Experimental investigations on bonding performance between BFRP bars and low alkalinity sulphoaluminate cement concrete
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摘要: 为研究玄武岩纤维增强聚合物复合材料(Basalt fiber reinforced polymer，BFRP)筋与低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的粘结性能，对共90个粘结试件进行中心拉拔试验，研究了筋材表面形貌、混凝土强度等级等因素对粘结性能的影响。试验结果表明：对筋材表面进行喷砂、缠绕纤维和螺纹处理能显著提高粘结性能，深螺纹环氧树脂BFRP筋与65 MPa低碱度硫铝酸盐水泥混凝土的粘结强度高达39.09 MPa，远大于光滑BFRP筋的13.32 MPa。强度等级对BFRP筋-低碱度硫铝酸盐水泥混凝土粘结试件的粘结强度的影响更明显，此外BFRP筋与低碱度硫铝酸盐水泥混凝土粘结性能高于普通硅酸盐混凝土。最后，通过Cosenza-Manfredi-Realfonzo(CMR)模型和修正后的Bertero-Popov-Eligehausen(mBPE)模型)对BFRP筋-混凝土粘结试件的粘结滑移(τ-s)曲线进行拟合，发现CMR模型对粘结滑移曲线的上升段拟合效果较好，清晰准确地反映了其粘结-滑移本构关系，为研究BFRP筋增强硫铝酸盐水泥混凝土结构的力学性能提供了关键理论依据。Abstract: In order to study the bonding performance between basalt fiber reinforced polymer (BFRP) bars and low alkalinity sulphoaluminate cement concrete, a total of 90 bonding specimens were tested by central pullout test. The effects of surface morphology of BFRP bars and concrete strength grade on the bonding performance were studied. The experimental results show that sand blasting, fiber winding and ribbed treatments on the surface of BFRP bars can significantly improve the bonding performance, the bond strength between deep ribbed epoxy resin BFRP bar and low alkalinity sulphoaluminate cement concrete with strength grade of 65 MPa is as high as 39.09 MPa, which is much higher than 13.32 MPa of smooth BFRP bar. The effect of strength grade on bond strength of BFRP bar/low alkalinity sulphoaluminate cement concrete is more obvious. In addition, the bonding performance between BFRP bars and low alkalinity sulphoaluminate concrete is higher than that of ordinary portland concrete. Finally, the CMR and mBPE models were used to fit the bond-slip (τ-s) curve of BFRP bar-concrete bond specimens. It is found that the fitting result of CMR model for the ascending segment of the bond-slip curve is better, which clearly and accurately reflects the bond-slip constitutive relationship between BFRP bar and concrete, and provides a key theoretical basis for investigating performance of BFRP-reinforced sulphoaluminate cement concrete structures.
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尽管钢筋混凝土结构自19世纪末以来在土木工程领域广泛应用，但暴露在高度侵蚀性环境中(如化学侵蚀、冻融、高湿度环境等)的结构存在钢筋锈蚀严重导致混凝土结构加速劣化的问题[1]。近年来，采用纤维增强聚合物复合材料(FRP)筋代替钢筋被认为是解决钢筋锈蚀问题的一种有效方案[2-5]。FRP筋具有抗拉强度高、耐腐蚀、质量轻、电绝缘和抗疲劳等优点[6-8]。目前，土木工程结构用FRP筋主要包括玻璃纤维增强聚合物复合材料筋(GFRP)、碳纤维增强聚合物复合材料筋(CFRP)、玄武岩纤维增强聚合物复合材料筋(BFRP)和芳纶纤维增强聚合物复合材料筋(AFRP)[9]。其中，BFRP筋通常具有比GFRP筋更好的力学性能和化学稳定性[10-11]，且价格远低于CFRP筋。此外，玄武岩纤维的制备过程还具有环保、无害等优点[12-13]。
研究表明，在湿热和碱性环境下FRP筋仍然存在长期性能退化的问题[14-17]。普通硅酸盐水泥混凝土(本文以下简称普通混凝土)孔溶液呈现高碱性(pH为12.5~13.5)[5, 18]，对FRP材料降解作用显著。硫铝酸盐水泥(Sulphoaluminate cement)具有低碱、抗渗的优点[19-21]，其中低碱度硫铝酸盐水泥的pH仅为10.5左右。因此，使用FRP筋与硫铝酸盐水泥混凝土(本文以下简称硫铝酸盐混凝土)结合可能更具优势。同时，相比普通硅酸盐水泥，硫铝酸盐水泥还具有早强、高强、抗冻、耐腐蚀等优点[22-23]，且硫铝酸盐水泥生产能耗低，是一种低碳、节能水泥，具有良好的经济效益和社会效益[19]。
FRP筋混凝土结构性能评价的一个关键指标是筋材与混凝土的结合力[3,24-27]。FRP筋与混凝土的粘结力主要由化学胶着力、摩擦力和机械咬合力构成[3, 28]。已有研究表明，FRP筋在混凝土中的粘合行为受试件破坏形式[25]、筋材表面形貌[29-32]、混凝土强度等级[33-35]、混凝土保护层厚度、FRP筋直径[36]、锚固长度、服役环境(高温、溶液、冻融循环)[37-38]等因素的影响。
不同表面形貌的FRP筋对应不同的粘合机制和失效模式[31]。Baena等[27]研究发现，喷砂CFRP筋的粘结强度高于螺纹CFRP筋，粘合强度很大程度上取决于筋材表面处理提供的摩擦阻力；对于螺纹FRP筋，由于混凝土楔入效应的影响，肋间距和肋宽也影响其粘结强度。Aiello等[29]发现当FRP筋具有变形表面时，机械咬合力的贡献对于提高粘结强度非常有效，当其大部分凸起损坏，达到粘结应力峰值后，粘结强度仍高于喷砂FRP筋。此外，随着表面形貌的改变，滑移值也会发生变化，螺纹筋的粘结滑移低于喷砂和绕肋筋。Hao等[30]提出最佳肋间距等于筋材直径，最佳肋高度为筋材直径的6%，最佳相对肋面积(肋的承载面积与剪切面积的比值)为0.06。Solyom等[31]指出，砂的类型、质量和数量对喷砂FRP筋的粘结强度影响显著。螺纹FRP筋的粘结滑移曲线显示出高粘结刚度、高粘结强度值和峰值后塑性行为。
另一方面，大量研究表明，混凝土强度等级对FRP筋与混凝土粘结强度影响较大。Okelo等[35]提出了FRP筋与混凝土间平均粘结强度和混凝土抗压强度(29~60 MPa)的0.5次方成正比。Lee等[34]的研究结果表明，GFRP筋与混凝土间粘结强度和混凝土抗压强度的0.3次方成比例。张望喜等[38]基于收集到的342个试验数据，发现粘结强度和混凝土立方体抗压强度的0.75次方成正比。Yan等[33]提出FRP筋与混凝土间粘结强度随着混凝土抗压强度的增加而提高，且与混凝土抗压强度的0.5次方具有一定的比例关系，但在混凝土强度超过55 MPa之后，粘结强度与混凝土强度的比值随着抗压强度的增加开始降低。但在Baena等[27]的研究结果中，对于抗压强度大于30 MPa的混凝土，粘结破坏发生在FRP筋表面，此时FRP筋与混凝土间粘结强度不受混凝土强度影响，而取决于FRP筋的特性。Achillides等[25]也在研究中得出了相似的结论：对于抗压强度大于30 MPa的混凝土，FRP筋与混凝土间粘结强度与混凝土强度值的关系较小；而对于抗压强度为15 MPa的混凝土，粘结破坏发生在混凝土基体内，FRP筋与混凝土间的粘结行为与混凝土强度直接相关。
从已有的研究可以发现，目前关于筋材表面形貌和FRP筋与混凝土粘结强度的关系，尚未得出统一结论，同时，各学者对于混凝土抗压强度对FRP筋与混凝土粘结性能的影响也存在不同观点。已有研究尚未系统地考虑到筋材表面形貌和混凝土强度两种因素的共同影响，并且对于硫铝酸盐混凝土与FRP筋粘结的研究还未见公开报道，极大地限制了FRP筋增强硫铝酸盐水泥混凝土结构在土木工程领域的应用与发展。因此，有必要通过更深入的研究，分析不同混凝土强度等级和不同筋材表面形貌对FRP筋与硫铝酸盐混凝土间粘结强度和破坏模式的影响。
本文通过对18组(54个)BFRP筋-硫铝酸盐混凝土界面粘结试件及12组(36个)BFRP筋-普通混凝土界面粘结试件进行中心拉拔试验，比较BFRP筋与两种混凝土粘结性能的差异，并分析不同BFRP筋表面形貌及混凝土强度等级对粘结性能的影响。同时，采用现有模型对FRP筋-混凝土界面粘结滑移试验曲线进行拟合，分析滑移值和滑移模式的变化规律，以期对FRP筋和硫铝酸盐混凝土的粘结特性研究提供理论指导，推进FRP筋增强硫铝酸盐水泥混凝土结构的应用和发展。
