FRP筋与混凝土粘结性能的研究进展

1、frp 筋与混凝土粘结性能的研究进展孙晓燕，姚晨纯，王海龙，朱建科*（浙江大学建筑工程学院）510152025303540摘要：由于环境侵蚀导致钢筋混凝土结构服役期间存在不可避免的耐久性缺陷，frp 筋被视为解决混凝土耐久性问题的新型材料替代钢筋。由于 frp 筋与混凝土粘结性能影响二者的协同工作能力，成为 frp 筋能否在未来代替钢筋的关键问题。本文对国内外 frp 筋与混凝土粘结性能最新研究进展进行了简要综述，着重针对粘结机理和影响因素进行分析归纳，总结了现有 frp 筋与混凝土粘结滑移本构关系模型合理论分析方法，并对现有研究的不足提出了建议。关键词：土木建筑；frp 筋，粘结机理，影响因

2、素，本构关系中图分类号：u445.7state of art of research on bondproperties between fiberreinforced polymer(frp) bar andconcretesun xiao-yan, yao chen-chun, wang hai-long, zhu jian-ke(college of civil engineering and architecture,zhejiang univeristy)abstract: in this paper,the reinforced concrete structures are su

3、ffering severe degradation ofdurability due to environmental erosion during their service period. frp bar are considered to be anew material to solve the durability problem instead of steel bar. the bonding properties betweenfrp bar and concrete will affect the work together ability of reinforced st

4、ructures, and becomingto be the key issue for the future implement of frp bar to instead of steel bar. this papersummarizes the state-ofart research on bond properties between frp bar and concrete, theinfluential factors and adhesion mechanism are discussed and anal sized in detail. the constitutive

5、relation model and method of frp and concrete bonding are summarized. several suggestions inthis domain are brought forth based on the analysis of current investigation.key words: civil engineering;frp bar, adhesion mechanism, influential factors, constitutiverelation0 引言混凝土结构应用于桥梁、水工、港工等侵蚀性或暴露性环境时，

6、钢筋腐蚀严重影响了结构的耐久性。frp筋作为具有轻质、高强度、耐腐蚀、抗电磁性能好等优点的新型纤维复合材料被视为钢筋的替代材料，解决混凝土结构耐久性问题行之有效的方法，无论从防腐性能、经济性、施工性，还是从生产的难易程度来看，都已达到或接近实用阶段。自80年代以来，欧美以及日本等国学者针对frp筋材料的力学特性、加工工艺和结构力学性能等方面开展了试验研究1-3，取得了一定的成果。frp筋用于混凝土结构的研究中， frp筋与混凝土之间粘结性能和二者的协同工作能力成为frp筋能否在未来代替钢筋的关键问题。由于frp筋与钢筋各方面的性能差异，特别是frp筋弹性模量低导致现有钢筋粘结性能的研究成果不能

7、直接基金项目：教育部博士点基金（200803351117）作者简介：孙晓燕，（1976-），女，副教授，桥梁结构可靠度评估与维修决策通信联系人：王海龙，（1974-），男，副教授，桥梁结构加固. e-mail: hlwang-1-用于frp筋，因此，frp筋与混凝土的粘结性能是一个非常值得研究的课题1 frp 筋与混凝土粘结机理的研究451.1粘结应力frp 筋混凝土结构的粘结应力是指 frp 筋与混凝土接触面上沿筋向的剪切应力，它能够传递 frp 筋与混凝土之间的应力，使两者共同受力。在实验室中可以通过粘结试验来检测 frp 筋与混凝土结构的粘结应力。目前常用的粘结试验有拉拔试验和梁式试验。

