超强韧性混凝土与GFRP筋黏结性能研究.pdf

2023年第6 期（总第40 4期）Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.004混凝土ConcreteTHEORETICALRESEARCH理论研究超强韧性混凝土与GFRP筋黏结性能研究于明鑫1，孙丽，俞家欢，杨泽宇2（1.沈阳城市建设学院土木工程学院，辽宁沈阳1 1 0 1 6 7；2.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳1 1 0 1 6 8)摘要：超强韧性混凝土(PPECC)与玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋均是新型建筑材料，与传统材料相比，,其各项机械性能优异，应用前景广阔。研究通过黏结试验，分析了试件的不同的破坏形式，黏结滑移曲线的特点，明确了玻璃纤维增强塑料筋直径、聚丙烯(PP)纤维掺量、GFRP筋黏结长度及材料类型对耗能和黏结性能的影响，最终确定了超强韧性混凝土最佳纤维掺量及其与玻璃纤维增强塑料筋的合理锚固长度计算方法和数值。关键词：超强韧性混凝土；玻璃纤维增强塑料筋；黏结性能；锚固长度中图分类号：TU528.01(1.School of Civil Engineering,Shenyang Urban Construction University,Shenyang 110167,China;2.School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China)Abstract:PP ECC and GFRP bars are both new building materials with excellent mechanical properties compared with traditional ma-terials.The characteristics of bond-slip curve and the influencing factors of bond strength were analyzed through the bond performance testof PP ECC and GFRP bars.The effects of diameter of GFRP bars,PP fiber content,bonding length of GFRP bars and type of material onbonding performance were determined.The optimal fiber content ratio of PP ECC was determined.Determine the reasonable anchoragelength calculation method of PP ECC and GFRP bars.Key words:PP ECC;GFRP bars;bond properties;anchorage length文献标志码：AResearchonbondpropertiesofPPECCandGFRPbarsYU Mingxin,SUN Li?,YU Jiahuan?,YANG Zeyu?文章编号：1 0 0 2-3 5 5 0(2 0 2 3)0 6-0 0 1 5-0 4引言0超强韧性混凝土(PPECC)是应用国产改性聚丙烯(PP)纤维,基于工程水泥基复合材料(ECC)配制出的一种新型工程材料,其抗裂性能和韧性大大优于普通混凝土，而造价也低于常见的ECC材料,工程应用前景广阔-3 ;玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋也因其优良的机械性能而广泛应用于工程4。但探究超强韧性混凝土(PP ECC)与玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋之间的黏结性能和协同工作在国内外却鲜有研究 5。混凝土与增强筋间的黏结是构件工作的基础 5,本研究混凝土种类纤维体积掺量/%PP ECC-11.0PP ECC-21.5PP ECC-32.0C300研究采用中心拉拔试验，试件和装置如图1、2 所示，将PPECC试件制作成1 5 0 mm150mm150mm试块，将GFRP筋埋置在试件的中心,GFRP筋总长5 0 0 mm，自由端留5 0 mm。在试件的两端安装PVC套管，将GFRP筋与收稿日期：2 0 2 2-0 3-0 7基金项目：国家自然科学基金（5 1 47 8 2 7 6）；2 0 2 0 年度辽宁省教育厅科学研究一般项目（LJKX202007）通过黏结性能试验，分析纤维掺量、GFRP筋黏结长度、GFRP筋直径和材料类型对PPECC与GFRP筋黏结性能的影响，能够得出推荐纤维掺量，并建立锚固长度计算式，为工程应用提出合理建议。1试验概况PPECC与GFRP筋黏结性能试验中，配制不同纤维掺量的PP ECC试件,并测定其抗压性能,结果发现,当纤维掺量提升至1.5%后，材料性能变化不明显，其基本参数如表1 所示。表1 PPECC的基本参数水泥/kg砂/kg800.00400.0800.00400.0800.00400.0363.63653.7石子/kg0001524.8PPECC隔离开来，控制埋设长度；同时可通过套筒端部的加固，避免局部出现材料碎裂的现象。本试验试件的模式在之前的研究中曾大量应用,因此本次研究中继续使用 5-6 。试件基本参数如表2 所示。