1. 试验设计
1.1 原材料
硫铝酸盐混凝土(SAC)原材料包括低碱度硫铝酸盐水泥(标号为L.SAC 42.5级)、河砂、水、碎石(通过粒径10~20 mm、粒径5~10 mm两种碎石级配)、聚羧酸高性能减水剂(减水率27%)，普通混凝土(OPC)则使用普通硅酸盐水泥(标号为P.O 42.5级)。其中，硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的化学成分及烧失量测试结果见表1。通过调整水灰比及减水剂的用量来制备不同强度等级的硫铝酸盐混凝土和普通混凝土，5组混凝土的配合比见表2，混凝土试件在标准养护条件下(20℃，95%RH)进行养护。混凝土立方体试验根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[39]进行。每种设计配合比浇筑18个混凝土立方体试件，分别测试其3、7、28、56天抗压强度及拉拔试验当天的抗压强度和劈裂抗拉强度，测试结果如表3所示。此外，本文测得硫铝酸盐水泥混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土的pH值分别为9.84和12.17。
表 1 X射线荧光光谱分析（XRF）测得的普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥化学成分及烧失量Table 1. Chemical composition of ordinary portland cement and sulphoaluminate cement by X-ray fluorescence (XRF) and loss on ignitionwt% Type Chemical composition LOI SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O SO3 TiO2 MgO Na2O P2O5 BaO MnO LSAC 42.5 7.84 17.80 2.22 50.87 0.87 16.23 0.91 2.13 0.28 0.06 − 0.06 3.22 PO 42.5 17.29 4.82 3.91 65.34 1.16 3.19 0.35 3.26 0.17 0.05 0.04 0.08 3.41 Notes: LSAC—Low alkalinity sulphoaluminate cement; PO—Portland cement.Ordinary; 42.5—Cement quantity class; LOI—Loss on ignition. 表 2 混凝土配合比Table 2. Mix proportion of concretekg/m3 Concrete type Cement River sand Gravel
(10-20 mm)Gravel
(5-10 mm)Water Superplasticizer SAC(C30) 386 617 810 347 239 − SAC(C50) 397 635 833 357 179 − SAC(C65) 404 647 849 364 129 8.1 OPC(C30) 386 617 810 347 239 − OPC(C65) 404 647 849 364 129 8.1 Notes: SAC—Low alkalinity sulphoaluminate cement concrete; OPC—Ordinary Portland cement concrete; C30—Compressive strength of concrete is 30 MPa. 表 3 混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度Table 3. Compressive strength and splitting tensile strength of concreteConcrete type Compressive strength with curing time/MPa Mechanical properties on the day of pullout test (Curing for 34 days) 3 days 7 days 28 days 56 days Compressive strength/MPa Splitting tensile strength/MPa SAC(C30) 24.2 27.7 32.2 34.1 33.7 2.42 SAC(C50) 37.4 45.2 51.3 51.7 53.3 3.71 SAC(C65) 54.8 57.1 65.0 65.4 66.5 4.00 OPC(C30) 21.1 27.5 35.3 40.7 37.0 2.61 OPC(C65) 54.7 57.2 69.3 72.1 71.2 4.25 6种BFRP筋均购自江苏绿材谷新材料科技发展有限公司，均由玄武岩纤维与热固性树脂通过拉挤成型工艺制备而成，生产直径为6 mm。其中，5种筋的树脂基体为环氧树脂(Epoxy resin)，按表面形貌分为浅螺纹(Shallow ribbed)、喷砂(Sand coated)、深螺纹(Deep ribbed)、绕肋(Helical wrapping with fiber)和光滑(Smooth surface)，第6种BFRP筋树脂基体为乙烯基酯树脂(Vinyl ester resin)，表面形貌为深螺纹(Deep ribbed)。将6种BFRP筋依次简写为SR/E、SC/E、DR/E、HW/E、SS/E和DR/V。各种BFRP筋的几何特性和力学性能分别列于表4和表5，其形貌特征如图1所示。其中筋材平均直径和密度通过排水法测得，具体过程可参照GB/T 1463—2005《纤维增强塑料密度和相对密度试验方法》[40]进行。
表 4 玄武岩纤维增强聚合物复合材料(BFRP)筋几何特性Table 4. Geometric properties of basalt fiber reinforced polymer (BFRP) barsBFRP bar type Outside diameter
do/mmMean diameter
db/mmDensity/
(g·mm−3)Fiber mass
fraction/wt%Fiber volume fraction/vol% Rib height
rh/mmRib width
rr/mmRib spacing
rs/mmRib angle
α/(°)SR/E 6.20 6.08 2.22 87.69 70.23 0.14 3.29 7.17 23 SC/E 7.25 6.61 2.21 82.23 70.00 − − − − DR/E 6.52 6.21 2.07 85.21 60.33 0.31 4.37 8.03 25 HW/E 7.60 6.51 2.13 80.39 64.46 0.71 2.78 7.04 27 SS/E 5.86 5.83 2.30 87.60 76.20 − − − − DR/V 6.85 6.55 2.10 87.92 65.75 0.29 4.21 6.87 20 Notes: SR/E—Shallow ribbed/epoxy resin; SC/E—Sand coated/epoxy resin; DR/E—Deep ribbed/epoxy resin; HW/E—Helical wrapping with fiber/epoxy resin; SS/E—Smooth surface/epoxy resin; DR/V—Deep ribbed/vinyl ester resin. 表 5 BFRP筋拉伸性能测试结果Table 5. Tensile properties results of BFRP barsBFRP bar type Mean diameter
/mmUltimate tensile strength/MPa Elastic modulus/GPa Elongation at break/% SR/E 6.08 1475.0±53.6 63.9±3.7 2.17±0.15 SC/E 6.60 1173.3±59.0 46.5±1.1 2.13±0.17 DR/E 6.21 1526.6±60.2 59.3±1.2 2.57±0.08 HW/E 6.51 1193.3±51.1 50.9±2.9 2.29±0.18 SS/E 5.83 1574.0±131.7 63.9±1.9 2.10±0.10 DR/V 6.55 1270.7±39.1 49.7±2.0 2.38±0.08 1.2 试件制备及测试过程
共制作BFRP筋与混凝土粘结测试的中心拉拔试件90个，试件制作参照美国规范ACI-440.3 R-2012[41]进行，粘结长度统一取5倍筋材直径(lb=5d)。其中，FRP筋非粘结部分用PVC管和胶带包裹，以避免混凝土在非粘结段接触FRP筋，粘结试件采用150 mm×150 mm×150 mm钢模具分层浇筑成型(图2(a))。试件浇筑后覆盖保鲜膜以防止水分流失，在室温下养护24 h后，将试件脱模、标记并转移到20℃、95%RH的标准养护室中养护至28天。同时，各批粘结试件配以150 mm×150 mm×150 mm立方体混凝土试件以研究其抗压强度和劈裂抗拉强度，并且，额外的混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度测试在拉拔测试当天进行。所有中心拉拔试件设计方案和具体设计参数汇总于表6。
