王 磊,吳 翔,曾 榕,易 金(.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院, 廣西 桂林 54004;2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 54004)
隨著海洋資源的深度開發(fā)和利用,海洋權(quán)益的爭(zhēng)奪也日漸加劇,包括軍事在內(nèi)的海洋工程建設(shè)日漸增多,對(duì)于遠(yuǎn)離大陸的島礁工程建設(shè)來說,所需的各項(xiàng)材料需要從大陸運(yùn)輸,其運(yùn)輸成本非常昂貴[1]。開發(fā)可以就地取材的建筑材料是島礁建設(shè)的迫切問題,而以珊瑚碎屑為骨料的珊瑚混凝土給人們一個(gè)選擇途徑。珊瑚碎屑為珊瑚蟲死后的產(chǎn)物,主要化學(xué)成分為碳酸鈣,在我國(guó)南海諸島中大量分布,其質(zhì)輕、多孔、筒壓強(qiáng)度大于2.0 MPa,根據(jù)我國(guó)混凝土骨料的分類,可作為天然輕骨料來配置混凝土[2,3]。然而,由于長(zhǎng)期以來海洋權(quán)益保護(hù)意識(shí)的淡薄所導(dǎo)致的島礁建設(shè)低需求,珊瑚混凝土開發(fā)利用的相關(guān)研究并不為人所重視,加之珊瑚混凝土本身所存在的先天性缺陷,其應(yīng)用范圍局限于不加鋼筋的路基路面等低層次的混凝土工程。
濕熱海洋環(huán)境以及珊瑚碎屑所含的大量鹽分導(dǎo)致的鋼筋銹蝕問題,是困擾珊瑚混凝土工程應(yīng)用的最主要障礙。近些年來,以碳纖維(CFRP)筋、玻璃纖維(GFRP)筋、玄武巖纖維(BFRP)筋等為代表的纖維增強(qiáng)塑料筋(Fiber Reinforced Polymer Rebar,簡(jiǎn)稱FRP筋),以其出色的力學(xué)性能、優(yōu)異的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)在有特殊要求的工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[4],也為珊瑚混凝土相關(guān)耐久性問題的解決提供了新的途徑。但是,以當(dāng)前的研究現(xiàn)狀,無論是傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論,還是FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究成果,在描述FRP筋珊瑚混凝土的基本力學(xué)性能特征時(shí)均存在明顯的局限性,這方面的不足嚴(yán)重制約了FPR筋珊瑚混凝土結(jié)構(gòu)在島礁建設(shè)的實(shí)際工程應(yīng)用。本文針對(duì)這一問題,開展了FRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)性能試驗(yàn)研究。不僅為FRP筋結(jié)構(gòu)在島礁的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ),也將對(duì)完善FRP筋混凝土相關(guān)理論產(chǎn)生積極影響。
試驗(yàn)筋材為浙江海寧安捷復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的螺紋CFRP筋,在CFRP筋的筋錨固試驗(yàn)之前,通過筋材拉拔試驗(yàn),確定CFRP筋基本力學(xué)參數(shù),見表1。
表1 CFRP的物理力學(xué)性能Tab.1 Physico-mechanical properties of CFRP bars
本次試驗(yàn)采用的粗骨料為北海潿洲島上分布的珊瑚砂,其形狀分為條狀和塊狀,具有輕質(zhì)、多孔的特點(diǎn),按照我國(guó)混凝土骨料分類,屬于天然輕骨料的一種,見圖1。
圖1 珊瑚骨料Fig.1 Coral aggregate
試驗(yàn)對(duì)珊瑚骨料24 h吸水率進(jìn)行測(cè)定。1 h吸水率為17.8%,3 h吸水率為18.6%,7 h以后基本趨于飽和,達(dá)到峰值時(shí)為19.4%,此后骨料吸水基本處于飽和狀態(tài),不再增加,具體見表2。
