表1 BFRP筋的物理力学指标
Table 1 Basic properties of BFRP bars used in test
杨 超1，杨树桐1，戚德海2
(1. 中国海洋大学工程学院土木工程系，山东，青岛 266100；2. 泰山玻璃纤维有限公司，山东，泰安 271000)
摘 要：为研究玄武岩纤维增强复合材料筋(BFRP筋)与珊瑚混凝土的粘结性能，对不同直径(d=8 mm、12 mm)、不同粘结长度(2.5 d、5.0 d与7.5 d)及不同养护环境(标准养护室养护、20±2 ℃人工海水养护)的共24个BFRP筋与珊瑚混凝土粘结锚固试件进行了中心拉拔试验。结果表明：除直径为12 mm，粘结长度为7.5 d的拉拔试件出现珊瑚混凝土劈裂破坏外，其余试件均为BFRP筋从珊瑚混凝土中拔出破坏，其破坏形态与BFRP筋和普通混凝土粘结破坏形态无明显区别，只是更易发生劈裂破坏。其粘结滑移曲线可分为微滑移阶段、滑移阶段、剥离阶段、下降阶段和残余阶段共 5个阶段。其最大平均粘结应力随直径与粘结长度的增加显著减小。标准养护条件下的BFRP筋与珊瑚混凝土的粘结强度明显高于20±2 ℃人工海水养护下的粘结强度。
关键词：BFRP筋；珊瑚混凝土；粘结性能；破坏形态；直径；粘结长度；养护环境
在高温、高湿、高盐且远离大陆的远海岛礁，采用传统建筑材料来进行工程建设面临着耐腐性差、耐久性差、材料运输费高、工期难以保证等一系列问题。如能就地取材，直接利用远海岛礁周边的珊瑚礁砂与海水配制珊瑚混凝土，可以有效缓解远途运输问题。珊瑚混凝土是由珊瑚礁、珊瑚砂、水泥、化学外加剂和海水按一定的比例配合制成[1―2]。珊瑚是珊瑚虫死后产物，主要化学成分为碳酸钙，具有质轻、多孔、孔隙率大，吸水性强等特点，属于天然轻骨料。相对于陶粒、煤矸石等普通轻骨料，多孔特质使其具有更高的吸水率，表面粗糙要求更多的水泥包裹以便得到较好的施工性能[3]。已有研究表明[4]：珊瑚混凝土具有长期稳定的力学性能，能满足持续高温、高湿、高盐的复杂海洋环境强度要求。
然而，如果将珊瑚混凝土用于钢筋混凝土结构中，由于拌合水和骨料的高盐含量，使得钢筋易锈蚀，从而大大影响结构的耐久性。纤维增强复合材料(FRP)以其高强度、耐腐蚀的优点，在土木工程众多领域逐渐取代钢材并得到了应用。
常用的FRP筋主要包括玻璃纤维筋(GFRP筋)、碳纤维筋(CFRP筋)、芳纶纤维筋(AFRP筋)和玄武岩纤维筋(BFRP筋)。然而，当前对于FRP筋与珊瑚混凝土的研究却十分有限。胡乔等[5]从概预算角度的研究发现：对于远海岛礁，在全寿命周期内，FRP筋珊瑚混凝土相对于普通钢筋混凝土结构更具成本优势。李彪等[6]通过BFRP筋珊瑚混凝土梁、CFRP筋珊瑚混凝土梁与CFRP筋普通混凝土梁验证了现有计算方法对 FRP筋珊瑚混凝土梁与普通混凝土梁的受弯适用性。但研究中未考虑FRP筋与珊瑚混凝土界面粘结滑移的影响，而界面的粘结特性对FRP筋珊瑚混凝土结构力学性能至关重要。王磊等[7]通过试验分析了CFRP筋与珊瑚混凝土界面粘结性能，发现界面粘结强度受CFRP筋直径，粘结长度，珊瑚混凝土强度的影响。
BFRP筋是由玄武岩纤维与基体材料(包括环氧树脂基体，乙烯基脂基体等)构成。BFRP制造过程类似于GFRP，通过将玄武岩石置于1400℃的高温下融化提取。BFRP除了具有FRP轻质、高强耐拉、无毒、环保、绝缘、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等诸多优点外，相对于 CFRP，还有更为低廉的价格和更为广泛的材料来源[8―10]。但关于BFRP筋与珊瑚混凝土粘结性能方面的研究尚未见报道。鉴于此，本文将针对BFRP筋与珊瑚混凝土粘结锚固性能开展研究，聚焦于BFRP筋直径、粘结长度和养护条件对界面粘结参数和破坏机理的影响。研究成果将对我国正在大力开展的岛礁建设、维护国家海洋权益具有重要的意义。
1.1.1 FRP筋
试验筋材为杭州滕泰新型建材有限公司生产的BFRP螺纹筋，实测力学指标详见表1，照片及示意图见图1。
表1 BFRP筋的物理力学指标
Table 1 Basic properties of BFRP bars used in test
图1 BFRP筋照片与示意图
Fig.1 Photos and details of BFRP bars used in test
1.1.2 珊瑚混凝土