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图 2 BFRP筋/混凝土拉拔试件制作及尺寸Figure 2. Fabrication and size of BFRP bar/concrete pullout specimen表 6 所有BFRP筋/混凝土中心拉拔试件具体设计参数汇总Table 6. Summary of design parameters of all BFRP bar/concrete pullout specimensSpecimen code Concrete type Strength grade of concrete Mean diameter db/mm Bond length lb/mm Number of test specimen SR/E/SAC(C30) SAC C30 6.08 30 3 SC/E/SAC(C30) 6.60 30 3 DR/E/SAC(C30) 6.21 30 3 HW/E/SAC(C30) 6.51 30 3 SS/E/SAC(C30) 5.83 30 3 DR/V/SAC(C30) 6.55 30 3 SR/E/SAC(C50) SAC C50 6.08 30 3 SC/E/SAC(C50) 6.60 30 3 DR/E/SAC(C50) 6.21 30 3 HW/E/SAC(C50) 6.51 30 3 SS/E/SAC(C50) 5.83 30 3 DR/V/SAC(C50) 6.55 30 3 SR/E/SAC(C65) SAC C65 6.08 30 3 SC/E/SAC(C65) 6.60 30 3 DR/E/SAC(C65) 6.21 30 3 HW/E/SAC(C65) 6.51 30 3 SS/E/SAC(C65) 5.83 30 3 DR/V/SAC(C65) 6.55 30 3 SR/E/OPC(C30) OPC C30 6.08 30 3 SC/E/OPC(C30) 6.60 30 3 DR/E/OPC(C30) 6.21 30 3 HW/E/OPC(C30) 6.51 30 3 SS/E/OPC(C30) 5.83 30 3 DR/V/OPC(C30) 6.55 30 3 SR/E/OPC(C65) OPC C65 6.08 30 3 SC/E/OPC(C65) 6.60 30 3 DR/E/OPC(C65) 6.21 30 3 HW/E/OPC(C65) 6.51 30 3 SS/E/OPC(C65) 5.83 30 3 DR/V/OPC(C65) 6.55 30 3 中心拉拔测试参照规范ACI-440.3 R-2012[41]进行。测试前，如图2(b)和图2(c)对中心拉拔试件加载端的BFRP筋用钢管和树脂进行端部锚固。中心拉拔测试装置如图3所示，采用量程为600 kN的液压万能试验机(WEW-600 D，济南恒乐兴科仪器有限公司)进行测试，加载速率为1.0 mm/min，中心拉拔试件自由端和加载端的滑移各采用3个位移计(三者夹角呈120°)测量，位移计读数通过静态应变测试仪(DH3818 Y，江苏东华校准检测有限公司)采集。参照标准GB/T 50081—2019[39]，采用量程为3000 kN的数显压力试验机(YES-3000，北京路业科宇试验仪器有限公司)进行混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度试验。
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图 3 加载装置示意图Figure 3. Schematic diagram of setupLVDT—Linear variable differential transformer假定混凝土中BFRP筋的粘结强度沿粘结长度分布均匀，平均粘结强度为FRP筋单位表面积所承受的剪力。本文将最大粘结应力定义为BFRP筋与混凝土的界面粘结强度，其计算公式如下：
τm=Pπdblb (1) 其中：τm为BFRP筋与混凝土的界面粘结强度(MPa)；P为施加的拔出荷载(kN)；db为BFRP筋的实测平均直径(mm)；lb为BFRP筋的嵌入长度(mm)。
90个中心拉拔试件的粘结强度等结果如表7所示。
表 7 BFRP筋/混凝土拉拔试件试验结果汇总Table 7. Test results of BFRP bar/concrete pullout specimensSpecimen code Compressive strength of
concrete/MPaSplitting tensile strength of concrete/MPa Mean bond strength/MPa Standard deviation/MPa Free end
slip/mmStandard deviation/mm Loaded
end slip/
mmStandard deviation/mm Failure mode SR/E/SAC(C30) 33.7±0.55 2.42±0.23 16.09 1.23 1.40 0.45 1.78 0.76 P-1 SC/E/SAC(C30) 12.61 0.42 3.12 0.14 4.10 0.63 P-2 DR/E/SAC(C30) 26.38 1.30 2.20 0.56 2.90 0.39 P-1 HW/E/SAC(C30) 17.15 1.26 0.10 0.02 0.51 0.07 P-2 SS/E/SAC(C30) 6.24 0.21 0.77 0.11 0.99 0.09 P-1 DR/V/SAC(C30) 18.77 0.49 1.48 0.20 1.85 0.15 P-2 SR/E/SAC(C50) 53.3±0.92 3.71±0.35 19.80 0.76 2.01 0.67 2.50 0.75 P-1 SC/E/SAC(C50) 16.92 0.30 2.69 0.16 3.31 0.15 P-2 DR/E/SAC(C50) 34.58 1.46 2.16 0.63 3.55 1.17 P-1 HW/E/SAC(C50) 18.47 0.37 0.21 0.20 0.70 0.22 P-2 SS/E/SAC(C50) 7.71 0.69 0.88 0.02 1.14 0.13 P-1 DR/V/SAC(C50) 25.39 0.50 1.85 0.15 2.59 0.56 P-2 SR/E/SAC(C65) 66.5±1.92 3.99±0.26 25.58 0.52 1.49 0.47 1.88 0.70 P-1 SC/E/SAC(C65) 17.58 0.91 2.67 0.09 3.30 0.25 P-2 DR/E/SAC(C65) 39.09 1.04 1.88 0.70 2.53 0.81 P-1 HW/E/SAC(C65) 19.22 0.15 0.31 0.29 0.74 0.20 P-2 SS/E/SAC(C65) 13.32 0.27 0.63 0.18 0.88 0.15 P-1 DR/V/SAC(C65) 25.70 1.61 1.70 0.71 2.42 0.94 P-2 SR/E/OPC(C30) 37.0±1.25 2.61±0.26 14.87 1.15 1.02 0.62 1.47 0.75 P-1 SC/E/OPC(C30) 14.30 0.76 2.82 0.01 3.39 0.16 P-2 DR/E/OPC(C30) 27.08 0.61 2.28 0.25 2.86 0.34 P-1 HW/E/OPC(C30) 16.17 0.41 1.14 0.25 1.48 0.18 P-2 SS/E/OPC(C30) 4.60 0.25 0.69 0.12 0.93 0.15 P-1 DR/V/OPC(C30) 17.74 1.50 1.68 0.28 2.31 0.27 P-2 SR/E/OPC(C65) 71.2±0.56 4.25±0.49 16.95 2.01 1.60 0.07 1.72 0.07 P-1 SC/E/OPC(C65) 16.19 0.37 2.85 0.27 3.31 0.58 P-2 DR/E/OPC(C65) 37.42 1.50 2.04 0.36 3.17 0.74 R-3 HW/E/OPC(C65) 17.53 1.84 0.67 1.16 1.22 1.24 P-2 SS/E/OPC(C65) 7.96 1.15 0.80 0.18 1.31 0.61 P-1 DR/V/OPC(C65) 19.83 1.21 0.97 0.16 1.52 0.06 P-2 Notes: P-1—Pullout and surface scraping of BFRP bar; P-2—Pullout and interlaminar shear of BFRP bar; R-3—Rebar fracture. 2. 试验结果及讨论
2.1 混凝土抗压强度和劈裂强度
混凝土抗压强度随养护龄期的发展曲线如图4所示，且具体的数值结果列于表3。可以发现，本文采用的硫铝酸盐混凝土早期强度发展比普通混凝土更快，但后期强度增长慢于普通混凝土。养护3天时，硫铝酸盐混凝土的强度略高，但在28天时，其强度低于普通混凝土，在56天时两者差距更加明显。中心拉拔测试当天(34天龄期)时混凝土强度均较28天时略有提升。为方便表述，混凝土强度等级以C30、C50、C65标记。另外，相同强度等级条件下，硫铝酸盐混凝土劈裂抗拉强度低于普通混凝土。
2.2 BFRP筋/混凝土中心拉拔试件破坏模式
由于所用混凝土尺寸较大、FRP筋直径较小，在90个拉拔测试试验中，绝大部分粘结试件为筋材拔出破坏，仅有少量试件出现筋材拉断破坏。为了观察FRP筋与混凝土在界面处的实际的粘结破坏模式，对试验后的试件进行混凝土劈裂处理。如图5所示，本次试验的中心拉拔试件的筋材破坏模式有3种，分别为BFRP筋拔出和表面刮擦(P-1)、BFRP筋拔出和层间剪切(P-2)和加载端BFRP筋拉断(R-3)。表7总结了各组试件的破坏模式。
对于SR/E、SS/E和绝大部分DR/E粘结试件，其粘结破坏模式均为BFRP筋表面刮擦(P-1)，由图5可以发现，这3种筋材的树脂表面有刮擦的痕迹，底层纤维未受到严重影响。并且对于SR/E和DR/E，在筋材与混凝土的粘结段，可以清晰地看到筋材螺纹的痕迹，这表明当混凝土强度为30 MPa以上时，粘结破坏均发生在筋材上。
