拉拔试件的平均粘结强度计算公式如下.
τ=P/(πdble) (1)
式中:τ代表平均粘结应力; P代表拉拔荷载,db和le分别代表筋材直径和粘结长度.所有拉拔试件的试验结果汇总如表5所示.
表5 试验结果汇总
Tab.5 Summary of test results
本次试验中绝大部分试件都发生拔出破坏,个别试件出现劈裂破坏,其可能由于在浇筑过程中使筋材的位置发生偏离(筋材没有完全垂直于混凝土)造成.
2.1 破坏形态
不同混凝土材料的拉拔试件界面破坏形态见图5.由图可知:三种不同混凝土材料的拉拔试件界面破坏形态较为相似,它们的界面损伤均为FRP筋的表面肋损伤.G13SWSS-50%试件的筋材表面肋被混凝土剪断,而G13FWRS-0%和G13SWSS-0%试件的筋材表面肋由于摩擦而被削弱.相比于G13FWRS-0%和G13SWSS-0%试件,G13SWSS-50%试件的筋材表面损伤更为严重,其主要由SWSS-HVFA-SCC抗压强度高,及HVFA-SCC与GFRP筋的强粘结作用造成[8].
图5 不同混凝土材料的拉拔试件界面破坏形态
Fig.5 Interface failure modes of pull-out specimens with different concrete material
不同筋材直径的拉拔试件界面破坏形态见图6.由图可知:由于直径为13 mm的GFRP筋肋较深,G13FWRS-0%试件在拉拔过程中主要以GFRP筋的树脂层被剪断而发生破坏.而直径为其中19 mm的GFRP筋肋较浅,G19FWRS-0%试件在拉拔过程中主要以GFRP筋的树脂层磨损而发生破坏.
不同筋材类型的拉拔试件界面破坏形态见图7.由图可知:G13SWSS-50%试件的GFRP表面树脂层被剪断,而B13SWSS-50%试件的BFRP表面树脂层发生磨损,这可能与筋材的树脂类型及筋材表面形式相关.S12SWSS-50%试件的粘结段内钢筋肋间填充了混凝土,界面混凝土发生严重损伤.由于钢筋的肋较高,且其弹性模量大,导致S12SWSS-50%试件的破坏形态表现为界面混凝土被钢筋的肋剪碎.S12SWSS-50%试件的粘结应力主要取决于机械咬合力.
图6 不同筋材直径的拉拔试件界面破坏形态
Fig.6 Interface failure modes of pull-out specimens with different diameter of bar
图7 不同筋材类型的拉拔试件界面破坏形态
Fig.7 Interface failure modes of pull-out specimens with different reinforcing bar
2.2 粘结强度
混凝土材料对粘结强度的影响见图8,如图8(a)所示,以淡水河砂混凝土拉拔试件(G13FWRS-0%)为基准组,海水海砂高掺量粉煤灰SCC拉拔试件(G13SWSS-50%)的粘结强度提高15.4%,而海水海砂混凝土(G13SWSS-0%)的粘结强度降低15.1%.由于本次配制的三种混凝土抗压强度有所差异,且ACI 440.3R-12规范表明FRP筋增强混凝土的粘结强度与混凝土轴心抗压强度的1/2次方成正比[9].本文通过粘结强度(τm)与轴心抗压强度的1/2次方(fc)1/2的比值来排除混凝土强度的影响,见图8(b).从图中发现:排除混凝土强度的影响后,混凝土类型对粘结强度的影响较小,说明混凝土类型对粘结强度的影响主要是由于混凝土强度差异引起的.