本试验采用的珊瑚骨料自西沙岛礁，珊瑚礁石为 5 mm～20 mm 连续级配，堆积密度 918 kg/m3，表观密度 1899 kg/m3，空隙率 51.7%，筒压强度2.01 MPa。珊瑚砂细度模数为1.63，含少量贝壳碎屑，堆积密度1236 kg/m3，表观密度2517 kg/m3，空隙率50.9%，含水率为11%。珊瑚礁砂形态见图2～图 4，级配曲线见图 5。水泥为山东山水水泥有限公司生产的标号为42.5级普通硅酸盐水泥，拌合海水采用参考南海海水配制的人工海水，每升海水中含 22.16 g NaCl，5.265 g MgCl2，3.861 g Na2SO4，1.082 g CaCl2，0.745 g KCL，0.207 g NaHCO3。减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率高达20%。
图2 珊瑚礁石
Fig.2 Coral coarse aggregate
图3 珊瑚砂形态(0～5 mm粒径)
Fig.3 Coral fine aggregate (0～5 mm particle)
图4 珊瑚礁石微观形态(放大520倍)
Fig.4 Micro morphology of coral coarse aggregate (520 times)
本试验的珊瑚混凝土采用实验室配合比，设计强度等级为C30。其中，用水量为净用水量，附加海水为预湿23 h后取出并晾置1 h的珊瑚礁石所含海水，此时，珊瑚礁石含水率为15%。净水灰比由净用水量计算得出，总水灰比由总用水量计算得出。珊瑚混凝土的配合比与拌合物性能如表2所示，力学性能如表3所示。
图5 珊瑚礁石、砂级配曲线
Fig.5 Size distribution of coral aggregates
表2 珊瑚混凝土的配合比与拌合物性能
Table 2 Mix ratio and slums of coral concrete mixture
表3 珊瑚混凝土的力学性能
Table 3 Basic mechanical parameters of coral concrete
为探究BFRP筋与珊瑚混凝土粘结性能的影响因素，对两种不同直径(d=8 mm、d=12 mm)、三种不同粘结长度(2.5d、5.0d和7.5d)及两种不同养护环境共 24个拉拔试件进行中心拉拔试验，试件尺寸150 mm×150 mm×150 mm详见图6。为防止拉力机夹具对BFRP筋加载端端部引起的剪切破坏，试验前先用钢制套筒并慧鱼粘钢胶的方式对试件加载端进行锚固。为消除边界效应的影响，分别在加载端和自由度用 PVC管设置未粘结段。粘结长度通过调整PVC管位置实现，PVC管与FRP筋相对位置的固定通过缠绕多层海绵状的塑料泡沫和透明胶布实现，并防止 PVC管内部灌浆。试件浇筑完成后，隔日拆模，一部分试件放入温度为20±1 ℃，相对湿度为95%的标准养护室养护，另一部分试件放入温度为 20±2 ℃的配制的人工海水中浸没养护,所有试件均养护28 d。拉拔试件浇筑前的内部布置及成型拉拔试件如图6所示。
图6 试件制备
Fig.6 Preparation process of bond specimens
在进行BFRP筋与珊瑚混凝土中心拉拔试验之前，提前对试件上表面打磨平整，将拉拔试件放置在特制的固定在试验机上的钢基座内，用试验机夹头夹紧用于筋端部锚固的钢制套筒，试件上表面上铺盖一个带有5个孔洞的25 mm厚钢板，并用4个螺栓和4根螺杆调节固定钢板位置。24个试件均在量程为100 kN的万能材料试验机上进行，加载速率为0.4 mm/min，采样频率为每秒10次，自由端布置一个拉力式引伸计，用于获取自由端滑移数据。加载装置如图7所示。平均粘结应力计算见下式：
式中：τ为平均粘结应力；P为拉拔力；d为BFRP筋直径；Ld为粘结长度。
图7 加载装置
Fig.7 Test setup
试验中考虑了 BFRP筋直径(d=8 mm、d=12 mm)、粘结长度(2.5 d、5.0 d与7.5 d)、养护环境(标准养护室养护与 20±2℃人工海水浸没养护)对BFRP筋与珊瑚混凝土粘结性能的影响，依据养护环境将试验分成3组工况进行试验。表4中编号含义为：FRP筋种类和直径-粘结长度-养护环境与序号。例如：B08-20-S1表示的含义为直径为8 mm的BFRP筋，与珊瑚混凝土的粘结长度为20 mm的海水养护1号试件，若无后缀S则为标准养护室养护的试件。
本次试验中所有试件的破坏模式都列入了表 4中，根据已有研究[11]，FRP筋与普通混凝土的粘结破坏模式主要有3种，混凝土的纵向劈裂破坏；FRP筋与混凝土的界面剪切破坏；FRP筋内部核心的界面剪切破坏。国内进一步的研究表明：FRP筋的表面硬度和抗剪强度略低于普通混凝土，粘结破坏主要发生于FRP树脂层[11―12]。对于 BFRP筋与珊瑚混凝土，除了部分粘结长度过长，保护层较薄的B12-90试件发生劈裂破坏外，其余试件均为BFRP筋从珊瑚混凝土中拔出破坏，且无BFRP筋内部核心层的界面剪切破坏。这主要是因为珊瑚混凝土自身强度的限制。