本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)擬用珊瑚混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15、C20、C25,均采用實(shí)驗(yàn)室配合比,其中水灰比為凈用水量計(jì)算得出,由于珊瑚骨料的特性,還要加上珊瑚骨料1 h的吸水率17.8%作為附加用水[5],附加用水量為127.4 kg/m3。珊瑚混凝土的水灰比及物理力學(xué)性能,見表3。
表2 珊瑚骨料吸水率Tab.2 Water-absorption of coral aggregate
表3 珊瑚混凝土的水灰比及物理力學(xué)性能Tab.3 Water-cement ratio and physico-mechanical properties of coral aggregate
為了研究CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)性能,探明纖維筋種類、直徑、錨固長(zhǎng)度、混凝土強(qiáng)度等相關(guān)因素對(duì)黏結(jié)性能的影響,試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。
采用中心拉拔試驗(yàn)方法,試件制作標(biāo)準(zhǔn)參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50152-2012)。本次試驗(yàn)共澆筑10組30個(gè)帶CFRP筋的珊瑚混凝土立方體試件,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,詳見表4。為了消除試件加載端的端部效應(yīng),在加載端設(shè)置未黏結(jié)段,自由段設(shè)置黏結(jié)區(qū),用塑料套管將FRP筋與珊瑚混凝土隔離,黏結(jié)長(zhǎng)度通過調(diào)整塑料套管的位置來實(shí)現(xiàn)。在制作拉拔試件的同時(shí),同批澆筑3個(gè)邊長(zhǎng)為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件,并在相同的條件下,同期養(yǎng)護(hù)28 d,用來測(cè)量各種配合比混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。
表4 試件設(shè)計(jì)Tab.4 The specimen design
本次試驗(yàn)的加載裝置示意圖,見圖2。整個(gè)拉拔裝置體系由4根高強(qiáng)螺桿、2根角鋼和1塊中心鉆孔的30 mm厚的鋼板組成。在試驗(yàn)中用到2個(gè)電子百分表,電子百分表1測(cè)量鋼板的變形值,電子百分表2測(cè)量CFRP筋的自由端絕對(duì)滑移值,兩者的差值即為CFRP筋的相對(duì)滑移值。現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)加載裝置,見圖3。
1-電子百分表1;2-電子百分表2;3-FRR筋;4-塑料套管;5-瑚珊混凝土;6-30 mm厚鋼板;7-高強(qiáng)螺桿圖2 拉拔試驗(yàn)裝置示意圖(單位:mm)Fig.2 Schematic of the pull-out test device
圖3 現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)加載裝置Fig.3 The pull-out test loading device on site
本次試驗(yàn)計(jì)算試件的平均黏結(jié)應(yīng)力采用公式(1),即:
(1)
式中:τ為平均黏結(jié)應(yīng)力;P為拉拔力;d為FRP筋的直徑;ln為黏結(jié)長(zhǎng)度。
本次試驗(yàn)總共制作了30個(gè)中心拉拔試件,對(duì)30個(gè)試件全部進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)。本次試驗(yàn)未出現(xiàn)劈裂破壞,試件的主要破壞形式為FRP筋與珊瑚混凝土的滑移破壞以及FRP筋斷裂。
