粗糙度對CFRP-混凝土界面剪切黏結(jié)性能的影響

殷雨時， 范穎芳， 徐義洪

(大連海事大學(xué) 土木工程系， 遼寧 大連 116026)

混凝土表面的粗糙度對外貼CFRP布的加固行為有重要影響，也是評價界面間黏結(jié)性能、加固效果和預(yù)測界面黏結(jié)強度的關(guān)鍵因素之一[1].目前，國內(nèi)外還沒有相應(yīng)的規(guī)范或規(guī)程對混凝土表面粗糙度量化作出評定.美國內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局編制的混凝土手冊中要求在補澆混凝土之前，把壞的、松的和未黏結(jié)好的混凝土用鐵鑿或其他適用工具全部除掉，然后用水砂槍、風(fēng)動鑿巖機或其他適合方法打毛、清掃干凈并干燥[2].JTG/T J22—2008《公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范》[3]中，要求補強構(gòu)件界面的粗糙度不小于6mm， 但并未給出粗糙度的評定方法.目前關(guān)于粗糙度對碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)-混凝土梁界面黏結(jié)性能的研究并不多，如Chajes等[4]指出CFRP-混凝土界面通過機械打磨，會提高界面黏結(jié)強度；Yao等[5]通過單剪試驗發(fā)現(xiàn)，CFRP-混凝土界面處理對界面黏結(jié)強度有顯著改善；Delaney等[6]提出CFRP-混凝土界面處理對加固體的強度和穩(wěn)定性均有影響；Li[7]通過砂紙和機械打磨出3種粗糙度的界面，與未打磨的界面比較后發(fā)現(xiàn)，其極限荷載和極限位移均有所提高.各國學(xué)者多采用鋼刷法、噴砂法、角磨機法和錘擊法進(jìn)行粗糙面的制作，其中前3種方法在宏觀上表現(xiàn)為粗糙程度區(qū)分不明顯，而錘擊法雖然能形成明顯粗糙度，但是對混凝土損傷較大，內(nèi)部易形成裂縫.

綜上所述，關(guān)于CFRP-混凝土梁界面粗糙度的量化評定研究還不系統(tǒng)，表現(xiàn)為試驗數(shù)據(jù)少，試驗方法單一，試驗結(jié)果僅為定性描述.因此本文基于54塊混凝土試件單剪試驗，考察了粗糙度不同的6種界面對CFRP-混凝土梁界面剪切黏結(jié)性能的影響.

1 試驗

1.1 試件制作

試驗用水泥為吉林亞泰沈陽沈北新區(qū)分廠P·O 42.5水泥；粉煤灰為江蘇連云港電廠生產(chǎn)的I級超細(xì)粉煤灰；骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.5中砂和連續(xù)級配、粒徑5～20mm的人工碎石；粉煤灰為丹東華能電廠，Ⅰ級粉煤灰；外加劑為山東萊陽宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為18%；水為生活自來水；CFRP采用南京海拓復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HICOMA-HITEX系列碳纖維布，黏貼膠體采用該廠生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂AB膠，且按照質(zhì)量比2∶1配制黏結(jié)樹脂.原材料性能見表1，2.混凝土試件尺寸80mm×80mm×200mm.為降低制作粗糙度過程中混凝土因破損形成的裂縫對試驗造成不利影響，先在試模底面輕涂1層緩凝劑，待試件澆筑24h脫模后，用鋼刷制配形成一定區(qū)分度的6種粗糙度界面，這樣既可明顯區(qū)分開粗糙面，又能極大降低混凝土表層損傷對試驗結(jié)果帶來的離散影響.試驗考慮3種強度的混凝土(C30，C40，C50)，每種強度的混凝土制作粗糙度不同的6種界面，每種粗糙度制作3塊試件，共計54塊.

表1 混凝土配合比

表2 材料物理參數(shù)指標(biāo)

圖1為黏結(jié)區(qū)間應(yīng)變片布置示意圖.

圖1 黏結(jié)區(qū)間應(yīng)變片布置Fig.1 Configuration of strain gauge in bonding area(size:mm)

由圖1可見，每個試件的上表面60mm×140mm 范圍內(nèi)粘貼了1組應(yīng)變片，用來檢測單剪試驗過程中黏結(jié)長度方向上應(yīng)變的變化情況；為弱化界面隨機粗糙度帶來的影響，沿界面黏結(jié)長度方向，以20mm為間距布設(shè)了5mm×3mm的2列電阻應(yīng)變片，每個橫斷點位應(yīng)變值取2片應(yīng)變片的平均值.

