BFRP和CFRP加固受彎混凝土界面疲勞性能試驗

謝建和　黃昆泓　李自堅　張洹　許光輝

摘要：以纖維增強復(fù)合材料（FRP）片材外貼混凝土受彎構(gòu)件為研究對象，探討玄武巖纖維（BFRP）和碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）加固混凝土界面疲勞性能。通過實施四點彎曲加載試驗，研究了BFRP和CFRP加固混凝土界面疲勞破壞模式、界面疲勞裂縫擴展規(guī)律以及構(gòu)件跨中撓度和FRP應(yīng)變隨加載循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，并對BFRP和CFRP加固混凝土界面的靜載剝離承載力和疲勞壽命進行了分析，給出了BFRP和CFRP加固混凝土界面的疲勞強度。研究結(jié)果表明：與BFRP-混凝土界面相比，CFRP-混凝土界面的靜載剝離承載力提高了約50%，其疲勞壽命也明顯提高；既有疲勞歷程對BFRP和CFRP加固混凝土界面的靜載剝離承載力影響不大。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)工程；剝離承載力；玄武巖纖維；碳纖維增強復(fù)合材料；界面；疲勞

中圖分類號：TU375.1 文獻標(biāo)志碼：A

0引 言

纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）片材加固技術(shù)具備強度高、耐腐蝕、輕質(zhì)和施工便捷等優(yōu)點，其中碳纖維增強復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）由于抗拉性能優(yōu)越，正被廣泛地應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固工程中。與碳纖維相比，玄武巖纖維（Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP）具有更好的耐溫性和更低的價格，是一種環(huán)保的綠色工業(yè)材料，是目前各國土木建筑加固領(lǐng)域的一個研究熱點。在FRP片材加固技術(shù)中，F(xiàn)RP直接粘貼于混凝土表面，F(xiàn)RP-混凝土界面既是傳遞應(yīng)力的關(guān)鍵部位，又是加固構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，界面的破壞將導(dǎo)致FRP剝離，造成整個結(jié)構(gòu)的破壞。因此，F(xiàn)RP-混凝土界面力學(xué)性能引起各國學(xué)者的關(guān)注。然而，目前關(guān)于FRP-混凝土界面力學(xué)性能的研究主要集中于其靜力性能[1-6]，針對其疲勞性能的研究卻少見報道。Ferrier等[7]、Bizindavyi等[8]、Meneghetti等[9]、Nigro等[10]和Carloni等[11]先后采用FRP加固素混凝土單剪模型對界面疲勞性能進行了試驗研究，Ko等[12]、Yun等[13]、Diab等[14]和彭暉等[15]則通過開展FRP加固素混凝土界面的雙剪試驗，對FRP-混凝土界面的疲勞行為進行了研究。郭樟根等[16]和Gartner等[17]認為，單剪和雙剪模型處于純剪切狀態(tài)，均不能反映實際FRP加固梁受力狀態(tài)，故由這些簡化模型所獲得的研究結(jié)果很難應(yīng)用到處于彎剪狀態(tài)的實際結(jié)構(gòu)中。

為此，本文擬以FRP布外貼混凝土加固受彎構(gòu)件為對象，通過實施四點彎曲疲勞試驗，研究BFRP和CFRP加固混凝土的界面疲勞破壞模式、界面疲勞裂縫擴展規(guī)律以及構(gòu)件跨中撓度和FRP應(yīng)變隨加載循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，并對BFRP和CFRP加固混凝土界面進行疲勞壽命分析。

