基于断裂力学的砂浆锚杆与混凝土粘结锚固理论及试验研究

本项目将采用钢筋和FRP筋（纤维复合材料筋）两种工程中常用的锚杆，并基于断裂理论对砂浆锚杆与混凝土粘结锚固特性进行研究。将通过试验研究混凝土的侧向约束和砂浆层的厚度对该锚固体的破坏型式和锚杆抗拔力的影响，并确定侧向影响范围。拟根据三种介质的材料与几何参数、两界面的粘结特性及锚固体不同的边界约束条件，提出一个统一的判别式判断两界面的粘结破坏与混凝土锥形破坏发生的可能性、先后顺序及起始位置。将采用断裂力学分析混凝土中裂缝的扩展过程及由于裂缝口处应力集中导致界面的粘结破坏过程，并进行试验验证。拟设计一套改进的FRP筋与砂浆粘结特性试验方案，考虑FRP筋的径向变形对界面参数的影响。此外，拟通过向砂浆与混凝土中加入一种新型掺合料，使得砂浆与混凝土既能有效地抵抗氯离子侵蚀、提高抗冻融循环能力，又能提高钢筋与砂浆的粘结强度。本项目研究工作将在混凝土后锚固技术的各应用领域内具有重要的指导意义。

混凝土后锚固领域中，锚杆与砂浆界面粘结性能及砂浆与混凝土界面粘结性能对锚固效果至关重要。此外，由于锚杆抵抗外荷载拔出过程中，混凝土锥形破坏及砂浆层剪切或劈裂破坏亦为常见的破坏型式。因此，砂浆与混凝土两种材料的抗裂特性同样影响结构的后锚固性能，值得深入研究。本项目主要通过理论与试验的方法研究了钢筋与砂浆界面粘结性能、玻璃纤维筋（BFRP筋）与砂浆界面粘结性能、砂浆与混凝土界面粘结性能、砂浆与岩石界面粘结性能、混凝土中局部断裂能的分布规律及砂浆中局部断裂能的分布规律。砂浆与混凝土界面粘结性能的研究中，本项目通过对混凝土块体进行局部约束支撑，避免了传统的砂浆从混凝土块体压出试验中混凝土的开裂破坏，从而得到了理想的砂浆与混凝土界面粘结滑移曲线。利用钢筋与砂浆界面的粘结滑移本构关系及砂浆与混凝土界面的粘结滑移本构关系，对本项目前期工作中关于钢筋-砂浆-混凝土三相介质锚固体发生界面粘结破坏所提出的解析模型进行修正，更为准确地计算了钢筋极限抗拔力及界面粘结应力的分布表达式，并得到了试验验证。为后期有限元数值模拟锚杆拔出特性提供了合理的计算参数。砂浆与混凝土的断裂特性研究中，本项目通过理论与试验相结合，得到了局部断裂能在砂浆与混凝土试件中的分布规律，确定了试件前后边界对局部断裂能分布的影响，完善了边界效应理论，为争论了30余年的似水泥材料断裂能的尺寸效应问题提供了较为合理的解释。同时为后期采用有限元数值模拟分析混凝土锥形破坏时混凝土中裂缝的扩展规律提供了重要的计算参数。关于锚固体耐久性方面的研究中，本项目目前仅进行了钢筋与砂浆粘结试件及砂浆与混凝土粘结试件海水浸泡一年期内的粘结性能试验。结果表明，光圆钢筋与砂浆的粘结强度随浸泡时间的增加而增加。但螺纹钢筋与砂浆的粘结试验及砂浆与混凝土的粘结试验中均出现了砂浆块体与混凝土块体的开裂现象，未得到理想的结果。后期的工作将对该试验方案进行改进。此外，后期的工作将考虑采用废弃的ABS/PC塑料颗粒替代部分细骨料配制砂浆与混凝土，研究其基本力学性能及耐久性。随后，将该再生材料作为注浆材料应用于在混凝土后锚固及支护工程中。另外，将采用玄武岩纤维筋（BFRP筋）作为锚杆材料，研究其与似水泥材料的粘结特性，主要考虑其径向变形对粘结参数的影响。本项目的研究成果将具有重要的学术意义和工程意义。