1.2 粗糙度量化定義

目前，中國測量粗糙度常用的方法是灌砂法[8]，其測量方法如下：用圍擋板將混凝土四周圍擋起來，使擋板的最高處和混凝土表面凹凸面的最高點平齊，在圍擋內(nèi)灌入標(biāo)準(zhǔn)砂，用抹刀將高過于圍擋的砂子抹平，然后撤掉圍擋，將圈入其中的砂子全部倒出來進(jìn)行體積測量，灌砂平均深度h可由標(biāo)準(zhǔn)砂體積V除以混凝土的黏結(jié)面積來表示，如式(1)所示：

(1)

式中：a，b為混凝土黏結(jié)面的長度和寬度.

粗糙度f按式(2)[9]計算：

(2)

式中：δ為混凝土黏結(jié)面凹凸最大深度值.

6種界面粗糙度量化值如表3所示.

表3 6種界面粗糙度量化值

1.3 試驗過程

試驗采用100t電液伺服材料試驗機進(jìn)行加載，加載速率為1kN/min.單剪試驗裝置示意圖見圖2.試驗前先將應(yīng)變片與德國IMC公司的數(shù)據(jù)動態(tài)采集系統(tǒng)相連，再接入計算機，以便實時觀測混凝土應(yīng)變隨加載力的變化情況.

2 試驗現(xiàn)象與破壞形態(tài)

加載過程中荷載與加載端附近的CFRP布應(yīng)變基本同步增長.當(dāng)荷載達(dá)到極限黏結(jié)荷載的20%時，CFRP布開始發(fā)出輕微的撕裂聲；當(dāng)荷載繼續(xù)增加到極限黏結(jié)荷載的40%時，伴隨試件間斷發(fā)出的“啪啪”響聲，CFRP表面應(yīng)變急劇變化，表明CFRP布與混凝土已經(jīng)出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象；當(dāng)荷載達(dá)到極限黏結(jié)荷載的70%～80%時，剝離聲音較頻繁，這個過程持續(xù)時間較長，其中部分試件荷載有波動，但變化范圍不大；當(dāng)荷載達(dá)到極限黏結(jié)荷載時，突然發(fā)出“啪”的一聲，CFRP從混凝土試件上完全剝離下來，破壞前無明顯征兆，屬脆性破壞.6種界面試件遭到單剪破壞后，有3種破壞形態(tài)，如圖3所示.由圖3可見，第1種破壞是在膠層與混凝土界面處拉斷(圖3(c),(d),(e),(f))；第2種破壞是碳纖維布附帶許表層混凝土剝落(圖3(a))；第3種破壞是碳纖維布撕裂破壞(圖3(b)).試驗中70%試件發(fā)生了第1種破壞.

圖2 單剪試驗裝置示意圖Fig.2 Single shear experimental setup

圖3 CFRP-混凝土界面破壞形態(tài)Fig.3 Interfacial failure pattern between CFRP and concrete

3 粗糙度對CFRP-計算混凝土界面黏結(jié)性能的影響

3.1 粗糙度對CFRP布應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

圖4給出了C40試件在加載過程中沿黏貼長度方向CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.

由圖4可見：隨著粗糙度的增加，f0～f2界面黏結(jié)剪應(yīng)力逐漸增強；f3～f5界面黏結(jié)剪應(yīng)力急速下降，損失較大.這是因為f0～f2界面距離自由端120mm處的應(yīng)變片在加載到1kN時即可形成1.1×10-6～6.5×10-6的應(yīng)變，當(dāng)荷載加載到極限荷載的68%～ 83%，即9.08，13.2，15.7kN時，自由端應(yīng)變有反應(yīng)，即黏結(jié)剪應(yīng)力傳遞到了自由端.以加載力5kN為例，f0～f2界面距離自由端120mm位置處應(yīng)變值分別為2730×10-6，2930×10-6，3130× 10-6，f2較f0提高14.7%；f3，f4在同樣位置應(yīng)變值較f2分別下降14.3%和79.7%.

