纤维和纳米炭黑对GFRP筋与混凝土粘结性能影响

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纤维增强聚合物筋(FRP筋)具有良好的耐腐蚀性,可用于传统混凝土结构中替代钢筋,从而有效解决钢筋易于锈蚀所造成的结构安全性及耐久性降低的问题。由于FRP筋和钢筋在制作和力学性能上存在本质区别,故将其应用于混凝土结构中面临的一个突出问题是FRP筋与混凝土粘结性能的不足,而良好的粘结性能是FRP筋与混凝土协同工作的基础,也是FRP筋在混凝土结构中应用的重要前提。因此,提高FRP筋与混凝土的粘结性能对于FRP筋的工程应用具有重要意义。另一方面,与钢筋不同,FRP筋为线弹性材料,达到极限抗拉强度之前其应力-应变关系基本为线性,没有明显的屈服点和屈服阶段。因此,将FRP筋应用于同属脆性材料的混凝土中,所得构件仍为脆性体,破坏时没有明显预兆。在混凝土基体中掺入乱向分布的结构型钢纤维,可降低构件的脆性性质,提高构件破坏前的延性。损伤自诊断混凝土通过在混凝土基体中复合导电相材料,使其具有感知自身应变或损伤的能力,从而满足结构自我安全检测的需要,防止混凝土结构发生突然的脆性破坏,实现结构-功能一体化。但为提高混凝土的导电性而加入的导电相介质(如纳米炭黑、碳纤维和钢纤维),在改善基体导电能力的同时,会对GFRP筋与混凝土的粘结性能产生何种影响并不为人们所了解。在分析了纤维和纳米炭黑对混凝土基体基本力学性能的影响后,本文通过立方体中心拉拔试验,对纳米炭黑、碳纤维和钢纤维及其掺量变化对GFRP筋与混凝土基体粘结性能的影响进行了研究。结果表明:导电相介质对混凝土基体抗压强度的影响较小;单掺碳纤维和钢纤维、碳纤维和钢纤维复掺以及三相导电介质混掺后,均可在不同程度上提高混凝土的劈拉强度和拉压比,改善混凝土的脆性性质。在混凝土基体中掺入纳米炭黑、碳纤维或钢纤维,均可提高GFRP筋与混凝土的粘结强度,改善其粘结延性;其中钢纤维的提高作用随其掺量增加而更加显著,而碳纤维由于本身分散困难,掺量提高时对GFRP筋粘结强度和粘结延性的提高作用反而会有所下降。复掺纳米炭黑和碳纤维对改善GFRP筋与混凝土的粘结性能表现出良好的正混杂效应。最后,将试验中得到的GFRP筋粘结-滑移曲线与连续曲线模型进行了对比分析,结果证实在素混凝土基体和纤维混凝土基体中,模型曲线和试验曲线均能吻合良好。综合考虑多方面因素,建议了GFRP筋粘结强度和基本锚固长度的计算公式,并与钢筋的基本锚固长度进行了对比。
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