高温下GFRP筋和混凝土粘结性能的实验研究

1、第33卷第11期2012年11月哈尔滨工程大学学报JournalofHarbinEngineeringUniversityVol3311Nov2012高温下GFRP筋和混凝土粘结性能的实验研究鞠竹，王振清，李晓霁，韩玉来，刘兵（哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001）摘要：为了研究高温下GFRP筋和混凝土的粘结性能，采用直径8mm的GFRP筋和100mm100mm100mm立方体混凝土试块组成的粘结试件，在20190温度范围内选定5种工况，进行了一系列GFRP筋和混凝土之间的粘结性实验中测量了GFRP筋在高温下的抗拉强度以及混凝土的抗压强度实验分别能实验为了获得2种材料的力

2、学性能，测量了不同温度条件下GFRP筋和混凝土之间的粘结强度、残余粘结应力以及不同时刻粘结实验段两端（包括自由端和为理论分析两种材料的粘结滑移本构关系提供了有加载端）的滑移量值基于实验结果确定出了粘结滑移方程的参数，效的帮助关键词：GFRP筋；混凝土；高温；粘结性能；滑移doi：103969/jissn1006-7043201109049网络出版地址：http：/wwwcnkinet/kcms/detail/231390U201203081607007html中图分类号：TU3171文献标志码：A7043（2012）11-1351-07文章编号：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纤维增强复合塑料（简称FRP）是由连续纤维材料和粘结胶体组成的一种高性能复合材料在土木工程领域，主要采用FRP材料代替钢筋以解决钢1筋的腐蚀问题FRP筋和混凝土构成一种组合结构材料的基本条件是二者之间具有可靠的粘结和锚2才能达到固性能只有保证了力的有效传递，09-262-70：07收稿日期：2011-网络出版时间：2012-基金项目：国家自然科学基金资助项目（11272096）；教育部博士生基），作

7、者简介：鞠竹（1985-女，博士研究生；），王振清（1962-男，教授，博士生导师E-mail：wangzhenqinghrbeueducn通信作者：王振清，FRP筋和混凝土整体协同工作的目的鉴于FRP筋并且相关文和混凝土的界面性能受温度影响明显，献不多，所以本文对这部分内容进行了细致的分析和研究3吕西林以玻璃纤维（GFRP）为例，研究了火灾高温下FRP筋和混凝土的粘结性能以及火灾后二者之间的残余粘结性能同时，给出了高温下GFRP筋和混凝土之间锚固长度的经验值AmnonKatz和NetaBerman4-5对FRP筋和混凝土之间在20250温度范围内的粘结性能进行了实验研究给出一个基于双曲正切函

8、数的半经验模型，以此来描述随温度升高粘结强度降低的程度JCPH1352哈尔滨工程大学学报第33卷Gamage等6采用大型有限元程序Strand7对碳纤维（CFRP）加固混凝土试件进行了热传导分析，对树脂粘结层的温度以及满足不同抗火等级所需要的绝该数值模型还考察了温热层厚度进行了预测同时，度上升速率对粘结强度的影响，与实验结果一致NestoreGalati等7通过直接拉拔实验考察了高温下影响FRP筋加固混凝土试件的因素尽管前面学者针对高温下FRP筋和混凝土之但是间的粘结性能已经开展了一系列的实验研究，多数以定性叙述的形式给出结论，缺少与理论分析并在的结合以及定量分析本文借鉴已有实验方法，其基础上

9、进行改进通过实验不仅测量了不同温度分析了粘结强度随温度的下粘结试件的极限载荷，变化情况，而且将测量得到的粘结试件两端的滑移量值等应用于理论分析公式中，以确定理论公式中利用Matlab软件的PDE工具箱对粘的参数同时，结试件内部不同时刻的温度场分布进行了数值模拟和分析（b）试件剖面图1Fig1表1Table1T/组数203（3）粘结试件构造试件分组Specimengroups703（3）1104（3）1503（3）1905（3）Structurediagramofbondspecimen注：括号内为实验有效的组数1GFRP筋和混凝土的高温粘结性能实验11实验装置实验所采用的实验装置为WDW310

10、0型微机控制电子式万能实验机，是配备全数字测量控制系统及计3所示WDW3100附带烤如图2、算机的新型实验机，箱，可在不同温度下（80400）进行均匀实验力速率的拉伸装置主要参数：最大实验力100kN，移动横梁最大行程1200mm，力分辨力1/240000（全程分辨力力示值相对误差05%，位移分辨力不变），0001mm，位移示值相对误差02%由于实验过程中要测量试件自由端的滑移量，需要在试件的底部放置千分表，所以需保证下部钢支座到试件底部有足够的高度考虑到仪器配套的夹具不能满足实验的需求，所以采用自行加工的钢支架，钢支架既可以固定试件，又可以保证加载只对粘结试件的粘结段进行实验采用直径8mm的

