钢筋的腐蚀，已经成为了降低结构使用性和耐久性的主要因素之一。无论是在国内或者国外，钢筋的腐蚀破坏造成的直接损失与间接损失，已远远超出人们的预料。而碳纤维复材筋具有拉伸强度高、质量轻、可设计性强、具有较强的耐腐蚀、抗疲劳等优点，替代钢筋应用于腐蚀环境里越来越得到重视^{[1,2,3,4,5,6]}。国内外已经开始将CFRP棒材应用于土木工程中，吕志涛院士等^[7]主持了国内首座CFRP索斜拉桥的设计和应用研究。碳纤维复材筋是采用连续碳纤维作为增强纤维，热固性树脂作为基体材料，将增强纤维和基体树脂胶合，通过模具挤压拉拔快速固化成型的一种复合材料^[8]。笔者依据规范GB/T 26743—2011^[9]中的规定，对两种不同规格的的碳纤维复材筋开展力学性能试验，分别对纤维种类、纤维体积含量、产品的拉挤速率、螺纹成型工艺等因素进行分析，得出相应的影响规律，对于国产碳纤维复材筋的生产工艺改进提供一定的依据。

　　 本次试验主要考虑试件生产拉挤速率、螺纹筋螺纹成型工艺、纤维材料特性、纤维体积含量以及锚固端处理方式对试验结果的影响。

　　 试验中采用的5mm光圆筋考虑纤维体积含量和锚固段处理方式的影响;采用8mm的螺纹筋考虑生产拉挤速率、螺纹成型工艺、纤维材料特性的影响。5mm光圆筋和8mm螺纹筋的基本参数见表1，表面状态见图1。

　　 本试验选择采用树脂套筒粘结型锚固体系。套筒内径约为CFRP筋外径的2倍，套筒内的树脂或粘结剂起到粘结锚固作用(图2)。在试验时，应保证试件在钢管的中心，使锚具只起到传递拉力而不传递扭矩和弯矩的作用，同时灌注胶体时尽量保证竖直灌注，已达到钢管内胶体密实的目的，避免对试验结果产生大的影响^[10,11]。本试验采用20号无缝钢管，内径16mm，壁厚3mm，试件锚固长度250mm。锚固设计见表2。

　　 试件的破坏状态主要分为四种:纤维分散式断裂破坏、脆性断裂破坏、锚固失效破坏以及外层纤维肋断裂破坏，如图3所示。

　　 (1)纤维分散式断裂破坏:由于纤维断裂过程中，具有很大的能量被释放，首先造成相应数量的外层纤维断裂分散出来，进而内层纤维逐渐断裂，最终形成所有纤维断裂的分散式破坏。

　　 (2)脆性断裂破坏:锚固段滑移产生频率很大的振动，导致筋材的测试段被振断成多段，定义为脆性断裂破坏。

　　 (3)锚固失效破坏:筋材和树脂之间的摩擦力、机械咬合力和化学附着力等的总和小于试件的极限承载力，试件就会发生滑移，最终锚固失效。

　　 (4)外层纤维肋断裂:在拉应力很小时，外层纤维肋断裂，进而锚固端内外层纤维肋与内部芯材脱离。

　　 碳纤维复材筋的应力-应变曲线为一条直线。试件破坏时没有征兆，试件突然断裂，无屈服阶段，为脆性破坏。

　　 根据规范GB/T 26743—2011^[9]的有关规定对试验数据进行处理。试验结果见表3。

　　 本次试验采用了3种纤维组合的CFRP筋，结果表明，T400碳纤维和高强玻璃纤维的组合形成的CFRP筋的弹性模量明显偏小，延伸率偏大，这是由于高强玻璃纤维的弹性模量小且延伸率大的原因。T300碳纤维的CFRP筋的强度明显比T400的碳纤维筋强度要小，这主要是由于T300的碳纤维比T400的碳纤维强度要低。以上现象可以从复合材料混合定律得到解释。所以材料本身的特性对CFRP筋的性能影响很大。当需要高强度的CFRP筋时，建议选择高强度的纤维和相应的适配树脂，当需要延性好的CFRP筋时，可考虑纤维混杂(混杂玻璃纤维或者钢纤维)。生产时，可以根据产品的需要，选择所用的纤维种类。