8、拉拔试验4 试件为边长为 150mm 的混凝土立方体，如图 1a 所示；梁式试验试件规格不统一，根50据 rilem/ceb/fip.(1978)5的建议，试件尺寸为 150mm250mm1250mm，如图 1b 所示。pvc套管粘结区pvc套管（a）拉拔试件加载端p粘结区加载端（b）梁式试件pvc套管55图 1 粘结试验试件示意图（单位：mm）在实际应用中，frp 筋与混凝土的粘结性能一般通过拉拔试验数据所得到的粘结强度t来评价，其公式为：t =pp dla（1）601.2式中：t 为粘结强度， p 为筋的拉拔力， d 为筋的直径，la 为筋的粘结长度。粘结应力的工作机理粘结应力由多个方面组

9、成。t.kanakubo 通过研究6将 frp 筋与混凝土的粘结机理分为两种类型：一种是以机械咬合力为主的粘结机制；另一种是以摩擦力为主的粘结机制。b.tighiouart 从试验结论中7得出 frp 筋与混凝土的粘结应力主要包括以下几方面：（1）frp6570筋与混凝土接触面上的摩擦力；（2）frp 筋通过其表面变形与混凝土产生的机械咬合力；（3）frp 筋与混凝土之间的化学胶着力。郝庆多等人认为8，不同形式 frp 筋的粘结应力传递机理有所不同：对于光圆 frp 筋，粘结应力的传递主要靠化学胶着力和摩擦力，机械咬合力作用很小，特别当 frp 筋发生滑移后，化学粘着力消失，摩擦力就成为粘结应

10、力的主要组成部分；而对于带肋 frp 筋，粘结应力的传递主要靠机械咬合力，化学胶着力和摩擦力的作用微小。frp 筋与混凝土的粘结破坏会出现三种破坏形式：筋拔出破坏、混凝土劈裂片破坏和-2-筋拉断破坏。前两种破坏形式属于粘结破坏，筋拉断破坏不属于粘结破坏。7522.1frp 筋与混凝土粘结性能影响因素的研究frp 筋的类型根据 frp 筋中所采用的纤维类型的不同，frp 筋主要可分为 gfrp 筋、cfrp 筋、afrp筋和 bfrp 筋。研究表明5，gfrp 筋和 cfrp 筋与混凝土的粘结强度为钢筋强度的 72%，afrp 筋粘结强度为钢筋强度的 85%90%。王大强等人4对直径为 14mm

11、,粘结长度不同（40mm、70mm、100mm）的 gfrp 筋和 bfrp 筋进行的粘结性能试验表明：gfrp 筋的粘结性能明显低于 bfrp 筋的粘结性能，粘结长度分别为 40、70、100mm 时，gfrp 筋比 bfrp80筋粘结强度的降低幅度分别为 12.45%、17.32%、11.89%，并且 gfrp 筋在粘结破坏时滑移量较小。2.2frp 筋的粘结长度对于粘结长度短的 frp 筋混凝土试件可以用平均粘结强度作为 frp 筋混凝土的实际粘结强度；对于粘结长度长的试件，由于真实的粘结应力沿锚固长度方向是变化的，用平均粘8590结强度来反映 frp 筋混凝土试件的粘结强度是不符合实际

12、的。zenon achillides 在研究中发现5，如果保持 frp 筋的直径不变，则 frp 筋的粘结长度越大，受力后的粘结应力分布越不均匀，试件破坏时的平均粘结强度与实际最大粘结应力的比值越小。陈剑通过试验研究9得到粘结长度对 gfrp 筋粘结性能的影响规律，由于粘结应力在gfrp 筋的粘结长度内的不均匀分布导致 gfrp 筋的极限粘结强度随着粘结长度的增长而降低，如图 2 所示。粘结应力主要集中在靠近加载端的部分粘结长度内，而且粘结长度越长，粘结应力分布越不均匀。粘结破坏时，平均粘结应力t u 与最大粘结应力t max 的比值越小。图 2 gfrp 筋不同粘结长度时极限粘结应力t u