11、GFRP筋选取20190温度范围内20、70、110、150、190共5种20时为室温，工况分别进行测量其中，即处于不用于与高温工况进行比较实验所采用粘加热状态，结试件的构造如图1所示，图中粘结试件的细部尺寸为：采用陶瓷套管脱粘（陶瓷套管的作用主要是避免混凝土试块端部局部应力集中）的自由端和加a2=载端两部分GFRP筋的长度a1=30mm，30mm；加载端预留GFRP筋的长度a3=80mm；粘结段长度l=40mm在实验过程中对伸出混凝土试试件分组情况块外的GFRP筋缓慢施加轴向荷载，如表1所示图2（a）粘结试件Fig2实验装置简图Experimentaldevicediagram第11期鞠竹，

12、等：高温下GFRP筋和混凝土粘结性能的实验研究1353图3实验装置Fig3Experimentaldevice12实验过程在加热箱中对试件进行加热，在达到预定温度保持该温度使试件受热一段时间之后再开始缓时，慢加载，不同温度条件下受热时间不同，具体如表2所示所采用的加热时间是根据Matlab软件，进行粘结试件内部温度场模拟之后得到的，如图4所示由于GFRP筋在混凝土试块中所占的比例较小，所以模拟时忽略内部纤维筋的影响表2Table2不同温度下试件的受热时间HeatingtimeoftestspecimensindifferenttemperaturesT/t/h70251103515035190

13、35图4不同温度下混凝土试块的温度场分布Fig4Temperaturefielddistributionofconcretespecimens图5中给出了温控箱的控温情况，温度误差小于05%图5Fig5温控箱的控温情况Thetemperaturecontrolsituationofthetemper-aturecontrolbox实验的具体操作流程如图6所示图6Fig6实验操作流程Operationprocedure1354哈尔滨工程大学学报第33卷2不同温度下材料力学性能212GFRP筋的力学性能实验中所使用材料的力学性能直接影响着实验的最终结果，下面对实验中使用的GFRP筋和混凝土的力学性

14、能分别进行介绍21实验所用材料的力学性能211混凝土的力学性能实验过程中使用混凝土的设计强度等级为C30，制作了6个共2组100mm100mm100mm8的立方体试件试件是按照文献的要求，通过压力机的抗压强度实验量测得到的，具体数据如表3所示，取两组试件强度代表值的平均值作为混凝土9的强度：312MPa表3Table3试件编号123456混凝土立方体抗压强度Cubiccompressivestrengthofconcrete极限荷载/kN335285296324338292抗压强度/MPa335285296324338292318305强度代表值/MPa实验所使用GFRP筋在不同温度条件下的力

15、学性能如表4所示表4Table4不同温度下GFRP力学性能MechanicalpropertiesofGFRPbarsindifferenttemperaturesT/2070110150190抗拉弹性模量/GPa5150514850极限抗拉强度/MPa331实验结果与理论参数分析实验结果分析由实验得到的粘结强度及对应滑移量与温度的关系如表5所示粘结强度可以通过极限荷载除以10GFRP筋直径、粘结长度和的乘积得到由表5可以看出，随着温度的升高，粘结强度和对应的滑移量（此时仅有加载端滑移）呈下降趋势时，根据表5中平均粘结强度和温度的关系可以得到粘结强度随如图7所示温度的变化曲线，表5Table5

16、T/2070110150190极限荷载/kN组18320768042202210348组15680942044004360162组15301224034704110297不同温度下界面粘结强度及对应滑移量Theinterfacebondstrengthandtheassociatedslipindifferenttemperature平均极限荷载/kN16430978040303560269平均粘结强度u/MPa16350973040103540267粘结强度与20时比值/%100595245217163粘结强度对应滑移/mm组42132984123407780583组443528641168

17、08940602组46793467110910930490平均滑移Su/mm44423105117009220558在实验的过程中还分别量测了粘结试件加载端和自由端的滑移量，根据相应的实验数据可以得到具体如图8所示从不同温度下的荷载滑移曲线，实验曲线中可以看出，当实验温度接近GFRP筋的玻化温度时，相同实验条件下的实验曲线变化幅度且距离玻化温度较远较大在没有达到玻化温度，时，相同实验条件下的实验曲线变化幅度较小出现这种现象的原因主要是由于在玻化温度附近，粘结图7Fig7粘结应力随温度的变化Averagebondstressvaryingwithtemperature段上GFRP筋发生的玻化程度

18、不同，所以产生了曲11线的较大幅度变化第11期鞠竹，等：高温下GFRP筋和混凝土粘结性能的实验研究1355（e）190（a）20图8Fig820190的荷载滑移曲线Load-slipcurves（20190）在对粘结试件进行加载的初始阶段，加载端的可以量测到GFRP筋和混凝粘结力很快受到破坏，土之间的滑移量值此时GFRP筋仅在靠近加载端的一部分受到力的作用，粘结应力的分布也局限于这一部分随着拉力增加粘结应力发展的过程如图9所示12由图中可以看出，自由端滑移量的产生相对于加载端有一定的延后作用这里仅给出了20时3个试件的荷载滑移曲线，如图10所示（b）70（c）110图9Fig9（d）150随拉

