摘要：为改善CFRP筋粘结式锚具的锚固性能，通过静载试验研究了锚具形式、内壁倾角、内锥长度、筋材表面处理方式等对锚固性能的影响。结果表明：在一定程度上，内锥角的增大有利于提升粘结式锚固系统的锚固效果；界面处理方式对系统的锚固性能有较大影响，其中第Ⅰ种处理方式锚固性能最差，第Ⅲ种次之，第Ⅱ种锚固性能最好。根据试验结果选择内锥+直筒式，锚固长度为200mm，内锥倾角为4°，粘结厚度为6mm，粘结介质为环氧砂浆的粘结式锚具，并用酒精擦拭筋材表面，此时锚固性能较好，为粘结式锚具的设计提供了参考。
关键词：CFRP筋；粘结式锚具；锚固性能；静力试验
Study on Static Test of adhesive anchorage system for CFRP tendon
Xie Gui-hua,Sun Yue,Tang Yong-sheng,Feng Qian-hong,Bian Yu-long
（Faculty of Civil Engineering and Mechanics,Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）
Abstract：In order to improve the performance of CFRP tendons bonding type anchorage,the influence of different shapes of anchor,inner angle of barrel,inner cone length and surface treatment of tendons was studied by static load tests.The experimental results show that,to a certain extent,the increase of the inner angle is beneficial to the improvement of the anchoring force of the anchorage system.The interface treatment method significantly affects the anchorage performance of the system,in which the first kind of treatment method has the poorest anchorage performance,the third type is the second,the second type of anchorage performance is best.According to the test results,the inner cone + straight barrel type is selected,with which the anchoring length is 200mm,the inner cone inclination angle is 4°,the adhesive thickness is 6mm and the adhesive medium is a epoxy mortar.Meanwhile,the surface of the reinforcing material is wiped with alcohol.The anchoring performance is better at this time,it provides a reference for the design of bond-type anchorage.
Keywords：CFRP tendon; bond-type anchorage; anchorage performance; static test
引言
碳纤维增强复合材料（CFRP）具有轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数低及减震性能好等优异性能，因此在土木工程中得到了广泛的应用［1-4］。但CFRP筋横观各向同性、抗剪强度低的特性，限制了自身的发展，因此必须研制适应CFRP筋的锚固系统。Nanni 等人的研究表明:配置CFRP预应力筋的结构，其最终承载能力将更多地取决于锚具系统的锚固性能而不是预应力筋本身的强度［5］。
