玻璃纤维增强复合材料筋材连接试验研究
玻璃纤维增强复合材料筋材连接试验研究
周继凯, 杜钦庆, 陈诗学, 陈 洋
(河海大学土木工程学院，江苏南京 210098)
关键词: GFRP筋；连接试验；粘结剂；粘结强度；粘结滑移曲线
1 前 言
纤维增强复合材料（FRP）作为一种新型的建筑材料能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展以及承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而正被广泛应用在各类工程结构中。FRP主要包括碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、芳纶增强复合材料（AFRP）等。国内在该领域的研究和应用起步较晚，近几年来取得了不少的进步，目前的工程应用主要集中在粘贴碳纤维片材（布、板）进行混凝土结构的加固和补强方面，对纤维增强复合筋材替代钢筋的试验研究正在兴起。
玻璃纤维增强复合筋材（GFRP Bar）具有抗腐蚀性能良好、抗拉强度较高、比重小、热膨胀系数与混凝土相似等优点，且国内的GFRP的成型技术比较成熟，年生产量很大，价格相对比较便宜，因而在用于替代钢筋混凝土结构中的钢筋研究中备受关注。在复合筋材混凝土结构中，类似钢筋与混凝土的粘结滑移特性，复合筋材与混凝土的粘结滑移特性是研究的热点[1-6]。
然而，玻璃纤维增强复合筋材同钢材相比，存在一个重大的缺点。玻璃纤维增强复合筋材是热固性材料，一旦成型后不可以通过加热熔化来进行连接。其弯曲也受到限制，一般不能进行盘条运输到现场截断，只能在工厂按规定长度预制好，因而限制了玻璃纤维增强复合筋材的通用。
基于工程的实际工程需要（超长GFRP锚杆替代钢筋锚杆等应用），本文提出了采用粘结剂对钢套管和GFRP筋连接方式，见图1（图略）所示，并对采用两种粘结剂GFRP筋连接特性进行了试验研究。
2 试验方案
2.1 试验设备
本试验加载设备采用河海大学结构工程实验室的MTS322电液伺服静动万能试验机，控制系统
为多通道FlexTestGT控制器，大动静态荷载为±500kN，可以实现位移、荷载和测量参数控制。数据采集设备采用TS3890型静态应变测量处理仪是一种装有微处理芯片的数字式应变仪，通过USB接口与计算机通讯，分 辨 率：±1με，准 确 度±0.3%±3με，采样速率50 Hz。试件的轴向拉伸采用应变片与电子引伸计来量测。电子引伸计采用NCS-YYU-5050型，应用电阻应变式原理的简支梁结构制作，标距50mm，大变形量为25mm，误差为0.043%。
2.2 试件制备
2.2.1玻璃纤维筋（GFRP）
玻璃纤维筋（GFRP）由南京奥沃生产提供。采用纤维纱浸渍含有固化剂、促进剂等多种助剂的不饱和聚脂树脂等树脂胶液后，在拉挤机的牵引下，通过预成型模进入加热模具，在高温高压下固化成型。经表面处理后缠绕螺旋状的浸渍含有多种助剂的树脂胶液的玻璃纤维束，固化成型为全螺纹纤维增强塑料筋材。玻璃纤维含量75%，树脂含量25%。
2.2.2粘结剂
粘结剂由南京固强提供两组不同粘结材料进行对比。这两种材料均为一种双组份冷固化触变环氧树脂类粘结剂，力学强度高，对多数材料粘合力良好，防水和抗化学腐蚀能力强，常用于混凝土结构的加固工程[7]。
粘结材料甲由两种组份按1:1拌和后使用。和易性差，拌和30min内可以操作，胶体粘稠，灌装难度大，气味刺鼻，该材料价格便宜。
粘结材料乙由两种组份按1:2拌和后使用，和易性好，拌和2h内灌装操作方便，但仍然感到过于粘稠，无流动性，该材料价格较高。
2.2.3试件设计
本试验目标是确定通过钢套管灌装粘结剂后对GFRP筋材粘结滑移特性。试件设计为总长400mm，直径17mm，两端钢套管长100mm，壁厚2.5mm，内径22 mm。见图2（图略）所示。
2.3 试验技术
采用MTS322进行位移加载，加载速率为0.03mm/s，数据采集频率为1Hz。试件轴向拉应变由应变片和电子引伸计通过TS3890型静态应变测量处理仪接入计算机进行采集，数据采集频率为1Hz。室内气温平均为28℃。
3 试验结果与分析
3.1破坏形态
试件安装后，测量设备调试好后，按位移加载。试件破坏在试件其中的一端，表现为钢管与GFRP筋材粘结接触面滑移破坏，破坏突然，是脆性破坏。典型的加载位移-荷载曲线见图3（图略）所示。破坏后的试件将钢套管拉脱。粘结剪切面的处于 GFRP筋的外表面，不是钢套管的内表面。
试验发现采用表面粘贴应变片测量的效果不佳，分析原因为GFRP筋的外表面凹凸不平，在表面用材料填平很难，且影响测量的精度。同时，采用标距50mm的电子引伸计测量的效果也不佳，原因是测量的标距过小，相关研究表明宜大于8倍GFRP筋的直径。
3.2 剪切强度
不同粘结剂对钢套管与GFRP筋的粘结强度可以按GFRP筋外表面处滑移破坏计算。平均粘结强度计算公式见式(1)： 
(1)
式中： 