13、的对比图952.3frp 筋的直径研究表明8，frp 筋直径对 frp 筋与混凝土之间的粘结性能有很大影响。师晓权等人10做了 135 个 gfrp 筋拉拔试件的粘结试验，从他的试验结果数据中有针对性的选取一部分数据，得到 frp 筋粘结强度随直径变化规律，如图 3 所示。-3-图 3 筋直径对粘结强度的影响曲线100105110（注：c30-5d 表示混凝土强度 c30,粘结长度为 5 倍筋直径）由图 3 可以得出在混凝土强度、粘结长度以及其他因素一定的情况下，gfrp 筋直径越大，粘结强度越小，这是因为：（1）在取筋直径的倍数作为粘结长度时，直径大的筋的粘结长度大于直径小的筋，而粘结强度随

14、着粘结长度的增长而降低。（2）直径较大的筋的相对粘结面积减小，不利于极限粘结强度的改善11。（3）泊松效应：由于 frp 筋是各向异性材料，其强度由纵向纤维的强度所决定，而横向强度则主要有筋表面的树脂强度所决定。当 frp 筋受拉时，其纵向应力在泊松效应的作用下略有降低，筋直径越大，纵向应力降低的越多，从而影响其与混凝土的极限粘结强度7。（4）frp 筋的剪切刚度较小，在粘结长度一定时，frp 筋表面的粘结应力的发展受其直径的影响较大。当 frp 筋受拉时，剪切滞后使得筋横截面中心与边缘的变形有一定差异，横截面的正应力非均匀缝补，不利于粘结强度的发展，因此会降低 frp 筋与混凝土之间的粘结强

15、度7。2.4frp 筋的表面形状frp 筋同普通钢筋一样，存在光圆和螺纹两种。薛伟辰、张鹏等人12-13开展了直径 9.5mm115的 frp 螺纹筋与 frp 光圆筋的粘结强度对比试验，试验结果见表 1。研究表明：光圆筋与混凝土的粘结强度远远低于螺纹筋与混凝土的粘结强度，均为其 7%左右，而两者粘结强度的巨大差异却仅仅是筋表面的加工工艺不同。表 1 frp 螺纹筋与 frp 光圆筋的粘结强度对比/mpa环境介质frp 螺纹筋粘结强度frp 光圆筋粘结强度文献12文献13混凝土 c25混凝土 c2512.8715.270.901.07有资料表明14,通过有效改变 frp 筋表面的形状，frp

16、筋的粘结强度可以得到极大增强，120125甚至可达到钢筋与混凝土粘结强度的 1.5 倍以上。不同的肋参数(肋间距、肋高度等)对 frp筋与混凝土的粘结性能影响显著。因此设置最佳的肋参数来确定 frp 筋表面形状尤为重要。malvar15通过对不同表面形状的 frp 筋进行试验，发现 frp 筋的肋高度是影响粘结性能的重要因素。郝庆多16通过试验研究发现 gfrp 筋粘结强度最大时的肋间距为筋直径的 1 倍，肋高度为筋直径的 6%，如图 4 所示。-4-图 4 肋参数对粘结强度的影响图（注：8#0.06 表示筋直径 8mm，肋间距为筋直径的 0.06；88 表示筋直径为 8mm，肋间距为 8mm

17、）130135140沈新17通过试验研究发现 frp 筋类型对最佳肋参数有显著影响。bfrp 筋的最佳肋参数与 gfrp 筋不同。试验采用的都是直径为 10mm 的 bfrp 筋，粘结强度最大时,肋间距为筋直径的 80%；肋高度为筋直径的 10%，如图 5 所示。除了在 frp 筋上产生肋参数外，可以对 frp 筋表面进行粘砂或喷砂处理，这同样能提高筋的粘结强度。徐文锋等人的试验表明18，喷砂 frp 筋的粘结强度普遍提高，喷砂后 gfrp筋与混凝土的粘结性能比不喷砂的提高 5.5%，喷砂后 bfrp 筋与混凝土粘结性能比不喷砂的提高 4.5%。现阶段的喷砂工艺还存在改进空间，随着喷砂工艺的提

