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玻璃纖維增強復合材料筋材連接試驗研究
周繼凱, 杜欽慶, 陳詩學, 陳洋
(河海大學土木工程學院，江蘇南京 210098)

關鍵詞: GFRP筋；連接試驗；粘結劑；粘結強度；粘結滑移曲線
1 前言
    纖維增強復合材料（FRP）作為一種新型的建筑材料能適應現代工程結構向大跨、高聳、重載、高強和輕質發展以及承受惡劣條件的需要，符合現代施工技術的工業化要求，因而正被廣泛應用在各類工程結構中。FRP主要包括碳纖維增強復合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）、芳綸增強復合材料（AFRP）等。國內在該領域的研究和應用起步較晚，近幾年來取得了不少的進步，目前的工程應用主要集中在粘貼碳纖維片材（布、板）進行混凝土結構的加固和補強方面，對纖維增強復合筋材替代鋼筋的試驗研究正在興起。
    玻璃纖維增強復合筋材（GFRP Bar）具有抗腐蝕性能良好、抗拉強度較高、比重小、熱膨脹系數與混凝土相似等優點，且國內的GFRP的成型技術比較成熟，年生產量很大，價格相對比較便宜，因而在用于替代鋼筋混凝土結構中的鋼筋研究中備受關注。在復合筋材混凝土結構中，類似鋼筋與混凝土的粘結滑移特性，復合筋材與混凝土的粘結滑移特性是研究的熱點[1-6]。
    然而，玻璃纖維增強復合筋材同鋼材相比，存在一個重大的缺點。玻璃纖維增強復合筋材是熱固性材料，一旦成型后不可以通過加熱熔化來進行連接。其彎曲也受到限制，一般不能進行盤條運輸到現場截斷，只能在工廠按規定長度預制好，因而限制了玻璃纖維增強復合筋材的通用。
    基于工程的實際工程需要（超長GFRP錨桿替代鋼筋錨桿等應用），本文提出了采用粘結劑對鋼套管和GFRP筋連接方式，見圖1（圖略）所示，并對采用兩種粘結劑GFRP筋連接特性進行了試驗研究。
2 試驗方案
2.1 試驗設備
    本試驗加載設備采用河海大學結構工程實驗室的MTS322電液伺服靜動萬能試驗機，控制系統
為多通道FlexTestGT控制器，大動靜態荷載為±500kN，可以實現位移、荷載和測量參數控制。數據采集設備采用TS3890型靜態應變測量處理儀是一種裝有微處理芯片的數字式應變儀，通過USB接口與計算機通訊，分辨率：±1με，準確度±0.3%±3με，采樣速率50 Hz。試件的軸向拉伸采用應變片與電子引伸計來量測。電子引伸計采用NCS-YYU-5050型，應用電阻應變式原理的簡支梁結構制作，標距50mm，大變形量為25mm，誤差為0.043%。
2.2 試件制備
2.2.1玻璃纖維筋（GFRP）
    玻璃纖維筋（GFRP）由南京奧沃生產提供。采用纖維紗浸漬含有固化劑、促進劑等多種助劑的不飽和聚脂樹脂等樹脂膠液后，在拉擠機的牽引下，通過預成型模進入加熱模具，在高溫高壓下固化成型。經表面處理后纏繞螺旋狀的浸漬含有多種助劑的樹脂膠液的玻璃纖維束，固化成型為全螺紋纖維增強塑料筋材。玻璃纖維含量75%，樹脂含量25%。
2.2.2粘結劑
    粘結劑由南京固強提供兩組不同粘結材料進行對比。這兩種材料均為一種雙組份冷固化觸變環氧樹脂類粘結劑，力學強度高，對多數材料粘合力良好，防水和抗化學腐蝕能力強，常用于混凝土結構的加固工程[7]。
    粘結材料甲由兩種組份按1:1拌和后使用。和易性差，拌和30min內可以操作，膠體粘稠，灌裝難度大，氣味刺鼻，該材料價格便宜。