1試驗概況

1.1試件設(shè)計

本文研究設(shè)計了10根如圖1所示的FRP-混凝土加固受彎構(gòu)件，其中5根采用CFRP加固，另5根采用BFRP加固。圖1中，F(xiàn)為荷載。該構(gòu)件由2個150 mm×150 mm×300 mm的素混凝土棱柱組成，2個混凝土棱柱由1根長度為450 mm、直徑為10 mm鋼筋連接，混凝土棱柱相鄰側(cè)面距離為10 mm。2個混凝土棱柱底面由長度為460 mm、寬度為120 mm的單層纖維布連接，非粘結(jié)區(qū)長度均為15 mm。為了保證破壞發(fā)生在非粘結(jié)區(qū)一側(cè)，對另一側(cè)的纖維布用寬度為100 mm的BFRP布進行U型裹纏，如圖1所示。本文試驗采用了日本東麗生產(chǎn)的UT70-30型CFRP布和浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的單向BFRP布，單層纖維布的計算厚度均為0.167。FRP布和粘結(jié)樹脂的力學(xué)性能如表1所示。

1.2試驗加載與測量

本文研究的試驗在SDS500型電液伺服疲勞試驗機上進行，采用四點彎曲加載方式，試驗加載裝置如圖2所示。實施了靜力加載、疲勞后再靜力加載以及疲勞加載3種試驗方式。靜力加載采用位移控制模式，加載速度為0.2 mm·min-1。疲勞加載采用力控制模式，疲勞循環(huán)的荷載波為正弦波，加載頻率為2 Hz，疲勞應(yīng)力比為0.2，試件疲勞試驗的荷載上限根據(jù)其靜力極限荷載不同百分比進行取值，各試件的試驗條件與試驗結(jié)果如表2所示。

為了測試FRP應(yīng)變的變化規(guī)律，在FRP表面密貼電阻式應(yīng)變片（電阻柵尺寸為3 mm×2 mm），應(yīng)變片位置如圖3所示。每個試件布置21個應(yīng)變片，沿寬度方向分a組、b組和c組，沿長度方向布置7列。試驗的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由疲勞試驗機和TMR-211動態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)組成，位移、應(yīng)變和力等數(shù)據(jù)的測量和記錄隨著疲勞試驗同步進行。此外，在正式加載前，先對試件靜力加載5 kN，以消除試件與機器之間的間隙。

2試驗結(jié)果與分析

2.1破壞模式

BFRP和CFRP加固構(gòu)件的靜載試驗均以FRP梁編號混凝土圓柱體強度/MPa加載方式承載力/kN疲勞壽命/次疲勞荷載上限/kN應(yīng)力比破壞模式

界面剝離破壞結(jié)束，其破壞形態(tài)如圖4所示。加固構(gòu)件的破壞過程主要表現(xiàn)為：跨中附近混凝土率先出現(xiàn)豎向裂縫，裂縫與FRP軸線大致成45°夾角；隨著荷載的增加，F(xiàn)RP-混凝土界面在該裂縫根部開始剝離，并向FRP布自由端擴展，伴隨著界面剝離產(chǎn)生“啪啪”的響聲；最終FRP向無U型箍一端完全剝離，并拉下跨中附近的一塊楔形混凝土。從FRP剝落的表面來看，界面裂縫集中在混凝土表面的粘結(jié)樹脂滲透層中擴展，因為剝落的FRP表面附有一層薄薄的混凝土。BFRP和CFRP加固構(gòu)件的疲勞后靜載試驗也表現(xiàn)為FRP界面剝離的破壞模式，疲勞加載過程中界面出現(xiàn)局部剝離現(xiàn)象，疲勞后靜載試驗的破壞現(xiàn)象與直接靜載試驗相似。

BFRP和CFRP加固構(gòu)件疲勞試驗均出現(xiàn)2種破壞模式（圖5）：界面疲勞剝離破壞和FRP布斷裂破壞。值得提出的是，界面疲勞剝離破壞過程與界面靜載剝離并不完全相同，與界面靜載剝離相比，界面疲勞剝離的脆性更加明顯，主要表現(xiàn)為：界面疲勞加載初期，跨中附近的混凝土沒有出現(xiàn)明顯的豎向裂縫；隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，非粘結(jié)區(qū)端部的FRP-混凝土界面出現(xiàn)微裂縫，并向FRP布自由端擴展；當(dāng)界面裂縫擴展至臨界值時，界面突然發(fā)生剝離破壞，F(xiàn)RP剝落的表面也附有薄層混凝土，其破壞形態(tài)如圖5（a）所示。由此可見，無論是靜載和疲勞作用，F(xiàn)RP-混凝土界面裂縫均集中在混凝土中發(fā)展，樹脂-混凝土粘結(jié)界面是發(fā)生FRP加固混凝土剝離破壞的薄弱環(huán)節(jié)，這與Nigro等[6]、Yun等[9]和彭暉等[11]的直剪試驗結(jié)果相同。

