预制混凝土夹心保温墙体由内外叶预制混凝土板、保温层、穿过保温层连接内外叶板的连接件组成^[1], 是一种集承重、保温、装饰于一体的新型保温外墙体系。在该墙体中, 保温层被置于两层预制混凝土板之间, 从而显著改善了保温体系的耐久性和抗火性能, 实现了保温体系与主体结构同寿命, 降低了建筑的全生命周期成本。

连接件是预制混凝土夹心保温墙体中的关键部件, 其物理力学性能将对墙体安全产生重大影响。目前工程中常用的连接件有纤维增强复合材料 (FRP) 连接件和不锈钢连接件2类。与不锈钢连接件相比, FRP连接件具有较高的比强度和优越的隔热性能, 其导热系数约为不锈钢的1/3。20世纪80年代开始, FRP连接件被应用于预制夹心保温墙体中^[2], 其对避免保温墙体连接部位冷热桥具有显著效果。

工程实际中, 预制混凝土夹心保温墙体承受自重、风荷载、地震荷载等, 在连接件中产生轴向力和切向力。研究表明, 连接件的拔出和剪切承载力是影响墙体力学性能的关键性能。预制夹心保温墙体中的FRP连接件处于混凝土环境, 而混凝土环境属于强碱环境, p H值可达12.0~13.5, FRP连接件在碱环境下的耐久性对其在结构全生命周期内的使用安全有很大影响。此外, FRP属于有机材料, 其抗火性能弱于无机材料, 在火灾和高温下, FRP材料发生劣化, 力学性能下降, 墙体抗火安全性将受到影响。

因此, 为推广FRP连接件在实际工程中的应用, 有必要测试其拔出承载力、剪切承载力、耐久性能和抗火性能。本文归纳整理了目前研究和应用中常用的FRP连接件拔出承载力、剪切承载力、碱环境下耐久性能及抗火性能测试方法, 对每种方法的优缺点进行了对比总结, 并对其应用前景提出建议。

双侧锚固拔出试验中试件由混凝土板、FRP连接件、夹持钢筋和锚固钢筋组成 (见图1) , 为防止混凝土板过早劈裂, 可在其中配置防劈裂钢筋。混凝土板长、宽尺寸可取FRP连接件间距, 防劈裂钢筋不应配置于FRP连接件锚固长度内。试验中拉伸夹持钢筋, 直至FRP连接件锚固失效或被拉断。

此方法试件浇筑较简单, 试验时只需采用万能试验机拉伸两侧夹持钢筋, 操作简便。但应特别注意两侧夹持钢筋和FRP连接件的对中, 否则试验中FRP连接件可能受到剪力和扭矩, 影响试验结果的准确性。此外, 防劈裂钢筋的影响范围难以确定, 可能会对FRP连接件拔出承载力有一定的提高作用。

ASTM E488—96《Standard Test Methods for Strength of Anchors in Concrete and Masonry Elements》^[3]中针对混凝土结构构件和砌体结构构件中的锚固件提出了一种拔出试验方法 (见图2) 。此方法中, 锚固件的一侧锚固于构件中, 另一侧与拉伸装置连接, 通过穿心式千斤顶拉伸锚固件。

FRP连接件的单侧锚固拔出试验方法参考了上述试验方法, 其中的关键为FRP连接件如何与拉伸装置相连。一般认为, 可采用强度远高于预制夹心保温墙体内外叶板混凝土的材料浇筑夹持端, 再将夹持端置于拉伸装置中, 保证试验中FRP连接件不与拉伸装置脱离。

单侧锚固拔出试验中试件由混凝土板、FRP连接件、夹持端组成 (见图3) 。混凝土板长、宽尺寸可取FRP连接件间距。夹持端一般采用高强灌浆料或环氧树脂浇筑而成, 当有可靠依据时, 也可采用其他材料。试验中将夹持端置于钢框架和钢棒组成的夹具中, 拉伸钢棒, 直至FRP连接件锚固失效或被拉断, 在此过程中夹持端不应发生破坏。

此方法中混凝土板所用混凝土为素混凝土, 消除了钢筋对FRP连接件拔出承载力的增强作用, 结构设计中采用此结果安全性更高。

FRP连接件的双侧剪切试验方法参考了EN1994-1-1—2004《Eurocode 4:Design of Composite Steel And Concrete Structures-Part 1-1:General Rules and Rules for Buildings》^[4]中组合梁抗剪连接件的推出试验 (见图4) 。试件由3层混凝土板和连接件组成 (见图5) , 两侧混凝土板厚度取预制混凝土夹心保温剪力墙外叶板厚度 (一般为60mm) , 中间混凝土板一般取两侧混凝土板厚度的2倍 (当连接件两侧锚固长度不同时, 可取内叶板厚度的2倍) 。为避免扭转, 每个试件建议使用8个连接件。可按实际工程配筋情况在混凝土板中配置钢筋, 避免发生混凝土劈裂破坏。试验时, 建议去除保温材料, 保证测试结果的通用性。试验中, 对中间混凝土板施加推出荷载, 直至试件破坏 (连接件拔出或发生剪切破坏) 或混凝土板间滑移达到规定值。

