高溫下GFRP筋和混凝土粘結(jié)性能的實驗研究

1、第33卷第11期2012年11月哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報JournalofHarbinEngineeringUniversityVol3311Nov2012高溫下GFRP筋和混凝土粘結(jié)性能的實驗研究鞠竹，王振清，李曉霽，韓玉來，劉兵（哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）摘要：為了研究高溫下GFRP筋和混凝土的粘結(jié)性能，采用直徑8mm的GFRP筋和100mm100mm100mm立方體混凝土試塊組成的粘結(jié)試件，在20190溫度范圍內(nèi)選定5種工況，進行了一系列GFRP筋和混凝土之間的粘結(jié)性實驗中測量了GFRP筋在高溫下的抗拉強度以及混凝土的抗壓強度實驗分別能實驗為了獲得2種材料的力

2、學(xué)性能，測量了不同溫度條件下GFRP筋和混凝土之間的粘結(jié)強度、殘余粘結(jié)應(yīng)力以及不同時刻粘結(jié)實驗段兩端（包括自由端和為理論分析兩種材料的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系提供了有加載端）的滑移量值基于實驗結(jié)果確定出了粘結(jié)滑移方程的參數(shù)，效的幫助關(guān)鍵詞：GFRP筋；混凝土；高溫；粘結(jié)性能；滑移doi：103969/jissn1006-7043201109049網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：/wwwcnkinet/kcms/detail/231390U201203081607007html中圖分類號：TU3171文獻標(biāo)志碼：A7043（2012）11-1351-07文章編號：1006-Theexperimentalinve

3、stigationofbondbehaviorbetweenGFRPbarandconcreteinhightemperatureJUZhu，WANGZhenqing，LIXiaoji，HANYulai，LIUBing（CollegeofAerospaceandCivilEngineering，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China）Abstract：Pull-outspecimenswereusedtostudytheeffectoftemperaturerangingfrom20to190indryenvi-ronmentonbondp

4、ropertiesbetweenglassfiberreinforcedpolymer（GFRP）barsandconcreteExperimentalevalu-ationswerecarriedoutbasedonC30concretecubesandGFRPbarswiththediameterof8mmTheexperimentalprogramconsistsofthreeparts：first，measuringthematerialpropertiesofGFRPbarsandconcrete；second，confir-mingtheinterfacebondstrengtha

5、ndtheassociatedslipvaluesatbothendsoftheadhesivespecimensindifferenttheresidualbondstressandtheassociatedslipvaluesatbothendsoftheadhesivespecimensintemperature；third，differenttemperaturewerealsomeasuredConfirmingtheparameterbasedonexperimentalresultsisusefulfortheo-reticalstudyonbond-slipconstituti

6、verelationshipbetweenGFRPbarsandconcreteKeywords：GFRPbar；concrete；hightemperature；bondbehavior；slip纖維增強復(fù)合塑料（簡稱FRP）是由連續(xù)纖維材料和粘結(jié)膠體組成的一種高性能復(fù)合材料在土木工程領(lǐng)域，主要采用FRP材料代替鋼筋以解決鋼1筋的腐蝕問題FRP筋和混凝土構(gòu)成一種組合結(jié)構(gòu)材料的基本條件是二者之間具有可靠的粘結(jié)和錨2才能達到固性能只有保證了力的有效傳遞，09-262-70：07收稿日期：2011-網(wǎng)絡(luò)出版時間：2012-基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（11272096）；教育部博士生基），作

7、者簡介：鞠竹（1985-女，博士研究生；），王振清（1962-男，教授，博士生導(dǎo)師E-mail：wangzhenqinghrbeueducn通信作者：王振清，F(xiàn)RP筋和混凝土整體協(xié)同工作的目的鑒于FRP筋并且相關(guān)文和混凝土的界面性能受溫度影響明顯，獻不多，所以本文對這部分內(nèi)容進行了細致的分析和研究3呂西林以玻璃纖維（GFRP）為例，研究了火災(zāi)高溫下FRP筋和混凝土的粘結(jié)性能以及火災(zāi)后二者之間的殘余粘結(jié)性能同時，給出了高溫下GFRP筋和混凝土之間錨固長度的經(jīng)驗值A(chǔ)mnonKatz和NetaBerman4-5對FRP筋和混凝土之間在20250溫度范圍內(nèi)的粘結(jié)性能進行了實驗研究給出一個基于雙曲正切函

