不同膠層厚度條件下CFRP－混凝土粘結(jié)界面的疲勞性能

李樹霖，王 博

自20世紀(jì)40年代以來，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡稱為FRP）被廣泛地應(yīng)用于航空、船舶、汽車、化工、醫(yī)學(xué)及機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。近些年來，由于FRP材料在價(jià)格等方面的變化，并且FRP具有相對于鋼材的質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕以及抗疲勞等優(yōu)越性能，已經(jīng)被土木工程界的學(xué)者們所關(guān)注，并嘗試將其用在加固混凝土結(jié)構(gòu)或舊橋維修工程之中［1］。FRP加固技術(shù)有兩種：①外貼法，即利用特制的粘結(jié)劑將纖維布材或板材粘貼于混凝土構(gòu)件表面的加固方法；②內(nèi)嵌法，即將纖維材料用粘結(jié)劑嵌入預(yù)先開出的槽洞中的方法。由于外貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的工藝簡單、施工方便，因此外貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)成為國內(nèi)、外十分熱門研究課題，并且主要集中于靜載作用下FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的粘結(jié)性能和力學(xué)性能的研究［2－4］。對于在疲勞荷載作用下粘結(jié)界面抗疲勞性能的研究，還是鮮見的。

在現(xiàn)實(shí)生活中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生的破壞很大一部分原因是疲勞破壞，即結(jié)構(gòu)承載能力退化導(dǎo)致破壞。而由疲勞破壞造成的重大事故有許多，如：美國的Yellow Mill Pond大橋和韓國的圣水大橋坍塌，以及中國的臺灣高屏大橋橋面斷裂和宜賓金沙江大橋橋面坍陷等，它們都是因?yàn)槠趽p傷引起結(jié)構(gòu)承載能力退化而造成的，并且疲勞損傷很難被人們注意和發(fā)現(xiàn)。關(guān)于FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)界面疲勞性能的主要參數(shù)有疲勞循環(huán)幅值、FRP材料的厚度和寬度、FRP的有效粘結(jié)長度以及粘結(jié)劑的種類等。Carloni［5］等人采用CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行單剪試驗(yàn)得到：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，CFRP－混凝土的粘結(jié)界面剛度逐漸退化；劉沐宇［6］等人用CFRP加固混凝土梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)得到：加固后混凝土梁的疲勞壽命和疲勞抗裂性能有明顯的提高；Gheorghiu［7］等人在高水平循環(huán)荷載下CFRP和混凝土粘結(jié)處的應(yīng)變大于低水平循環(huán)荷載下的，且在較高的循環(huán)荷載作用下，梁的界面粘結(jié)退化更加明顯；Bizindavyi［8］等人用FRP加固的素混凝土構(gòu)件進(jìn)行單剪試驗(yàn)得出：循環(huán)應(yīng)力越高，滑移就越大，粘結(jié)界面的疲勞壽命就越短；Kim［9］等人通過FRP和混凝土構(gòu)件界面之間能量消散的變化情況來探討疲勞損傷的累積和粘結(jié)界面剝離的擴(kuò)展；Yun［10］等人采用素混凝土雙剪試驗(yàn)研究不同的疲勞循環(huán)幅值上、下限的荷載－滑移滯回曲線得出：隨循環(huán)幅值的增大，1萬次后的循環(huán)回路包含區(qū)域逐漸增大。這表明能量消散逐漸增大，因此關(guān)于粘結(jié)界面的滯回能在不同循環(huán)幅值下的變化規(guī)律還存在一定的分歧。作者擬從能量的角度出發(fā)，研究膠層厚度外貼CFRP－混凝土粘結(jié)界面的疲勞性能，為深入了解CFRP－混凝土粘結(jié)界面的疲勞性能起到一定的作用，以期對加固工程提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案概述

1.1 試件概況

為了研究CFRP－混凝土粘結(jié)界面的疲勞性能，本次試驗(yàn)采用雙剪試驗(yàn)?zāi)Ｐ停嚰疽馊鐖D1所示。試件結(jié)構(gòu)為兩塊尺寸（150mm×150mm×300mm）相同的混凝土和CFRP板材，用粘結(jié)劑（Sika－Sikadur－30）將 CFRP板粘結(jié)在混凝土的一對對立面上?；炷翂K在預(yù)制時(shí)，一端埋入一根φ20的螺紋桿件，另一端在混凝土的四角附近埋入4根鋼釘。拼裝試件時(shí)，用套筒連接兩個(gè)混凝土塊，形成鋼導(dǎo)向桿。在試驗(yàn)過程中，要避免試件上、下混凝土塊發(fā)生錯位，否則，會使CFRP板發(fā)生扭轉(zhuǎn)，影響試驗(yàn)的結(jié)果。