SC/E、HW/E和DR/V粘结试件的破坏模式为BFRP筋层间剪切破坏(P-2)，SC/E由于喷砂层整体与FRP筋脱粘而破坏，喷砂层连同树脂被全部剪切掉，在Solyom[31]的研究中也能观察到喷砂筋类似的破坏模式。这是由于本文使用的喷砂筋是在浅螺纹筋基础上制备而成，其内部筋材与喷砂层的粘结弱于砂层与混凝土之间的粘结。且粘结滑移试验中，由于剪切滞后效应，BFRP筋表层的拉伸应变大于内部，导致筋材和表层砂层分离。HW/E的破坏模式与SC/E类似，由于缠绕纤维与内部筋材的粘结较差，导致缠绕纤维断裂并完全从内部筋材上剥离，最终产生滑移，相似的绕肋FRP筋破坏现象可以在文献[31]中看到。从图5中可以发现，对于DR/V粘结试件，在粘结段仍有一层玄武岩纤维和树脂与混凝土紧密粘结，BFRP筋表面的树脂层连同部分纤维完全剥离，并可以明显观察到裸露的纤维。
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图 5 BFRP筋破坏模式(P-1—拔出和表面刮擦；P-2—拔出和层间剪切；R-3—筋材拉断)Figure 5. Failure mode of BFRP bars (P-1—Pullout and surface scraping of BFRP bar; P-2—Pullout and interlaminar shear of BFRP bar; R-3—Rebar fracture)当DR/E处在71.24 MPa普通混凝土中时，筋材在加载端的未粘结段端部逐渐剥离成片状，最后发生纤维断裂(R-3)，破坏时粘结滑移较小，并未达到实际粘结强度。主要原因是粘结应力沿粘结段分布不均匀，在拉拔试验过程中，峰值粘结应力从筋的加载端逐渐向自由端端移动，初始最大粘结应力发生在加载点附近[27]。在粘结段，混凝土给予筋材较大的握裹力，且加载初期，混凝土也已经对BFRP筋表面造成刮擦破坏，这导致在BFRP筋未粘结段端部上产生应力集中现象，因此中心拉拔试验时，筋材从此处断裂。对于SAC(C65)拉拔试件，由于硫铝酸盐混凝土的实际抗压强度比普通混凝土低约5 MPa，可提供的握裹力略小，并且考虑到粘结试件养护过程中硫铝酸盐混凝土由于碱性更低，其对筋材的腐蚀应明显小于普通混凝土对筋材的腐蚀，因此其未发生筋材断裂现象。
总体而言，各试件的破坏模式基本不受混凝土种类的影响，但随着混凝土强度的提高，筋材的破坏情况更加严重。
2.3 BFRP筋/混凝土中心拉拔试件粘结滑移曲线
选取每组粘结试件中的一个代表性试件绘制粘结-滑移(τ-s)曲线，如图6所示。所有粘结强度对应的滑移值汇总于图7，其中，试件加载端的滑移量均消除了由于筋材拉伸变形所产生的影响。从图7可以发现，SR/E、HW/E和SS/E试件的滑移值较小，对于HW/E试件，滑移值较小是由于缠绕纤维的断裂和剥离发生较早。SR/E和SS/E筋材的弹性模量较大，因此当达到极限粘结强度时，表现出更小的滑移，而其它BFRP筋滑移出现较晚。
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图 6 不同分组BFRP筋/混凝土拉拔试件的粘结-滑移(τ-s)曲线Figure 6. Bond-slip (τ-s) curves of different groups of BFRP bar/concrete pullout specimens![]()
图 7 BFRP筋/混凝土拉拔试件滑移值对比Figure 7. Comparison of slip values of BFRP bar/concrete pullout specimens由于本文所用SC/E筋是在SR/E筋基础上制备而成，且在发生粘结滑移破坏时，SC/E试件的破坏模式是内部浅螺纹筋与砂-树脂涂层剥离并相对滑移。因此，SC/E试件的粘结滑移曲线与SR/E具有相似趋势。对于DR/V试件，尽管其表面形貌与DR/E相似，但两者的粘结滑移曲线发展趋势差异较大。不同于DR/E试件的筋材表层树脂刮擦破坏，DR/V的破坏模式为筋材层间剪切破坏，筋材破坏更加严重，因此其粘结滑移曲线无明显的残余强度上升段，且其粘结破坏时的滑移也小于DR/E试件，滑移曲线更早出现下降，同时下降速度也更快。对于HW/E试件，初期观察到良好的粘结性能，粘结滑移曲线呈线性发展并具有较大斜率。由于缠绕纤维的断裂与脱粘，曲线达到峰值后突然下降。对于SS/E试件，荷载传递主要由摩擦力提供，随着筋材逐渐被拔出并损坏接触面，摩擦力减小，粘结滑移曲线下降。由于发生相对滑移时的荷载较低，加载端和自由端的滑移值差别较小，这与Al-Dulaijan等[42]研究中的光滑FRP筋试验现象相似。
可以发现，DR/E、SR/E和SC/E试件的粘结滑移曲线具有多个峰值。这是由于当FRP筋的损坏部分在拔出过程中离开粘结段时，自由端的未损坏部分进入粘结区域，此时FRP筋除遭受摩擦应力外，还承受因未受损筋材的楔入作用而产生的额外阻力[25]。第2个峰值是由BFRP筋未损坏部分的凸起肋进入混凝土所产生的，可以发现，两个峰值之间的滑移差近似等于FRP筋的肋间距[35]。不同表面形貌BFRP筋/混凝土拉拔试件的τ-s曲线如图8所示，混凝土强度和种类对粘结滑移曲线的发展趋势影响不明显，仅影响粘结强度的大小。
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图 8 不同表面形貌BFRP筋/混凝土拉拔试件的τ-s曲线Figure 8. τ-s curves of pullout specimens of BFRP bar/concrete with different surface morphologies3. BFRP筋与混凝土粘结强度影响因素
3.1 筋材表面形貌影响
不同表面形貌BFRP筋/混凝土拉拔试件的粘结强度如图9所示，不同表面形貌BFRP筋与硫铝酸盐混凝土和普通混凝土的粘结强度的变化趋势基本一致。其中，DR/E粘结强度最高，SS/E最低，而SC/E、HW/E和DR/V的粘结强度较SR/E无明显提升。DR/E筋材由于其与混凝土间较强的机械咬合作用，可达到较高的粘结强度，约为SC/E和HW/E的2倍。相似地，Aiello等[29]指出，深螺纹GFRP筋的粘结性能远高于喷砂筋，甚至高于喷砂和缠绕纤维共同处理的GFRP筋，而Okelo等[35]认为FRP筋表面粘砂能大幅度提高其粘结强度。上述两种不同结论主要与研究者所用筋材自身特性有关，制作工艺或材料的不同可能会导致砂层和内部筋的粘结性能存在较大的差异。SS/E试件基本无机械咬合作用，较低荷载时便达到其粘结强度，因此对光滑筋材表面进行喷砂、缠绕纤维和螺纹处理均能有效提高其粘结强度。
HW/E粘结试件破坏时，筋材上缠绕的纤维与粘结段混凝土间并未出现相对滑移，而是内部筋材与缠绕纤维之间产生滑移，不能较好地发挥机械咬合作用，HW/E的粘结强度更接近于SC/E。SR/E筋材由于其肋深较浅，肋宽较小，其粘结强度明显低于DR/E试件。本文参照ASTM D4475-02(2008)[43]进行短梁剪切试验，测得DR/E的层间剪切强度为51.72 MPa，远高于DR/V的22.06 MPa。因此，DR/V筋材层间剪切性能较差，即使肋深较大，其粘结强度仅略微高于浅螺纹BFRP筋，明显低于DR/E筋。
可以发现，深螺纹表面处理对BFRP筋与混凝土间粘结强度提升最为明显，而受生产工艺等因素的影响，表面喷砂或者缠绕纤维对粘结强度的影响不如预期。此外深螺纹乙烯基酯树脂BFRP筋因自身层间剪切性能较差，导致其与混凝土间粘结性能低于深螺纹环氧树脂BFRP筋。
3.2 混凝土种类及强度影响
如图9所示，对BFRP筋-普通混凝土试件，当混凝土强度从36.99 MPa提高到71.24 MPa，SS/E的粘结强度提高了73.1%，DR/E提高了38.2%，其他4种筋的粘结强度随混凝土抗压强度的增长不明显，增长率在8.4%~14.0%。
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图 9 不同表面形貌BFRP筋/混凝土拉拔试件的粘结强度Figure 9. Bond strength of pullout specimens of BFRP bar/concrete with different surface morphologies对BFRP筋-硫铝酸盐混凝土试件，混凝土强度对筋材粘结强度的影响更加明显，当混凝土强度提升到53.31 MPa时，除了HW/E，其他筋材粘结强度均提高20%以上。而当混凝土强度达到66.54 MPa时，筋材粘结强度均比33.72 MPa时有显著的提升。对于SC/E、HW/E、DR/V试件，混凝土抗压强度从53.31 MPa提高到66.54 MPa时，粘结强度增加微弱。这是由于这3种表面形貌BFRP筋的破坏发生在筋材内部，包括SC/E的砂层剥离，HW/E的缠绕纤维剥离和DR/V的层间剪切。在这种情况下，化学胶着力和机械咬合力几乎不起作用，荷载通过摩擦力传递并且很大程度上取决于混凝土对筋材的横向压力[27]，提高混凝土强度增加了混凝土对筋材的握裹力，从而增加了摩擦阻力，但是由于筋材自身破坏导致摩擦阻力不能较好地传递到筋材内部，因此对其粘结强度影响较小。通过与光滑BFRP筋比较可以发现，光滑筋的粘结强度仅依赖于化学胶着力和摩擦力，而由于其破坏发生在筋材表面，因此摩擦力直接作用于筋材和混凝土的粘结界面，因此，混凝土强度对粘结强度的影响较显著。
此外，通过图10可以发现，在混凝土强度65 MPa左右时，硫铝酸盐混凝土与各种BFRP筋的粘结强度均高于普通混凝土，在30 MPa左右时，尽管普通混凝土抗压强度略高，两种混凝土与BFRP筋的粘结强度相差不大，这说明硫铝酸盐混凝土与BFRP筋的粘结性能更好，这可能是由于硫铝酸盐混凝土和筋材之间的化学胶着作用更有优势及硫铝酸盐混凝土由于较普通混凝土碱性更低而对BFRP筋产生了相对保护作用。
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图 10 混凝土种类对BFRP筋/混凝土拉拔试件粘结强度的影响Figure 10. Effect of concrete types on bond strength of BFRP bar/concrete pullout specimens然而，对于混凝土强度如何影响FRP筋-混凝土的粘结强度，目前还没有统一结论。Baena等[27]和Achillides等[25]认为在混凝土强度高于30 MPa时，混凝土强度的影响较小。Okelo等[35]、Lee等[34]、张望喜等[38]、 Yan等[33]均认为粘结强度与混凝土强度的N次方成正比。如图11所示，本文对不同强度硫铝酸盐混凝土中试件的粘结强度进行拟合，假设粘结强度公式如下：
