GFRP變形筋粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

1、第31卷第5期2007年10月武漢理T大學(xué)學(xué)報(bào)(鴦望霾差Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science8L EngineeringVoI.31No.5Oct.2007 GFRP變形筋粘結(jié)性能試驗(yàn)研究。郝慶多"張志春”王言磊1王勃n歐進(jìn)萍12(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院”哈爾濱150090(大連理工大學(xué)”大連116024摘要:基于CSA標(biāo)準(zhǔn),利用30個拉拔試件研究了8種不同表面形式的GFRP變形筋與混凝土之間的牯結(jié)性能.比較了不同表面形式GFRP變形筋的牯結(jié)強(qiáng)度,并確定了GFRP變形筋的最優(yōu)表面形式.試驗(yàn)

2、結(jié)果表明:(1試件的破壞形式為肋的剪切破壞和肋的脫落,棍凝土并沒有發(fā)生破壞,(2 GFRP變形筋的粘結(jié)強(qiáng)度較高,粘結(jié)強(qiáng)度為7.0112.25MPa,(3最佳肋間距不應(yīng)超過直徑的2.5倍,肋高度應(yīng)不小于直徑的3%.戔t詞:GFRP變形筋,一體化肋粘結(jié)性能;拉拔試驗(yàn)最優(yōu)表面形式中圈法分類號TU599;TB332目前FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)仍沒在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用,其中一個最重要的原因就是缺少關(guān)于FRP筋與混凝土粘結(jié)性能的設(shè)計(jì)規(guī)范o“. FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能不僅僅受混凝土抗壓強(qiáng)度、保護(hù)層厚度、澆筑深度、FRP筋埋置長度、直徑、溫度等因素的影響啪,FRP筋自身組分和表面形式(表面上的橫肋或壓痕、壓

3、痕的形狀和尺寸,肋外形的幾何參數(shù)如肋高、肋間距和肋傾角等的不同也會造成粘結(jié)性能的明顯變化¨”.因此,對每種FRP筋,首先確定其最佳的表面形式是研究FRP筋與混凝土粘結(jié)性能的關(guān)鍵.1試驗(yàn)研究1.1GFRP變形筋本次拉撥試驗(yàn)使用的玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP變形筋的生產(chǎn)采用拉擠成型工藝.為了增強(qiáng)GFRP筋與混凝土的粘結(jié),在拉擠成型過程中,用受力拉緊的纖維柬對GFRP筋進(jìn)行單向或交叉纏繞,使GFRP筋表面產(chǎn)生單向或交叉的橫肋,最后再把纖維束與GFRP筋剝離(如16#筋;或者在GFRP筋加熱固化以前用纖維繩對其進(jìn)行纏繞,使纖維繩成為和GFRP筋一體化的表面變形(如78#筋.1.2試件制備標(biāo)準(zhǔn)粘

4、結(jié)試件按照CSA標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)計(jì), 16#GFRP變形筋澆筑3個混凝土立方體試件,7#和8#GFRP筋各6個試件,試件為邊長150mm的立方體.GFRP變形筋的牯結(jié)錨固長度為4倍的直徑.為了避免試件加載端混凝土的應(yīng)力集中對GFRP筋粘結(jié)性能的不利影響,在靠近加載端用110mm長塑料套管把GFRP筋和混凝土隔開形成無粘結(jié)段.拉拔試件的構(gòu)造如圖1a所示,粘結(jié)試件的實(shí)物圖如圖1b所示.圖1拉拔試件1.3試驗(yàn)裝置本次試驗(yàn)使用的裝置示意圖如圖2a所示.在試驗(yàn)中,把粘結(jié)試件放在吊籃中,吊籃上板為帶螺紋的鋼筋,可以與試驗(yàn)機(jī)的螺紋套頭相配套,以減少上部使用夾具對試驗(yàn)機(jī)行程的影響.在試驗(yàn)機(jī)的下部安裝夾具夾持GFR