(1)FRP筋與珊瑚混凝土滑移破壞。本次試驗(yàn),10組中心拉拔試件中總共25個(gè)試件都發(fā)生了黏結(jié)滑移破壞;其中CFRP筋在加載開始后不久,試件的自由端就產(chǎn)生了滑移,滑移值基本上是隨著荷載值的增加而線性增加;繼續(xù)加載當(dāng)達(dá)到極限滑移荷載后,自由端滑移值突然增大,加載端滑移值迅速下降,甚至降到接近0值。但是,CFRP筋并未被全部拔出,黏結(jié)力也沒有全部消失;此時(shí)若繼續(xù)加載,自由端滑移值會(huì)進(jìn)一步增大,而荷載值會(huì)出現(xiàn)上升下降的逐步遞減趨勢(shì),直至CFRP筋全部拔出。GFRP筋也會(huì)發(fā)生類似的破壞過程,但是在上升過程中,速度會(huì)更快,峰值會(huì)較小,并且在下降的過程中,殘余應(yīng)力也較小。FRP筋的滑移破壞,見圖4。
圖4 CFRP筋黏結(jié)滑移破壞Fig.4 The slip failure of CFRP bars
(2)FRP筋斷裂。在本次試驗(yàn)中,直徑8 mm,黏結(jié)長(zhǎng)度大于10d的8個(gè)中心拉拔試件發(fā)生了CFRP筋斷裂。在試驗(yàn)加載過程中可以清楚地聽到纖維與樹脂的剝離聲,最后隨著“啪”的一聲巨響,CFRP筋的纖維散開,筋被拉斷;GFRP筋沒有發(fā)生斷裂現(xiàn)象。CFRP筋被拉斷時(shí)均未達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度,這可能是因?yàn)槠湓谶\(yùn)輸以及澆筑過程中,CFRP筋受到了部分損傷,還有制作過程中纖維和樹脂未能均勻混合,導(dǎo)致在試驗(yàn)時(shí),受力不均勻,造成局部應(yīng)力集中[6]。CFRP筋的斷裂,見圖5。
圖5 CFRP筋斷裂Fig.5 The CFRP bars fracture
本次試驗(yàn)有25個(gè)試件為黏結(jié)滑移破壞,并測(cè)得了相應(yīng)的自由端黏結(jié)-滑移曲線,現(xiàn)給出一個(gè)CFRP筋的自由端黏結(jié)-滑移曲線做具體分析,見圖6。
圖6 CFRP筋黏結(jié)-滑移曲線Fig.6 The bond-slip curve of CFRP bars
通過觀察圖6可知,與普通混凝土和FRP筋一樣[7],珊瑚混凝土和FRP筋的黏結(jié)滑移曲線也可大致分為4個(gè)階段,但每個(gè)階段局部有所不同,具體如下:
(1)微滑移階段。在FRP筋拔出的初始階段,F(xiàn)RP筋加載端的滑移量很小,而自由端尚未開始滑移,在這一階段,滑移慢慢從加載端向自由端發(fā)展,但未達(dá)到自由段頂部;此時(shí)FRP筋與周圍珊瑚混凝土基體之間的黏結(jié)力主要為化學(xué)膠著力。珊瑚混凝土相對(duì)與普通混凝土微滑移階段時(shí)間比較短,也就是這一階段同一黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的滑移量更大,提前進(jìn)入滑移階段。
(2)滑移階段。隨著荷載的增加,化學(xué)膠著力逐漸喪失,自由端開始出現(xiàn)滑移,黏結(jié)滑移曲線開始呈現(xiàn)非線性狀態(tài);此時(shí)的黏結(jié)力主要為FRP筋與珊瑚混凝土基體之間的機(jī)械咬合力和摩擦力。
(3)拔出階段。當(dāng)荷載加載至極限荷載附近,F(xiàn)RP筋與珊瑚混凝土基體之間的相對(duì)滑移進(jìn)一步增加;當(dāng)荷載繼續(xù)增加到達(dá)極限荷載時(shí),F(xiàn)RP筋周邊的珊瑚混凝土被剪碎,黏結(jié)滑移曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折;此時(shí)的黏結(jié)力仍由FRP筋與周圍珊瑚混凝土基體之間的摩擦力以及機(jī)械咬合力組成。珊瑚混凝土中的FRP筋極限黏結(jié)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滑移量約為2.5~3 mm,小于普通混凝土的3~5 mm。
(4)殘余階段。荷載到達(dá)峰值后,荷載迅速下降,滑移值大幅增長(zhǎng),繼續(xù)加載荷載會(huì)出現(xiàn)上升下降的逐漸遞減過程,直至FRP筋被拔出。這一階段的黏結(jié)力仍然由機(jī)械咬合力以及摩擦力組成。珊瑚混凝土中的FRP筋進(jìn)入殘余階段對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值為峰值的30%左右,而普通混凝土對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值為峰值的40%左右。