在试验最后，劈开试件。对于劈裂破坏的试件，见图8(a)～图8(c)，发现粗骨料内部界面断裂相对于粗骨料与砂浆的界面断裂占据绝对优势，粘结段混凝土及 BFRP纤维无明显剪切破坏现象，仅仅是BFRP筋表面环氧树脂基质部分被剪掉以及肋部所缠纱线部分被剪断。对于滑移拔出的试件，见图8(d)～图8(e)，可以看到自由端粘结段的BFRP筋磨损较加载端更严重。自由端外表层的环氧树脂基质脱落明显，或伴随着BFRP筋肋部所缠纱线被磨损、剪断，对于部分 B08-60试件，自由端粘结段还兼有 BFRP筋外表层的肋突出部较为严重的剪切磨损。
表4 拉拔试验结果汇总
Table 4 Summary of test results
注：P表示BFRP筋滑移拔出破坏；S表示珊瑚混凝土纵向劈裂破坏；/表示无数据；τu表示最大粘结应力；τs表示残余粘结应力；s1表示τ达到τu时对应自由端滑移值。
图8 粘结破坏形态图
Fig.8 Failure mode of specimens
对比Ahmed等[13]的BFRP筋与普通混凝土的粘结破坏形态，可以明显发现BFRP筋与珊瑚混凝土的破坏形态表现出明显的相似性，只是受制于珊瑚骨料强度不高引起珊瑚混凝土强度不高，导致珊瑚混凝土更易发生劈裂破坏，表现出更为明显的脆性破坏特征。
图9～图11分别展示了不同直径、不同粘结长度及不同养护环境的中心拉拔试件的自由端τ-s典型曲线。根据已有的粘结破坏形态现象与分析，以及自由端τ-s典型曲线，并结合前人的CFRP筋与珊瑚混凝土拉拔试验结果[7]，以及FRP筋与普通混凝土的粘结性能试验结果[12]，可以将BFRP筋与珊瑚混凝土的粘结-滑移过程大致分成以下5个阶段，其中，对于劈裂破坏的试件仅有前2个阶段和第三阶段的前面一部分：
1) 微滑移阶段。试验机加载，BFRP筋开始受力，此时粘结段加载端先受力，并依次渐渐发生弹性微滑移、塑性微滑移，这些力和微滑移逐渐向自由端不均匀扩散，自由端的粘结段渐渐受力但并未滑移，这一时期，粘结应力的主要由BFRP筋与珊瑚混凝土两者之间的化学胶着力提供，τ-s曲线斜率几乎保持不变，近乎一条通过原点的斜直线。
2) 滑移阶段。荷载稳步增加，自由端开始出现滑移，粘结段的化学胶着力逐渐丧失，BFRP筋与珊瑚混凝土的粘结应力主要由两者的机械咬合力和摩擦力提供，τ-s曲线的斜率逐渐减小。
3) 剥离阶段。荷载缓慢增加，逐渐达到峰值，滑移扩展加速，粘结段中BFRP筋外表面肋部的环氧树脂基质与内部纤维层剥离，对于较长粘结长度的那部分试件，还会出现BFRP筋外表面肋突出部分被不同程度的磨损或削弱，τ-s曲线的斜率逐渐减小至至零。
4) 下降阶段。荷载从峰值处以越来越快的速度下跌，受BFRP筋肋部外表面环氧树脂层持续的剥离，以及肋突出部持续的剥离，滑移开始失稳扩展，直至荷载到达第一个谷值附近，完成第一个周期的滑移。此时的粘结应力仍旧由机械咬合力和摩擦力提供，τ-s曲线的斜率变为负值。
图9 不同直径中心拉拔试件自由端典型τ-s曲线对比
Fig.9 Bond-slip curve for d=8 mm and d=12 mm
图10 不同粘结长度中心拉拔试件自由端典型τ-s曲线对比
Fig.10 Bond-slip curve for Ld=2.5d, Ld=5.0d and Ld=7.5d
5) 残余阶段。荷载从第一个谷值附近先缓慢下降后持续增长，开始进行没有微滑移阶段的第二个周期的滑移，依次再进入下一个没有微滑移阶段的滑移周期，每个周期持续滑移距离大约对于 BFRP筋肋间距，τ-s曲线的斜率由负渐渐转为正，并逐渐开始再一次又一次的滑移、剥离、下降，直至拔出。
BFRP筋与珊瑚混凝土残余粘结应力由两者之间的机械咬合应力与摩擦应力共同组成，本文选取自由端 τ-s曲线第一个谷值与第二个峰值的平均值作为残余粘结应力。
图11 不同养护环境中心拉拔试件自由端典型τ-s曲线对比
Fig.11 Load-slip curve under different curing conditions
从图12～图13可以看出，B08试件、B12试件、B08-S试件的残余粘结应力均值分别为5.01 MPa、4.99 MPa、3.68 MPa；其粘结应力保留率(残余粘结应力与自身最大平均粘结应力比值)分别为26.5%、27.4%、21.9%。
图12 残余粘结应力
Fig.12 Residual bond stress
由此可见残余粘结应力几乎不受BFRP筋直径的影响，这与BFRP筋与普通混凝土的残余粘结应力表现出相同的特性[13]。而20±2℃人工海水浸没的养护环境明显削弱了BFRP筋与珊瑚混凝土之间的残余粘结应力及其粘结应力保留率。
