在我国北方多数冻土地区的岩石结构较恶劣，尤其在冻融侵蚀环境中钢筋性能退化是普遍问题，会破坏黏结性能，缩短工程结构的使用寿命[1]。近年来，玄武岩纤维增强塑料(BFRP)筋作为新型绿色无机环保筋材，因具有较好的抗拉强度和耐久性能，得到开发与利用[2]。已有研究表明，混杂纤维混凝土可以改善普通混凝土的基本力学性能及耐久性能。目前关于BFRP筋与混凝土的黏结性能，国内外学者针对不同模拟环境条件的实验研究较少。曹芙波等[3]研究冻融循环后钢筋再生混凝土黏结性能，每冻融循环50次，二者的黏结应力降低7%。张广泰等[4]基于冻融损伤后的相对动弹性模量，建立了钢筋-聚丙烯纤维混凝土黏结强度的损伤模型。刘昱等[5]研究了冻融循环次数、再生粗骨料取代率、废弃纤维体积掺量对再生混凝土与钢筋黏结性能的影响。结果表明：黏结性能随冻融次数和再生粗骨料取代率的增大而降低；在再生混凝土中掺入废弃纤维可以显著提升黏结性能；当废弃纤维体积掺量为0.12%时，黏结性能提升11.35%。吴小勇等[6]进行40次冻融循环后的BFRP筋与混凝土的中心拉拔实验，黏结强度随着冻融次数增多呈现先增大后减小的趋势。目前考虑环境因素、混杂纤维对BFRP筋黏结性能影响的研究亟待开展。本实验研究了不同冻融循环次数、纤维素-玄武岩混杂纤维体积掺量对BFRP筋黏结性能的影响。对比了不同黏结滑移本构模型对黏结-滑移曲线上升段和下降段的模型拟合效果。1实验部分1.1主要原料混凝土，C40，P.O 42.5普通硅酸盐水泥，渤海水泥（葫芦岛）有限公司；玄武岩纤维增强塑料(BFRP)筋，天龙牌，直径为12 mm，江苏绿谷新材料科技发展有限公司；玄武岩纤维，江苏天龙高新科技有限公司；纤维素纤维，常州利尔德通新材料科技有限公司。表1为BFRP筋性能指标。表2为玄武岩纤维和纤维素纤维性能指标。图1为玄武岩纤维和纤维素纤维外观形态。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.T001表1BFRP筋性能指标Tab.1Property indexes of BFRP bar指标数值公称直径/mm12.00横截面积/mm2113.10抗拉强度/MPa1216.00弹性模量/GPa52.50密度/（g‧cm-3）2.0210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.T002表2玄武岩纤维和纤维素纤维性能指标Tab.2Properties indexes of basalt fiber and cellulose fiber纤维类型长度/mm直径/µm弹性模量/GPa抗拉强度/MPa密度/（g‧cm-3）断裂伸长率/%线密度/dtex玄武岩纤维12.016.090.00~110.003000~35002.65~3.053.2—纤维素纤维2.117.99.259131.11—2.7810.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F001图1玄武岩纤维和纤维素纤维表观形态Fig.1Fiber apparent morphology of basalt fiber and cellulose fiber1.2仪器与设备冻融箱，ZT-CTH-150L，东莞市正台测试仪器有限公司；电液伺服试验机，WDW-300KN，长春科新试验仪器有限公司；反力笼式装置，自主设计。1.3样品制备混凝土基体采用C40，依据文献[7-8]中有关规定设计混凝土配合比：m（水泥）∶m（砂子）∶m（碎石）∶m（水）=1.00∶1.46∶2.07∶0.48。实验主要定性分析黏结性能，未探讨纤维体积分数对黏结性能的影响，参照文献[9-10]确定体积掺量，纤维素纤维和玄武岩纤维分别为0.15%和0.2%；冻融循环次数为0、25、50、75、100次。共浇筑10组立方体中心拉拔试件，每组试件3个。分别命名为FTx-CyBz，其中x为冻融循环次数，y为纤维素纤维体积掺量，z为玄武岩纤维体积掺量。中心拉拔试件尺寸选取依据ACI 440.3R—12[11]，采用边长为150 mm的立方体标准试件，根据GB 50152—1992[12]设计中心拔出试件，图2为中心拉拔试件简图。