国内外学者对CFRP粘结式锚具的锚固性能进行了研究。Jong Sup Park等研究了CFRP筋的剪应力分布，评估了CFRP筋粘结型锚具的行为特性。结果表明，CFRP筋产生的剪切应力随着筒体内角的增大和填充材料弹性模量的降低而减小［6］。F.Puigvert等采用不同的粘结材料模型进行数值模拟，分析了粘结锚固的静力响应及其失效机理［7］。梅葵花等研究了CFRP筋粘结型锚具的受力特征，然后通过试验测试CFRP筋材在锚具内部的应力变化规律。结果表明，CFRP筋材在自由段的应力－应变基本成正比关系［8］。
余庭嘉等发现，相同锚固长度下，分散锚固形式较整束锚固形式具有更高的锚固效率［9]。
刘荣桂等对CFRP筋粘结式锚具进行了改进，并对改进后的锚具进行了静载张拉试验［10］。李彪等为了改善CFRP筋粘结型锚具的锚固性能，重点测定了粘结介质、筋材表面形状、锚固长度、锚固端处理方式对锚固性能的影响［11］。
为了使粘结式锚具的锚固性能在此基础上进一步提高，更好的服务于工程实际，本文介绍了锚具形式、内壁倾角、内锥长度、筋材表面处理方式以及应变片数目等对锚固性能的影响，提出了有效锚固CFRP筋的锚固方法。
1.试验设计
筋材采用PC-D8压纹型CFRP筋，泊松比约为0.31，CFRP筋材的物理力学特性如表1所示。
粘结介质由环氧树脂和石英砂按一定的比例混合制作而成，树脂中掺入一定量的石英砂，两者混合均匀后进行灌注。其中环氧树脂采用的是Lica-300型植筋胶；掺合料为两种粒径的石英砂，粒径分别为0.5~1mm和1~1.5mm，比例为2:1。环氧胶与石英砂采用2:1的比例灌注。试件一端灌胶完成后，锚桶两端封上端堵，垂直放于养护架上，养护3天后开始灌注试件的另一端。试件两端灌胶完成以后，将试件在常温环境下养护2周。
粘结型锚具的基本构造如图1所示，其中，，。本试验主要使用MTS-3000拉扭组合材料测试系统，所有试件锚固区筋材表面均于其中间位置张贴1片应变片与1个测温探头，锚具内部均作粗造化处理，试验方法均遵循相关规程[12]。
表1 CFRP筋力学特性
图1 CFRP筋粘结型锚具组装件
Fig.1 The adhesively bonded anchorage system for CFRP tendon
2.试验内容与结果
对CFRP筋粘结式锚具的内部结构形式、内壁倾角、内锥长度和筋材表面处理方式进行了测试。其中，锚具形式包括直筒+内锥+直筒式粘结型锚具和内锥+直筒式粘结型锚具；内壁倾角包括3°和4°；内锥长度包括90mm和100mm；试验分别选用环氧树脂黏砂和酒精来处理筋材表面，以对比研究其与粘结介质的界面粘结性能。
2.1 锚具内部结构形式的影响
本试验采用四种不同类型的锚具，a型锚具代表直筒+内锥+直筒式粘结型锚具，b型锚具代表内锥+直筒式粘结型锚具，其中a1与a2的内部锥角不同，前者锥角为 3^°，后者锥角为4^°，b型锚具锥角同a型锚具。编号a1-1表示a1型锚具的1号试件，如图2所示。
试验中平均粘结应力采用式（1）计算：
图2 CFRP筋粘结式锚具类型
Fig.2 The type of adhesively bonded anchorage anchor for CFRP tendon
从表2的试验结果可以看出，在锚固长度等参数相同时，a型和b型锚具的静载试验结果相差不大。对于a型锚具，锚固系统的平均极限拉力为83.4kN，仅比b型锚具的锚固高0.8%。因此可以认为两种结构形式不同的锚具对锚固性能的影响很小。由于a型锚具为直筒+内锥+直筒式，内部结构较为复杂，故在试验中选择b型锚具。
从表2中还可以看出，在相同条件下，锚具内锥倾角为4°时的锚固系统极限承载力比内锥倾角为3°时的高一些。对于a型锚具，前者的锚固系统极限承载比后者高约6.8%；对于b型锚具，前者比后者高约17.0%。试验表明：在一定范围内，内锥倾角的增大有利于提升锚固系统的锚固性能。
b1-1型锚具在测试过程中发生粘结介质的滑移破坏，主要是由于灌胶过程中没有振荡密实，使得锚具平直段粘结介质凝结不连续，最终导致粘结介质的滑移。由此可知，锚具的结构形式如倾角等虽然对其静载性能具有一定影响，但是其影响不大，相反灌胶的密实性对其极限承载力有较大影响。
表2 粘结式锚具结构形式与测试结果
Tab.2 The structural form and test result of the anchoring system
注：A为粘结介质滑移破坏；B为筋材的滑移破坏；C为筋材的断裂破坏。