圖4 CFRP布應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(C40試件)Fig.4 Stress-strain relations of CFRP sheets(specimen C40)

3.2 粗糙度對界面有效黏結(jié)長度的影響

有效黏結(jié)長度是研究CFRP-混凝土界面行為的一個重要參數(shù).隨著黏結(jié)長度的增加，界面黏結(jié)強度隨之增加，當(dāng)超過某個固定長度Le后，即使黏結(jié)長度繼續(xù)增加，界面黏結(jié)強度也保持不變，此固定長度Le即為有效黏結(jié)長度[10].國內(nèi)外學(xué)者通過測量剪應(yīng)力-位置曲線上最大黏結(jié)剪應(yīng)力10%的兩點間距離，或根據(jù)界面剪應(yīng)力-加載端滑移量曲線下的面積與有效黏結(jié)長度成正比，或者通過解析表達(dá)式[11-14]來計算有效黏結(jié)長度均是不準(zhǔn)確的.潘金龍等[15]把有效黏結(jié)長度劃分成應(yīng)力彈性區(qū)間和應(yīng)力軟化區(qū)間，給出了有效黏結(jié)長度計算公式：

(3)

圖5 不同界面粗糙度下的有效黏結(jié)長度Fig.5 Effective bond length among interfacial roughness

3.3 粗糙度對界面黏結(jié)滑移曲線的影響

黏結(jié)滑移關(guān)系是決定CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能的本構(gòu)屬性.基于單剪試驗得到的CFRP應(yīng)變分布數(shù)據(jù)，通過殘差計算，可得到本試驗的黏結(jié)滑移關(guān)系.

第i個應(yīng)變片位置局部黏結(jié)應(yīng)力τi為：

(4)

設(shè)應(yīng)變片間距為Δx，則第i個應(yīng)變片處滑移值si為：

(5)

式中：ε0為黏結(jié)區(qū)靠近加載端的第1個應(yīng)變片的應(yīng)變值，由于第1個位置處平行放置2個應(yīng)變片，這里取2個應(yīng)變片的平均值；εj(j=1,2，…,i)為沿CFRP長度方向第j個應(yīng)變片的應(yīng)變值.

圖6，7分別為C40試件在不同粗糙度界面下的散點圖和本構(gòu)關(guān)系曲線.

圖6 界面本構(gòu)關(guān)系散點圖Fig.6 Scatter of obtained interface laws

圖7 界面本構(gòu)關(guān)系曲線Fig.7 Interfacial constitutive relation curves

由圖6可以看出：界面黏結(jié)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在粗糙度為0.44的f2界面上，其黏結(jié)強度τmax為4.89MPa， 黏結(jié)強度對應(yīng)滑移值sτ為0.035mm，相比f0界面，上述2個指標(biāo)分別增加58.0%，6.1%；f3界面較f2界面的τmax減少52.8%，sτ減少4.2%；f3～f5界面的黏結(jié)性能急劇下降，f5界面較f3界面的τmax減少59.3%，sτ減少86.6%.這說明并非界面越粗糙，其黏結(jié)強度和極限位移就越大，只是在一定范圍內(nèi)符合此規(guī)律.由圖7可見，f0～f3界面在彈性區(qū)域上的剛度相差無幾；f4～f5界面在彈性區(qū)間上的剛度明顯降低，彈性區(qū)間變短；進(jìn)入塑性階段后，6種界面的黏結(jié)滑移曲線均以不同斜率下降，最終以0.04～0.35mm的滑移值剝離破壞；有效黏結(jié)長度總體上隨著粗糙度的增加而呈下降的趨勢.

4 結(jié)論

(1)并非CFRP-混凝土界面越粗糙，其黏結(jié)強度和極限位移就越大，此規(guī)律只適用于一定粗糙度范圍之內(nèi).

(2)與現(xiàn)有模型下的有效黏結(jié)長度計算值相比，基于粗糙度參數(shù)下的CFRP-混凝土梁界面有效黏結(jié)長度有較大提高，隨著粗糙度的增加，6種界面有效黏結(jié)長度總體呈現(xiàn)下降趨勢.

(3)6種界面下，粗糙度為0.44的界面黏結(jié)性能最好；粗糙度為0.25～0.44的界面τ-s曲線在脆性區(qū)域上的剛度相差無幾，且界面越粗糙，脆性區(qū)間越短；進(jìn)入塑性階段后，6種界面的黏結(jié)滑移曲線均以不同斜率下降，最終以0.04～0.35mm的滑移值剝離破壞.

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