从图2可以看出，BFRP筋与混凝土的黏结长度取5d（d为筋材直径），以避免黏结应力分布不匀[13]。为精确控制黏结长度和防止加载段混凝土受到局部的挤压破坏，在非黏结段套90 mm光滑硬质PVC管，将筋材与混凝土隔离。BFRP筋与PVC管间用胶带固定，将PVC管两端用树脂密封1 mm，在BFRP筋端部预留20 mm的筋材以便测量自由端与混凝土的相对滑移。为防止试验机的夹具对BFRP筋的加载段造成剪切破坏，采用钢套管对筋材的端部锚固处理。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F002图2中心拉拔试件简图Fig.2Schematic diagram of center pull-out specimen1.4性能测试与表征冻融循环试验：冻融循环试验开始前，将养护龄期为24 d的试块放入(20±2) ℃的水中浸泡养护4 d，使其达到吸水饱和状态。采用慢冻法测定试件的冻融性能，每组冻融在8~9 h内完成。冻融箱内温度保持在-20~-18 ℃，冷冻时间为4~5 h。冷冻结束后，应立即加入18~20 ℃的水并没过试件顶部至少20 mm，使试件转为融化状态，融解时间为4~5 h，控制系统应确保冷冻和融化的转化时间不得超过30 min。试块在融化完成后视为该次冻融循环结束，即可进入下一个周期循环。中心拉拔试验：采用电液伺服试验机，将中心拉拔试件置于反力笼式装置，BFRP筋的受力端从钢板中心孔洞中穿过，保证筋材与上下钢板无接触。中心拉拔试验采用位移法控制，加载速率为1 mm/min。将中心拉拔试件分批放置在电液伺服万能试验机上进行加载，参考GB 50152—1992[12]计算各组试件的平均黏结应力。平均黏结应力计算公式为：τ=Pπdla （1）式（1）中：τ为BFRP筋与混凝土之间的平均黏结应力，MPa；P为试件的破坏荷载，N；d为筋材直径，mm；la为筋材的黏结长度，mm。2结果与讨论2.1黏结现象及破坏模式表3为中心拉拔试件的黏结实验结果。从表3可以看出，破坏模式包括拔出破坏和劈裂破坏。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.T003表3中心拉拔试件的黏结实验结果Tab.3Bond test results of central pull-out specimens试件编号黏结应力τu/MPa峰值滑移S/mm破坏形态FT021.572.29PFT2519.623.30PFT50——SFT75——SFT100——SFT0-C0.15B0.223.272.87PFT25-C0.15B0.220.453.55PFT50-C0.15B0.218.823.78PFT75-C0.15B0.216.184.04PFT100-C0.15B0.212.715.03P注：P为拔出破坏；S为劈裂破坏。2.1.1拔出破坏图3为试件拔出破坏剖面图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F003图3试件拔出破坏剖面图Fig.3Pull out failure profile of specimens从图3可以看出，BFRP筋与混凝土的黏结界面发生破坏，混凝土试件表面无裂缝且筋材未发生断裂。加载初期荷载较小，BFRP筋的加载段和自由段均不发生滑移；随着荷载的继续增加，BFRP筋的加载段滑移不断增大，同时自由端的筋材开始产生滑移，化学胶着力逐渐失效，黏结力主要由机械咬合力和摩擦力提供。随着荷载不断加大，加载段与自由端的滑移值均快速增加且增加幅度基本一致，当荷载增加到峰值时逐渐下降，滑移速度加快，直至荷载基本保持不变，最终BFRP筋在混凝土中被拔出。整个破坏过程平缓，试件在破坏后存在一定的残余黏结应力。实验结束后将试件剖开以便观察混凝土内部情况，可以看出，混凝土界面处存在明显肋痕，BFRP筋表面磨损严重且带有少许混凝土碎屑。2.1.2劈裂破坏劈裂破坏是以BFRP筋为中心径向开裂，将混凝土劈裂为2~3块，并伴有爆裂声，图4为试件劈裂破坏形式。