18、高，粘结强度会进一步提高。图 5 frp 筋材粘结强度图（注：b6d1 表示肋间距为 6mm，肋高度为 1mm）2.5混凝土强度已有研究表明19，钢筋与混凝土的粘结强度同混凝土的抗压强度的平方根成线性关系。145纤维筋的弹性模量为钢筋弹性模量 1/5，且这两种筋材与混凝土粘结面破坏机理不尽相同，因此这一结论不适用于 frp 筋。师晓权等10研究表明，提高混凝土强度等级能提高混凝土的抗剪、抗拉强度，对于增强粘结强度有一定的促进作用，如图 6 所示。把混凝土强度由 c20 增加到 c40，不同直径frp 筋粘结强度整体略有增加，但效果并不显著，而且随着直径改变还具有明显的波动性。-5-150图 6

19、 混凝土强度对粘结强度的影响张鹏等20 开展了直径为 7.4mm 的 afrp 筋粘结试验，认为在一定范围内，afrp 筋的粘结强度随混凝土强度的提高而提高，当混凝土强度较高时，其粘结强度变化不显著，如图1551607 所示。图 7 混凝土强度对 afrp 筋粘结性能的影响曲线总之，目前对于混凝土强度对 frp 筋粘结性能的影响还不是十分明确，有必要对此做进一步深入的研究。2.6其它因素对于 frp 筋的粘结强度，除了上述的因素外，诸如混凝土保护层厚度、横向压应力或横向箍筋、浇筑位置、温度变化和环境因素等情况都会对粘结强度有影响，还需要做进一步的研究和探讨。1653 frp 筋与混凝土粘结滑移

20、本构关系的研究frp 筋与混凝土的粘结滑移本构关系是设计、推广和应用 frp 筋混凝土结构的重要内容，为了完成对 frp 筋混凝土构件的结构性能分析，需要研究建立完整的粘结滑移分析模型，并通过大量的试验结果加以验证21。1703.1主要粘结滑移本构模型（1）malvar 模型1994 年 malvar22通过大量试验，首次提出 gfrp 筋与混凝土的本构关系模型：t = t mf (s / sm ) + (g -1)(s / sm )21 + (f - 2)(s / sm ) + g(s / sm )2（2）tft= a + b(1 - e-csft)175sm = d + es-6-式中：t

21、 m ， sm 峰值粘结应力及相应的滑移；f , g 拟合试验数据得到的经验常数；s 轴对称的侧限径向压力；f t 混凝土抗压强度；180a , b , c , d , e 为不同筋种类的经验常数。（2）bpe 模型1995 年 faoro23将 bpe 模型成功应用于 frp 筋混凝土结构分析中，本构模型如图 8 所示，它的粘结滑移本构模型为：a185水平段 t = （s1 s s2 )（3）下降段 t =t1 -t1 -t 3s2 - s3(s2 - s) (s2 s3 )式中： s 2 ， s3 ，t 3 由试验确定；t1 ， s1 最大粘结强度及与相应的滑移； a 为不大于 1 的常数

22、。190（3）改进的 bpe 模型1996 年 cosenza 等24对 bpe 模型进行了改进，如图 9 所示，它的粘结滑移本构模型为：a软化段 t / t1 = 1 - p(s / s1 -1) (s1 s s3 )（4）195200式中：t 3 摩擦力分量；a ， p 为参数。图 8 bpe 模型图 9 改进的 bpe 模型-7-上升段 t /t 1 1 1）=（s/s ） （s s上升段 t /t 1 =（s/s1） （s s1）（4）cmr 模型由于多数结构问题只考虑使用阶段，只需要精确的t - s 曲线的上升段，因此 1995 年cosenza 等25人给出了t - s 曲线上升段

23、的一种模型：ssr（5）205210式中：t m 峰值粘结应力；s r ， b 根据试验曲线拟合而得到的参数（5）连续曲线模型2003 年，郑州大学的高丹盈，朱海堂等26在总结了国内外已有的 frp 筋与混凝土粘结滑移本构模型的基础上，为了使粘结滑移关系同时满足物理概念明确、光滑连续等要求，可以采用仅包含四个参数的简化的连续曲线模型，如图 10 所示：图 10 连续曲线模型上升段= 2 -s s(0 s s0 )2152 23 3式中：t 0 ， s0 峰值点对应的剪应力和滑移；(s0 s su )（6）t u ， su 残余剪切强度与剪应力达到残余剪切强度时的滑移。3.2本构模型的应用及改进