15水/kg200200200200水灰比0.250.250.250.55平均立方体抗压强度/MPa31.32332.27432.30733.221PVC套管图1 试件示意图一传感器一上球铰夹持架一位移计中试件一垫板槽钢下球铰一锚筋口图2 试验装置表2 试件的基本参数试件编号混凝土种类GFRP筋直径d/mmP1PP ECC-1P2PP ECC-1P3PP ECC-1P4PP ECC-1P5PP ECC-1P6PP ECC-1P7PP ECC-2P8PP ECC-2P9PP ECC-2P10PP ECC-2P11PP ECC-2P12PP ECC-2P13PP ECC-3P14PP ECC-3P15PP ECC-3P16PP ECC-3P17PP ECC-3P18PP ECC-3C1C30C2C30C3C30C4C30C5C30C6C302试验结果分析2.1试验数据和曲线特性试验中当荷载下降到极限荷载8 0%时，判定试件失去16PVC套管二黏结区-LVDI黏结长度l/mm144014701490184018701890144014701490184018701890144014701490184018701890144014701490184018701890承载力，对不同参数试件的试验数据整理与计算后，所得到的结果如表3 所示。其中，极限耗能为荷载-滑移(F-S)曲线所围面积。研究选取典型曲线P1与P18进行分析，见图3。图3(a)为GFRP筋增强PPECC试件黏结性能试验滑移破坏典型曲线。曲线加载初期为线弹性阶段，在加载到0.3倍极限荷载时变得缓慢，进人滑移阶段。继续加载至极限荷载，曲线斜率减小，进入破坏阶段。在破坏阶段，由于PPECC内部的PP纤维桥联裂缝起到了一定的阻裂作用，尽管滑移较大，但黏结力并没有下降很大。图3(b)为GFRP筋增强PPECC试件黏结性能试验劈裂破坏典型曲线。加载初期为线弹性阶段，加载至0.2 倍极限荷载时，进人滑移阶段。继续加载至接近极限荷载后，曲线斜率急剧减小，直接进人破坏阶段，破坏阶段黏结力下降很大。2.2黏结性能影响因素如图4、5 所示，根据试验结果表3 中的计算值，绘制图4不同参数对GFRP筋增强PPECC试件耗能的影响、图5 不同参数对GFRP筋增强PPECC试件极限切应力的影响，通过分析可以得到以下结论：2.2.1GFRP筋直径的影响通过表3 与图4(a）5(a)可以看出，当GFRP筋埋长一定时,直径为1 8 mm的GFRP筋增强PPECC试件极限耗能高于GFRP筋直径为1 4mm的试件,直径为1 8 mm的GFRP筋增强PPECC试件极限切应力低于GFRP筋直径为1 4mm的试件。直径越大的GFRP筋消耗的能量越大；但由于PPECC水灰比较大，会出现较严重的泌水现象，与GFRP筋黏结处产生较大空隙，造成黏结切应力降低。2.2.2纤维体积掺量的影响通过表2 与图4(b)5(b)可以看出,GFRP筋增强PPECC试件的耗能和PPECC与GFRP筋间的黏结切应力随着纤维体积掺量的增大而有所提高，但明显随着体积掺量的增加，这种提高程度在下降。原因在于当GFRP筋埋长及直径一定时，若PP纤维不结团,PPECC能将GFRP筋充分包裹，使PPECC材料对GFRP筋的包裹更加紧密。在裂缝开展过程中,纤维延缓了沿着GFRP筋肋的纵向裂缝开展，提高了极限耗能。但当纤维掺入过多时，会出现纤维结团现象，这样PPECC不能充分包裹GFRP筋，使其极限耗能提高不显著。2.2.3黏结长度的影响通过表2 与图4(c)、5(c)对比可以看出,GFRP筋埋长即黏结长度为40 mm时,PPECC与GFRP筋间的黏结耗能和黏结切应力均大于黏结长度为1 0 0 mm的试件,GFRP筋埋长越大，黏结切应力就越小。原因在于黏结切应力在沿GFRP筋黏结长度内的分布不均匀，埋长越长，黏结切应力分布越不均勾，平均切应力就越小。2.2.4材料类型的影响通过表3 与图4(d)、5(d)的对比可以看出,GFRP筋增强PPECC试件耗能与黏结切应力均高于普通混凝土试件,这是由于PPECC具有较高的抗裂性和韧性，使PP表3 黏结性能试验数据试件编号F/kNP142.92P263.13P370.82P437.83P563.36P671.20P743.61P872.96P976.92P1043.21P1172.88P1274.06P1344.12P1474.24P1577.47P1651.52P1779.39P1882.02C134.61C251.78C368.19C437.35C553.83C669.026050N/40302007060504030200ECC与GFRP筋间的黏结耗能和黏结切应力要高于显著普通混凝土。3GFRP筋与PPECC的基本锚固长度为保证GFRP筋与PPECC在实际工程应用中能顺利应用于施工,并正常工作,必须确定GFRP筋与PPECC间合理的锚固长度。GFRP筋与PPECC的基本锚固长度，即加载端位移/mm13.6713.5810.3413.2613.1110.2213.2313.1610.0313.2012.899.8913.1313.099.8713.1013.089.7912.3212.018.3311.3211.038.01510S/mm(a)P1试件F-S曲线510S/mm(b)C3试件F-S曲线图3 试件F-S曲线自由端位移/mm3.823.161.843.802.911.154.173.021.143.823.241.434.153.190.223.722.980.872.942.850.932.140.320.3115201520极限切应力/（N/mm）24.4120.5216.1116.7316.0112.6024.8023.7117.5019.1118.4213.1025.0924.1317.6222.7920.0714.5119.6816.8315.5116.5213.6112.21在实际受力过程中，当GFRP筋与PPECC间的锚固长度为某一特定值时,黏结应力与GFRP筋极限拉应力相等,此时黏结长度即为GFRP筋与PPECC的基本锚固长度。