图 13 粘结应力保留率：(τs/τu)×100%
Fig.13 Retention rate of bond stress: (τs/τu)×100%
2.5.1 直径对粘结性能的影响
诸多研究表明[14－18]，CFRP筋和GFRP筋与混凝土的粘结应力随着直径的增大而减小。这主要归因于粘结应力沿着FRP筋呈非线性分布，直径大的筋需要更大的粘结长度[19]。以预应力钢筋混凝土为例，直径越大，富集在钢筋粘结段的水分也越多，从而在混凝土硬化后形成的空隙越多，粘结应力损失也越大。
图14展示了在粘结长度为2.5 d、5.0 d、7.5 d的条件下，B08筋与珊瑚混凝土的最大平均粘结应力明显高于B12筋与珊瑚混凝土的最大平均粘结应力，分别高5.0%、9.3%、11.3%。尽管试验结果存在一定的离散性，但大体上都遵循最大平均粘结应力随直径的增加而减小这一普遍性规律。
图14 不同直径、粘结长度、养护环境试件最大平均粘结应力均值汇总
Fig.14 Mean maximum average bond stress under different diameters, different bond lengths and different curing conditions in tests
2.5.2 粘结长度对粘结性能的影响
目前，粘结应力随着粘结长度的增加而减小这一理论已经被诸多研究所证实[17, 20]，原因在于：1) 粘结应力沿着粘结段呈非线性分布，粘结长度越大，非线性分布越明显；2) 泊松比的影响导致筋材直径的减小，进而导致粘结段筋材与混凝土之间的摩阻力减小。
从图14可以看出，BFRP筋与珊瑚混凝土的粘结亦遵循这一规律。对于 B08试件，5.0d、7.5d粘结长度的最大平均粘结应力均值分别为 2.5d的93.9%、88.0%。对于B12试件，5.0d、7.5d粘结长度的最大平均粘结应力均值分别为 2.5d的90.3%、83.1%。对于 B08-S试件，5.0d粘结长度的最大平均粘结应力均值为2.5d的95.0%。
2.5.3 养护环境对粘结应力的影响
已有的研究表明[21－22]：BFRP筋与混凝土的短期粘结应力因养护环境的不同显现出不同的影响。Dong等[21]发现，在25℃、45℃的依据ASTM-1141-98[23]配制的人工海水中浸没养护的 FRP筋与普通混凝土试件短期粘结应力均高于标准养护室内养护的试件，但在 55℃下则与之相反。Ahmed等[13]研究发现，海水浸没养护的试件在20℃、60℃、80℃条件下，短期粘结应力仍旧高于标准养护室下的试件。
从图 14可以看出，标准养护室养护的试件的粘结应力明显高于 20±2℃人工海水中浸没养护试件。在 2.5d、5.0d粘结长度条件下，前者较后者分别高14.7%与13.5%。原因在于：在标准养护条件下，相对湿度为95%，珊瑚粗骨料在养护过程中不断释放出水分，导致局部水灰比降低，且骨料周围水泥浆体发生进一步的水化反应。从而使得珊瑚混凝土短期强度较高。而处于人工海水浸没养护下的条件下，相对湿度为 100%，珊瑚混凝土在养护过程中珊瑚粗骨料的水分难以释放，28 d的fcu,m=33.43 MPa，明显小于标准养护下的强度。但BFRP筋与珊瑚混凝土在 20±2℃人工海水中长期浸没养护的条件下的粘结性能仍有待探讨。
本文通过对24个BFRP筋与珊瑚混凝土中心拉拔试件的粘结试验研究，得出以下结论：
(1) 除d=12 mm，粘结长度为7.5d的试件劈裂破坏外，其余所有均为拔出破坏。BFRP筋与珊瑚混凝土的粘结破坏形态及其与普通混凝土的粘结破坏形态并未显现出明显的区别，只是受制于珊瑚骨料自身强度较低，BFRP筋与珊瑚混凝土中心拉拔试件更易发生劈裂破坏。
(2) BFRP筋与珊瑚混凝土的拔出滑移受力过程可以分成5个阶段:微滑移阶段、滑移阶段、剥离阶段、下降阶段与残余阶段。
(3) BFRP筋与珊瑚混凝土的残余粘结应力不受直径的影响，但海水浸没养护环境降低了残余摩擦应力。其最大平均粘结应力随着FRP筋直径和粘结长度的增加而显著减少；海水浸没养护下，其粘结应力出现了明显的下降。
(4) 和标准养护室内养护的 BFRP筋与普通混凝土粘结性能一样，BFRP筋与珊瑚混凝土粘结应力及其影响因素，粘结滑移曲线，粘结破坏形态均表现出相似的特征。对养护环境的影响仍有些许差异，有待进一步的研究。
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EXPERIMENTAL STUDY ON THE BOND PERFORMANCE BETWEEN BFRP BARS AND CORAL CONCRETE