19、拔力增加粘结应力逐渐增加的过程Progressionofbondstresswithincreasingpull-outforce1356哈尔滨工程大学学报第33卷（c）试件3（a）试件1图1020的荷载-滑移曲线Fig10Load-slipcurvesofcondition1对于在不同温度下的残余粘结应力及其对应的自由端（Sfr）和加载端（Sfi）滑移量值在表6中给出，并分别计算了Sfr和Sfi的平均值从表中可以看出，GFRP筋相对于混凝土的滑移值随着温度的升高，总体呈上升的趋势，只是在GFRP筋的玻化温度附近此变化趋势不是很明显这是因为玻化温度附近，GFRP筋中胶体的性能开始变得不稳定造成

20、的，具这里不予以详细说体涉及到材料方面的相关理论，（b）试件2表6Table6Theresidual残余粘结应力平均残余/MPaT/粘结应力组组组r/MPa201620136114231468701101501900564073809180220023801750177023402090146010001550740021102070134明对于残余粘结应力随温度的变化趋势在图7中给出，可以看出残余粘结应力随温度的升高逐渐下降不同温度下的残余粘结应力及对应滑移量bondstressandtheassociatedslipindifferenttemperature残余粘结应力对应滑移残余粘结应

21、力对应滑移平均滑移/MPa/MPaSfr/mmSfrSfrSfrSfiSfiSfi78248996117071032179147726780811094939410133725276171213196508939760084101164497888995818893141218611008864280338135116259987108757593797112750102219750平均滑移Sfi/mm793884731218710405975632粘结滑移理论公式参数分析基于实验结果，本文为粘结滑移理论公式参数13Sr=SfiSfr其中，x为余粘结应力及其对应滑移量，沿粘结长度方向，不同位置

22、的坐标，取自由端为x起k，c1，c2为自定义参数，始位置；，其表达式由下列式子给出：=lPAP的确定提供了依据根据作者前面的研究，已经得出沿粘结长度方向，随温度变化的粘结应力和滑移量分布函数，如式（1）（4）所示公式基于弹性理论推导，采用双线性模型，模型示意图在图11中给出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分别为GFRP筋和混凝土式中：EPT，在不同温度下（EC为常温下的弹性模量）的弹性模Su为粘结强度及其对应滑移量；r、Sr为残式中：u、第11期鞠竹，等：高温下GFRP筋和混凝土粘结性能的实验研究1357EPT根据表4确定，EcT根据公式量和横截面面积，EcT=（08300011T）EC，60T700确定；lP为GFRP筋的截面周长根据表57可以确定参k、c1、c2从而式（1）（4）中除变量x均、数、为已知，相应系数的取值在表89中详细列出当x取不同值时，可以得到沿粘结长度方向，不同位置处的粘结应力和滑移量值2）粘结实验段两端的滑移量值随着温度的升

24、高呈上升趋势，在玻化温度附近有所波动；3）基于本文实验结果，可以确定出粘结滑移本为理论分析高温下FRP筋和混凝土之构方程参数，间的粘结性能提供依据参考文献：1M北京：中国腾锦光，陈建飞FRP加固混凝土结构2004：1-63建筑工业出版社，2M北京：清过镇海，时旭东钢筋混凝土原理和分析2003：143-157华大学出版社，3吕西林，周长东火灾高温下GFRP筋和混凝土粘结性J建筑结构学报，2007，28（5）：32-39能实验研究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，FRPrebarandconcreteJ37：1223-123082002，戎君明，陆建雯，姚燕，等GB/T50081-普通混凝土力学S北京：中国建筑工业出版社，2003性能实验方法标准9郭恒宁FRP筋与混凝土粘

27、结锚固性能的实验研究和理D南京：东南大学，2006：1-69论分析GUOHengningExperimentalstudyandtheoreticalanalysisonbondandanchoragepropertiesofFRPtendonsconcreteDNanjing：SoutheastUniversity，2006：1-6910蔡正华高温下CFRP-混凝土界面受剪力性能研究D上海：同济大学，2008：1-72CAIZhenghuaResearchofmechanicalpropertyofCFRP-concreteinterfaceunderelevatedtemperaturesDShang-2008：1-72hai：TongjiUniversity，11AL-DULAIJANSUEffectofenvironmentalandmechani-calconditioningonbondbetweenGFRPreinforcementandconcreteDPennsylvania：ThePennsylvaniaStateUni-1996：1-200versity，12KACHLAKEVDIBondstrengthinves