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图 11 混凝土强度与BFRP筋/低碱度硫铝酸盐水泥混凝土拉拔试件粘结强度的关系Figure 11. Relationship between concrete strength and bond strength of BFRP bar/low alkalinity sulphoaluminate cement concrete pullout specimensτm—Interfacial bond strength of BFRP bars and concrete; fcu—Cube compressive strength corresponding to the bond specimen; R2—Coefficient of determinationτm=α0fβ0cu (2) 其中：fcu为与粘结试件对应的立方体抗压强度(MPa)；α0、β0均为未知参数。
将拟合结果列于表8，发现，随着筋材表面形貌的不同，β0值也发生变化，对于SR/E和DR/E这类破坏仅发生在筋材表面，且存在一定机械咬合力的筋材，粘结强度分别与混凝土强度的0.69和0.58次方成正比，对于SS/E试件，β0值约为1.27，而对于SC/E、HW/E、DR/V这类破坏发生在筋材内部的试件，混凝土强度在高于53.31 MPa时，对粘结强度影响较小。
表 8 混凝土强度对不同形貌BFRP筋/低碱度硫铝酸盐水泥混凝土拉拔试件的粘结强度影响的拟合结果Table 8. Fitting results of influence of concrete strength on bond strength of BFRP bars with different morphologies/low alkalinity sulphoaluminate cement concrete pull-out specimensFitting parameter α0 β0 R2 SR/E 1.343 0.694 0.93170 SC/E 2.298 0.491 0.94127 DR/E 3.456 0.578 0.99972 HW/E 9.506 0.167 0.99930 SS/E 0.060 1.271 0.83587 DR/V 3.745 0.467 0.89781 4. BFRP筋/混凝土中心拉拔试件粘结滑移曲线的模型分析
为了准确地分析FRP筋增强混凝土结构的性能，需要建立完善的FRP筋和混凝土粘结滑移模型。一些经典的τ-s模型(包括Malvar模型、Bertero-Popov-Eligehausen(BPE)模型、Cosenza-Manfredi-Realfonzo(CMR)模型和修正后的BPE(mBPE)模型)被提出。Malvar模型[44]是针对不同表面形貌GFRP筋提出的涉及摩擦和机械咬合的粘结滑移模型。Cosenza等[45]提出了考虑FRP筋表面形貌和纤维类型影响的CMR模型，同时，Cosenza还通过将BPE模型的水平分支移除，提出了mBPE模型。其中，CMR模型和mBPE模型[45]由于模型简洁，与试验得到的τ-s曲线吻合较好而应用更广泛。CMR模型可以精确拟合τ-s曲线的上升段，公式如下：
τ(s)=τm(1−e−ssr)β,s⩽ (3) 而mBPE模型则由τ-s曲线峰值前的上升段和峰值后的下降段组成，公式为
\tau (s) = {\tau _{\text{m}}} {\left( {\frac{s}{{{s_{\text{m}}}}}} \right)^\alpha },s \leqslant {s_{\text{m}}} \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad(4{\rm{a}}) \tau (s) = {\tau _{\text{m}}} \left( {1 + p - p\frac{s}{{{s_{\text{m}}}}}} \right),s > {s_{\text{m}}} \qquad\qquad\qquad\qquad (4{\rm{b}}) 其中：τm为界面粘结强度(MPa)；s为试件粘结滑移值(mm)；sm为粘结强度对应的滑移值(mm)；sr、β、α、p均为未知参数。
从每组中心拉拔试件中选取一个具有代表性的试件，分别用CMR和mBPE模型对试件的τ-s曲线进行拟合，结果如图12所示，拟合得到的各参数和决定系数R2见表9。
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图 12 BFRP筋/混凝土拉拔试件的τ-s试验与拟合曲线结果对比Figure 12. Comparison of τ-s test and fitting curve results of BFRP bar/concrete pull-out specimensCMR—Cosenza-Manfredi-Realfonzo; mBPE—modified Bertero-Popov-Eligehausen表 9 BFRP筋/混凝土拉拔试件的τ-s曲线拟合结果Table 9. τ-s curve fitting results of BFRP bar/concrete pull-out specimensSpecimen code CMR model mBPE model τm/MPa sm/mm sr β R2 τm
/MPasm/mm α p R2 SR/E/SAC(C30) 15.71 1.182 0.489 0.175 0.780 15.71 1.182 0.135 0.155 0.853 SC/E/SAC(C30) 12.45 3.270 4.079 0.199 0.897 12.45 3.270 0.234 0.571 0.913 DR/E/SAC(C30) 27.25 2.808 0.938 0.433 0.993 27.25 2.808 0.271 0.380 0.959 HW/E/SAC(C30) 18.04 0.078 0.033 0.408 0.964 18.04 0.078 0.292 0.005 0.947 SS/E/SAC(C30) 6.19 0.823 0.006 0.530 0.827 6.19 0.823 0.103 0.164 0.753 DR/V/SAC(C30) 18.87 1.562 0.517 0.500 0.998 18.87 1.562 0.310 0.274 0.973 SR/E/SAC(C50) 19.63 1.989 0.397 0.333 0.991 19.63 1.989 0.199 0.109 0.941 SC/E/SAC(C50) 16.95 2.845 2.918 0.230 0.787 16.95 2.845 0.269 0.377 0.830 DR/E/SAC(C50) 34.12 1.517 0.562 0.401 0.992 34.12 1.517 0.269 0.117 0.976 HW/E/SAC(C50) 17.97 0.432 0.034 0.569 0.979 17.97 0.432 0.198 0.021 0.890 SS/E/SAC(C50) 7.94 0.904 1.174 0.073 0.609 7.94 0.904 0.078 0.039 0.525 DR/V/SAC(C50) 25.02 1.871 0.738 0.498 0.992 25.02 1.871 0.330 0.188 0.810 SR/E/SAC(C65) 25.70 2.016 0.658 0.262 0.960 25.70 2.016 0.179 0.137 0.955 SC/E/SAC(C65) 18.50 2.577 3.344 0.181 0.919 18.50 2.577 0.211 0.234 0.932 DR/E/SAC(C65) 39.60 1.071 0.347 0.463 0.996 39.60 1.071 0.296 0.067 0.965 HW/E/SAC(C65) 19.21 0.213 0.012 0.745 0.991 19.21 0.213 0.216 0.011 0.654 SS/E/SAC(C65) 13.22 0.622 0.060 0.278 0.862 13.22 0.622 0.152 0.044 0.720 DR/V/SAC(C65) 27.71 2.342 1.031 0.372 0.983 27.71 2.342 0.268 0.346 0.912 SR/E/OPC(C30) 16.48 0.938 0.373 0.378 0.980 16.48 0.938 0.262 0.049 0.982 SC/E/OPC(C30) 14.48 2.812 3.603 0.182 0.944 14.48 2.812 0.205 0.284 0.945 DR/E/OPC(C30) 26.46 2.072 0.562 0.527 0.999 26.46 2.072 0.296 0.253 0.947 HW/E/OPC(C30) 15.59 1.082 0.015 3.343 0.969 15.59 1.082 0.219 0.028 0.803 SS/E/OPC(C30) 4.95 0.807 0.981 0.093 0.765 4.95 0.807 0.102 0.058 0.466 DR/V/OPC(C30) 15.72 2.003 0.488 0.535 0.999 15.72 2.003 0.284 0.286 0.947 SR/E/OPC(C65) 18.35 1.655 0.160 0.769 0.995 18.35 1.655 0.213 0.144 0.871 SC/E/OPC(C65) 16.47 2.996 3.160 0.224 0.937 16.47 2.996 0.250 0.246 0.954 DR/E/OPC(C65) 37.88 1.645 0.635 0.434 0.995 37.88 1.645 0.294 6.683 0.954 HW/E/OPC(C65) 15.00 0.373 0.022 0.651 0.958 15.00 0.373 0.201 0.017 0.848 SS/E/OPC(C65) 9.14 0.807 0.168 0.273 0.892 9.14 0.807 0.176 0.144 0.883 DR/V/OPC(C65) 19.97 1.024 0.480 0.446 0.987 19.97 1.024 0.329 0.045 0.974 Notes: s—Specimen bond slip value; sm—Bond strength corresponding slip value; sr, β, α, p—Unknown parameters. 