试件的Γ—S曲线在达到峰值点以后下降段比拉拔试件平缓，这是因为在拉拔试件中FRP筋的表面外缠肋比在梁式试件中的受力更加均匀，几乎所有锚固段外缠肋同时发生破坏，而梁式