FRP布斷裂的破壞形態(tài)如圖5（b）所示，其破壞過程表現(xiàn)為：疲勞加載初期伴隨著較為明顯的界面剝離聲，加載至疲勞壽命時，F(xiàn)RP布突然沿著U型箍邊緣斷裂，且伴有一聲巨響，并把無U型箍一端的FRP布剝落，破壞時無任何征兆。從本次試驗結(jié)果來看，當(dāng)疲勞荷載上限較大時，加固試件發(fā)生FRP斷裂破壞；當(dāng)疲勞荷載上限較小時，加固試件則發(fā)生界面疲勞剝離破壞。其原因主要是由于U型箍邊緣處的FRP應(yīng)力集中較顯著，疲勞荷載使該處FRP反復(fù)承受沖剪作用，當(dāng)疲勞荷載較大時，該處的FRP先于界面剝離發(fā)生疲勞斷裂。

2.2剝離承載力和疲勞壽命

對比表2所示靜載試驗的結(jié)果可知，與BFRP-混凝土界面相比，CFRP外貼混凝土界面靜載跨中抗剝離承載力提高約50%。這與現(xiàn)有的研究結(jié)果相吻合，其主要原因是BFRP較低的彈性模量導(dǎo)致界面斷裂能下降[6，18]。對于實施疲勞后再靜載試驗的加固構(gòu)件，從表2可以看出，既有疲勞損傷使得BFRP加固構(gòu)件抗剝離承載力略有下降，但并沒降低CFRP加固構(gòu)件的承載力。值得注意的是，試件C2和試件C3的剝離承載力比試件C1還大，這主要由于試件C2和試件C3的混凝土強度更大。

圖6為加固試件界面疲勞壽命N的對數(shù)與跨中FRP疲勞應(yīng)力上限S的關(guān)系曲線。從圖6可以看出，當(dāng)混凝土的抗壓強度相同時，CFRP加固混凝土界面的疲勞壽命遠大于BFRP加固界面。對圖6中FRP加固構(gòu)件的試驗數(shù)據(jù)點進行線性擬合，可得到BFRP和CFRP加固混凝土界面疲勞壽命的擬合方程分別為：

BFRP-混凝土界面

S=1 287-89lg（N）（1）

CFRP-混凝土界面

S=1 502-70lg（N）（2）

通常假設(shè)2×106次循環(huán)就是疲勞極限，將N=2×106代入式（1）和式（2），可求得BFRP和CFRP加固混凝土界面的極限疲勞強度分別為726 MPa和1 061 MPa，其分別為BFRP和CFRP加固混凝土界面靜載承載力的61%和58%。

2.3撓度變化規(guī)律

次數(shù)，跨中撓度取每個加載循環(huán)荷載上限時對應(yīng)的撓度。從圖7可以看出，F(xiàn)RP加固構(gòu)件的跨中撓度隨著加載循環(huán)次數(shù)增加呈現(xiàn)3個發(fā)展階段：①撓度快速增長階段，這一階段發(fā)生在疲勞初期且歷程很短；②撓度穩(wěn)定增長至破壞階段，隨著第1階段的結(jié)束，應(yīng)變進入到一個相對穩(wěn)定增長的階段，這一階段的歷程較長，約占加固梁疲勞壽命的90%；③撓度急劇增長階段，這主要由界面剝離或FRP斷裂的脆性破壞引起，該階段歷程非常短。這與FRP加固鋼筋混凝土梁受彎疲勞試驗中的跨中撓度變化規(guī)律相似[19]。