试件劈裂破坏后，拉拔荷载急速下降至零，筋材与基体间的黏结强度还未完全发挥作用，为脆性破坏，在实际工程中应当避免这种破坏形式。随着荷载的不断增加，BFRP筋横肋受到磨损，对筋材周围混凝土的环向拉应力增加，当环向拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时，BFRP筋周围的混凝土受环向拉应力的影响，沿筋材方向开裂且延伸至混凝土保护层的表面，使试件破坏且丧失黏结力。劈裂破坏主要发生在BFRP筋与普通混凝土在冻融循环次数较多的情况。筋材表面的横肋对混凝土产生的环向拉应力与钢筋笼下承压板形成“拉-压”二向应力状态，则是混凝土形成贯通裂缝的主要原因[14]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F004图4试件劈裂破坏形式Fig.4Split failure mode of specimens2.2黏结-滑移曲线图5为冻融循环作用下BFRP筋与普通混凝土和混杂纤维混凝土的黏结-滑移曲线。从图5a可以看出，FT0、FT25试件的黏结-滑移曲线有四个阶段，即微滑移段、滑移段、拔出段和残余应力段。FT50、FT75、FT100试件仅包含微滑移段、滑移段，由于试件发生劈裂破坏使其黏结-滑移曲线无下降段。分析原因是冻融循环作用导致混凝土内部损伤不断积累且混凝土表面的保护层脱落，当冻融作用较为明显时，在拉拔过程中混凝土出现裂缝使其与BFRP筋的咬合力降低，另外保护层的减小使混凝土无法承受BFRP筋横向产生的应力分量[15]，两种负面作用叠加使混凝土迅速开裂，试件没有达到极限黏结强度就已经失效，黏结-滑移曲线无下降段。随着冻融次数的增加，黏结强度和曲线斜率逐渐减小，峰值滑移逐渐增大。FT25试件的黏结强度比FT0试件降低了9.04%，峰值滑移增大了44.1%。说明冻融循环25次试件混凝土内部的受损程度较大，冻融循环作用造成BFRP筋与混凝土间的弹性模量不断降低。图5冻融循环作用下BFRP筋与普通混凝土和混杂纤维混凝土的黏结-滑移曲线Fig.5Bond-slip curves of BFRP bar with ordinary concrete and hybrid fiber concrete under freeze-thaw cycles10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F5a1（a）BFRP筋与普通混凝土10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F5a2（b）BFRP筋与混杂纤维混凝土从图5b可以看出，混杂纤维混凝土试件的黏结-滑移曲线有四个阶段，即微滑移段、滑移段、拔出段和残余应力段。混杂纤维混凝土与普通混凝土的曲线斜率表现相似，即曲线斜率随冻融循环次数的增加呈降低趋势，表明玄武岩纤维和纤维素纤维的掺入并没有阻止冻融循环作用降低混凝土弹性模量。随着冻融循环次数的增加，BFRP筋与混杂纤维混凝土的峰值黏结应力呈下降趋势，而峰值滑移量不断增加，相较未冻融的FT0-C0.15B0.2试件，冻融25、50、75、100次试件的峰值滑移分别增加了23.7%、31.7%、40.7%、75.3%，峰值滑移量的增加与相应的黏结应力的下降有关[16]。在拔出段时，随着冻融循环次数的增加，黏结应力下降越平缓，表明试件延性越好。混杂纤维混凝土试件经历冻融作用后全部发生拔出破坏，表明纤维素纤维和玄武岩纤维的掺入改变了混凝土试块的破坏模式。原因是随着冻融次数的增加，混凝土内部结构严重破坏，当冻融循环超过一定次数(n≥50)时，普通混凝土基体呈脆性，基体的抗拉强度不足以抵抗BFRP筋产生的应力，因此未掺纤维的混凝土试件在冻融25次后全部劈裂破坏。混杂纤维的掺入可以在一定程度上弥补冻融作用造成的混凝土内部缺陷，减缓裂缝的生成与扩张，使混凝土内部受冻融作用的程度减小；另外纤维的掺入增加了混凝土的抗拉强度，使其可以承担由BFRP筋表面横肋产生的横向应力，试件由劈裂破坏转变为拔出破坏。