8、數(shù)的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停源藖砻枋鲭S溫度升高粘結(jié)強度降低的程度JCPH1352哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報第33卷Gamage等6采用大型有限元程序Strand7對碳纖維（CFRP）加固混凝土試件進行了熱傳導(dǎo)分析，對樹脂粘結(jié)層的溫度以及滿足不同抗火等級所需要的絕該數(shù)值模型還考察了溫?zé)釋雍穸冗M行了預(yù)測同時，度上升速率對粘結(jié)強度的影響，與實驗結(jié)果一致NestoreGalati等7通過直接拉拔實驗考察了高溫下影響FRP筋加固混凝土試件的因素盡管前面學(xué)者針對高溫下FRP筋和混凝土之但是間的粘結(jié)性能已經(jīng)開展了一系列的實驗研究，多數(shù)以定性敘述的形式給出結(jié)論，缺少與理論分析并在的結(jié)合以及定量分析本文借鑒已有實驗方法，其基礎(chǔ)上

9、進行改進通過實驗不僅測量了不同溫度分析了粘結(jié)強度隨溫度的下粘結(jié)試件的極限載荷，變化情況，而且將測量得到的粘結(jié)試件兩端的滑移量值等應(yīng)用于理論分析公式中，以確定理論公式中利用Matlab軟件的PDE工具箱對粘的參數(shù)同時，結(jié)試件內(nèi)部不同時刻的溫度場分布進行了數(shù)值模擬和分析（b）試件剖面圖1Fig1表1Table1T/組數(shù)203（3）粘結(jié)試件構(gòu)造試件分組Specimengroups703（3）1104（3）1503（3）1905（3）Structurediagramofbondspecimen注：括號內(nèi)為實驗有效的組數(shù)1GFRP筋和混凝土的高溫粘結(jié)性能實驗11實驗裝置實驗所采用的實驗裝置為WDW310

10、0型微機控制電子式萬能實驗機，是配備全數(shù)字測量控制系統(tǒng)及計3所示W(wǎng)DW3100附帶烤如圖2、算機的新型實驗機，箱，可在不同溫度下（80400）進行均勻?qū)嶒灹λ俾实睦煅b置主要參數(shù)：最大實驗力100kN，移動橫梁最大行程1200mm，力分辨力1/240000（全程分辨力力示值相對誤差05%，位移分辨力不變），0001mm，位移示值相對誤差02%由于實驗過程中要測量試件自由端的滑移量，需要在試件的底部放置千分表，所以需保證下部鋼支座到試件底部有足夠的高度考慮到儀器配套的夾具不能滿足實驗的需求，所以采用自行加工的鋼支架，鋼支架既可以固定試件，又可以保證加載只對粘結(jié)試件的粘結(jié)段進行實驗采用直徑8mm的

11、GFRP筋選取20190溫度范圍內(nèi)20、70、110、150、190共5種20時為室溫，工況分別進行測量其中，即處于不用于與高溫工況進行比較實驗所采用粘加熱狀態(tài)，結(jié)試件的構(gòu)造如圖1所示，圖中粘結(jié)試件的細部尺寸為：采用陶瓷套管脫粘（陶瓷套管的作用主要是避免混凝土試塊端部局部應(yīng)力集中）的自由端和加a2=載端兩部分GFRP筋的長度a1=30mm，30mm；加載端預(yù)留GFRP筋的長度a3=80mm；粘結(jié)段長度l=40mm在實驗過程中對伸出混凝土試試件分組情況塊外的GFRP筋緩慢施加軸向荷載，如表1所示圖2（a）粘結(jié)試件Fig2實驗裝置簡圖Experimentaldevicediagram第11期鞠竹，