圖1 試件結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）Fig.1 The schematic diagram of specimen（unit：mm）

試驗(yàn)中所用到的混凝土、CFRP板及粘結(jié)劑的參數(shù)見表1。

表1 混凝土、CFRP板及粘結(jié)劑的參數(shù)Table 1 The parameters of the concrete，CFRP plate and the binder

1.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)置3組試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，每組試件3個(gè)，試驗(yàn)的變化參數(shù)為粘結(jié)劑膠層厚度（1，2和3mm）。試驗(yàn)區(qū)CFRP板的粘結(jié)長度均為150mm，非試驗(yàn)區(qū)CFRP板的粘結(jié)長度均為200mm，并用碳纖維布進(jìn)行包裹，保證破壞出現(xiàn)于試驗(yàn)區(qū)位置。

1.3 試驗(yàn)加載方案

1）預(yù)加載階段

與靜載試驗(yàn)相類似，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)之前，先分級加載至6kN，然后卸載。通過調(diào)試，以保證CFRP板A和B二面應(yīng)變的一致性。

2）疲勞加載試驗(yàn)階段

預(yù)加載完成后，在MTS中設(shè)定疲勞幅值的上、下限分別為20kN和6kN，加載頻率為5Hz，開始進(jìn)行疲勞循環(huán)試驗(yàn)。

在疲勞循環(huán)試驗(yàn)過程中，分別測出試驗(yàn)粘結(jié)區(qū)自由端在1次、1萬次、10萬次、25萬次、50萬次、100萬次、150萬次及200萬次時(shí)的動態(tài)滑移量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疲勞試驗(yàn)循環(huán)能分析

結(jié)構(gòu)構(gòu)件在疲勞荷載反復(fù)作用過程中，會出現(xiàn)一定的變形特征、剛度退化及能量的消耗等，可以通過荷載－滑移關(guān)系曲線來表示，即滯回曲線。疲勞荷載作用一個(gè)周期，滯回曲線所形成的閉合曲線稱滯回環(huán)，滯回環(huán)的面積S滯代表著在加、卸載過程中能量的消耗，即循環(huán)消耗能，在加載曲線與橫軸所圍得的面積稱為單位體積能S加［11－12］，而卸載曲線和橫軸圍成的面積代表單位體積變形能S卸，由此可以得到S滯＝S加－S卸。

在不同的膠層厚度下，3組試件的單位體積能和單位體積變形能隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系分別如圖2，3所示。

圖2 單位體積能與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationships between the energy per unit volume and cycles

從圖2中可以看出，在200萬次循環(huán)過程中，試件F－150－1和F－150－2的CFRP－混凝土粘結(jié)界面的單位體積能S加隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈增長趨勢，而試件F－150－3的S加隨著循環(huán)次數(shù)的增加保持穩(wěn)定。試件F－150－1粘結(jié)界面單位體積能S加的增長速率較試件F－150－2的快；由圖3可知，CFRP－混凝土粘結(jié)界面上單位體積變形能S卸隨循環(huán)次數(shù)的增加而增長，試件F－150－3的CFRP－混凝土粘結(jié)界面的單位體積變形能S卸維持穩(wěn)定。通過對比不同膠層厚度下試件的單位體積能S加和單位體積變形能S卸隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，同一膠層厚度試件的單位體積能S加和單位體積變形能S卸隨循環(huán)次數(shù)的增加有相同的變化趨勢；通過對比可知，在相同的循環(huán)次數(shù)時(shí)，不同膠層厚度試件的單位體積能S加和單位體積變形能S卸均隨膠層厚度的增加而減小。

圖3 單位體積變形能與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationships between the deformation energy per unit volume and cycles

