摘要
基于数字图像相关（DIC）技术对混凝土内嵌入式玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）筋的界面黏结性能及其拔出过程开展了研究.采用数字图像采集处理技术获取了BFRP筋从混凝土表面拔出过程的应变场演变数据并计算了界面的黏结应力.结果表明：BFRP筋从混凝土表面拔出过程中，黏结应力与应变沿筋材呈现对称分布；随着拉拔荷载的增加，界面黏结应力、应变均不断增大，养护龄期为7 d的C50混凝土与BFRP筋的黏结界面在靠近加载端区域的最大应力和应变分别为3.3 MPa、0.020；与淡水河砂混凝土相比，当养护龄期达到28 d时，相同水胶比下海水海砂混凝土与BFRP筋界面黏结处的最大应力提高了19%左右；延长养护龄期可有效增大混凝土与BFRP筋的界面黏结应力；界面黏结应力和应变沿加载端到自由端呈线性下降趋势；拔出后加载端混凝土损伤严重，BFRP筋黏结段呈现部分纤维拉断剥离现象.
钢筋混凝土结构被广泛应用于海洋工程建筑中，但海洋环境中高浓度氯离子导致混凝土中钢筋腐蚀速率迅速增加，结构快速失效；远海岛礁建设对海水、海砂等原材料的使用加剧了钢筋锈蚀问题，严重制约“海洋强国”与“一带一路”战略的实
目前，国内外学者针对FRP筋增强混凝土结构的界面黏结性能已开展了广泛研
本文基于DIC技术对嵌入式玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）筋开展轴心单端拉拔试验，对其拔出全过程进行监测，并计算黏结界面位移、应变与应力，从而获取黏结界面任意位置处纵横向的应变场与应力场，为后续研究BFRP筋与混凝土的界面黏结性能以及滑移关系提供新的方法和试验基础.
水泥采用P·I 52.5硅酸盐水泥；粗骨料为粒径5~20 mm连续级配的花岗岩；细骨料为河砂与海砂，细度模数分别为2.7、2.2；水为自来水（淡水）与海水.混凝土配合比及立方体抗压强度见
| Concrete | Mix proportion/(kg· | Cubic compressive strength/MPa | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cement | Sea sand/river sand | Gravel | Seawater/freshwater | Water reducing agent | 7 d | 28 d | |
| C30 | 415.00 | 665.00 | 1 085.00 | 200.00 | 0 | 32.8 | 40.1 |
| C50 | 462.00 | 645.00 | 1 096.00 | 176.00 | 1.44 | 48.2 | 57.3 |
| S30 | 415.00 | 665.00 | 1 085.00 | 200.00 | 0 | 36.1 | 43.4 |
| S50 | 462.00 | 645.00 | 1 096.00 | 176.00 | 1.44 | 49.4 | 58.2 |
| Effective diameter/mm | Cross‑sectional area/m | Elastic modulus/GPa | Tensile strength/MPa | Ultimate tensile strain/% |
|---|---|---|---|---|
| 12 | 113.04 | 61.05 | 1 405 | 2.56 |
依据不同强度等级（C30、C50、S30、S50）、不同养护龄期（7、28 d）设计8组试验共24个拉拔试件.考虑到DIC技术主要观测和计算试件表面变形，将长度700 mm、直径12 mm的BFRP筋以嵌入方式埋入尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的混凝土长方体试件中，如
图1 拉拔试件示意图
Fig.1 Schematic of pulling‑out specimen（size： mm）
采用天津市东丽区亚兴自动化试验厂生产的ML‑3型锚杆拉拔仪，使用定制的夹具将BFRP筋夹紧，两端采用台钳将混凝土试件固定，保持千斤顶、夹具以及BFRP筋在同一水平线上，从而保证BFRP筋处于轴心受力状态，加载装置如
图2 拉拔试验加载装置示意图
Fig.2 Schematic of pulling‑out test device
DIC是一种基于光学的全场表面位移和应变的测量方法.其基本原理是通过对变形过程中被测物体表面信息的搜索识别和相关计算，得到变形物体的位移应变信
图3 BFRP筋与混凝土黏结界面应变分析区域
Fig.3 Area for strain analysis of bonding interface between BFRP bar and concrete
采用DIC技术测得试件全过程的应变场后，将黏结-滑移本构模型输入VIC‑2D操作系统中得到全过程的应力场.目前，国内外的学者提出了多种FRP筋与混凝土界面黏结滑移的本构关系分析模