12、等：高溫下GFRP筋和混凝土粘結(jié)性能的實驗研究1353圖3實驗裝置Fig3Experimentaldevice12實驗過程在加熱箱中對試件進行加熱，在達到預(yù)定溫度保持該溫度使試件受熱一段時間之后再開始緩時，慢加載，不同溫度條件下受熱時間不同，具體如表2所示所采用的加熱時間是根據(jù)Matlab軟件，進行粘結(jié)試件內(nèi)部溫度場模擬之后得到的，如圖4所示由于GFRP筋在混凝土試塊中所占的比例較小，所以模擬時忽略內(nèi)部纖維筋的影響表2Table2不同溫度下試件的受熱時間HeatingtimeoftestspecimensindifferenttemperaturesT/t/h70251103515035190

13、35圖4不同溫度下混凝土試塊的溫度場分布Fig4Temperaturefielddistributionofconcretespecimens圖5中給出了溫控箱的控溫情況，溫度誤差小于05%圖5Fig5溫控箱的控溫情況Thetemperaturecontrolsituationofthetemper-aturecontrolbox實驗的具體操作流程如圖6所示圖6Fig6實驗操作流程Operationprocedure1354哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報第33卷2不同溫度下材料力學(xué)性能212GFRP筋的力學(xué)性能實驗中所使用材料的力學(xué)性能直接影響著實驗的最終結(jié)果，下面對實驗中使用的GFRP筋和混凝土的力學(xué)性

14、能分別進行介紹21實驗所用材料的力學(xué)性能211混凝土的力學(xué)性能實驗過程中使用混凝土的設(shè)計強度等級為C30，制作了6個共2組100mm100mm100mm8的立方體試件試件是按照文獻的要求，通過壓力機的抗壓強度實驗量測得到的，具體數(shù)據(jù)如表3所示，取兩組試件強度代表值的平均值作為混凝土9的強度：312MPa表3Table3試件編號123456混凝土立方體抗壓強度Cubiccompressivestrengthofconcrete極限荷載/kN335285296324338292抗壓強度/MPa335285296324338292318305強度代表值/MPa實驗所使用GFRP筋在不同溫度條件下的力

15、學(xué)性能如表4所示表4Table4不同溫度下GFRP力學(xué)性能MechanicalpropertiesofGFRPbarsindifferenttemperaturesT/2070110150190抗拉彈性模量/GPa5150514850極限抗拉強度/MPa331實驗結(jié)果與理論參數(shù)分析實驗結(jié)果分析由實驗得到的粘結(jié)強度及對應(yīng)滑移量與溫度的關(guān)系如表5所示粘結(jié)強度可以通過極限荷載除以10GFRP筋直徑、粘結(jié)長度和的乘積得到由表5可以看出，隨著溫度的升高，粘結(jié)強度和對應(yīng)的滑移量（此時僅有加載端滑移）呈下降趨勢時，根據(jù)表5中平均粘結(jié)強度和溫度的關(guān)系可以得到粘結(jié)強度隨如圖7所示溫度的變化曲線，表5Table5

16、T/2070110150190極限荷載/kN組18320768042202210348組15680942044004360162組15301224034704110297不同溫度下界面粘結(jié)強度及對應(yīng)滑移量Theinterfacebondstrengthandtheassociatedslipindifferenttemperature平均極限荷載/kN16430978040303560269平均粘結(jié)強度u/MPa16350973040103540267粘結(jié)強度與20時比值/%100595245217163粘結(jié)強度對應(yīng)滑移/mm組42132984123407780583組443528641168

