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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)以减少承压面影响。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。筋体的滑移基本從加载开始即发生，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 CFRP 筋与钢筋的情况不一样，其表面硬度和肋的抗剪切强度均低于混凝土，因此，被拔出时肋破坏严重。
2、粘结滑移机理分析
由于 CFRP 筋表面有变形带肋，因此界面相互作用机理类似于变形钢筋与混凝土的关系。一般由变形肋与混凝土的挤压作用产生斜向作用力，斜向力在筋表面会产生切向分力和径向分力，径向分力使截面混凝土处于环向受拉状态。当加载到一定载荷时，界面混凝土因环向拉应力的作用而产生内裂缝，若混凝土保护层较薄，环向拉应力超过混凝土抗拉强度时，试件内形成径向—纵向裂缝，这种裂缝由筋表面沿径向试件外表发展，同时由加载端往自由端延伸，最后导致混凝土劈裂破坏。若混凝土保护层较厚或有横向箍筋的约束，径向裂缝的发展受到限制，不致于产生劈裂破坏。但筋的滑移会大幅增加，随着CFRP筋肋的不断削弱和滑移的继续，最终导致筋被拔出的滑移破坏。
CFRP筋与混凝土的粘结力组成也与钢筋混凝土类似，主要由化学吸附力、摩擦力和机械咬合力组成。与钢筋不同的是CFRP筋的表面硬度、抗剪强度低于混凝土。因此，产生滑移破坏时，一般以表面肋被削弱、剥离或剪切破坏为主要特征。对于普通 CFRP 筋混凝土，在CFRP 筋被拔出的初始阶段，化学吸附力起主要作用。产生滑移后，化学吸附力退出工作，即在粘结滑移曲线的上升段中，由摩擦力和变形肋的机械咬合力承担主要抗拔作用。当粘结应力经过峰值以后，粘结滑移曲线进入下降段，界面混凝土对 CFRP 筋的握裹力逐渐降低，摩擦力随之减小；此外，变形肋的机械咬合作用也逐渐削弱，导致滑移迅速增加。当下降段结束时，粘结滑移曲线进入残余应力段，粘结力不会就此消失。此时的粘结力仍由摩擦力和部分变形肋的机械咬合力组成，并进入下一个“上升段—下降段—残余应力段”的循环过程，只是在粘结力逐步下降的同时，滑移也较前一个曲线来得更大、更快。
四、结束语
1、所有的试件均发生的是拔出破坏,在拔出的筋上可以看到,筋上的表面缠绕肋均被剪切破坏;所有试件的粘结滑移曲线与钢筋与混凝土的拔出曲线类似,都分为上升段、下降段和残余段。在残余段,粘结应力有所回弹,随后下降,呈波浪衰减的趋势。
2、粘结应力沿埋长方向分布明显不均匀，在距加载端附近达到最大值，经过峰值后迅速减小，接近自由端时，粘结应力衰减趋于零。这与钢筋混凝土粘结应力分布非常相似。此外，表面变形带肋 CFRP 筋的粘结应力峰值随着拔出荷载的增加，向自由端方向几乎没有移动 GFRP 筋表面的变形大小与粘结应力呈对应关系，即表面变形越大，粘力应力也越大。
参考文献：
[1] 高丹盈 朱海堂 谢晶晶：《纤维增强塑料筋混凝土粘结滑移本构模型》，《工业建筑》，2003年07期
[2] 江朝华 赵辉 陈达 张玮：《玄武岩纤维及聚丙烯纤维对水泥砂浆性能影响的对比分析》，《硅酸盐通报》，2007年06期
[3] 张海霞 朱浮声：《考虑粘结滑移本构关系的FRP筋锚固长度》，《四川建筑科学研究》，2007年04期
[4] 冯展磊 顾祥林 张伟平 刘丽梅：《碳纤维布与混凝土间粘结性能试验研究》，《结构工程师》，2008年04期