对养护龄期为7 d的C30和C50试件进行拉拔试验，记录不同时刻对应的拉拔仪数显设备上的力值，并对BFRP筋及邻近混凝土区域的图像进行实时采集，通过数字图像计算获得BFRP筋-混凝土界面区应变场与应力场演变，结果如图
图4 养护龄期为7 d的试件C30 黏结界面应变场与应力场演变
Fig.4 Evolution of strain field and stress field at bonding interface for specimen C30 at 7 d
图5 养护龄期为7 d的试件C30界面黏结区域选取点的应变、应力随时间的变化
Fig.5 Variation of strain and stress with time at selected points of interface bonding area for specimen C30 at 7 d
图6 养护龄期为7 d的试件C50黏结界面应变场与应力场演变
Fig.6 Evolution of strain field and stress field at bonding interface for specimen C50 at 7 d
图7 养护龄期为7 d的试件C50界面黏结区域选取点的应变、应力随时间的变化
Fig.7 Variation of strain and stress with time at selected points of interface bonding area for specimen C50 at 7 d
由
由
为进一步分析拉拔过程中BFRP筋与混凝土黏结界面不同部位的应力、应变演变规律，在距离加固端不同位置处选取了5个点（见
同样，选取试件C50黏结界面处5个点（见
选取BFRP筋与混凝土拉拔试验最后时刻的数字图像进行分析，并绘制BFRP筋左右两侧黏结界面处的应力分布曲线，如图
图8 普通混凝土试件中BFRP筋两侧黏结界面处的应力分布
Fig.8 Bonding stress distribution at BFRP interface in ordinary concrete
图9 海水海砂混凝土中BFRP筋两侧黏结界面处的应力分布
Fig.9 Bonding stress distribution at BFRP interface in seawater sea sand concrete
由
由
对比
对比
综上，无论是普通混凝土还是海水海砂混凝土，当混凝土强度等级较低时，龄期对其黏结强度的影响都较大.
试件进行拉拔试验后的破坏模式基本分为2种：试件边缘的混凝土拉剪破坏和BFRP筋周围的混凝土局部开裂破坏.由于BFRP筋采用嵌入式埋置于混凝土中，拉拔试验中并未发生混凝土全部劈裂、BFRP筋被拉断的破坏模式.在试验逐渐加载的过程中，BFRP筋与混凝土界面处均出现不同程度的起裂，在加载后期，由于拉拔能量过大，BFRP筋被拔出，开裂的混凝土崩出.通过分析可知，混凝土与BFRP筋的弹性模量相
图
图10 BFRP筋与混凝土黏结界面开裂形态图
Fig.10 Cracking of bonding interface between BFRP bar and concrete
图11 拔出后混凝土的破坏形态
Fig.11 Damage pattern of concrete
采用VHX‑7000型超景深显微镜对养护龄期7 d的试件C50中拔出的BFRP筋进行观测.将未黏结区域作为对照组，选取拔出过程中黏结区域的小段样本进行分析，结果见
图12 BFRP筋与混凝土黏结界面微观测试结果
Fig.12 Microscopic test results of bonding interface between BFRP bar and concrete
（1）BFRP筋从混凝土表面拔出过程中，黏结界面的应力、应变沿BFRP筋呈现对称分布状态.随着拉拔荷载的增加，BFRP筋与混凝土黏结界面的应变、应力沿远端原点到加载端增长缓慢.在距离加载端40 mm处，应力快速增大直至界面破损.在靠近加载端附近区域，黏结界面的应变、应力达到最大值.
（2）BFRP筋嵌入式混凝土表面拉拔的最终破坏模式有2种：试件边缘混凝土拉剪破坏、BFRP筋周围的混凝土局部开裂破坏.在加载端附近被拉断的混凝土呈现椎体的形式，破坏过程具有明显的脆性.采用超景深显微镜观测到在距离加载端20 mm处纤维损伤严重.
（3）采用DIC技术可对BFRP筋嵌入式混凝土表面拔出全过程进行动态监测，并计算黏结界面的应变与应力，从而获取黏结界面任意位置、纵横向的应变场和应力场.
（4）混凝土强度等级由C30提高到C50，其界面黏结处最大应力增加了3.25倍左右，由S30提高到S50，其界面黏结处最大应力增加了1.80倍左右；混凝土养护龄期由7 d延长至28 d时，最大应力增加了2.83倍；而相比普通混凝土，相同水胶比下的海水海砂混凝土与BFRP筋界面黏结处的最大应力增加了19%左右.
