摘要：碳纤维筋是一种新型的复合材料，用它代替混凝土结构中的钢筋，可解决因钢筋锈蚀造成的耐久性问题。而它与混凝土的粘结性能好坏，是影响其推广应用于增强混凝土结构中的关键技术之一。通过拔出试验，研究了碳纤维筋与混凝土结构的粘结与滑移关系，分析了粘结破坏的机理。采用了连续自动的采集方式，测出了较完整的粘结滑移曲线以及粘结应力沿埋长的分布。
关键词：碳纤维筋；混凝土；拔出试验；粘结滑移；应力分布
中图分类号：TU528.572 文献标识码：B 文章编号：1001- 702X（2006）10- 0009- 05
为了解决混凝土结构的耐久性问题，科技人员用长纤维复合材料与树脂经特殊的挤压和成型工艺，制成纤维复合增强筋（以下简称FRP 筋）。FRP 筋具有轻质、高强、耐腐蚀、低松弛、非电磁、抗疲劳等优点。用它部分代替或全部代替混凝土结构中钢筋，对增强混凝土结构的使用性能和耐久性能具有非常积极的意义。
我国对FRP 筋的研究和应用时间较短。目前，工程中应用的FRP 筋主要有4 种，即玻璃纤维筋（GFRP）、碳纤维筋（CFRP）、芳伦纤维筋（AFRP）和混杂纤维筋（HFRP）。
FRP 筋与混凝土能很好地结合在一起，前提是当受到外力作用时，2 种材料能够保持协同工作，共同抵抗外力。FRP筋与混凝土粘结性能的好坏，是保证它们良好结合的关键。因此，研究FRP 筋与混凝土的粘结性能就显得非常重要。
1 FRP 筋与混凝土粘结性能研究的现状
国外学者自20 世纪80 年代开始对FRP 筋与混凝土的粘结性能进行研究。Pleimann 分别于1987 年和1991 年通过拉拔试验研究了GFRP 筋和AFRP 筋与混凝土的粘结性能，并提出了基本锚固长度的计算公式[1- 2]。1992 年，Chaallal 通过拔出试验，研究了GFRP 筋的粘结性能，并建议锚固长度近似取为20 D [3]。Ehsani、Saadatmanesh 和Tao 在1996 年测试了48 根梁式试件和18 个拔出试件，推导并修正了GFRP 筋的锚固长度计算公式[4] 。1998 年B.Tighiouart 和B.Benmokrane，通过64 根梁式试件和18 个拔出试件研究了GFRP 筋与混凝土的粘结强度及影响因素，并与钢筋的粘结强度进行对比[5]。
国内，郑州大学高丹盈教授和上海同济大学薛伟辰教授等约在2000 年前后，相继开始对FRP 筋与混凝土的粘结性能展开了研究[6- 10]。虽然，国内外学者对FRP 筋混凝土粘结性能的试验研究已取得了一定进展，但在他们的研究中，多为GFRP筋和少量的AFRP 筋，而碳纤维筋与混凝土做粘结性能试验的很少。由于FRP 筋的类型和表面成型工艺的不同，其力学性能存在明显的差异，它们与混凝土之间的粘结性能自然也不相同。因此，本文对GFRP 筋做了进一步的试验研究和理论分析。
2 试验设计和方法
由于表面光滑的FRP 筋与混凝土的粘结强度很低，不适用于普通混凝土结构。所以，一般都通过对FRP 筋表面的变形和处理，以改善其与混凝土的粘结性能。
本次试验采用了拔出试验的方法，将FRP 筋的一端埋入混凝土，中间放置了千斤顶和传感器，另一端使用专门的锚具以承受反力（加载装置见图1）。
为了研究埋长对粘结性能的影响，拔出试件分别设计了不同的埋入长度（5 D、10 D、15 D、20 D 等），并在加载端放置了塑料套管以防止混凝土局部挤压造成的影响。试验中混凝土设计强度为C40，FRP 筋采用由日本三菱化学株式会社生产的直径为8 mm、表面变形带肋的高性能碳纤维筋。该筋的基材由沥青基纤维和环氧树脂组成，纤维和树脂的体积含量分别为65%和35%。变形带肋碳纤维筋（Leadline）外表形状见图2，性能见表1。
此外，以往试验在测量FRP 筋滑移时，只注重荷载滑移关系曲线的上升段，而忽略了下降段滑移的测量。本次拔出试验，改进了测试方法，采用自动、连续采集方式，可以测出荷载滑移曲线的上升段、下降段及残余应力段，使得荷载滑移曲线更完整、更客观地描述FRP 筋与混凝土之间的粘结滑移本构关系。
3 主要试验结果和分析
3.1 破坏特征
3.1.1 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）。
2 个劈裂破坏的试件埋入长度均为5 D，其相对保护层厚度较薄（C/D=4.5）；截面尺寸为：80 mm×80 mm×80 mm。而10D，截面尺寸为：120 mm×120 mm×120 mm 及以上的试件，因
相对保护层较厚（C/D≥7），均未发生混凝土劈裂破坏。显然，混凝土劈裂破坏过程，受混凝土保护层厚度的影响较大。
3.1.2 CFRP 筋与混凝土滑移破坏
当埋入混凝土中的CFRP 筋长度为10 D 和15 D 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。
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。
3.2 粘结滑移曲线