5、P變形筋,試驗(yàn)機(jī)的收稿日期l20070513都慶多t男.24歲,博士生,主要研憲領(lǐng)域?yàn)镕RP筋增強(qiáng)混凝土結(jié)掏的研究 。交通部西部變通建設(shè)科技項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號=200431882021第5期郝慶多,辱;GFRP變形筋粘結(jié)性能試驗(yàn)研究785運(yùn)動方向?yàn)閱蜗蛳蛳?在吊籃下板與槽鋼墊板中間設(shè)置的穿心球鉸,可以保證GFRP變形筋在穿心球餃中間自由轉(zhuǎn)動,避免加載蛸面傾斜和GFRP變形筋偏斜引起的混凝土撕裂破壞,保證拔出力均沿著軸線方向.加載裝置的實(shí)物圖如圖2b所示. 圈2拉撥試驗(yàn)裝置/1一螺紋鋼箭,z-下部承臺13-螺栓4-吊籃上板,5-位移計(jì),6-儀表槊,7一粘結(jié)試件8一吊籃栓桿,9一墊板,10-夾持槊1

6、11一槽鋼墊板,12一穿心球鉸13-吊籃下板14-GFRP筋1.4粘結(jié)強(qiáng)度假設(shè)粘結(jié)應(yīng)力沿FRP筋的埋置長度均勻分布,FRP筋的粘結(jié)強(qiáng)度定義為在粘結(jié)長度內(nèi)粘結(jié)應(yīng)力的平均值,即拔出荷載(拉拔力除以FRP筋埋長部分的表面積.FRP筋與混凝土的平均粘結(jié)強(qiáng)度由式(1計(jì)算F72麗式中;r為FRP筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度;d為FRP筋的直徑L為FRP筋的埋置長度I,為拉拔力.本次試驗(yàn)的8組30個拉拔試件的試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所列,表中的平均粘結(jié)強(qiáng)度為3個試件的平均值.裹1拉拔試件試驗(yàn)緒果正總2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1破壞特征本次試驗(yàn)中8種不同表面形式、30個試件中典型的GFRP變形筋與混凝土粘結(jié)破壞特征及其分類如圖3所示

7、.所有粘結(jié)試件的破壞形式均為GFRP變形筋橫肋的剪切破壞或脫落,混凝土并沒有發(fā)生破壞. 田3典型的GFRP變形筋與混凝土粘結(jié)破壞特征及其分類圖3a、b分g為帶有單向和交叉橫肋的變形筋產(chǎn)生較大的滑移,使持荷突然下降,和螺旋GFRP變形筋的破壞形式,具有相似的破壞特征:.纏繞FRP筋的破壞形式相似.較淺的橫肋被混凝土剪切破壞,使GFRP變形筋2.2粘結(jié)滑移關(guān)系及受力分析在試件中產(chǎn)生較大的滑移而最終粘結(jié)失效;在剖8種不同表面形式GFRP變形筋的平均粘結(jié)開的另一半混凝土塊上可以看到橫肋被剪切而留強(qiáng)度一滑移曲線如圖4所示.下的白色粉末.從圖4中的平均粘結(jié)強(qiáng)度一滑移曲線可以把圖3c為帶有纖維繩和筋體一起固

8、化形成的GFRP變形筋的受力過程歸納為3個階段;微滑橫肋的GFRP變形筋的破壞形式,這種表面形式移階段、滑移段和下降階段.的破壞特征為橫肋的脫落,從圖中可以看到橫肋1微滑移階段加載初期,GFRP變形筋與均與筋體剝離而偏離了原來的位置,纖維繩本身混凝土的膠結(jié)力起主要作用,加載端無滑移或有并沒有發(fā)生明顯的破壞.橫肋的脫落會使GFRP微小滑移,曲線處于線彈性階段.786武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版2007年第31卷I叫糾、一lz唆夕;茹蚪匿矗剽必:,.,一,崎唧I齠,一,一/、k l2#*Jr"j+¨*r l一7#箭0123456加載端滑移/mm圈4不同外形GFRP變形筋的

9、平均粘結(jié)強(qiáng)度滑移曲線2滑移階段GFRP變形筋與混凝土接觸面靠近加載端附近的膠結(jié)力開始喪失,加載端開始產(chǎn)生滑移現(xiàn)象.待膠結(jié)力破壞殆盡,粘結(jié)力全部轉(zhuǎn)由摩擦力和機(jī)械咬合力承擔(dān),曲線進(jìn)入非線性階段.此后,在粘結(jié)強(qiáng)度接近極限粘結(jié)強(qiáng)度的過程中,滑移增長較快,曲線趨于平緩.3下降階段過極限粘結(jié)強(qiáng)度以后,曲線進(jìn)人下降階段,粘結(jié)應(yīng)力減小而滑移卻迅速發(fā)展.對于16#筋,粘結(jié)強(qiáng)度的下降不很顯著,滑移基本勻速增長,這是GFRP變形筋的橫肋被剪切而產(chǎn)生的應(yīng)力重分布過程.對于78#筋,粘結(jié)強(qiáng)度突然下降,滑移太幅度增長,這是由GFRP變形筋的橫肋不能很好地與筋體協(xié)同工作、最終剝離脫落造成的.2.3表面形式對粘結(jié)性能的影響從

