FRP筋與混凝土的粘結(jié)性能

1、第卷第期年月建筑技術(shù)筋與混凝土的粘結(jié)性能郝慶多，摘王勃，歐進(jìn)萍，大連沈陽(yáng)）（哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱；大連理工大學(xué)，要：筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是筋混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題，是能否充分利用筋高強(qiáng)性能的決定性因素。本文分析了混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)機(jī)理以及粘結(jié)破壞形式，討論了影響筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的因素，并在最后提出了一些問題及建議。關(guān)鍵詞：筋；混凝土結(jié)構(gòu)；粘結(jié)性能；粘結(jié)機(jī)理；粘結(jié)破壞中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（），（，V，）：，：V V V V 大量實(shí)際工程表明，鋼筋銹蝕引起的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是土木工程中普遍存在的最主要問題之一。輕質(zhì)、耐腐蝕、抗疲勞、抗磁性、電絕緣性、筋的高強(qiáng)、徐

2、變小、相對(duì)密度小、低彈性模量等性質(zhì)，使得筋混凝土結(jié)構(gòu)正在被越來(lái)越多地應(yīng)用到土木工程中。關(guān)。所以在實(shí)驗(yàn)室中可用粘結(jié)試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)筋自身的應(yīng)力，進(jìn)而得到筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)應(yīng)力。常用的粘結(jié)試驗(yàn)方法有拉拔試驗(yàn)和簡(jiǎn)支梁式試驗(yàn)。拉拔試驗(yàn)的試件簡(jiǎn)圖如圖所示，拔出試件應(yīng)采用邊長(zhǎng)為倍鋼筋直徑的混凝土立方體試件。鋼筋放置在立方體的中軸線上，埋入部分長(zhǎng)度和無(wú)粘結(jié)部分長(zhǎng)度各為。鋼筋伸出混凝土試件表面的長(zhǎng)度：自由端穿孔球鉸高度及加為，加載端應(yīng)根據(jù)墊板厚度、載裝置的夾具長(zhǎng)度確定，但不宜小于。塑料套管筋與混凝土的粘結(jié)性能相對(duì)普通鋼筋稍差，大約為普通鋼筋和混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度的左右。因此，利用筋取代鋼筋最根本的問題在于提高筋與混凝

3、土的粘結(jié)性能。筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)機(jī)理筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)應(yīng)力筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)應(yīng)力，一般是指在筋與混凝土的接觸界面上平行于筋的剪切應(yīng)力，它可以傳遞筋與混凝土之間的應(yīng)力，協(xié)調(diào)二者之間的變形，使其共同受力；但是，實(shí)際上筋與混凝土之間的粘結(jié)作用狀態(tài)很復(fù)雜，很難用某一個(gè)單一的指標(biāo)來(lái)度量。粘結(jié)應(yīng)力使筋自身的應(yīng)力沿其長(zhǎng)度而變化；反之，沒有筋自身應(yīng)力的變化，也就不存在粘結(jié)應(yīng)力。同時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力還和筋自身應(yīng)力變化的梯度有1基金項(xiàng)目：黑龍江省博士后基金資助項(xiàng)目，復(fù)合材料筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能和應(yīng)變監(jiān)測(cè)項(xiàng)目（）收稿日期：作者簡(jiǎn)介：郝慶多（），男，山東莘縣人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，博士研究生。筋混凝土試塊圖筋混凝

4、土拉拔試驗(yàn)試件簡(jiǎn)圖在實(shí)際應(yīng)用中，筋與混凝土的粘結(jié)性能一般通過拉拔試驗(yàn)得到的平均粘結(jié)應(yīng)力來(lái)評(píng)價(jià)，其表達(dá)式為：為筋與不同環(huán)境介質(zhì)之間的粘結(jié)應(yīng)力；。埋置長(zhǎng)度及有效拉力。、分別為筋的直徑、在筋混凝土結(jié)構(gòu)中，沿筋埋長(zhǎng)的粘結(jié)應(yīng)力分布與鋼筋混凝土基本相同。在加載初期，混凝土與筋表面上的粘結(jié)應(yīng)力沿埋長(zhǎng)呈線性分布，之后粘結(jié)建筑技術(shù)第卷應(yīng)力沿埋長(zhǎng)呈非線性分布；隨著荷載的增加，粘結(jié)應(yīng)力的峰值逐漸向筋的自由端移動(dòng)。隨著粘結(jié)破壞的逐漸發(fā)展，相應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力極限值越來(lái)越靠近自由端。粘結(jié)破壞區(qū)理論上位于加荷端和粘結(jié)應(yīng)力極限值之間。生產(chǎn)工藝還不夠完善，生產(chǎn)的變形筋的性能不很穩(wěn)定，其表面的橫肋等變形容易脫落。混凝土的劈裂破壞混凝