本文設(shè)計(jì)了黏結(jié)長(zhǎng)度均為5d時(shí),不同直徑CFRP筋在相同珊瑚混凝土強(qiáng)度下的2組中心拉拔試驗(yàn),結(jié)果數(shù)據(jù)如圖7所示:隨著CFRP筋的直徑增大,其極限平均黏結(jié)強(qiáng)度顯著減小。主要原因?yàn)橐韵聨c(diǎn):
(1)CFRP筋的黏結(jié)面積與面周界長(zhǎng)度成正比,而拉力與截面面積成正比,二者的比值反映了CFRP筋的相對(duì)黏結(jié)面積,在相同的黏結(jié)長(zhǎng)度時(shí),直徑較大的相對(duì)黏結(jié)面積反而減小,降低了CFRP筋與珊瑚混凝土之間的黏結(jié)性能。
(2)CFEP筋的直徑越大,包裹在CFRP筋表面的珊瑚混凝土泌水就會(huì)越嚴(yán)重,CFRP筋表面就會(huì)有較大的空隙,導(dǎo)致CFRP筋與珊瑚混凝土之間的黏結(jié)性能降低[8]。
(3)對(duì)于中心拉拔試驗(yàn)中較大直徑的CFRP筋,筋的截面中心與筋的表面變形不一致,從而導(dǎo)致CFRP筋截面正應(yīng)力分布不均勻,產(chǎn)生了剪應(yīng)力滯后現(xiàn)象,不利于極限黏結(jié)強(qiáng)度[9]。但相比較普通混凝土與FRP筋的黏結(jié)滑移曲線[7],可以發(fā)現(xiàn)普通混凝土中極限平均黏結(jié)強(qiáng)度隨直徑下降的幅度很小,在10%以內(nèi),而珊瑚混凝土極限平均黏結(jié)強(qiáng)度下降幅度更加顯著,如圖7所示。
圖7 不同直徑的CFRP筋黏結(jié)-滑移曲線Fig.7 The bond-slip curve of different diameters CFRP bars
本文設(shè)計(jì)了CFRP筋直徑均為8 mm時(shí),不同錨固長(zhǎng)度的CFRP筋在相同珊瑚混凝土強(qiáng)度下的3組中心拉拔試驗(yàn),結(jié)果數(shù)據(jù)如圖8所示:在一定錨固長(zhǎng)度內(nèi),隨著錨固長(zhǎng)度的增大,極限平均黏結(jié)強(qiáng)度減小。相關(guān)研究表明[10]:這是由于在中心拉拔的試件中應(yīng)力拱作用產(chǎn)生的峰值效應(yīng)而導(dǎo)致的;黏結(jié)應(yīng)力在錨固長(zhǎng)度內(nèi)分布是不均勻的,當(dāng)錨固長(zhǎng)度較小時(shí),高應(yīng)力區(qū)分布較長(zhǎng),平均黏結(jié)應(yīng)力較大;當(dāng)錨固長(zhǎng)度較大時(shí),高應(yīng)力區(qū)分布較短,所以平均黏結(jié)應(yīng)力較小。相對(duì)于普通混凝土[7],珊瑚混凝土中FRP筋極限平均黏結(jié)強(qiáng)度隨著錨固長(zhǎng)度的增加,變化相對(duì)平緩;其中從表8可以看出黏結(jié)長(zhǎng)度從5d增大到12d,而極限平均黏結(jié)強(qiáng)度只下降了4.8%。
圖8 不同錨固長(zhǎng)度的CFRP筋黏結(jié)-滑移曲線Fig.8 The bond-slip curve of different anchorage length CFRP bars
本文設(shè)計(jì)了黏結(jié)長(zhǎng)度均為10d時(shí),不同等級(jí)珊瑚混凝土強(qiáng)度在相同直徑的CFRP筋下的3組中心拉拔試驗(yàn),結(jié)果數(shù)據(jù)如圖9所示:珊瑚混凝土強(qiáng)度從C15增加到C20,CFRP筋的極限平均黏結(jié)強(qiáng)度上升了26%;從C20增加到C25,CFRP的極限平均黏結(jié)強(qiáng)度上升了39%。也就是說在強(qiáng)度小于C30的情況下,隨著珊瑚混凝土強(qiáng)度的提高,CFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著。相關(guān)研究表面[9],F(xiàn)RP筋與混凝土間的黏結(jié)破壞與普通鋼筋混凝土存在較大差異,主要表現(xiàn)在:①鋼筋混凝土中平均黏結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度的平方根呈比例的結(jié)論已不再適用于強(qiáng)度較高的FRP筋混凝土。②由于FRP筋的材料性質(zhì)與鋼筋不同,對(duì)于C30及以上混凝土來說,F(xiàn)RP筋的表面剛度和抗剪強(qiáng)度均低于混凝土的強(qiáng)度,拔出破壞時(shí)以筋材表面肋被削弱或剪切破壞為主要特征,隨著混凝土強(qiáng)度的提高,對(duì)拔出破壞的黏結(jié)性能影響不大。