结果表明，由于CMR模型仅拟合上升段，其决定系数普遍大于mBPE模型，拟合曲线也与τ-s曲线更加接近。此外，还可以观察到，对于SS/E粘结滑移曲线的拟合，两个模型均存在较大偏差，这可能与其缺少明显的机械咬合力有关。从表9还可以看出，粘结行为由于表面形貌不同而差异较大，这不仅影响了粘结强度，还影响了模型参数，其中SC/E的参数sr值最大，HW/E的sr值最小，不同表面形貌的参数值表现出明显差异。对于mBPE模型，由于本研究中不同表面形貌筋材的破坏模式不同，曲线下降段并非简单的线性下降，其发展趋势也不完全一致，并且有一定波动，因此mBPE模型的拟合效果略差。SS/E的α值最小，而其他表面形貌的α值较接近；对于参数p，HW/E的最小值仅为0.005，明显小于其他表面形貌的筋材。Yan[33]的研究结果也表明，FRP筋表面处理和直径对CMR和mBPE模型参数的影响较大。此外，在本文中，混凝土种类对模型参数的影响较小，同样地，混凝土强度对模型参数的影响也不显著。总体来说，对于BFRP筋-硫铝酸盐混凝土粘结滑移曲线的上升段，两个模型的拟合均较理想；而对于下降段，如果τ-s曲线呈现不同的发展趋势，产生不规则波动时，mBPE模型的拟合效果略差。以上结果为进行BFRP筋-硫铝酸盐混凝土粘结性能的后续研究提供了参考。
5. 结 论
通过对玄武岩纤维增强聚合物复合材料(BFRP)筋-混凝土粘结试件进行中心拉拔试验，研究其破坏模式、粘结滑移曲线、滑移值和粘结强度，分析了筋材表面形貌和混凝土强度等级及混凝土种类对粘结行为的影响。并且通过Cosenza-Manfredi-Realfonzo(CMR)模型和modified Bertero-Popov-Eligehausen(mBPE)模型对τ-s曲线进行拟合分析，得到结论如下：
(1) 当低碱硫铝酸盐水泥混凝土抗压强度大于30 MPa时，粘结破坏均发生在BFRP筋上。其中，由于BFRP筋表面喷砂、螺旋缠绕纤维的工艺问题及乙烯基酯树脂与纤维的粘结较差等原因，粘结破坏可能会发生在喷砂环氧树脂(SC/E)、螺旋缠绕纤维环氧树脂(HW/E)、深螺纹乙烯基酯树脂(DR/V)BFRP筋材内部，导致其与混凝土间粘结强度偏低；
(2) 不同表面形貌BFRP筋的τ-s曲线存在一定差异。对于上升段，表面形貌的不同并未对其造成明显的影响；对于下降段，深螺纹环氧树脂(DR/E)、浅螺纹环氧树脂(SR/E)和SC/E筋材的粘结滑移曲线呈波浪式下降趋势，会产生多个峰值。而HW/E和DR/V筋由于其破坏模式为筋材层间剪切破坏，其τ-s曲线的下降段和光滑环氧树脂(SS/E)筋材一样产生不规则波动，无明显的波浪式起伏；
(3) BFRP筋的表面形貌是影响BFRP筋与硫铝酸盐混凝土间粘结强度的重要因素。与光滑BFRP筋相比，喷砂、绕肋或螺纹处理均能有效提高BFRP筋的粘结强度。其中，深螺纹由于其优异的机械咬合力可提供最高的粘结强度，而DR/V筋与硫铝酸盐混凝土的粘结强度低于DR/E筋；
(4) 提高混凝土强度等级可以有效增加BFRP筋与硫铝酸盐混凝土之间的粘结强度，且增加效果明显优于BFRP筋与普通硅酸盐混凝土。混凝土强度在33.72~66.54 MPa时，BFRP筋与硫铝酸盐混凝土之间的粘结强度与混凝土强度等级的β次方呈比例关系，HW/E和SS/E的β值分别为0.167和1.271，而SR/E、SC/E、DR/E、DR/V的β值为0.5左右。且硫铝酸盐混凝土与BFRP筋的粘结效果优于普通硅酸盐水泥混凝土；
(5) 相比mBPE模型，CMR模型能够更好地拟合BFRP筋与硫铝酸盐混凝土粘结滑移曲线的上升段，当τ-s曲线下降段出现不规则波动时，mBPE模型的拟合效果略差。
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图 2 BFRP筋/混凝土拉拔试件制作及尺寸
Figure 2. Fabrication and size of BFRP bar/concrete pullout specimen
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图 3 加载装置示意图
Figure 3. Schematic diagram of setup
LVDT—Linear variable differential transformer
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图 5 BFRP筋破坏模式(P-1—拔出和表面刮擦；P-2—拔出和层间剪切；R-3—筋材拉断)
Figure 5. Failure mode of BFRP bars (P-1—Pullout and surface scraping of BFRP bar; P-2—Pullout and interlaminar shear of BFRP bar; R-3—Rebar fracture)
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图 6 不同分组BFRP筋/混凝土拉拔试件的粘结-滑移(τ-s)曲线
Figure 6. Bond-slip (τ-s) curves of different groups of BFRP bar/concrete pullout specimens
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图 7 BFRP筋/混凝土拉拔试件滑移值对比
Figure 7. Comparison of slip values of BFRP bar/concrete pullout specimens
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图 8 不同表面形貌BFRP筋/混凝土拉拔试件的τ-s曲线
Figure 8. τ-s curves of pullout specimens of BFRP bar/concrete with different surface morphologies
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图 9 不同表面形貌BFRP筋/混凝土拉拔试件的粘结强度
Figure 9. Bond strength of pullout specimens of BFRP bar/concrete with different surface morphologies
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图 10 混凝土种类对BFRP筋/混凝土拉拔试件粘结强度的影响
Figure 10. Effect of concrete types on bond strength of BFRP bar/concrete pullout specimens
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图 11 混凝土强度与BFRP筋/低碱度硫铝酸盐水泥混凝土拉拔试件粘结强度的关系
Figure 11. Relationship between concrete strength and bond strength of BFRP bar/low alkalinity sulphoaluminate cement concrete pullout specimens
τm—Interfacial bond strength of BFRP bars and concrete; fcu—Cube compressive strength corresponding to the bond specimen; R2—Coefficient of determination
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图 12 BFRP筋/混凝土拉拔试件的τ-s试验与拟合曲线结果对比
Figure 12. Comparison of τ-s test and fitting curve results of BFRP bar/concrete pull-out specimens
CMR—Cosenza-Manfredi-Realfonzo; mBPE—modified Bertero-Popov-Eligehausen
表 1 X射线荧光光谱分析（XRF）测得的普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥化学成分及烧失量
Table 1 Chemical composition of ordinary portland cement and sulphoaluminate cement by X-ray fluorescence (XRF) and loss on ignition