17、08940602組46793467110910930490平均滑移Su/mm44423105117009220558在實驗的過程中還分別量測了粘結(jié)試件加載端和自由端的滑移量，根據(jù)相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)可以得到具體如圖8所示從不同溫度下的荷載滑移曲線，實驗曲線中可以看出，當(dāng)實驗溫度接近GFRP筋的?；瘻囟葧r，相同實驗條件下的實驗曲線變化幅度且距離玻化溫度較遠較大在沒有達到?；瘻囟?，時，相同實驗條件下的實驗曲線變化幅度較小出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于在玻化溫度附近，粘結(jié)圖7Fig7粘結(jié)應(yīng)力隨溫度的變化Averagebondstressvaryingwithtemperature段上GFRP筋發(fā)生的?；潭?/p>

18、不同，所以產(chǎn)生了曲11線的較大幅度變化第11期鞠竹，等：高溫下GFRP筋和混凝土粘結(jié)性能的實驗研究1355（e）190（a）20圖8Fig820190的荷載滑移曲線Load-slipcurves（20190）在對粘結(jié)試件進行加載的初始階段，加載端的可以量測到GFRP筋和混凝粘結(jié)力很快受到破壞，土之間的滑移量值此時GFRP筋僅在靠近加載端的一部分受到力的作用，粘結(jié)應(yīng)力的分布也局限于這一部分隨著拉力增加粘結(jié)應(yīng)力發(fā)展的過程如圖9所示12由圖中可以看出，自由端滑移量的產(chǎn)生相對于加載端有一定的延后作用這里僅給出了20時3個試件的荷載滑移曲線，如圖10所示（b）70（c）110圖9Fig9（d）150隨拉

19、拔力增加粘結(jié)應(yīng)力逐漸增加的過程Progressionofbondstresswithincreasingpull-outforce1356哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報第33卷（c）試件3（a）試件1圖1020的荷載-滑移曲線Fig10Load-slipcurvesofcondition1對于在不同溫度下的殘余粘結(jié)應(yīng)力及其對應(yīng)的自由端（Sfr）和加載端（Sfi）滑移量值在表6中給出，并分別計算了Sfr和Sfi的平均值從表中可以看出，GFRP筋相對于混凝土的滑移值隨著溫度的升高，總體呈上升的趨勢，只是在GFRP筋的玻化溫度附近此變化趨勢不是很明顯這是因為?；瘻囟雀浇珿FRP筋中膠體的性能開始變得不穩(wěn)定造成

20、的，具這里不予以詳細說體涉及到材料方面的相關(guān)理論，（b）試件2表6Table6Theresidual殘余粘結(jié)應(yīng)力平均殘余/MPaT/粘結(jié)應(yīng)力組組組r/MPa201620136114231468701101501900564073809180220023801750177023402090146010001550740021102070134明對于殘余粘結(jié)應(yīng)力隨溫度的變化趨勢在圖7中給出，可以看出殘余粘結(jié)應(yīng)力隨溫度的升高逐漸下降不同溫度下的殘余粘結(jié)應(yīng)力及對應(yīng)滑移量bondstressandtheassociatedslipindifferenttemperature殘余粘結(jié)應(yīng)力對應(yīng)滑移殘余粘結(jié)應(yīng)

21、力對應(yīng)滑移平均滑移/MPa/MPaSfr/mmSfrSfrSfrSfiSfiSfi78248996117071032179147726780811094939410133725276171213196508939760084101164497888995818893141218611008864280338135116259987108757593797112750102219750平均滑移Sfi/mm793884731218710405975632粘結(jié)滑移理論公式參數(shù)分析基于實驗結(jié)果，本文為粘結(jié)滑移理論公式參數(shù)13Sr=SfiSfr其中，x為余粘結(jié)應(yīng)力及其對應(yīng)滑移量，沿粘結(jié)長度方向，不同位置

22、的坐標(biāo)，取自由端為x起k，c1，c2為自定義參數(shù)，始位置；，其表達式由下列式子給出：=lPAP的確定提供了依據(jù)根據(jù)作者前面的研究，已經(jīng)得出沿粘結(jié)長度方向，隨溫度變化的粘結(jié)應(yīng)力和滑移量分布函數(shù)，如式（1）（4）所示公式基于彈性理論推導(dǎo)，采用雙線性模型，模型示意圖在圖11中給出s（x）=sush（lsush（x）=），sh（ls（x）=c1ex+c2ex+，sussrsh（0ssu（1），（2）（3）()(1+AP1+EPTEcTAc)，k=u，=su=r1s，=su，1usrsuuu，su)()（sfr）el+sfic1=2shll+（sfr）esfic2=，2shl（x）=u（1+）uc1ex