基于能量的觀點(diǎn)，對界面的疲勞性能研究集中于疲勞荷載上、下幅值的變化。本試驗(yàn)主要考察粘結(jié)劑厚度的變化對CFRP－混凝土粘結(jié)界面在疲勞循環(huán)過程中截面滯回能S滯的影響。在200萬次疲勞循環(huán)過程中，分別選取膠層厚度為1，2和3mm，試件粘結(jié)界面的循環(huán)消耗能S滯隨循環(huán)次數(shù)的變化情況（如圖4所示）作為分析界面疲勞損傷程度和速率的依據(jù)。從圖4中可以看出，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，試件F－150－1和F－150－2粘結(jié)界面的循環(huán)消耗能S滯均有所增長，而試件F－150－3粘結(jié)界面的循環(huán)消耗能S滯略微有所下降；CFRP－混凝土粘結(jié)界面的循環(huán)消耗能S滯隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增長。增長幅度最大的為試件F－150－1，試件F－150－2次之，而試件F－150－3的增長幅度最??；在循環(huán)加載過程中，各試件在相同循環(huán)次數(shù)時(shí)的循環(huán)消耗能S滯隨著膠層厚度的增加而減小，即在相同循環(huán)次數(shù)下，CFRP－混凝土粘結(jié)界面疲勞損傷程度隨試件膠層厚度的增加而減小。這說明膠層厚度的增加能夠?qū)σ种艭FRP－混凝土粘結(jié)界面的剛性退化起到積極的作用；試件F－150－3的S滯隨著循環(huán)次數(shù)的增長穩(wěn)定而略有降低。這說明CFRP－混凝土粘結(jié)界面的剛性在均勻退化，疲勞損傷均勻累積。

圖4 不同膠層厚度下消耗能與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationships between the dissipation energy per unit volume and cycles under different adhesive thickness

2.2 粘結(jié)界面自由端循環(huán)最大滑移量分析

在疲勞荷載循環(huán)作用下，CFRP－混凝土粘結(jié)界面的剛度在逐漸退化。對于不同膠層厚度的試件，CFRP－混凝土試驗(yàn)區(qū)粘結(jié)界面自由端每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的最大滑移量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 試件試驗(yàn)粘結(jié)區(qū)自由端最大滑移量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationships between the largest free end slip of specimen bonded area and cycles

從圖5中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件F－150－1和F－150－2在每一循環(huán)周期內(nèi)自由端最大滑移量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。而試件F－150－3在每一循環(huán)周期內(nèi)自由端最大滑移量隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出緩慢增長趨勢；對于不同膠層厚度的試件，其試驗(yàn)粘結(jié)區(qū)自由端在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)最大滑移量均隨膠層厚度的增加而增長。這說明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件CFRP－混凝土粘結(jié)界面存在著疲勞損傷的積累。膠層厚度較大的試件其粘結(jié)界面疲勞損傷程度較小。這說明膠層厚度的增加能夠抑制粘結(jié)區(qū)剛度的退化，降低界面疲勞損傷的程度。

3 結(jié)論

從能量的角度來探究疲勞損傷是一種很有效的方法。通過試驗(yàn)，得到的循環(huán)消耗能和試驗(yàn)區(qū)粘結(jié)界面自由端循環(huán)最大滑移量等一系列數(shù)據(jù)，得到的結(jié)論為：

1）對于3種不同膠層厚度的試件，其試驗(yàn)區(qū)CFRP－混凝土粘結(jié)界面的單位體積能S加和單位體積變形能S卸都隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，膠層厚度越大，其增長速度越慢。

2）試件試驗(yàn)區(qū)CFRP－混凝土粘結(jié)界面的循環(huán)消耗能S滯隨著粘結(jié)界面膠層厚度的增加而減小，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。膠層厚度越大，其增長速度越慢。這說明膠層厚度對粘結(jié)界面剛度的退化起到抑制作用，且膠層厚度越大，粘結(jié)界面疲勞損傷程度越均勻。

3）試件試驗(yàn)區(qū)CFRP－混凝土粘結(jié)界面自由端每一循環(huán)周期內(nèi)的最大滑移量隨循環(huán)次數(shù)的增加均呈上升趨勢；對于同一循環(huán)周期，試件自由端每一循環(huán)周期內(nèi)的最大滑移量隨膠層厚度的增加而減小。膠層厚度越大，其增長速度越慢。這說明膠層厚度越大，疲勞損傷的累積越均勻。

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