―钢套管与GFRP筋的平均粘结强度 N/mm2；Pu ―钢套管与GFRP筋的粘结极限承载力N； L―钢套管与GFRP筋的粘结段长度 mm； D―GFRP筋的公称直径 mm。
经试验，计算两种不同粘结剂在不同龄期的与钢套管的粘结强度，见表1。
由试验结果可以看出，粘结剂为粘结材料乙比甲的强度离散性小，这与粘结材料甲的灌装操作难度大是相关的。因此在先进行粘结材料甲操作后，决定对粘结材料乙进行详细试验。
对粘结材料乙的粘结强度的龄期影响试验表明14d的强度比7d的强度增长较大。将钢套管与GFRP筋的粘结强度 随龄期的增长曲线拟合得出公式见式(2)。 
(2)
式中： 
―钢套管与GFRP筋的粘结强度，N/mm2； t―钢套管与GFRP筋的粘结龄期，天。
由此公式的预测钢套管与GFRP筋的28d粘结强度将达到11.74 N/mm2，粘结强度在14d后增长缓慢。粘结强度与龄期关系曲线见图4（图略）。
通常混凝土养护7d拆模，因此，在施工阶段，验算强度时，对钢套管与GFRP筋粘结强度应采用7d龄期强度。
3.2粘结滑移特性及强度标准值
采用位移加载的目的就是希望能得到粘结滑移全曲线。将得到的粘结材料甲和乙的粘结滑移曲线分别表示在图5和图6中。（图略）
由图5可以看出粘结材料甲的粘结滑移破坏为完全脆性，试件达到极限承载力后立即破坏。其粘结滑移曲线近似为双线性，转折点约为极限承载力的50%。由此建议粘结材料甲与钢套管的粘结强度标准值取其粘结强度的50%，即6.06 N/mm2。
由图6可以看出粘结材料乙的粘结滑移破坏有部分试件为完全脆性，试件达到极限承载力后立即破坏，也有不分试件具有明显的下降端。其粘结滑移曲线上升段也近似为双线性，转折点约为极限承载力的60%。偏于安全，也建议粘结材料乙与钢套管的粘结强度标准值取其粘结强度的50%，即28天粘结强度标准值为5.87 N/mm2。
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3.3连接设计
先确定连接长度l。由力的平衡公式可以得出： 
(3)
式中： 
―钢套管与GFRP筋的平均粘结强度标准值 N/mm2； ftk―GFRP筋的抗拉强度标准值 N/mm2；l―钢套管与GFRP筋的粘结段长度 mm； D―GFRP筋的公称直径 mm。
钢套管长度L 
(4)
钢套管截面强度设计要求钢套管截面抗拉承载力Pus不小于GFRP筋的抗拉承载力PuG。 
(5)
确定钢套管的抗拉强度后，即可得出钢套管截面积、内径和壁厚。
4 结论与建议
4.1 结 论
本文通过对两种粘结剂共15 个连接试件的拉伸拔试验，研究了这两种粘结材料对钢套管与GFRP筋之间的粘结强度的影响，其结论如下：
(1) 采用环氧类树脂粘结剂进行钢套管和GFRP筋的连接，技术可行；
(2) 环氧类树脂粘结剂的粘结滑移关系曲线上升段具有双折线特性；
(3) 两种环氧类树脂粘结剂对于钢套管与GFRP筋的粘结强度均较高；
(4) 材料乙粘结强度7d内增长快，14d后增长缓慢；
(5) GFRP筋的连接可靠性受粘结材料的施工难易影响大，材料乙施工也操作方便，粘结强度稳定，离散性小，具有一定延性，性能优于材料甲。
4.2 建 议
(1) 由于新材料和连接方式的性能试验资料少，设计时采用试验结果应慎重。对于粘结强度设计值，建议依据粘结滑移关系曲线，确定屈服强度或控制变形量为标准，本试验建议取粘结强度极限强度的50%；
(2) 选择粘结剂，除要求足够高粘结强度外，要求粘结剂和易性好，固化时间不宜少于60min内，也不宜大于4h；
(3) 连接钢套管宜选择高强度钢材进行专门制作，管内径宜比GFRP筋直径大3~4mm，套管内壁除锈打毛，绝不允许含有油脂；
(4) 树脂类材料受环境温度影响大，应进行温度对粘结剂性能影响试验研究；
(5) 粘结剂的耐久性能也决定结构的耐久性，需要进行各种环境介质（酸、碱、盐、湿）对其粘结性能劣化的影响试验研究；
(6) 目前尚无关于GFRP筋的连接的设计、施工技术标准，继续进行此类研究具有现实的实用意义。
参考文献：
[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] 薛伟辰，康清梁.纤维塑料筋粘结锚固性能的试验研究[J]，工业建筑，1999,29(12)：5-7.
[4] 茅卫兵,章定国.钢筋新型代用材料FRP筋粘结锚固性能试验研究[J]，河海大学学报，2000, 28(5)：44-48.
[5] 薛伟辰.不同试验方法对GFRP筋粘结强度的影响研究[J]，玻璃钢/复合材料，2003,(5)：10-13.
[6] 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[J]，工业建筑，2003,33(7)：41-43.
[7] 于海生, 肖建庄，建筑结构粘结剂的研究进展[J]，玻璃钢/复合材料，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.