综上所述可以得到计算式：TdlabT.=AfgA=Td42530J2530极限耗能/493.58789.13606.50606.39811.01695.60530.24926.59699.96594.20990.15785.03540.62950.27614.86618.241072.07794.87280.34476.38502.36377.48516.77538.51lab=f4式中：A-GFRP筋截面面积;-GFRP筋直径;Tu黏结应力；基本锚固长度；GFRP筋极限抗拉强度。美国ACI440标准中规定的一般FRP筋黏结强度式为TuKiVfd式中:KiFRP筋黏结强度修正系数；f一混凝土抗压强度。式(3)可得出FRP筋基本锚固长度式为AfKimVf本试验根据（GB/T501522012)规范要求，取黏结长度为5 d时GFRP筋与PPECC的黏结强度来计算实际工程应用中，其基本锚固长度。17破坏形式钢筋滑移破坏钢筋滑移破坏PPECC劈裂破坏钢筋滑移破坏钢筋滑移破坏PPECC劈裂破坏钢筋滑移破坏钢筋滑移破坏PPECC劈裂破坏钢筋滑移破坏钢筋滑移破坏PPECC劈裂破坏钢筋滑移破坏钢筋滑移破坏PPECC劈裂破坏钢筋滑移破坏钢筋滑移破坏PPECC劈裂破坏钢筋滑移破坏钢筋滑移破坏普通混凝土劈裂破坏钢筋滑移破坏普通混凝土劈裂破坏普通混凝土劈裂破坏(1)(2)(3)(4)(5)90080070060050040030020010001490080070060050040030020010001.09008007006005004003002001000409008007006005004003002001000PPECCC30PPECCC30PPECCC30材料类型(d)材料类型的影响图4不同参数对试件耗能的影响表4FRP筋黏结强度修正系数K,值计算结果试件编号fe/MPad/mm黏结长度/mmTu/(N/mm)P231.323P631.323P832.274P1232.274P1432.307P1832.307根据计算，取保守修正系数K,=35。lab=-0.01_Af,Vf以上即为不同纤维掺量的PPECC材料与不同直径GFRP筋的基本锚固长度值,分布在4 6 0 mm之间，此数值可为工程的实际应用提供参考依据。1830(w/N)/42520口 1%,401.5%,100C30,401814GFRP筋直径/mm(a)GFRP筋直径的影响1.52.0纤维体积掺量/%(b)纤维体积掺量的影响70100黏结长度/mm(c)黏结长度的影响147018901470189014701890口1%,40151.5%,100C30,40105018141.01.5407018口1 4,40518,1002.0口1%,1 411%,18100口1 4,40114,70114,100K20.5251.3312.6040.5223.7158.4313.1041.5124.1359.4414.5145.96(6)1430(uu/N)/至425201510501.030(uu/N)/425201510504030(uu/N)/(42520151050PPECCC30IPPECC C30 PPECC C30材料类型(d)材料类型的影响图5 大不同参数对极限切应力的影响表5基本锚固长度计算结果混凝土GFRP筋直径种类/MPaPP ECC-131.323PP ECC-131.323PP ECC-232.274PP ECC-232.274PP ECC-332.307PP ECC-432.3074结论研究通过对PPECC和GFRP筋的黏结性能试验，得到相关数据，通过分析，得出以下结论：18GFRP筋直径/mm(a)GFRP筋直径的影响1.52.0纤维体积掺量/%(b)纤维体积掺量的影响70100黏结长度/mm(c)黏结长度的影响d/mm141814181418上接第2 5 页14181.040141.52.0口1%,1 41%,1870100口1 4,4014,70114,100基本锚固长度/MPaLab/mm20.5251.3312.6040.5223.7158.4313.1041.5124.1359.4414.5145.9618口1 4,4018,1002017,60(6),84-90.16JSOREN S,GUNNARR,CHRISTIN S,et al.Large scale multiplekernel learningJJournal of Machine Learning Research,2006(7):1531-1565.17TAMER E M.Behavior of corrosion-damaged RC columns wrappedwith FRP under combined flexural and axial loadingJ.Cement andConcrete Composites,2008,30(6):524-534.18陈红秋,蒋凤昌,周桂香,等.CFRP加固锈蚀钢筋混凝土柱承载力试验研究 .建筑技术,19丁一婧.CRB735 高强钢筋混凝土柱受压性能研究 D济南:山东大学,2 0 2 1:5 8-6 0.20JXUN W,LEI C,HUI L,et al.Experimental study of the mechanicalproperties of reinforced concrete compression members under thecombined action of sustained load and 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