碳纤维筋与混凝土粘结性能试验研究.docVIP

碳纤维筋与混凝土粘结性能试验研究 　　摘要：碳纤维增强塑料筋(CFRP筋)是一种强度高、密度小、耐腐蚀性能良好的非金属材料，可以替代预应力混凝土结构中的普通预应力钢筋，有较大的发展前景。我国对碳纤维的研究起步虽然较晚, 但发展迅猛, 碳纤维已应用到土木工程领域的很多方面。本文通过对CFRP筋应用于混凝土梁中的相关性能进行了试验研究，研究内容包括在混凝土中的粘结性能 、张拉阶段的预应力损失以及梁试件的受力等性能情况。 　　关键词：碳纤维增强塑料筋、混凝土、粘结性能、拔出试验、粘结滑移 　　中图分类号： TU37文献标识码： A 　　 　　一、前言 　　钢筋混凝土是最主要的建筑结构材料, 通过钢筋与混凝土之间的相互配合, 使构件具有良好的抗拉、抗压、抗弯及抗扭特性。但钢筋的锈蚀和腐蚀仍是一个难以解决的问题, 尽管目前采取了诸如增强混凝土的密实性、控制混凝土的裂缝宽度、在钢筋表面或混凝土表面涂覆树脂等措施, 但仍没有从根本上解决这一问题。特别是在港口工程结构、桥梁工程结构、化工厂等建筑物中, 这类问题尤为突出。为此急需寻找到一种既能防腐又具有良好的力学性能的材料来替代钢筋。随着复合材料的出现和发展, 我们发现碳纤维复合材料是一种理想的替代材料。 　　 　　二、材料的力学性能及其与混凝土的粘结性能 　　该CFRP筋系某厂采用挤拉工艺生产的，一次挤拉成型的产品是直径9.9的光圆筋，螺纹筋是在光圆筋的表面进行机械二次缠绕而制成的，缠绕的螺纹通过高粘性树脂与光圆筋粘合在一起。经过检测，得出该CFRP筋的极限抗拉强度约为1400。弹性模量约为8.44×104，这 两项指标都要低于国外同类产品，主要原因是国内的生产工艺尚不成熟，原材料质量不能得到很好的保证。 　　由于受力主筋在混凝土中的粘结性能直接关系到其在混凝土梁体中所能发挥的作用。我们首先对该CFRP筋在混凝土中的粘结性能进行了研究，以确定其可能的应用范围。研究方 法采用了立方体中心拔出试验方法。试件尺寸如图1所示，其中立方体中心拔出试件边长100mm，CFRP筋有效锚固长度为50mm，另外在施力端设置 50的无粘结部分(置于图中塑 料套管内)以??少承压面影响。拔出试件的混凝土强度等级C30，采用425标号水泥拌制，水灰比0.42。最大粗骨料粒径约为13，试件制作完成后于室温(约20C)下养护28d。在制作 试件的同时制作了三个标准混凝土立方体试 件，其振捣与养护方法和试件完全一致，试验开始前用压力机检测它们的立方体抗压强度，分别为29.2MPa、27.5MPa和28.0MPa，三组数据与标准强度30的偏差均在±3以内。混凝土拔出试件共12个，其 中六个用 以测试CFRP光圆筋的粘结性能，另外六个用以测试CFRP螺纹筋的粘结性能。试验荷载由万能试 验机施加，采取CFRP筋固定，混凝土块上拔的方式，主要量测内容为拉力荷载P及CFRP筋端头滑移值。 　　 　　图1 GFRP筋立方体中心拔出试件简图 　　试验过程中，全部CFRP光圆筋拔出试件在施加拉力不到2kN时CFRP光圆筋即被拔出，这表明CFRP光圆筋与混凝土的粘结强度很低,在工程应用中应忽略其与混凝土的粘结作用。6个CFRP螺纹筋拔出试件的破坏形式有较大差别。其中两个的破坏形式为CFRP筋整体从混凝土中拔出，相应的P—S曲线如图2所示。从图中可以看出CFRP螺纹筋与混凝土之间的受力过程可以分为滑移段和破坏段两部分。筋体的滑移基本从加载开始即发生，最大拉力达到约28kN后粘结破坏发生。 　　 　　图2 GFRP螺纹筋与砼之间的P一S曲线 　　根据筋体与周围环境介质间粘结强度计算公式，可以得出CFRP螺纹筋与混凝土的最大粘结强度约为13.80MPa。其余4个CFRP螺纹筋拔出试件在拉力达到6～11kN时即发生破坏，破坏形式是CFRP筋体与其表面缠绕的螺纹发生了滑脱。由此可以看出，由于生产工艺尚不成熟，该CFRP螺纹筋产品可靠性无法得到保证。 　　 　　三、主要试验结果和分析 　　1、破坏特征 　　（1）混凝土劈裂破坏 　　本次混凝土劈裂破坏的试件，由于混凝土受到环向拉力的作用，混凝土自CFRP筋混凝土的接触面上开裂，后扩展至混凝土外表面，并沿筋植入方向发展成混凝土纵向劈裂裂缝（见图 3）。 　　 　　图 3 劈裂破坏试件 　　（2）CFRP 筋与混凝土滑移破坏 　　当埋入混凝土中的CFRP筋长度为10D和15D时，粘结力不足以抵抗作用在加载端上的拉力，CFRP筋与混凝土产生相对滑移，导致滑移破坏。被拔出的CFRP筋表面破坏情况见图 4。 　　 　　图 4 试验后拔出的GFRP筋表面被破坏的形状 　　从图4中可以看出，埋入混凝土中的CFRP筋的表面肋被严重削弱和剪切破坏。这是因为 CF