wt% Type Chemical composition LOI SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O SO3 TiO2 MgO Na2O P2O5 BaO MnO LSAC 42.5 7.84 17.80 2.22 50.87 0.87 16.23 0.91 2.13 0.28 0.06 − 0.06 3.22 PO 42.5 17.29 4.82 3.91 65.34 1.16 3.19 0.35 3.26 0.17 0.05 0.04 0.08 3.41 Notes: LSAC—Low alkalinity sulphoaluminate cement; PO—Portland cement.Ordinary; 42.5—Cement quantity class; LOI—Loss on ignition. 
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表 2 混凝土配合比
Table 2 Mix proportion of concrete
kg/m3 Concrete type Cement River sand Gravel
(10-20 mm)Gravel
(5-10 mm)Water Superplasticizer SAC(C30) 386 617 810 347 239 − SAC(C50) 397 635 833 357 179 − SAC(C65) 404 647 849 364 129 8.1 OPC(C30) 386 617 810 347 239 − OPC(C65) 404 647 849 364 129 8.1 Notes: SAC—Low alkalinity sulphoaluminate cement concrete; OPC—Ordinary Portland cement concrete; C30—Compressive strength of concrete is 30 MPa.
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表 3 混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度
Table 3 Compressive strength and splitting tensile strength of concrete
Concrete type Compressive strength with curing time/MPa Mechanical properties on the day of pullout test (Curing for 34 days) 3 days 7 days 28 days 56 days Compressive strength/MPa Splitting tensile strength/MPa SAC(C30) 24.2 27.7 32.2 34.1 33.7 2.42 SAC(C50) 37.4 45.2 51.3 51.7 53.3 3.71 SAC(C65) 54.8 57.1 65.0 65.4 66.5 4.00 OPC(C30) 21.1 27.5 35.3 40.7 37.0 2.61 OPC(C65) 54.7 57.2 69.3 72.1 71.2 4.25
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表 4 玄武岩纤维增强聚合物复合材料(BFRP)筋几何特性
Table 4 Geometric properties of basalt fiber reinforced polymer (BFRP) bars
BFRP bar type Outside diameter
do/mmMean diameter
db/mmDensity/
(g·mm−3)Fiber mass
fraction/wt%Fiber volume fraction/vol% Rib height
rh/mmRib width
rr/mmRib spacing
rs/mmRib angle
α/(°)SR/E 6.20 6.08 2.22 87.69 70.23 0.14 3.29 7.17 23 SC/E 7.25 6.61 2.21 82.23 70.00 − − − − DR/E 6.52 6.21 2.07 85.21 60.33 0.31 4.37 8.03 25 HW/E 7.60 6.51 2.13 80.39 64.46 0.71 2.78 7.04 27 SS/E 5.86 5.83 2.30 87.60 76.20 − − − − DR/V 6.85 6.55 2.10 87.92 65.75 0.29 4.21 6.87 20 Notes: SR/E—Shallow ribbed/epoxy resin; SC/E—Sand coated/epoxy resin; DR/E—Deep ribbed/epoxy resin; HW/E—Helical wrapping with fiber/epoxy resin; SS/E—Smooth surface/epoxy resin; DR/V—Deep ribbed/vinyl ester resin.
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表 5 BFRP筋拉伸性能测试结果
Table 5 Tensile properties results of BFRP bars
BFRP bar type Mean diameter
/mmUltimate tensile strength/MPa Elastic modulus/GPa Elongation at break/% SR/E 6.08 1475.0±53.6 63.9±3.7 2.17±0.15 SC/E 6.60 1173.3±59.0 46.5±1.1 2.13±0.17 DR/E 6.21 1526.6±60.2 59.3±1.2 2.57±0.08 HW/E 6.51 1193.3±51.1 50.9±2.9 2.29±0.18 SS/E 5.83 1574.0±131.7 63.9±1.9 2.10±0.10 DR/V 6.55 1270.7±39.1 49.7±2.0 2.38±0.08
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表 6 所有BFRP筋/混凝土中心拉拔试件具体设计参数汇总
Table 6 Summary of design parameters of all BFRP bar/concrete pullout specimens
Specimen code Concrete type Strength grade of concrete Mean diameter db/mm Bond length lb/mm Number of test specimen SR/E/SAC(C30) SAC C30 6.08 30 3 SC/E/SAC(C30) 6.60 30 3 DR/E/SAC(C30) 6.21 30 3 HW/E/SAC(C30) 6.51 30 3 SS/E/SAC(C30) 5.83 30 3 DR/V/SAC(C30) 6.55 30 3 SR/E/SAC(C50) SAC C50 6.08 30 3 SC/E/SAC(C50) 6.60 30 3 DR/E/SAC(C50) 6.21 30 3 HW/E/SAC(C50) 6.51 30 3 SS/E/SAC(C50) 5.83 30 3 DR/V/SAC(C50) 6.55 30 3 SR/E/SAC(C65) SAC C65 6.08 30 3 SC/E/SAC(C65) 6.60 30 3 DR/E/SAC(C65) 6.21 30 3 HW/E/SAC(C65) 6.51 30 3 SS/E/SAC(C65) 5.83 30 3 DR/V/SAC(C65) 6.55 30 3 SR/E/OPC(C30) OPC C30 6.08 30 3 SC/E/OPC(C30) 6.60 30 3 DR/E/OPC(C30) 6.21 30 3 HW/E/OPC(C30) 6.51 30 3 SS/E/OPC(C30) 5.83 30 3 DR/V/OPC(C30) 6.55 30 3 SR/E/OPC(C65) OPC C65 6.08 30 3 SC/E/OPC(C65) 6.60 30 3 DR/E/OPC(C65) 6.21 30 3 HW/E/OPC(C65) 6.51 30 3 SS/E/OPC(C65) 5.83 30 3 DR/V/OPC(C65) 6.55 30 3
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表 7 BFRP筋/混凝土拉拔试件试验结果汇总
Table 7 Test results of BFRP bar/concrete pullout specimens
Specimen code Compressive strength of
concrete/MPaSplitting tensile strength of concrete/MPa Mean bond strength/MPa Standard deviation/MPa Free end
slip/mmStandard deviation/mm Loaded
end slip/