图8 混凝土材料对粘结强度的影响
Fig.8 Influence of concrete material on bond strength
筋材直径对粘结强度的影响见图9,由图可知:无论是SWSS-HVFA-SCC样本还是FWRS-NC样本,GFRP筋与混凝土的粘结强度随着筋材直径增大基本呈线性降低,这主要由于筋材表面与截面中心变形不一致,从而导致粘结段内的筋材截面应力分布不均匀,即剪应力滞后现象[10].此外,也有文献表明:FRP筋直径增大导致筋材表面泌水更为严重,从而导致筋材与混凝土界面空隙较大,粘结强度减少[11].其中,G16SWSS-50%和G19SWSS-50%拉拔试件的粘结强度较G13SWSS-50%的低32.78%和71.67%,G16FWRS-0%和G19FWRS-0%拉拔试件的粘结强度较G13FWRS-0%的低36.81%和78.98%.
图9 筋材直径对粘结强度的影响
Fig.9 Influence of reinforcement material diameter on bond strength
筋材类型对粘结强度的影响见图 10,由图发现:在本次试验中,GFRP筋、BFRP筋和钢筋增强海水海砂HVFA-SCC的粘结强度基本相近,其主要归因于三种筋材的肋高差异不大.以钢筋拉拔试件为基准,BFRP筋和GFRP筋拉拔试件的粘结强度分别降低了3.52%和3.08%,筋材类型的改变对粘结强度的影响不超过5%.这表明GFRP筋和BFRP筋代替钢筋用于海水海砂HVFA-SCC结构中能够提供足够的粘结强度.
图 10 筋材类型对粘结强度的影响
Fig.10 Influence of reinforcement material type on bond strength
2.3 粘结-滑移曲线
混凝土材料对粘结-滑移曲线的影响见图 11,由图可知:混凝土基体材料对拉拔试件的粘结-滑移曲线影响并不显著.相比于G13SWSS-0%和 G13FWRS-0%试件,G13SWSS-50%试件自由端的粘结-滑移曲线初始刚度较大,说明海水海砂HVFA-SCC与GFRP筋之间具有更好的化学胶着力.
图 11 混凝土材料对粘结-滑移曲线的影响
Fig.11 Influence of concrete material on bond-slip curves
筋材直径对粘结-滑移曲线的影响见图 12,由图发现:拉拔试件的粘结-滑移曲线初始刚度随着筋材直径的增大而减少.G13SWSS-50%和G16SWSS-50%试件在拉拔过程中出现第二个上升段,而G19SWSS-50%试件在拉拔过程中没有出现第二个上升段.由于试验中采用的19 mm筋材的肋高度与直径之比(H/d=0.05)较小,而13 mm筋材(H/d=0.08)和16 mm筋材(H/d=0.10)的较大,导致G19SWSS-50%试件未出现第二次机械咬合,其残余应力主要取决于摩擦力.
图 12 筋材直径对粘结-滑移曲线的影响
Fig.12 Influence of reinforcement material diameter on bond-slip curves
筋材类型对粘结-滑移曲线的影响见图 13,由图表明:在第一个上升阶段,同等粘结应力情况下,带肋钢筋拉拔试件具有较小的滑移量,其次是BFRP筋拉拔试件,最后是GFRP筋拉拔试件,这与三种筋材的肋高相关.在第一个下降阶段,带肋钢筋拉拔试件下降速率较BFRP筋和GFRP筋拉拔试件慢.由于BFRP筋和GFRP筋拉拔试件的失效模式主要取决于筋材的树脂层,因此它们在拉拔过程中存在下一个机械咬合时刻,即粘结-滑移曲线第二次上升阶段.粘结-滑移曲线第一个峰值和第二个峰值所对应的滑移量之差与FRP筋的肋间距基本相同.由于带肋钢筋拉拔试件的失效模式主要取决于界面周边的混凝土被剪碎,因此其粘结-滑移曲线不会出现第二个上升段.由图 13(a)发现:当粘结应力达到峰值时,带肋钢筋拉拔试件的钢筋已经发生了屈服,故在加载端粘结-滑移曲线中可以看到明显的力保持阶段.
图 13 筋材类型对粘结-滑移曲线的影响
Fig.13 Influence of reinforcement material type on bond-slip curves