    粘結材料乙由兩種組份按1:2拌和后使用，和易性好，拌和2h內灌裝操作方便，但仍然感到過于粘稠，無流動性，該材料價格較高。
2.2.3試件設計
    本試驗目標是確定通過鋼套管灌裝粘結劑后對GFRP筋材粘結滑移特性。試件設計為總長400mm，直徑17mm，兩端鋼套管長100mm，壁厚2.5mm，內徑22 mm。見圖2（圖略）所示。
2.3 試驗技術
    采用MTS322進行位移加載，加載速率為0.03mm/s，數據采集頻率為1Hz。試件軸向拉應變由應變片和電子引伸計通過TS3890型靜態應變測量處理儀接入計算機進行采集，數據采集頻率為1Hz。室內氣溫平均為28℃。
3 試驗結果與分析
3.1破壞形態
    試件安裝后，測量設備調試好后，按位移加載。試件破壞在試件其中的一端，表現為鋼管與GFRP筋材粘結接觸面滑移破壞，破壞突然，是脆性破壞。典型的加載位移-荷載曲線見圖3（圖略）所示。破壞后的試件將鋼套管拉脫。粘結剪切面的處于 GFRP筋的外表面，不是鋼套管的內表面。
    試驗發現采用表面粘貼應變片測量的效果不佳，分析原因為GFRP筋的外表面凹凸不平，在表面用材料填平很難，且影響測量的精度。同時，采用標距50mm的電子引伸計測量的效果也不佳，原因是測量的標距過小，相關研究表明宜大于8倍GFRP筋的直徑。
3.2 剪切強度
    不同粘結劑對鋼套管與GFRP筋的粘結強度可以按GFRP筋外表面處滑移破壞計算。平均粘結強度計算公式見式(1)：
                (1)
    式中： ―鋼套管與GFRP筋的平均粘結強度 N/mm²；P_u ―鋼套管與GFRP筋的粘結極限承載力N； L―鋼套管與GFRP筋的粘結段長度 mm； D―GFRP筋的公稱直徑 mm。
    經試驗，計算兩種不同粘結劑在不同齡期的與鋼套管的粘結強度，見表1。
    由試驗結果可以看出，粘結劑為粘結材料乙比甲的強度離散性小，這與粘結材料甲的灌裝操作難度大是相關的。因此在先進行粘結材料甲操作后，決定對粘結材料乙進行詳細試驗。
    對粘結材料乙的粘結強度的齡期影響試驗表明14d的強度比7d的強度增長較大。將鋼套管與GFRP筋的粘結強度隨齡期的增長曲線擬合得出公式見式(2)。
           (2)
    式中： ―鋼套管與GFRP筋的粘結強度，N/mm²； t―鋼套管與GFRP筋的粘結齡期，天。
    由此公式的預測鋼套管與GFRP筋的28d粘結強度將達到11.74 N/mm²，粘結強度在14d后增長緩慢。粘結強度與齡期關系曲線見圖4（圖略）。
    通常混凝土養護7d拆模，因此，在施工階段，驗算強度時，對鋼套管與GFRP筋粘結強度應采用7d齡期強度。
3.2粘結滑移特性及強度標準值
    采用位移加載的目的就是希望能得到粘結滑移全曲線。將得到的粘結材料甲和乙的粘結滑移曲線分別表示在圖5和圖6中。（圖略）
    由圖5可以看出粘結材料甲的粘結滑移破壞為完全脆性，試件達到極限承載力后立即破壞。其粘結滑移曲線近似為雙線性，轉折點約為極限承載力的50%。由此建議粘結材料甲與鋼套管的粘結強度標準值取其粘結強度的50%，即6.06 N/mm²。
    由圖6可以看出粘結材料乙的粘結滑移破壞有部分試件為完全脆性，試件達到極限承載力后立即破壞，也有不分試件具有明顯的下降端。其粘結滑移曲線上升段也近似為雙線性，轉折點約為極限承載力的60%。偏于安全，也建議粘結材料乙與鋼套管的粘結強度標準值取其粘結強度的50%，即28天粘結強度標準值為5.87 N/mm²。