10、表1中可以看出,GFRP變形筋的平均牯結(jié)強(qiáng)度為7.o】12.25MPa,明顯高于GFRP光圓筋和GFRP螺旋纏繞筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度.其主要原因在于,不論是單螺旋還是雙螺旋的GFRP 變形筋,其表面與筋一體化的橫肋,一方面增大了GFRP變形筋與混凝土的接觸面積,使GFRP變形筋與混凝土之間的摩擦力增加另一方面,由于GFRP變形筋的橫肋相對筋軸線傾斜一定角度。當(dāng)GFRP變形筋受拉時(shí).橫肋與混凝土之間產(chǎn)生的軸向和徑向作用力,也同時(shí)增大了GFRP變形筋與混凝土的機(jī)械咬合力.上述兩方面的共同作用使GFRP變形筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度顯著增加.表面形式不同、肋間距相同的GFRP變形筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度關(guān)系見圖5.從圖5

11、a可知:肋間距為10mm的1#和7#GFRP變形筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度分別為10.92MPa和7.65MPa,肋間距為15 mm的2#和8#GFRP變形筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度分別為10.31MPa和7.01MPa,可見由外粘纖維繩形成的一體化的凸肋不能顯著提高GFRP變形筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度,而且在受力過程中易與筋體剝離而最終失效,因此不建議采用此種形式的橫肋來增強(qiáng)GFRP變形筋與混凝土的粘結(jié)性能.從圖5b可以看出:肋間距為20mm的3#和5#GFRP變形筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度分別為9.90 MPa和9.83MPa,肋間距為25mm的4#和6# GFRP變形筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度分別為8.65MPa 和12.25MP

12、a,可見具有由單螺旋或者雙螺旋的受力纖維柬產(chǎn)生的一體化的橫肋的GFRP變形筋與混凝土的粘結(jié)效果較好,可以作為GFRP變形筋較有效的表面形式,而且交叉橫肋比單向橫肋的作用更明顯.12T800筋的種類試件號箭的種類試件號a肋陽l距10。15rnm b肋間距20.25mm的GFRP變形箭的GFRP變形筋圖5表面形式不同、肋間距相同的GFRP變形筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度2.4肋的幾何參數(shù)對粘結(jié)性能的影響不同肋問距的GFRP變形筋的平均牯結(jié)強(qiáng)度關(guān)系見圖6.從圖6中可以看出:對于帶有單向橫肋的GFRP變形筋,肋間距為10,15,20,25mm時(shí)的平均粘結(jié)強(qiáng)度分別為10.9z,10.31,9.90,8.65 MPa

13、,可見平均粘結(jié)強(qiáng)度隨肋間距的增大而減小,最佳的肋間距為10mlTl,即GFRP變形筋直徑的1倍f對于帶有交叉橫肋的GFRP變形筋,肋間距為20,25mm時(shí)的平均粘結(jié)強(qiáng)度分別為9.83, 12.25MPa,因可見平均粘結(jié)強(qiáng)度隨肋間距的增大而增大,最佳的肋間距為25mm,即GFRP變形筋直徑的2.5倍.此建議GFRP變形筋的最佳肋闐距要考慮具體的表面形式,應(yīng)不大于其直徑的2.5倍.不同肋高度的GFRP變形筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度關(guān)系見圖7.因?yàn)?#和8#GFRP變形筋的破壞形式均為表面凸肋與筋體的剝離,因此在這里不考查這兩種筋的肋高度對粘結(jié)性能的影響.從圖7可知:對于帶有單向橫肋的14#GFRP變形筋,肋

14、高度為0.32,0.25,0.2,0.14mm時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度分別為lo.9z,10.31,9.90,8.65MPa,對于帶有交叉橫肋的56#GFRP變形筋,肋高度為0.21, 0.28mm時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度分別為9.83,12.25MPa,可見平均粘結(jié)強(qiáng)度隨肋高度的增大而增大,最佳肋高度為0.3mm左右,即GFRP變形筋直徑的3.0%.考慮到本次試驗(yàn)采用的GFRP變形筋的肋高度偏小和Malvar的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,建議GFRP變形286420第5期都慶多,等,GFRP變形筋粘結(jié)性能試驗(yàn)研究787筋的最佳肋高度應(yīng)不小于其直徑的3%14。1。2l。8|:4l23456筋的種類試伴號圖6不同肋間距的GFRP變形筋的