5、土的劈裂破壞是指在變形筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)應(yīng)力的傳遞機(jī)理與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相似，筋與混凝土之間的中，筋本身并沒有破壞，而是筋表面變形周圍的混凝土縱向劈裂使筋被拔出的破壞形式。發(fā)生這種破壞的內(nèi)在機(jī)理是由于變形筋的橫肋（或螺紋、凸肋、壓痕等）在混凝土上形成機(jī)械咬合，混凝土中產(chǎn)生環(huán)向拉力所致。發(fā)生這種破壞形式的主要原因是混凝土的保護(hù)層太薄或混凝土的強(qiáng)度太低，降低了粘結(jié)應(yīng)力也可認(rèn)為由三個(gè)部分組成。（）筋和混凝土之間的化學(xué)粘結(jié)，即化學(xué)膠著力；（）溫度變化或干濕循環(huán)引起的混凝土的收縮或筋的體積膨脹而產(chǎn)生的握裹作用，即接觸面上的摩擦力；（）筋通過其表面變形（如螺紋、橫肋、凸肋、壓痕等）與混凝土產(chǎn)生的機(jī)械作用，即機(jī)

6、械咬合力。不同形式的筋的粘結(jié)應(yīng)力的傳遞機(jī)理也有所不同。對(duì)于光圓筋，粘結(jié)應(yīng)力的傳遞主要靠化學(xué)膠著力和摩擦力，機(jī)械咬合力的作用微??；特別當(dāng)筋發(fā)生滑移后，化學(xué)粘著力消失，摩擦力就成為粘結(jié)應(yīng)力的主要組成部分。而對(duì)于變形筋，粘結(jié)應(yīng)力的傳遞主要靠機(jī)械咬合力，化學(xué)膠著力和摩擦力的作用微小；機(jī)械咬合力實(shí)際上是筋的表面變形輻射出的斜向壓力，它的徑向分力與筋周圍混凝土的拉應(yīng)力平衡，完成粘結(jié)應(yīng)力的傳遞。粘結(jié)應(yīng)力的組成部分在不同的受力階段有所變化。在筋相對(duì)于混凝土發(fā)生滑移以前，粘結(jié)應(yīng)力的傳遞取決于化學(xué)膠著力；在發(fā)生相對(duì)滑移以后，則主要取決于摩擦力和機(jī)械咬合力。實(shí)際上，筋和混凝土間的化學(xué)膠著力很小，一旦二者發(fā)生了相對(duì)滑

7、移，該力即消失，因此摩擦力和機(jī)械咬合力是粘結(jié)應(yīng)力傳遞的主要方式。筋周圍混凝土的抗劈拉強(qiáng)度。如加大混凝土的保護(hù)層厚度，可以提高試件的極限粘結(jié)應(yīng)力，控制混凝土劈裂破壞的發(fā)生?；炷恋呐哑茐倪€和粘結(jié)試驗(yàn)方法有關(guān)，比較容易發(fā)生在簡(jiǎn)支梁式試驗(yàn)中。顯而易見，在拉拔試驗(yàn)中，整個(gè)試件處于受壓狀態(tài)，混凝土由于受到三向的約束而不易產(chǎn)生裂縫，提高了其抗劈拉能力，從而使拔出破壞先于劈裂破壞發(fā)生。但是在簡(jiǎn)支梁式試驗(yàn)中，與拉拔試驗(yàn)相反，混凝土處于受拉狀態(tài)，較小的應(yīng)力就很容易使混凝土產(chǎn)生裂縫，降低了試件的極限粘結(jié)應(yīng)力，經(jīng)常發(fā)生劈裂破壞。影響筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的因素混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度略低于普通鋼筋，

8、且隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，這種差別會(huì)逐漸增大。提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，混凝土與筋的化學(xué)粘著力和機(jī)械咬合力會(huì)隨之增加，也就增大了結(jié)構(gòu)的粘結(jié)應(yīng)力。同時(shí)，混凝土抗拉強(qiáng)度的增大，延遲了拔出試件混凝土中內(nèi)部裂縫發(fā)展，提高了結(jié)構(gòu)的極限粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)剛度。當(dāng)試件發(fā)生粘結(jié)破壞時(shí)，如果混凝土強(qiáng)度較低，筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)破壞形式筋的拔出破壞拔出破壞主要有兩種形式。一種形式是光圓筋直接從混凝土試件中被拔出。由于光圓筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力主要由化學(xué)膠著力和摩擦力組成，而且化學(xué)膠著力又很小，所以光圓筋與混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能很差，很容易發(fā)生粘結(jié)破壞。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，不考慮光圓筋與混凝土的粘結(jié)作用。拔出破壞的另一種形式是

9、變形筋表面的橫肋（或螺紋、凸肋、壓痕等）被混凝土剪壞而使筋被拔出。發(fā)生這種破壞形式，一方面是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)，如把強(qiáng)度較低、直徑較小的筋錨固在強(qiáng)度等級(jí)較高、保護(hù)層較厚的混凝土中；另一方面是由于目前筋的筋與混凝土之間產(chǎn)生的粘結(jié)滑移就較大，此時(shí)混凝土表面會(huì)出現(xiàn)許多很小的微觀裂縫；而當(dāng)混凝土強(qiáng)度較高的試件發(fā)生粘結(jié)破壞時(shí)，筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移很小，混凝土表面產(chǎn)生較大的裂縫。混凝土保護(hù)層厚度的影響筋的混凝土保護(hù)層厚度指筋外表面至構(gòu)件表面的最小距離。破壞形式取決于筋在混凝土中的相對(duì)位置，當(dāng)混凝土的保護(hù)層較薄時(shí)，常發(fā)生筋的拔出破壞。增大混凝土的保護(hù)層厚度，能加強(qiáng)筋外圍混凝土的抗劈裂能力，提高試件的劈裂應(yīng)力和