24、（1）徐新生，张宁等27对 5 组直径均为 9.5mm 的不同类型筋（gfrp 螺纹筋、cfrp 螺纹筋、gfrp 光圆筋、螺纹钢筋和光圆钢筋）进行拉拔试验，并且在试验的基础上，运用改进220225230的 bpe 本构模型，进行有限元模拟。模型中的参数 a 由理论曲线上升段下的面积等于试验曲线上升段下的面积求得，而参数 p 是在软化段范围内，由试验曲线与理论曲线的面积相等得到。根据试验结果，螺纹状表面粘砂 cfrp 筋 a =0.56，p =0.32；螺纹状表面粘砂 gfrp筋 a =0.52， p =0.24。将数值模拟结果与实验结果进行对比分析，曲线上升段模拟结果与理论结果和试验结果吻合

25、较好，下降段则不如上升段，主要由于理论曲线下降段为直线，同时下降段的得出与各试件的峰值和极限状态值直接关联，这使得模型的下降段与试验曲线有一定的差异。但由于大多数结构问题只考虑使用阶段，只需要上升段曲线模型，因此该本构模型仍然可以较好的用于 frp 筋与混凝土的粘结性能研究。（2）大连理工大学的吴芳28在研究 bfrp 筋与混凝土粘结性能试验一文中，使用了 cmr模型进行模型拟合，cmr 模型值与试验值吻合良好。通过对试验成功采到完整的粘结滑移曲线的 frp 筋进行的 cmr 模型拟合，得到每个试件 s r 和 b 的具体数值，与 b.benmokrane-8-下降段 t = t 0 (su

26、u - 3s0 +t u (s - s0 ) (3su - 2s - s0 )- s) (2s + s)(su - s0 ) (su - s0 )和 b.tighiouart 通过 gfrp 筋混凝土梁试验15,得出 s r 和 b 的具体数值不同的是，此次试验并没有得到一组可以反映 bfrp 筋和 gfrp 筋粘结滑移模型的两个参数的通值，通过分析 s r和 b 参数得到以下结论：（a）在材料、直径、粘结长度相同的情况下， s r 和 b 值相差不大。此时混凝土强度的变化235240对这两个值基本没有影响。（b）材料、直径相同，混凝土强度不变的情况下，随着粘结长度的增加， s r 有变小的趋

27、势，对于 bfrp 筋的 b 增加，而 gfrp 筋的 b 减小。（3）高丹盈等29通过 gfrp 筋与混凝土的粘结试验得到的粘结滑移曲线，与连续曲线模型比较符合。并根据试验数据对该模型进行改进，得到 gfrp 筋与混凝土粘结滑移曲线模型的表达式为：上升段tt 0s ss0 s0(0 s s0 )回弹衰减段2 23（7）t = t u +dt2 ds 2 2p -245250255260265残余段：周期 ds = s 幅值 dt = 2mpa式中：t 0 、t u 极限点粘结应力和残余点粘结应力；s0 、 su 极限点滑移量和残余点滑移量；dt 为回弹衰减段波动幅值； ds 为回弹衰减波动周

28、期。通过改进的粘结滑移曲线模型所得到的理论粘结滑移曲线，与试验所得曲线符合较好。4 结语对于 frp 筋的粘结性能，国内外进行了较为广泛的试验和理论研究，由于国内尚无 frp筋规范，国内厂家生产的同规格 frp 筋在质量和性能上各不相同，现有研究成果还存在较多差异，不能形成一套完整的 frp 筋混凝土粘结性能理论。存在的主要问题如下：（1）对于 frp 筋与混凝土粘结强度影响因素研究还有待深入，特别是混凝土强度的影响到目前为止还难以下定论。(2) 对 frp 筋混凝土的粘结机理的还需要进一步深化，frp 筋与混凝土之间的粘结强度的三个主要组成部分化学胶着力、摩擦力和机械咬合力在粘结作用中所占的