15、平均粘結(jié)強(qiáng)度垂配0.320.280.25仉21仉20m14肋高度/ram圖7不同肋高度的GFRP變形筋的平均粘結(jié)強(qiáng)度3結(jié)論I牯結(jié)試件的破壞形式為肋的剪切破壞和肋的脫落,混凝土并沒有破壞.2GFRP變形筋的粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于GFRP變形筋表面橫肋與混凝土的機(jī)械咬臺力,因此GFRP變形筋與混凝土的粘結(jié)性能明顯增強(qiáng),其粘結(jié)強(qiáng)度為7.0112.25MPa.3GFRP變形筋表面橫肋的幾何參數(shù),如肋高度、肋問距和肋傾角等,都會影響GFRP變形筋與混凝土的粘結(jié)性能.4GFRP變形筋的肋間距對粘結(jié)性能的影響要結(jié)合具體的表面形式,最佳肋間距應(yīng)不大于其直徑的2.5倍.GFRP變形筋與混凝土的平均粘結(jié)強(qiáng)度隨肋高度的

16、增大而提高,最佳肋高度應(yīng)不小于其直徑的3%.5本次試驗(yàn)是對一體化GFRP變形筋表面形式的初步研究,進(jìn)一步的深人研究亟待進(jìn)行.參考文獻(xiàn)1郝慶多,王勃,歐進(jìn)萍.FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能,建筑技術(shù),2007,38(I:15172郝慶多,張志春。王盲磊.等.不同外形GFRP變形筋粘結(jié)性能試驗(yàn)比較.玻璃鋼/復(fù)合材料.2007(2t37393Ehsani M R,Saadatmanesh H,Tao S.Bond Behav-ior of Deformed GFRP Rebars.Journal of Compos-ites Materials.1997.31(14:141314304Malvar L

17、J,Cox J V,Cochran K Bergeron.Bondbetween carbon fiber reinforced polymer bars and concrete.I t Experimental Study.Journal ofCOm-posites forConstruction,2003,7(2:154-163Is王言磊,郝慶多.歐世萍.具有粗砂層的FRP板與混凝土粘結(jié)性能試驗(yàn)研究.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)t交通科學(xué)與工程版,200731(3;393-396Experimental Study on Bond Behavior of Deformed GFRP RebarsHa

18、o Qingdu01Zhang ZhiehunlWang Yanlei”Wang B01Ou Jlnpin91。2(School of Civil Engineering,Harbin Institute of Technology,Harebin1500901(Dalian University of Technology,Dalian1160242AbstractThe outer surfaces of deformed GIass Fiber Reinforced Polymer(GFRPrebars is the main factor affecting the bond beha

19、vior between GFRP rebars and concrete.Based on the CSA(Canadian Stan-dards Associationcriterion。30pull out specimens is used to study the bond behavior of defc'rmed GFRP rebars with8different outer surfaces to concrete.The average bond strength of them i8compared and the optimal outer surface is

20、 fixed at last.The result of this study shows that:(1the failufemode of all specimens is the shear failure and desquamation of the ribs,no damage is found in con-crete;(2the bondstrength of deformed GFRP rebars improves obviously,it is from7.01MPa to 12.25MPa;(3the optimal spacing of ribs should be

21、less than2.5times of the rebarS diameter,and the height of ribs should be more than3%of the diameter.Key words:deformed GFRP rebars;integral fib;bond behavior;pullout test;optimalsurface configuration GFRP變形筋粘結(jié)性能試驗(yàn)研究作者:郝慶多, 張志春, 王言磊, 王勃, 歐進(jìn)萍, Hao Qingduo, Zhang Zhichun, Wang Yanlei, Wang Bo, Ou Jinping作者單位:郝慶多,張志春,王言磊,王勃,Hao Qingduo,Zhang Zhichun,Wang Yanlei,Wang Bo(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,哈爾濱,150090, 歐進(jìn)萍,Ou Jinping(哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,哈爾濱,150090;大連理工大學(xué),大連,116024刊名: 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版英文刊名:JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(TRANSPORTATION SCIENCE & ENGINEERING年,卷(期:2007,31