mmStandard deviation/mm Failure mode SR/E/SAC(C30) 33.7±0.55 2.42±0.23 16.09 1.23 1.40 0.45 1.78 0.76 P-1 SC/E/SAC(C30) 12.61 0.42 3.12 0.14 4.10 0.63 P-2 DR/E/SAC(C30) 26.38 1.30 2.20 0.56 2.90 0.39 P-1 HW/E/SAC(C30) 17.15 1.26 0.10 0.02 0.51 0.07 P-2 SS/E/SAC(C30) 6.24 0.21 0.77 0.11 0.99 0.09 P-1 DR/V/SAC(C30) 18.77 0.49 1.48 0.20 1.85 0.15 P-2 SR/E/SAC(C50) 53.3±0.92 3.71±0.35 19.80 0.76 2.01 0.67 2.50 0.75 P-1 SC/E/SAC(C50) 16.92 0.30 2.69 0.16 3.31 0.15 P-2 DR/E/SAC(C50) 34.58 1.46 2.16 0.63 3.55 1.17 P-1 HW/E/SAC(C50) 18.47 0.37 0.21 0.20 0.70 0.22 P-2 SS/E/SAC(C50) 7.71 0.69 0.88 0.02 1.14 0.13 P-1 DR/V/SAC(C50) 25.39 0.50 1.85 0.15 2.59 0.56 P-2 SR/E/SAC(C65) 66.5±1.92 3.99±0.26 25.58 0.52 1.49 0.47 1.88 0.70 P-1 SC/E/SAC(C65) 17.58 0.91 2.67 0.09 3.30 0.25 P-2 DR/E/SAC(C65) 39.09 1.04 1.88 0.70 2.53 0.81 P-1 HW/E/SAC(C65) 19.22 0.15 0.31 0.29 0.74 0.20 P-2 SS/E/SAC(C65) 13.32 0.27 0.63 0.18 0.88 0.15 P-1 DR/V/SAC(C65) 25.70 1.61 1.70 0.71 2.42 0.94 P-2 SR/E/OPC(C30) 37.0±1.25 2.61±0.26 14.87 1.15 1.02 0.62 1.47 0.75 P-1 SC/E/OPC(C30) 14.30 0.76 2.82 0.01 3.39 0.16 P-2 DR/E/OPC(C30) 27.08 0.61 2.28 0.25 2.86 0.34 P-1 HW/E/OPC(C30) 16.17 0.41 1.14 0.25 1.48 0.18 P-2 SS/E/OPC(C30) 4.60 0.25 0.69 0.12 0.93 0.15 P-1 DR/V/OPC(C30) 17.74 1.50 1.68 0.28 2.31 0.27 P-2 SR/E/OPC(C65) 71.2±0.56 4.25±0.49 16.95 2.01 1.60 0.07 1.72 0.07 P-1 SC/E/OPC(C65) 16.19 0.37 2.85 0.27 3.31 0.58 P-2 DR/E/OPC(C65) 37.42 1.50 2.04 0.36 3.17 0.74 R-3 HW/E/OPC(C65) 17.53 1.84 0.67 1.16 1.22 1.24 P-2 SS/E/OPC(C65) 7.96 1.15 0.80 0.18 1.31 0.61 P-1 DR/V/OPC(C65) 19.83 1.21 0.97 0.16 1.52 0.06 P-2 Notes: P-1—Pullout and surface scraping of BFRP bar; P-2—Pullout and interlaminar shear of BFRP bar; R-3—Rebar fracture.
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表 8 混凝土强度对不同形貌BFRP筋/低碱度硫铝酸盐水泥混凝土拉拔试件的粘结强度影响的拟合结果
Table 8 Fitting results of influence of concrete strength on bond strength of BFRP bars with different morphologies/low alkalinity sulphoaluminate cement concrete pull-out specimens
Fitting parameter α0 β0 R2 SR/E 1.343 0.694 0.93170 SC/E 2.298 0.491 0.94127 DR/E 3.456 0.578 0.99972 HW/E 9.506 0.167 0.99930 SS/E 0.060 1.271 0.83587 DR/V 3.745 0.467 0.89781
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表 9 BFRP筋/混凝土拉拔试件的τ-s曲线拟合结果
Table 9 τ-s curve fitting results of BFRP bar/concrete pull-out specimens
Specimen code CMR model mBPE model τm/MPa sm/mm sr β R2 τm
/MPasm/mm α p R2 SR/E/SAC(C30) 15.71 1.182 0.489 0.175 0.780 15.71 1.182 0.135 0.155 0.853 SC/E/SAC(C30) 12.45 3.270 4.079 0.199 0.897 12.45 3.270 0.234 0.571 0.913 DR/E/SAC(C30) 27.25 2.808 0.938 0.433 0.993 27.25 2.808 0.271 0.380 0.959 HW/E/SAC(C30) 18.04 0.078 0.033 0.408 0.964 18.04 0.078 0.292 0.005 0.947 SS/E/SAC(C30) 6.19 0.823 0.006 0.530 0.827 6.19 0.823 0.103 0.164 0.753 DR/V/SAC(C30) 18.87 1.562 0.517 0.500 0.998 18.87 1.562 0.310 0.274 0.973 SR/E/SAC(C50) 19.63 1.989 0.397 0.333 0.991 19.63 1.989 0.199 0.109 0.941 SC/E/SAC(C50) 16.95 2.845 2.918 0.230 0.787 16.95 2.845 0.269 0.377 0.830 DR/E/SAC(C50) 34.12 1.517 0.562 0.401 0.992 34.12 1.517 0.269 0.117 0.976 HW/E/SAC(C50) 17.97 0.432 0.034 0.569 0.979 17.97 0.432 0.198 0.021 0.890 SS/E/SAC(C50) 7.94 0.904 1.174 0.073 0.609 7.94 0.904 0.078 0.039 0.525 DR/V/SAC(C50) 25.02 1.871 0.738 0.498 0.992 25.02 1.871 0.330 0.188 0.810 SR/E/SAC(C65) 25.70 2.016 0.658 0.262 0.960 25.70 2.016 0.179 0.137 0.955 SC/E/SAC(C65) 18.50 2.577 3.344 0.181 0.919 18.50 2.577 0.211 0.234 0.932 DR/E/SAC(C65) 39.60 1.071 0.347 0.463 0.996 39.60 1.071 0.296 0.067 0.965 HW/E/SAC(C65) 19.21 0.213 0.012 0.745 0.991 19.21 0.213 0.216 0.011 0.654 SS/E/SAC(C65) 13.22 0.622 0.060 0.278 0.862 13.22 0.622 0.152 0.044 0.720 DR/V/SAC(C65) 27.71 2.342 1.031 0.372 0.983 27.71 2.342 0.268 0.346 0.912 SR/E/OPC(C30) 16.48 0.938 0.373 0.378 0.980 16.48 0.938 0.262 0.049 0.982 SC/E/OPC(C30) 14.48 2.812 3.603 0.182 0.944 14.48 2.812 0.205 0.284 0.945 DR/E/OPC(C30) 26.46 2.072 0.562 0.527 0.999 26.46 2.072 0.296 0.253 0.947 HW/E/OPC(C30) 15.59 1.082 0.015 3.343 0.969 15.59 1.082 0.219 0.028 0.803 SS/E/OPC(C30) 4.95 0.807 0.981 0.093 0.765 4.95 0.807 0.102 0.058 0.466 DR/V/OPC(C30) 15.72 2.003 0.488 0.535 0.999 15.72 2.003 0.284 0.286 0.947 SR/E/OPC(C65) 18.35 1.655 0.160 0.769 0.995 18.35 1.655 0.213 0.144 0.871 SC/E/OPC(C65) 16.47 2.996 3.160 0.224 0.937 16.47 2.996 0.250 0.246 0.954 DR/E/OPC(C65) 37.88 1.645 0.635 0.434 0.995 37.88 1.645 0.294 6.683 0.954 HW/E/OPC(C65) 15.00 0.373 0.022 0.651 0.958 15.00 0.373 0.201 0.017 0.848 SS/E/OPC(C65) 9.14 0.807 0.168 0.273 0.892 9.14 0.807 0.176 0.144 0.883 DR/V/OPC(C65) 19.97 1.024 0.480 0.446 0.987 19.97 1.024 0.329 0.045 0.974 Notes: s—Specimen bond slip value; sm—Bond strength corresponding slip value; sr, β, α, p—Unknown parameters.
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