　　 由复合材料的基本强度理论知，在纤维的体积含量和抗拉强度都远大于基体树脂的含量和强度时，复合材料的抗拉强度主要是由纤维的抗拉强度所决定。从图4中可以看出，5mm纤维筋体积含量从68.5%增加到70.5%，抗拉强度经历了先上升后下降的阶段，强度下降主要是因为纤维体积含量过大，基体树脂没有完全润湿和渗透纤维束，以致纤维贫胶且在复合材料中产生空隙，最终导致复合材料拉伸性能的下降。

　　 以8mm螺纹筋为例，G,H和I三组产品的拉挤速率分别为400,500,600 mm/min(图5)。从图中可以看出，随着产品的拉挤速率的增大，抗拉强度先增长后下降，产品的变异系数增大迅速，这主要是随着产品的拉挤速率的增大，产品中出现的相应缺陷的概率也会相应地增大，进而造成产品的离散程度加大，如果拉挤速率过快，产品固化不完全，造成产品性能下降;如果拉挤速率过慢，纤维筋在模具中停留时间过长，制品固化过度，降低生产效率。所以对于产品的拉挤速率要进行综合考虑，最终确定合理的产品拉挤速率，进而得到性能稳定的CFRP筋。

　　 以F组表面缠绕碳纤维肋的2步成型工艺法CFRP筋和压挤成型肋的H组进行对比试验。对比试验现象和试验数据，F组试件在应力为1 349.6MPa时，试件外层纤维肋断裂甚至脱离内芯棒材，造成锚固失效。而相对比下，8mm凹螺纹筋达到2 380.3MPa时，试件发生纤维分散式断裂破坏，反映在对试件的抗拉强度的影响上，见图6。螺纹筋的破坏状态见图3。所以在目前情况下，碳纤维螺纹筋的生产建议采用压挤肋，不建议采用纤维缠绕肋。

　　 锚固端处理方式的不同，主要是增大了粘结剂与筋材的表面的摩擦力，从而起到增加粘结强度的目的。从本试验中，锚固段处理方式直接影响到锚固性能的好坏，进而影响到试件的破坏状态和试验数据的准确性。试验中分别进行了锚固端打磨处理、环氧树脂粘结石英砂和环氧胶膜粘结石英砂(环氧胶膜的抗剪强度大于环氧树脂的抗剪强度)的对比。从破坏状态来看，D组试件中，环氧胶膜粘砂的破坏状态多为纤维分散式断裂破坏且锚固端没有滑移，试件锚固段为环氧树脂粘砂的试件多为脆性断裂破坏且锚固端有轻微滑移;从抗拉强度的数值来看，纤维分散式断裂破坏的抗拉强度为2 670.3MPa，明显大于脆性断裂破坏的试件抗拉强度为2 435.0MPa，所以环氧胶膜的粘砂效果明显好于环氧树脂粘砂。其次从图7中和表3中可以看出，无论从锚固效率还是所有试件的抗拉强度平均值来看，环氧胶膜粘砂的锚固效果都是最好的，而环氧树脂粘砂的锚固效果比打磨处理锚固效果要好。所以进行碳纤维复材筋测试时，为了对试验结果影响最小，建议对碳纤维复材筋表面用抗剪强度高的树脂进行粘砂处理效果为宜。

　　 (1)碳纤维复材筋的应力-应变曲线近似为直线，没有屈服阶段，最终破坏为分散式纤维断裂破坏。

　　 (2)抗拉强度随着纤维体积含量先上升后下降，在进行产品生产时，建议纤维体积含量不要超过70%。

　　 (3)产品拉挤速率关系到产品的经济效益和性能好坏。对于8mm螺纹筋，纤维体积含量为65%时，产品拉挤速率为500mm/min为宜。

　　 (4)在本文的锚固性能测试中，环氧胶膜的粘砂锚固效果最好，优于打磨处理和环氧树脂粘砂效果。

　　 (5)进行碳纤维复材筋测试时，建议锚固端采用剪切强度比较大的胶体进行粘砂处理，在粘砂牢固的情况下，选用合理的锚固长度，将有利于保证结果的准确性。