此方法基本模拟了实际工程中预制混凝土夹心保温墙体中连接件的剪切受力模式, 可考虑保温层厚度影响, 是目前相关研究和应用中最常用的剪切试验方法。

ASTM E488—96^[3]中锚固件剪切承载力测试方法为单侧剪切, 即锚固件一侧预埋于混凝土中, 另一侧穿过剪切板, 通过拉伸与剪切板相连的拉杆对锚固件施加剪力 (见图6) 。国际评估机构ICC-ES发布的AC320—2006《Acceptance Criteria for FiberreinforcedCompositeConnectorsAnchoredin Concrete》^[5]中采用此方法测试FRP连接件剪切承载力。为实现拉杆与连接件的有效连接, 采用环氧树脂在将连接件自由端固定至1个海姆连接, 再将拉杆与海姆连接相连 (见图7) 。试验中拉伸拉杆, 直至连接件发生剪切破坏或锚固失效。

上述试验方法中剪切面紧贴混凝土板, 连接件只受剪力, 而实际工程中由于保温层的存在, 连接件实际承受弯剪复合作用。为考虑保温层厚度对连接件剪切承载力的影响, 可采用含保温层的试件进行单侧剪切试验 (见图8) ^[6,7]。试件由2层混凝土板和连接件组成, 试件构造参照工程原型。试验时, 将试件水平放置, 固定下层预制混凝土板, 对上层混凝土板施加推力, 直至试件破坏 (连接件拔出或发生剪切破坏) 或混凝土板间滑移达到规定值。

单侧剪切试验方法中试件构造相对简单, 但无法消除偏心影响, 试验结果存在误差。

ACI440.3R—2012《Guide Test Methods for Fiber Reinforced Polymer (FRP) Composites for Reinforcing or Strengthening Concrete and Masonry Structures》^[8]中规定了FRP材料的碱环境下耐久性试验方法。此方法为加速老化试验, 将试样置于Ca (OH) ₂, KOH和Na OH的混合溶液中, 溶液p H值控制在12.6~13.0, 碱溶液配制如表1所示。试验中溶液温度控制在 (60±3) ℃, 并应定期测量溶液p H值并调整碱溶液, 确保p H值稳定。侵蚀至指定时间后, 按标准试验方法测试试样残余强度。

研究表明, 混凝土孔隙水环境的碱性成分主要为Ca (OH) ₂, 其次还有少量的Na OH和KOH^[9], 因此, 上述碱溶液配制模拟了真实的混凝土孔隙水环境。加速老化试验中溶液温度不应超过树脂的玻璃化温度, 且不应引入新的退化机理。Benmokranel Brahim等开展了一系列针对FRP筋的耐久性研究, 建议采用60°C作为加速试验溶液温度^[10]。

采用高温加速老化试验, 可大大缩短试验时间, 预测FRP材料在自然环境下设计使用年限内的性能退化规律。

文献[5]中给出了另一种FRP材料在碱环境下的耐久性试验方法。此方法规定:试验中将试样置于p H值为12的碱溶液中, 溶液温度控制在 (73±3)  (23℃±1.6℃) , 浸泡1 000h和3 000h后, 按标准试验方法测试试样强度。

此方法中未规定溶液的具体配合比, 试验结果的可比性较差;且室温下难以通过较短时间内的耐久性试验结果预测自然环境下设计使用年限内FRP材料的性能退化规律。

预制混凝土夹心保温墙体受火时, FRP连接件不直接接触火焰, 其力学性能下降规律受混凝土保护层厚度影响很大。因此, 连接件抗火性能通过墙体的耐火试验测试。

墙体耐火试验按照GB/T9978.1—2008《建筑构件耐火试验方法第1部分:通用要求》^[11]、GB/T9978.4—2008《建筑构件耐火试验方法第4部分:承重垂直分隔构件的特殊要求》^[12]和GB/T9978.8—2008《建筑构件耐火试验方法第8部分:非承重垂直分隔构件的特殊要求》^[13]进行, 试验如图9所示。试件材料性能及连接件布置根据工程原型确定。试件尺寸应符合试验炉口的安装条件。试验时墙体单面受火, 试验炉炉温控制采用炉内空气平均温度并按ISO834标准升温曲线进行升温控制, 其升温曲线方程如下:

式中:T为炉内平均温度 (℃) ;t为时间 (min) 。

试件的耐火性能应从承载力、完整性和隔热性3个方面判定。如墙体的耐火极限满足要求, 则可认为连接件抗火性能满足要求。此方法真实反映了预制混凝土夹心保温墙体受火时连接件的性能劣化规律, 但试验较为复杂。

上述试验方法的优缺点对比如表2所示。基于对比可见, 单侧锚固拔出试验方法、双侧剪切试验方法、高温加速老化试验方法、墙体耐火试验方法能较为真实地得到预制混凝土夹心保温墙体全生命周期内连接件的性能, 合理有效, 具备可行性。因此, 课题组主编的《预制保温墙体用纤维增强塑料连接件》 (报批稿) 和DG/TJ08—2158—2017《预制混凝土夹心保温外墙板应用技术标准》^[14]中建议采用上述试验方法。

本文介绍了目前研究和应用中常用的FRP连接件拔出承载力、剪切承载力、碱环境下耐久性能、抗火性能试验方法, 对上述方法的优缺点进行了对比与分析, 提出了建议试验方法, 即拔出承载力建议采用单侧锚固拔出试验方法、剪切承载力建议采用双侧剪切试验方法、碱环境下耐久性建议采用高温加速老化试验方法、抗火性能建议采用墙体耐火试验方法。

需要指出, 采用墙体耐火试验测试FRP连接件的抗火性能较为复杂, 试验成本高、周期长。因此, 今后仍需建立FRP连接件高温性能、燃烧性能与其在墙体受火时性能劣化规律间的关系, 提出更为简便的抗火性能试验方法。