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)以减少承压面影响。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。筋体的滑移基本從加载开始即发生，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 CFRP 筋与钢筋的情况不一样，其表面硬度和肋的抗剪切强度均低于混凝土，因此，被拔出时肋破坏严重。
2、粘结滑移机理分析
由于 CFRP 筋表面有变形带肋，因此界面相互作用机理类似于变形钢筋与混凝土的关系。一般由变形肋与混凝土的挤压作用产生斜向作用力，斜向力在筋表面会产生切向分力和径向分力，径向分力使截面混凝土处于环向受拉状态。当加载到一定载荷时，界面混凝土因环向拉应力的作用而产生内裂缝，若混凝土保护层较薄，环向拉应力超过混凝土抗拉强度时，试件内形成径向—纵向裂缝，这种裂缝由筋表面沿径向试件外表发展，同时由加载端往自由端延伸，最后导致混凝土劈裂破坏。若混凝土保护层较厚或有横向箍筋的约束，径向裂缝的发展受到限制，不致于产生劈裂破坏。但筋的滑移会大幅增加，随着CFRP筋肋的不断削弱和滑移的继续，最终导致筋被拔出的滑移破坏。
CFRP筋与混凝土的粘结力组成也与钢筋混凝土类似，主要由化学吸附力、摩擦力和机械咬合力组成。与钢筋不同的是CFRP筋的表面硬度、抗剪强度低于混凝土。因此，产生滑移破坏时，一般以表面肋被削弱、剥离或剪切破坏为主要特征。对于普通 CFRP 筋混凝土，在CFRP 筋被拔出的初始阶段，化学吸附力起主要作用。产生滑移后，化学吸附力退出工作，即在粘结滑移曲线的上升段中，由摩擦力和变形肋的机械咬合力承担主要抗拔作用。当粘结应力经过峰值以后，粘结滑移曲线进入下降段，界面混凝土对 CFRP 筋的握裹力逐渐降低，摩擦力随之减小；此外，变形肋的机械咬合作用也逐渐削弱，导致滑移迅速增加。当下降段结束时，粘结滑移曲线进入残余应力段，粘结力不会就此消失。此时的粘结力仍由摩擦力和部分变形肋的机械咬合力组成，并进入下一个“上升段—下降段—残余应力段”的循环过程，只是在粘结力逐步下降的同时，滑移也较前一个曲线来得更大、更快。
四、结束语
1、所有的试件均发生的是拔出破坏,在拔出的筋上可以看到,筋上的表面缠绕肋均被剪切破坏;所有试件的粘结滑移曲线与钢筋与混凝土的拔出曲线类似,都分为上升段、下降段和残余段。在残余段,粘结应力有所回弹,随后下降,呈波浪衰减的趋势。
2、粘结应力沿埋长方向分布明显不均匀，在距加载端附近达到最大值，经过峰值后迅速减小，接近自由端时，粘结应力衰减趋于零。这与钢筋混凝土粘结应力分布非常相似。此外，表面变形带肋 CFRP 筋的粘结应力峰值随着拔出荷载的增加，向自由端方向几乎没有移动 GFRP 筋表面的变形大小与粘结应力呈对应关系，即表面变形越大，粘力应力也越大。
参考文献：
[1] 高丹盈 朱海堂 谢晶晶：《纤维增强塑料筋混凝土粘结滑移本构模型》，《工业建筑》，2003年07期
[2] 江朝华 赵辉 陈达 张玮：《玄武岩纤维及聚丙烯纤维对水泥砂浆性能影响的对比分析》，《硅酸盐通报》，2007年06期
[3] 张海霞 朱浮声：《考虑粘结滑移本构关系的FRP筋锚固长度》，《四川建筑科学研究》，2007年04期
[4] 冯展磊 顾祥林 张伟平 刘丽梅：《碳纤维布与混凝土间粘结性能试验研究》，《结构工程师》，2008年04期