在滑移阶段的相同冻融工况时，FT0试件比FT0-C0.15B0.2试件的上升段平缓，同时峰值滑移量也相差较小，表明玄武岩纤维和纤维素纤维的掺入可以减缓冻融作用，降低BFRP筋与混凝土间拉拔弹性模量的影响。2.3黏结强度影响因素分析2.3.1冻融循环次数对黏结强度的影响选择FT0、FT25、FT0-C0.15B0.2、FT25-C0.15B0.2、FT50-C0.15B0.2、FT75-C0.15B0.2和FT100-C0.15B0.2试件的数据进行比较，图6为不同冻融循环次数下试件的黏结强度。从图6可以看出，黏结应力随冻融循环次数的增加而下降。与FT0试件相比，经历25次冻融后的BFRP筋普通混凝土试件的黏结应力下降了9.04%；与未经冻融的FT0-C0.15B0.2试件相比，经过25、50、75、100次冻融后的BFRP筋混杂纤维混凝土试件的黏结应力分别下降了12.11%、19.12%、30.47%、45.38%。原因是周期性的冻融循环会使混凝土内部变得松散而易于剥落，混凝土内部出现冻融裂缝和冻融孔隙现象。除此之外，由于BFRP筋与混凝土的热膨胀系数不同，当试件经历低温作用时，BFRP筋的收缩大于混凝土，导致筋材与混凝土界面产生间隙，两种负面作用的叠加导致黏结应力下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F006图6不同冻融循环次数下试件的黏结应力Fig.6Bond stress of specimens under different freeze-thaw cycles2.3.2混杂纤维对黏结强度的影响图7为混杂纤维掺量对试件黏结强度的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F007图7混杂纤维掺量对试件黏结应力的影响Fig.7Effect of hybrid fiber content on bond stress of specimens从图7可以看出，当冻融条件相同时，BFRP筋与混杂纤维混凝土的黏结强度始终高于BFRP筋与普通混凝土的黏结强度。在0次冻融循环条件下，与FT0试件的黏结强度相比，FT0-C0.15B0.2试件的黏结应力提高了7.88%。随着冻融循环次数的增加，各试件的黏结强度逐渐减小，但经历冻融循环25次后，FT25-C0.15B0.2试件的黏结强度比FT25试件高4.23%。原因是纤维素纤维和玄武岩纤维在混凝土内乱向分布形成“纤维网”发挥其“微加筋”的增韧作用，玄武岩纤维桥接在混凝土内部的裂缝处可以弥补其先天性缺陷，而纤维素纤维因为其独特的空腔结构可减缓静水压和渗透压，从而有效提高了混凝土的抗冻性能，最大限度地保留了BFRP筋与混凝土的黏结性能。2.4冻融循环后黏结滑移本构模型由于纤维增强塑料(FRP)筋与钢筋力学性能的差异，FRP筋与混凝土的黏结性能不能通过传统的钢筋与混凝土的黏结滑移本构模型预测[17]。目前已发展出几种认可度较高的FRP筋黏结滑移本构模型。表4为黏结滑移本构模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.T004表4黏结滑移本构模型Tab.4Bond-slip constitutive model本构模型表达式文献来源Malvar模型τ1/ft=A+B1-eCσr/ft;s1=D+Eσr;τ/τ1=F(s/s1)+(G-1)(s/s1)21+(F-2)(s/s1)+(G-1)(s/s1)Malvar等[18]BPE模型τ/τ1=s/s1α,s≤s1 τ=τ1,(s1s≤s2)τ=τ1-τ1-τ3s2-s3s2-s,(s2s≤s3)τ=τ3ss3褚天舒[19]MBPE模型τ/τ1=s/s1α,s≤s1;τ=1-ps/s1-1τ1,s1s≤s3;τ=τ3,(ss3)郝庆多等[20]CMR模型τ=(1-e-s/sr)βτ1薛文远等[21]连续曲线模型τ=2s/s1-ss1τ1,0s≤s1;τ=τ1s3-s22s+s3-s1s3-s13+τ3s-s123s3-2s-s1s3-s13,s1s≤s3;τ=τ3,(ss3)Consenza等[22]注：σr为轴对称的侧限径向压力；ft为混凝土抗拉强度；τ1和s1为黏结强度值及相应滑移值；τ3和s3为残余强度值及相应滑移值；A、B、C、D、E、F、G、α、β、s2、sr为实验结果确定的参数。