23、+c2ex+（4）suEcT，EC，AP，AC分別為GFRP筋和混凝土式中：EPT，在不同溫度下（EC為常溫下的彈性模量）的彈性模Su為粘結(jié)強度及其對應(yīng)滑移量；r、Sr為殘式中：u、第11期鞠竹，等：高溫下GFRP筋和混凝土粘結(jié)性能的實驗研究1357EPT根據(jù)表4確定，EcT根據(jù)公式量和橫截面面積，EcT=（08300011T）EC，60T700確定；lP為GFRP筋的截面周長根據(jù)表57可以確定參k、c1、c2從而式（1）（4）中除變量x均、數(shù)、為已知，相應(yīng)系數(shù)的取值在表89中詳細列出當(dāng)x取不同值時，可以得到沿粘結(jié)長度方向，不同位置處的粘結(jié)應(yīng)力和滑移量值2）粘結(jié)實驗段兩端的滑移量值隨著溫度的升

24、高呈上升趨勢，在?；瘻囟雀浇兴▌?；3）基于本文實驗結(jié)果，可以確定出粘結(jié)滑移本為理論分析高溫下FRP筋和混凝土之構(gòu)方程參數(shù)，間的粘結(jié)性能提供依據(jù)參考文獻：1M北京：中國騰錦光，陳建飛FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)2004：1-63建筑工業(yè)出版社，2M北京：清過鎮(zhèn)海，時旭東鋼筋混凝土原理和分析2003：143-157華大學(xué)出版社，3呂西林，周長東火災(zāi)高溫下GFRP筋和混凝土粘結(jié)性J建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28（5）：32-39能實驗研究L Xilin，ZHOUChangdongTeststudyonbondbehaviorbe-tweenGFRPbarandconcreteinhightemperatu

25、reJJournal2007，28（5）：32-39ofBuildingStructures，4AMMONK，NETAB，LAWRENCECBEffectofhightemperatureonbondofFRPrebarsJJournalofCompos-1999，3（2）：73-81itesforConstruction，5AMNONK，NETABModelingtheeffectofhightempera-tureonthebondofFRPreinforcingbarstoconcreteJCementConcreteComposites，2000，22：433-4436GAMAGEJC

26、PH，AL-MAHAIDIR，WONGMBBondchar-acteristicsofCFRPplatedconcretemembersunderelevatedtem-peraturesJCompositeStructures，2006，75：199-2057GALATIN，NANNIAThermaleffectsonbondbetweenComposites：PartA，2006，F(xiàn)RPrebarandconcreteJ37：1223-123082002，戎君明，陸建雯，姚燕，等GB/T50081-普通混凝土力學(xué)S北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003性能實驗方法標(biāo)準(zhǔn)9郭恒寧FRP筋與混凝土粘

27、結(jié)錨固性能的實驗研究和理D南京：東南大學(xué)，2006：1-69論分析GUOHengningExperimentalstudyandtheoreticalanalysisonbondandanchoragepropertiesofFRPtendonsconcreteDNanjing：SoutheastUniversity，2006：1-6910蔡正華高溫下CFRP-混凝土界面受剪力性能研究D上海：同濟大學(xué)，2008：1-72CAIZhenghuaResearchofmechanicalpropertyofCFRP-concreteinterfaceunderelevatedtemperaturesDShang-2008：1-72hai：TongjiUniversity，11AL-DULAIJANSUEffectofenvironmentalandmechani-calconditioningonbondbetweenGFRPreinforcementandconcreteDPennsylvania：ThePennsylvaniaStateUni-1996：1-200versity，12KACHLAKEVDIBondstrengthinves