YANG Chao1, YANG Shu-tong1, QI De-hai2
(1. Department of Civil Engineering, College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao, Shandong, 266100, China;2. Taishan Fiberglass INC., Taian, Shandong, 271000, China)
Abstract:To study of the bond performance between BFRP bars and coral concrete, pull-out tests were carried out for 24 anchorage specimens with FRP bars of different diameters (d=8 mm and d=12 mm), different bonding lengths (2.5 d, 5.0 d and 7.5 d) and different curing conditions (standard curing room and artificial seawater immersion with the temperature of 20±2 ℃). The results show that all the specimens fail due to the pull-out of the BFRP bars from the concrete except the specimens with 12 mm diameter bars and a bonding length of 7.5 d,which is identified by splitting failure of the concrete. The failure mode is similar to that between BFRP bars and ordinary concrete, but the splitting failure occurs more easily for the bond between BFRP bars and coral concrete.The bond-slip curve can be divided into five stages, i.e., micro slip stage, sliding stage, stripping stage, declining stage and residual stage. With the increase of the diameter and bond length, the maximum average bond stress decreases markedly. Moreover, the bond strength of the specimens under standard curing conditions is apparently larger than that of specimens immersed in 20±2 ℃ artificial seawater.
Key words:BFRP bar; coral concrete; bond performance; failure mode; diameter; bond length; curing environment
中图分类号：TU377.9
文献标志码：A
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.06.S034
文章编号：1000-4750(2018)Suppl-0172-09
收稿日期：2017-06-06；修改日期：2017-11-20
基金项目：国家自然科学基金项目(51378481)；泰山玻璃纤维有限公司委托科技服务项目(20160290).
通讯作者：杨树桐(1979－)，男，山东人，教授，博士，从事混凝土断裂力学、混凝土加固与锚固的理论与试验研究(E-mail: shutongyang2013@163.com).
作者简介：杨 超(1992－)，男，河南人，硕士生，从事海洋珊瑚混凝土力学性能试验研究(E-mail: yc520520cy@163.com);
戚德海(1967－)，男，山东人，教授级高工，硕士，从事复合材料产品开发和应用技术研究(E-mail: ctg.qdh@ctgf.com)