Gao等[23]研究发现，以上几种黏结-滑移本构曲线各个阶段之间连接不够光滑，拐点较为明显。在前几种模型的基础上提出了连续曲线数学模型，使曲线整体性更高，更加光滑连续。以本实验得出的BFRP筋黏结-滑移曲线为基础，通过Origin软件用Malvar模型、MBPE模型、CMR模型和连续曲线模型分别对其上升段进行拟合，得到平均R2值分别为0.991、0.930、0.979和0.816。可知Malvar模型和CMR模型均能够较好拟合本实验得出的黏结-滑移曲线，Malvar模型强于CMR模型，MBPE模型的拟合效果比前两种模型的拟合效果差，连续曲线模型的拟合效果最差。图8为黏结滑移本构模型拟合上升段曲线与实验曲线对比。从图8可以看出，各模型对普通混凝土黏结-滑移曲线的拟合效果波动较大，对混杂纤维混凝土的拟合效果要强于普通混凝土。推测是因为普通混凝土脆性较大，导致曲线上升段有许多细微波动，各模型很难对这些细微波动进行精准拟合。此外随着冻融次数的增加，MBPE模型和连续曲线模型的拟合效果整体呈上升趋势。图8黏结滑移本构模型拟合上升段曲线与实验曲线对比Fig.8Ascending section comparison of bond-slip constitutive model and test10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F8a1（a）FT5010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F8a2（b）FT50-C0.15B0.2对于本实验黏结-滑移曲线下降段的拟合，采用Malvar模型、MBPE模型和连续曲线模型。分析了各模型的拟合效果。Malvar模型、MBPE模型和连续曲线模型拟合各试件曲线下降段，得到的平均R2值分别为0.771、0.930和0.971。与上升段拟合相比，连续曲线模型在拟合曲线下降段时展现出优势，比其余两个模型的拟合效果都好。MBPE模型也有较好的拟合效果，但略差于连续曲线模型。而Malvar模型在拟合曲线下降段时效果最差，与拟合上升段时的效果完全不同。图9为黏结-滑移本构模型拟合下降段曲线与实验曲线对比。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F009图9黏结滑移本构模型拟合下降段曲线与实验曲线对比Fig.9Descending section comparison of bond-slip constitutive model and test（b）FT100-C0.15B0.210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.015.F010（a）FT50-C0.15B0.2从图9可以看出，随着冻融次数的增加，各模型对混杂纤维混凝土的拟合效果整体呈上升趋势。3结论（1）经过冻融循环作用后，中心拉拔试件有两种破坏模式：一是拔出破坏，黏结-滑移曲线完整，能较好地描述BFRP筋与混凝土间的黏结特性；二是劈裂破坏，黏结-滑移曲线不完整，仅有上升段。当冻融循环超过50次时，BFRP筋与普通混凝土试件的破坏模式由拔出破坏转为劈裂破坏，混杂纤维混凝土试件的破坏模式均为拔出破坏。（2）BFRP筋混杂纤维混凝土和BFRP筋混凝土的峰值黏结应力随着冻融次数的增加而呈下降趋势，峰值滑移量不断增加，黏结刚度逐渐下降。（3）对比相同冻融条件下未掺纤维的混凝土试件，由于纤维对混凝土起到增韧阻裂作用且减小了混凝土渗透压和静水压的综合效果，导致玄武岩纤维和纤维素纤维的掺入能够提高其黏结强度。（4）对于黏结-滑移曲线上升段，Malvar模型拟合效果最好，各模型对于混杂纤维混凝土曲线上升段的拟合效果强于普通混凝土。对于下降段，连续曲线模型拟合效果最好，其他模型对曲线下降段的拟合效果整体呈上升趋势。