2.2 界面处理的影响
在试件灌注之前，为了尽可能提升粘结式锚固系统界面粘结性能，参照文献[13]与文献[14]，对筋材-介质界面进行处理，主要通过改变粘结介质和筋材表面处理方式来实现，方法有三种。方式Ⅰ：为了增加筋材表面的粗糙程度，对筋材表面进行环氧树脂黏砂处理，粘结介质采用环氧树脂，如图3（a）。方式Ⅱ：筋材表面只用酒精擦拭，粘结介质采用环氧砂浆，如图3（b）。方式Ⅲ：筋材表面采用环氧树脂黏砂处理，粘结介质采用环氧砂浆。本试验选用图2中b2型锚具，表中试件编号Ⅰ-1表示采用第Ⅰ种处理方式的1号试件。
(a)筋材表面环氧树脂黏砂 (b)筋材表面洁净处理
图3 筋材表面处理方式
Fig.3 Different methods that used for the surface of CFRP tendon
从表3的试验结果可以看出，方式Ⅰ、方式Ⅱ、方式Ⅲ的极限荷载平均值分别为73.7kN、89.6kN、85.4kN。第Ⅱ种处理方式较第Ⅰ、Ⅲ种更有利于提升锚固系统的性能。方式Ⅰ对筋材表面的黏砂处理虽然增加了筋材-介质界面的粗糙程度，但由于手工操作，工艺较差，导致表面黏砂不均匀，粘结介质灌注之后，界面固化效果较差。方式Ⅱ在环氧树脂中掺砂而形成的新粘结介质-环氧树脂砂浆，其凝结后筋材-介质界面粗糙程度有所提升，从而增强了界面粘结性能，提升了锚固效果。对于方式Ⅲ，同时进行筋材表面黏砂和环氧胶掺砂操作，相比方式Ⅰ虽然也提升了锚固性能，但是提升程度不如方式Ⅱ；其主要原因可以归结为，筋材表面黏砂后，界面粗糙程度有所增加，但是灌胶后筋材表面的石英砂相对于环氧树脂的比例有所提高，导致胶体粘结性能有所下降。
图4为不同界面处理条件下锚固系统荷载-滑移曲线变化，由图可知，虽然方式Ⅲ与方式Ⅱ的平均抗拉极限强度相差不大，但是方式Ⅱ曲线的线性条件较方式Ⅲ较好，同等荷载作用下，前者的滑移值也较后者小，说明方式Ⅱ与方式Ⅲ相比，具有较好的界面粘结性能。
表3 界面处理对锚固性能的影响
Tab.3 Effect of interface treatment on anchorage properties
图4 不同界面处理方式下锚固系统的荷载-滑移曲线
Fig.4 The load - slip curve of anchorage system under different interface treatment
2.4 粘结式锚固系统破坏方式
由表2和表3可知，粘结型锚固系统多以筋材从粘结介质中的滑移破坏为主，如图5（a）；理想的破坏模式-筋材断裂较少出现。即使试件出现了筋材断裂这一较为理想的破坏模式，如图5（b），但是断面并未出现筋材炸散式断裂现象，部分试件的断裂面接近锚固端，如图5（c），其主要原因是锚固系统不仅受到机器夹头的轴向拉伸作用，其轴向方向还受到微小的偏转作用，使筋材难以达到其抗拉极限时发生破坏。
（c）筋材锚固端的断裂破坏
图5 粘结式锚固系统的破坏形式
Fig.5 The failure mode of the adhesively bonded anchorage system
为了保证粘结式锚固系统的锚固性能，选用b2型锚具，其具体参数如表4。
表4 疲劳试件的锚具类型及其它参数
Tab.4 The anchor type and other parameters of fatigue specimens
3.结语
（1）结构形式相同的粘结式锚具，锥角4°时，其抗拉极限荷载较锥角3°时较高，说明在一定程度上内锥角的增大，有助于提升粘结式锚固系统的锚固力；其他参数相同时，a、b两型内锥式锚具，锚固效果相差不大。
（2）界面处理方式对系统的锚固效果影响较大，第Ⅱ种处理方式系统的锚固效果最好，第Ⅲ种次之，第Ⅰ种最差。其原因最要是筋材表面的黏砂处理，虽然增大了筋材-介质界面粗糙程度，但是含量过多的沙粒，削弱了粘结介质的粘结作用，以至于界面粘结性能也有所下降。
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论文作者:谢桂华 李青莎 孙悦 唐永生 冯倩红 卞玉龙
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2018年10月上
论文发表时间:2019/6/24
标签：锚固论文; 锚具论文; 性能论文; 方式论文; 介质论文; 系统论文; 界面论文; 《新材料.新装饰》2018年10月上论文;