圖9 不同強(qiáng)度等級(jí)珊瑚混凝土的CFRP筋黏結(jié)-滑移曲線Fig.9 The CFRP bars bond-slip curve with different strength grades of coral concrete
本文對(duì)30個(gè)FRP筋中心拉拔試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究,主要研究CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)性能,得到以下結(jié)論:
(1)CFRP筋的拔出受力過程大致可以分為四個(gè)階段:微滑移階段、滑移階段、拔出階段和殘余階段。
(2)CFRP筋與珊瑚混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度隨著CFRP筋直徑的增加而顯著減小。
(3)CFRP筋在一定錨固長(zhǎng)度內(nèi),隨著錨固長(zhǎng)度的增大,極限平均黏結(jié)應(yīng)力相應(yīng)減小。
(4)在珊瑚混凝土強(qiáng)度較低的情況下,CFRP筋的黏結(jié)強(qiáng)度隨著珊瑚混凝土強(qiáng)度提高而增長(zhǎng)。
(5)CFRP筋的種類、生產(chǎn)規(guī)格、筋表面處理情況等因素對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度影響較大,試驗(yàn)結(jié)果所表現(xiàn)出的離散性明顯高于鋼筋與混凝土間的黏結(jié)。
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[1] 王 磊,趙艷林,呂海波. 珊瑚骨料混凝土的基礎(chǔ)性能及研究應(yīng)用前景[J].混凝土,2012,(2).
[2] GB/T 17431.1-2010,輕集料及其試驗(yàn)方法第一部分:輕集料[S].
[3] JGJ51-2002,輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程[S].
[4] 呂志濤. 高性能材料FRP應(yīng)用與結(jié)構(gòu)工程創(chuàng)新[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,22(1).
[5] 李 林. 珊瑚骨料預(yù)濕對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[J]. 混凝土,2011,(1).
[6] 張永康,高曉明. FRP筋與混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)研究[J]. 城市道橋與防洪,2012,(10).
[7] 吳 芳. 玄武巖纖維筋與混凝土黏結(jié)性能試驗(yàn)研究[D]. 遼寧大連:大連理工大學(xué),2009.
[8] B Tighiouart, B Benmokrance, D Gao. Investigation of bond in concrete member with fiber reinforced polymer(FRP) bars[J]. Construction and Building Materials 12,1998.
[9] 郭恒寧. FRP筋與混凝土黏結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究和理論分析[D]. 南京:東南大學(xué),2006.
[10] 王洪昌. 超高韌性水泥基復(fù)合材料與鋼筋黏結(jié)性能試驗(yàn)研究[D]. 遼寧大連:大連理工大學(xué),2007