参考文献
侯一烈， 赵颖华， 张力伟. 重复荷载作用下受腐蚀CFRP钢筋混凝土柱的试验研究［J］. 土木工程学报， 2010， 43（6）：146‑152. [百度学术]
HOU Yilie， ZHAO Yinghua， ZHANG Liwei. An experimental study on corroded CFRP strengthened RC columns under repeated loading［J］. China Civil Engineering Journal， 2010， 43（6）：146‑152. （in Chinese） [百度学术]
WILLIAMSON J， ISGOR O B. The effect of simulated concrete pore solution composition and chlorides on the electronic properties of passive films on carbon steel rebar［J］. Corrosion Science， 2016， 106：82‑95. [百度学术]
华云涛，尹世平，王璐晨. 玄武岩纤维筋海水海砂混凝土梁承载性能及使用性能影响因素研究［J］. 建筑结构学报， 2021， 42（2）：166‑177. [百度学术]
HUA Yuntao， YIN Shiping， WANG Luchen. Study on influence factors of bearing capacity and serviceability of BFRP reinforced seawater and sea‑sand concrete beams［J］. Journal of Building Structures， 2021， 42（2）：166‑177. （in Chinese） [百度学术]
MOYEENUDDIN A S. Shear properties and durability of GFRP reinforcement bar aged in seawater［J］. Polymer Testing， 2019， 75：312‑320. [百度学术]
SOLYOM S， BALAZS G L. Analytical and statistical study of the bond of FRP bars with different surface characteristics［J］. Composite Structures， 2021， 270：113953. [百度学术]
ELLIS D S， TABATABAI H， NABIZADEH A. Residual tensile strength and bond properties of GFRP bars after exposure to elevated temperatures［J］. Materials， 2018， 11（3）：346. [百度学术]
EL REFAI A， AMMAR M A，MASMOUDI R. Bond performance of basalt fiber‑reinforced polymer bars to concrete［J］. Journal of Composites for Construction， 2015， 19（3）：1‑12. [百度学术]
尹世平， 华云涛， 徐世烺. FRP配筋混凝土结构研究进展及其应用［J］. 建筑结构学报， 2021， 42（1）：134‑150. [百度学术]
YIN Shiping， HUA Yuntao， XU Shiliang. A review on research progress and application of concrete structures internally reinforced with FRP bars［J］. Journal of Building Structures， 2021， 42（1）：134‑150. （in Chinese） [百度学术]
毛凤华， 李宝磊. FRP筋混凝土黏结滑移本构模型的有限元对比分析［J］. 中国科技信息， 2015（11）：113‑115. [百度学术]
MAO Fenghua， LI Baolei. Finite element comparative analysis of bonding slip constitutive model of FRP bars and concrete［J］. China Science and Technology Information， 2015（11）：113‑115. （in Chinese） [百度学术]
田建勃， 申丹丹， 王梦梦， 等. BFRP‑钢板-混凝土组合双连梁抗震性能试验研究［J］. 建筑结构学报， 2022， 43（8）：100‑111. [百度学术]
TIAN Jianbo， SHEN Dandan， WANG Mengmeng， et al. Experimental study on seismic behavior of BFRP‑plate‑reinforced composite double coupling beams［J］. Journal of Building Structures， 2022， 43（8）：100‑111. （in Chinese） [百度学术]
王潇舷， 金祖权， 姜玉丹， 等. 基于DIC与应变测试的混凝土中钢筋锈胀应力分析［J］.材料导报， 2019， 33（8）：2690‑2696. [百度学术]
WANG Xiaoxian， JIN Zuquan， JIANG Yudan，et al. Analysis of stress in concrete induced by corrosion of reinforcing bar based on DIC and strain test［J］. Materials Reports， 2019， 33（8）：2690‑2696. （in Chinese） [百度学术]
DE LORENZIS L， RIEEO A， LA TEGOLA A. A modified pull‑out test for bond of near‑surface mounted FRP rods in concrete［J］. Composites Part B：Engineering， 2002， 33（8）：589‑603. [百度学术]
JIANG Y D， JIN Z Q， ZHAO T J， et al. Strain field of reinforced concrete under accelerated corrosion by digital image correlation technique［J］. Journal Advanced Concrete Technology， 2017， 15（7）：290‑299. [百度学术]
MALVAR L J. Bond stress‑slip characteristics of FRP rebar［R］. Report TR‑2013‑SHR， Port Hueneme， California：Naval facilities Engineering Service Center， 1994. [百度学术]
ELIGEHAUSEN R， POPOV E P， BERTERO V V. Local bond stress‑slip relationships of deformed bars under generalized excitations［J］. Technical Chamber of Greece， 1982， 4：69‑80. [百度学术]
FAORO M. Bearing and deformation behaviour of structural components with reinforcements comprising resin bounded glass fiber bars and conventional ribbed steel bars［J］. Proc. Int Conf. on Bond in Concrete， 1992. [百度学术]
张望喜， 胡彬彬， 王冠杰. FRP筋与混凝土粘结性能研究进展及本构模型改进［J］. 土木与环境工程学报， 2021，89：1‑12. [百度学术]
ZHANG Wangxi， HU Binbin， WANG Guanjie. Research progress on bond behavior between FRP bars and concrete and improvement of constitutive model［J］. Journal of Civil and Environmental Engineering， 2021， 89：1‑12. （in Chinese） [百度学术]
ACHILLIDES Z， PILAKOUTAS K. Bond behavior of fiber reinforced polymer bars under direct pullout conditions［J］. Journal of Composites for Construction， 2004， 8（2）：173‑181. [百度学术]