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3.3連接設計
    首先確定連接長度l。由力的平衡公式可以得出：

                (3)
    式中： ―鋼套管與GFRP筋的平均粘結強度標準值 N/mm²； f_tk―GFRP筋的抗拉強度標準值 N/mm²；l―鋼套管與GFRP筋的粘結段長度 mm； D―GFRP筋的公稱直徑 mm。
    鋼套管長度L
                   (4)
    鋼套管截面強度設計要求鋼套管截面抗拉承載力P_us不小于GFRP筋的抗拉承載力P_uG。
                 (5)
    確定鋼套管的抗拉強度后，即可得出鋼套管截面積、內徑和壁厚。
4  結論與建議
4.1 結論
    本文通過對兩種粘結劑共15 個連接試件的拉伸拔試驗，研究了這兩種粘結材料對鋼套管與GFRP筋之間的粘結強度的影響，其結論如下：
    (1) 采用環氧類樹脂粘結劑進行鋼套管和GFRP筋的連接，技術可行；
    (2) 環氧類樹脂粘結劑的粘結滑移關系曲線上升段具有雙折線特性；
    (3) 兩種環氧類樹脂粘結劑對于鋼套管與GFRP筋的粘結強度均較高；
    (4) 材料乙粘結強度7d內增長快，14d后增長緩慢；
    (5) GFRP筋的連接可靠性受粘結材料的施工難易影響大，材料乙施工也操作方便，粘結強度穩定，離散性小，具有一定延性，性能優于材料甲。
4.2 建議
    (1) 由于新材料和連接方式的性能試驗資料少，設計時采用試驗結果應慎重。對于粘結強度設計值，建議依據粘結滑移關系曲線，確定屈服強度或控制變形量為標準，本試驗建議取粘結強度極限強度的50%；
    (2) 選擇粘結劑，除要求足夠高粘結強度外，要求粘結劑和易性好，固化時間不宜少于60min內，也不宜大于4h；
    (3) 連接鋼套管宜選擇高強度鋼材進行專門制作，管內徑宜比GFRP筋直徑大3~4mm，套管內壁除銹打毛，絕不允許含有油脂；
    (4) 樹脂類材料受環境溫度影響大，應進行溫度對粘結劑性能影響試驗研究；
    (5) 粘結劑的耐久性能也決定結構的耐久性，需要進行各種環境介質（酸、堿、鹽、濕）對其粘結性能劣化的影響試驗研究；
    (6) 目前尚無關于GFRP筋的連接的設計、施工技術標準，繼續進行此類研究具有現實的實用意義。

參考文獻：
[1] ACI Committee 440. In: Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP bars [M], 440. 1R-03. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute, 2003.
[2] Burong Zhang and Brahim Benmokrane, Design and evaluation of a new bond-type anchorage system for fiber reinforced polymer tendons [J], Can J Civ Eng, 2004, 31: 14-26.
[3] 薛偉辰，康清梁.纖維塑料筋粘結錨固性能的試驗研究[J]，工業建筑，1999,29(12)：5-7.
[4] 茅衛兵,章定國.鋼筋新型代用材料FRP筋粘結錨固性能試驗研究[J]，河海大學學報，2000, 28(5)：44-48.
[5] 薛偉辰.不同試驗方法對GFRP筋粘結強度的影響研究[J]，玻璃鋼/復合材料，2003,(5)：10-13.
[6] 高丹盈，朱海堂，謝晶晶，纖維增強塑料筋混凝土粘結滑移本構模型[J]，工業建筑，2003,33(7)：41-43.
[7] 于海生, 肖建莊，建筑結構粘結劑的研究進展[J]，玻璃鋼/復合材料，2004,(4)：46-49.

EXPERIMENTAL STUDY OF CLASSFIBER REINFORCED POLYMER BAR JOINT
ZHOU Ji-kai, DU Qin-qing, CHEN Shi-xue, CHEN Yang
(College of Civil Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract: This paper has investigated the joint behaviors of two different adhesives to GFRP by tests. The results showed that the technique of using epoxide resin adhesives as bonding material between steel thimble and GFRP bars is practicable. The rising step of the bonding-slip relationship curve to epoxide resins indicates a double-linear property. According the curve, it has been suggested that the design value of bonding strength should be obtained on the base of yield strength and controlled deformation, and it is recommended to adopt 50% of the ultimate bonding strength. This paper also has provided guidelines of choosing adhesives and test requirements of temperature and environmental effect on the deterioration of bonding property.

Key words: GFRP bar; joint test; adhesives; bonding strength; bonding-slip relationship curve

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