圖8為BFRP加固構(gòu)件疲勞過程中跨中撓度與疲勞荷載關(guān)系曲線，其中每個循環(huán)曲線左半部分為加載階段，右半部分為卸載階段，曲線所包含的面積反映疲勞過程中的耗散能。從圖8可以看出，由耗散能反映的疲勞損傷累積歷程也呈現(xiàn)3個階段：疲勞初期的殘余撓度發(fā)展很快，耗散能隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加而增大；隨著疲勞次數(shù)的增加，殘余撓度緩慢增加，耗散能隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加而減小，此時，加載階段曲線基本上是一組平行直線，反映出其間剛度基本保持不變；即將破壞之時，耗散能急劇增加。

2.4FRP應(yīng)變演變和界面裂縫擴展

圖9為試件B5的FRP應(yīng)變與加載循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線，其中的應(yīng)變?nèi)∶總€加載循環(huán)中荷載上限時的應(yīng)變，數(shù)字1～7表示應(yīng)變片所在列數(shù)（圖3）。從圖9（a）可以看出，在疲勞荷載作用下，F(xiàn)RP的應(yīng)變沿其寬度方向非均勻分布，但FRP兩側(cè)和中軸處應(yīng)變相差不大，說明FRP剝離大致齊寬度同步擴展。另外，由圖9（b）可知，F(xiàn)RP應(yīng)變隨著加載循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律與跨中撓度相似：加載初期，應(yīng)變快速增長；隨后應(yīng)變進入到一個長時間的穩(wěn)定階段，直至試件突然破壞。

圖10為不同加載循環(huán)次數(shù)時FRP沿長度方向的應(yīng)變分布。從圖10可以看出，隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，F(xiàn)RP應(yīng)變從跨中開始向自由端逐步增大。參考文獻[14]中的計算方法：當(dāng)某處的應(yīng)變值接近FRP應(yīng)變，且加載循環(huán)次數(shù)的變化對其影響不大時，則認為該處的界面已經(jīng)發(fā)生剝離。在如圖10（b）

所示的距離中部裂縫60 mm的位置，其FRP應(yīng)變值在第19次循環(huán)時僅為3×10-4，當(dāng)循環(huán)加載至第139次時，其FRP應(yīng)變值增大至73×10-4，且進一步循環(huán)也沒提高其應(yīng)變，則認為界面裂縫擴展至距跨中60 mm處對應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)為139次。圖11給出了界面裂縫長度與加載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，其中界面裂縫長度是以非粘結(jié)區(qū)端（距跨中15 mm處）作為起裂原點。從圖11可以看出：在疲勞加載初期，界面裂縫擴展速率較大，呈現(xiàn)一個快速擴展階段；隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，界面裂縫沿著FRP長度方向從中部向FRP自由端部擴展。這與FRP加固鋼筋混凝土梁的跨中界面裂縫擴展行為相似[19]，但由于疲勞試驗過程中應(yīng)變片失效，未能采集到全部應(yīng)變數(shù)據(jù)，故不能給出整個疲勞過程的界面裂縫擴展速率。

3結(jié)語

（1）與BFRP-混凝土界面相比，CFRP-混凝土界面的受彎剝離承載力提高約50%，其疲勞壽命也明顯提高。

（2）當(dāng)粘結(jié)長度足夠長的時候，既有疲勞歷程對BFRP和CFRP加固混凝土界面的受彎剝離承載力影響不大。

（3）BFRP和CFRP加固開裂素混凝土受彎構(gòu)件疲勞強度會出現(xiàn)界面疲勞剝離和FRP布斷裂2種破壞模式。當(dāng)疲勞荷載較大時，加固構(gòu)件容易發(fā)生FRP布斷裂破壞。

（4）與CFRP加固鋼筋混凝土構(gòu)件相似，BFRP和CFRP加固素混凝土的疲勞損傷累積歷程也呈現(xiàn)快速增長、穩(wěn)定增長和急劇增長3個階段。

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