本次试验中，发生粘结破坏试件的埋入长度有3 种：5 D、10 D、15 D。它们的粘结滑移曲线分别如图5、图6 和图7 所示。
图5～图7 中粘结滑移曲线的上升段、下降段分析如下：
（1）图5 为CFRP 筋埋入长度为5 D 的粘结滑移曲线。在τ—s 曲线（即结应力τ- 与相对滑移s）上升段中，CFRP 筋与混凝土在a 点处开始产生相对滑移，由于CFRP 筋肋与界面混凝土的机械咬合作用而产生的斜向作用力，不仅在CFRP筋表面产生切向分力，而且产生沿径向的环向分力，使混凝土处于受拉状态。如果环向拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土会产生内部和径向裂缝，当其发展至构件表面，即形成自加载端至自由端的纵向劈裂裂缝。若粘结应力达到最大值b 点时，即产生劈裂破坏。
从图5 可以看出，上升段粘结应力τ与相对滑移s 呈非线性关系。当粘结应力经过峰值后，由于横向无箍筋约束，且相对保护层较薄（C/D=4.5），劈裂裂缝很快发展，τ—s 关系曲线进入下降段。此时，滑移迅速增加，混凝土沿筋方向劈裂，粘结应力τ与相对滑移s 呈线性关系，直至粘结应力为零的c点。
（2）图6、图7 分别是CFRP 筋埋入长度为10 D 和15 D，时的粘结滑移曲线。曲线均有上升段a～b、下降段b～c 和残余应力段c～d。由于相对保护层厚度较厚（C/D≥7），混凝土内裂缝的发展受到约束，CFRP 筋与界面混凝土之间产生局部剪切破坏和相对滑移，粘结与滑移τ—s 曲线呈光滑、连续的非线性关系。此外，在残余应力段c～d 中，除了滑动摩擦力的作用外，还有部分变形肋与混凝土的机械咬合作用，只是抵抗相对滑动的能力下降，τ—s 关系曲线的上升段斜率较前一个波形小。
3.3 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。
3.4 CFRP 筋表面应变沿埋长方向的分布
为了分析CFRP 筋与混凝土沿埋长方向的粘结应力分布情况，本次试验通过在筋表面的应变计，测出了各级荷载作用下，筋表面应变沿埋长方向的分布（见图8），图中T 表示最大的拔出载荷。
从图8 可以看出，在CFRP 筋混凝土沿埋长方向上的粘结应变分布很不均匀，其趋势与钢筋混凝土的粘结应变分布趋势基本相同[11]。
距加载端约30 mm 附近，筋表面变形最大，即达到峰值粘结应力。随着与自由端距离的缩小，CFRP 筋与混凝土间的粘结应力也迅速减小。当拔出荷载增加到极限荷载T 的50%左右时，在距自由端附近，CFRP 筋表面的应变出现负值，可能是因为CFRP 筋与混凝土产生相对滑移后，在近自由端区域的界面上，部分筋肋受到混凝土的局部挤压作用造成的。
由于拔出试件的轴向拉力受到CFRP 筋与混凝土之间粘结力的作用，限制了CFRP 筋的自由拉伸，在界面上产生粘结应力τ，将部分拉力传给混凝土，使混凝土受拉。粘结应力的大小取决于CFRP 筋与混凝土之间的应变差，当弹性模量一定时，应变差与粘结应力呈对应的线性关系，详见公式（1）[11]。
在加载端附近时，应变差值最大，粘结应力达到峰值。随着距加载端距离的增大，CFRP 筋表面相应的应变减小，而混凝土相应的应变增大，二者应变差值逐渐减小，在距自由端某处，应变差值为零，相对变形消失，粘结应力为零。
4 粘结强度
由图8 可知，实际CFRP 筋与混凝土的粘结应力在埋长La 范围内的分布是不均匀的、变化的，而且埋入长度越长，粘结应力分布就越不均匀。试件破坏时，整个埋长上最大荷载下的平均粘结应力τm与实际最大粘结应力τmax 的比值也越小。因此，平均粘结应力τm随埋长La 的增加而降低。取τm为拔出荷载作用下的平均粘结强度。其计算公式如下：
由试验得知，在相对保护层厚度为C/D=4.5 至C/D=7 之间时，粘结强度随埋长的增加而降低；而当C/D>7 后，粘结强度随埋长的增加而变化较小。
5 结语
（1）在CFRP 筋的拔出试验中，埋长为5 D 的试件，在没有箍筋的情况下，因相对保护层较薄（C/D≤4.5），易发生劈裂破坏。
（2）埋长为10D、15D的试件，因其相对保护层较厚（C/D≥7），多数发生滑移破坏。滑移破坏时，由于CFRP 筋表面硬度和抗剪强度低于混凝土，因此，一般以筋肋被削弱或剪切破坏为主要特征。
（3）劈裂破坏时τ—s 关系曲线的上升段，粘结与滑移呈非线性关系；而下降段时，粘结与滑移呈线性关系。
（4）发生滑移破坏时τ—s 关系曲线上升段—下降段—残余应力段，其粘结与滑移均呈非线性关系，只是粘结应力经过峰值以后，滑移明显加快。残余应力段又进入下一个上升段—下降段的循环过程，而随着粘结应力的减小，滑移进一步加快。
（5）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。
（6）CFRP 筋与混凝土的粘结强度随埋长增加到大于7 D后减小。
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