10、極限粘結(jié)強(qiáng)度。因此，厚的混凝土保護(hù)層會(huì)延緩混凝土的劈裂破壞從而提高了粘結(jié)性能。但是，當(dāng)混凝土保護(hù)年第期郝慶多，等：筋與混凝土的粘結(jié)性能層厚度較大時(shí)，試件不再是劈裂破壞，而是筋的橫肋被剪斷而拔出。載力和較大的極限彎曲變形，梁的破壞是由筋被拉斷引起的。梁在破壞時(shí)裂縫較多，避免了混凝土被剪碎。這表明部分粘結(jié)能優(yōu)化筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限承載力和彎曲變形能力，部分粘結(jié)筋預(yù)應(yīng)力混凝土梁表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和延性。筋表面形狀的影響研究了種具有不同表面形狀的筋在不同的徑向約束條件下與混凝土之間的粘結(jié)性能。研究表明，即便是表面變形和突紋較小的筋，它所能提供的與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度也能滿足美國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的

11、要求；另外，粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)隨橫向約束的提高而有所增加，而且在同樣的約束條件下，普通鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度比筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度要稍高一些；當(dāng)然，如果增大筋表面變形和突紋或者對(duì)筋進(jìn)行粘砂處理，筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度也會(huì)提高。研究資料表明，通過有效地改變筋表面的變形和突紋，筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度可比普通鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度高出以上。問題及建議（）目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大多數(shù)筋的質(zhì)量和性能不夠穩(wěn)定，不同廠家生產(chǎn)的筋的各項(xiàng)性能差別很大，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是表面變形容易脫落，易過早地發(fā)生粘結(jié)破壞；所以要完善筋的生產(chǎn)工藝，提高筋的質(zhì)量和其性能的穩(wěn)定性。（）目前使用的筋大多為熱固性的，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)熱

12、固性筋進(jìn)行再加工，容易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象而降低筋的粘結(jié)性能；所以要研制熱塑性筋，從而能在施工過程中通過搭接、彎鉤制作等措施對(duì)筋的直徑與埋置長(zhǎng)度的影響如果增加筋的直徑，筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)筋進(jìn)行機(jī)械錨固，提高其粘結(jié)性能。（）目前國(guó)外已進(jìn)行的粘結(jié)試驗(yàn)大多為拉拔試驗(yàn)，簡(jiǎn)支梁式試驗(yàn)較少，而國(guó)內(nèi)僅做過少量拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)方法單一；所以要通過多種粘結(jié)試驗(yàn)方法如劈裂試驗(yàn)、懸臂梁試驗(yàn)和環(huán)拔出試驗(yàn)等，在反復(fù)荷載或循環(huán)荷載的作用下，來(lái)確定筋混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能，突破研究成果的局限性。（）目前國(guó)內(nèi)缺少確定筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)很多困難，如混凝土保護(hù)層厚度的確定等；所以要盡快制定一套相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)

13、準(zhǔn)，使筋混凝土結(jié)構(gòu)能及早應(yīng)用于實(shí)際工程中。參考文獻(xiàn)郝慶多，王勃，歐進(jìn)萍纖維塑料增強(qiáng)筋在土木工程中的應(yīng)用混凝土，（）：度將會(huì)降低；對(duì)于大直徑的筋，由于筋的尺寸效應(yīng)，即由于剪切滯后的原因，靠近筋橫截面中心的纖維受到的應(yīng)力沒有筋外表面的纖維受到的應(yīng)力大，當(dāng)其受拉拔出時(shí)，筋橫截面的正應(yīng)力分布是不均勻的，這將造成筋中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而降低筋與混凝土的粘結(jié)性能。同理，筋的埋置長(zhǎng)度越大，受力后的粘結(jié)應(yīng)力分布就越不均勻，破壞時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度就越低，即粘結(jié)強(qiáng)度隨埋置長(zhǎng)度的增加而降低。在直徑不變的情況下，筋混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度隨埋長(zhǎng)的減小而增大，這是粘結(jié)應(yīng)力沿筋埋長(zhǎng)呈非線性分布的結(jié)果。環(huán)境溫度的影響因?yàn)榻钪谢w材料的玻璃化溫度很低，而基體材料本身起著粘結(jié)和傳遞剪力的作用，所以筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度隨環(huán)境溫度的升高而降低。等研究了提高溫度對(duì)筋與混凝土粘結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)到時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度的損失與普通鋼筋相似，但當(dāng)溫度再提高時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度就會(huì)大幅度降低，當(dāng)溫度提高到時(shí)殘余粘結(jié)強(qiáng)度僅為室溫時(shí)的。粘結(jié)強(qiáng)度的