29、比重以及影响因素问题还亟待研究。(3) frp 筋是作为侵蚀环境下混凝土结构中钢筋替代品提高结构耐久性引入土木工程程的，但现有的 frp 筋与混凝土粘结研究未考虑本环境侵蚀的影响和长期工作性能，成为 frp筋应用于工程实际的最大技术障碍。参考文献 (references)1 薛伟辰,刘华杰,王小辉等.新型 frp 筋粘结性能研究j.建筑结构学报,2004,25(2):104-109,123.2 王茂龙,朱浮声,金延等.纤维塑料筋(frp 筋)在混凝土结构中的应用j.混凝土,2005,(11):17-23.3 郝庆多,王勃,欧进萍等.纤维增强塑料筋在土木工程中的应用j.混凝土,2006,(9):

30、38-40,44.-9-= 2( )1/1.65 -下降段 t = t 0 (su - s) (2s + su - 3s0 ) +t u (s - s0 ) (3su - 2s - s0 ) (s0 s su )(su - s0 ) (su - s0 )31+ sin (s su ) s - su p 4 王大强,刘晓丽,汪辉等.纤维筋与高强纤维混凝土的粘结性能j.低温建筑技术,2011,33(6):14-16.5 zenon achillides,kypros pilakoutas.bond behavior of fiber reinforced polymer bars under di

31、rect pulloutconditionsj.journal of composites for constructure,2004,8(2):173-181.6 kanakubo t,yonemaru k,fukuyama h.et al.bond performance of concrete members reinforced with frp270275280285barsj.proc.int.symp.on fiber reinforced plastic reinforcement foe concrete structure.aci sp-138,1993.7 b tighi

32、ouart,b benmokrane,d gao.investigation of bond in concrete member with fibre reinforcedpolymer(frp) barsj.construction and building materials,1998,(12):453-462.8 郝庆多,王勃,欧进萍等.frp 筋与混凝土的粘结性能j.建筑术,2007,38(1):15-17.9 陈剑.gfrp 筋与纤维混凝土粘结滑移试验研究d.大连理工大学,2007.10 师晓权,张志强,李志业等.gfrp 筋与混凝土黏结性能拉拔试验研究j.铁道建筑,2010,(1

33、0):133-136.11 高丹盈,b.brahim.纤维聚合物筋与混凝土粘结性能的影响因素j.工业建筑,2001,31(2):9-14.12 薛伟辰,康清梁.纤维塑料筋粘结锚固性能的试验研究j.工业建筑,1999,29(12):5-7.13 张鹏,陆慎,邓宇等.碳纤维塑料筋粘结锚固性能的试验研究j.工业建筑,2003,33(12):64-65,83.14 岑小艳.碳纤维增强塑料筋与活性粉末混凝土的粘结性能试验研究d.湖南大学,2006.15 malvar,j.l.tensile and bond properties of gfrp reinforcing barsj.j.aci mater

34、ials,92(3):276-285.16 郝庆多,王言磊,侯吉林等.gfrp 带肋筋粘结性能试验研究j工程力学,2008,25(10):158-165.17 沈新,顾兴宇,陆佳颖等.玄武岩纤维(bfrp)筋与混凝土粘结性能试验研究 j.交通运输工程与信息学报,2010,08(3):124-130.18 徐文锋,孙泽阳,吴刚等.表面喷砂 frp 筋与混凝土粘结性能试验研究c./第六届全国 frp学术交流会论文集.2009:118-121.19 蓝宗建.混凝土结构设计原理m.南京:东南大学出版社,2008.20张 鹏 , 江 世 永 , 熊 晔 等 . 芳 纶 纤 维 塑 料 筋 混 凝 土 的 粘 结