凍融環(huán)境下CFRP-粘土磚抗剪性能試驗(yàn)研究

郭樂(lè)樂(lè)，靳文強(qiáng),2，張家瑋，王 琦，趙建昌,2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730070;3.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)由于具有重量輕、體積小、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，不僅被用于混凝土的加固，也被廣泛應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)的加固。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)CFRP加固結(jié)構(gòu)的研究主要圍繞混凝土結(jié)構(gòu)開展，只有少數(shù)的試驗(yàn)研究[1-4]涉及砌體結(jié)構(gòu)，對(duì)于CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下耐久性問(wèn)題的研究更為鮮少[5-6]。因此，十分有必要對(duì)CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)的耐久性能進(jìn)行研究。

凍融作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)有嚴(yán)重的威脅。凍融可以使服役于寒冷地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)受到不同程度的侵蝕，在影響建筑的外觀的同時(shí)，會(huì)加速結(jié)構(gòu)老化的進(jìn)程，降低結(jié)構(gòu)的安全性，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)?yè)p失，也會(huì)對(duì)使用CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的效果產(chǎn)生影響。因而在采用CFRP對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí)，必須同時(shí)考慮凍融循環(huán)對(duì)CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的影響。CFRP與砌體材料的粘結(jié)性能是影響外貼CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)的主要因素之一。在現(xiàn)有研究中對(duì)CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)的抗凍融性能研究甚少的背景下，本文結(jié)合凍融對(duì)CFRP-混凝土界面性能影響方面的研究成果[7-9]，參照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》[10]，通過(guò)加速凍融試驗(yàn)，利用單剪試驗(yàn)，研究了CFRP-燒結(jié)粘土磚界面粘結(jié)性能退化規(guī)律，為凍融環(huán)境下使用CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)提供參考和依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括燒結(jié)粘土磚、碳纖維布和粘結(jié)樹脂。燒結(jié)粘土磚采用的是從既有建筑拆除的、表面平整、無(wú)明顯裂紋并且邊角完整的粘土紅磚，其大小尺寸平均值為235 mm×115 mm×55 mm。經(jīng)測(cè)定這些粘土磚的抗壓強(qiáng)度平均值為9.28 MPa，吸水率約為17.58%，平均密度約為1 700 kg/m3。試驗(yàn)采用的碳纖維布和粘結(jié)樹脂均由上海生產(chǎn)，其性能分別見表1和表2。

表1 碳纖維布主要性能參數(shù)Table 1 Main properties of carbon fiber reinforced polymer(CFRP)

表2 粘結(jié)樹脂主要性能參數(shù)Table 2 Main properties of impregnation resin

1.2 試件制作

制作三種試件：粘貼了碳纖維布的粘土磚、未粘貼碳纖維布的粘土磚以及碳纖維片材。粘貼了碳纖維布的粘土磚為主要試件，未粘貼碳纖維布的粘土磚試件和碳纖維片材試件主要是測(cè)試凍融對(duì)材料本身的影響。

制作主試件30個(gè)，分為6組，每組5塊。按照標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)粘土磚打磨光滑，按照規(guī)范程序刷膠、貼布和養(yǎng)護(hù)[11]。碳纖維布的寬度為50 mm，粘結(jié)長(zhǎng)度為80 mm，在加載端預(yù)留30 mm非粘結(jié)區(qū)以防止端部邊界效應(yīng)[12]。

圖1 應(yīng)變片的粘貼位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pasted position of strain gauge

試驗(yàn)用應(yīng)變片為箔式應(yīng)變片，在粘貼長(zhǎng)度范圍內(nèi)沿CFRP布中線布置，在加載端懸空段10 m處貼一應(yīng)變片，用于測(cè)量非粘結(jié)段CFRP布內(nèi)的應(yīng)變。考慮自由端的應(yīng)變變化比較復(fù)雜，粘結(jié)應(yīng)力較小，應(yīng)變片在自由端加密布置，如圖1所示。

按照標(biāo)準(zhǔn)方法同時(shí)制作了未粘貼碳纖維布的粘土磚試件30個(gè)，共分為6組，每組5個(gè)，每一組試件作為對(duì)比試件隨同主試件進(jìn)行相同次數(shù)的凍融循環(huán)。為測(cè)量碳纖維片材的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、伸長(zhǎng)率等參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律，按照GB/T 21490—2008《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》[13]制作了碳纖維布試件，與主試件進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的凍融次數(shù)循環(huán)試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)環(huán)境及加載裝置

凍融循環(huán)試驗(yàn)參照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》[10]中關(guān)于凍融試驗(yàn)的方法進(jìn)行。凍融試驗(yàn)在試驗(yàn)箱內(nèi)完成，每次冷凍時(shí)間是3 h，融化3 h，控制低溫(-17±2) ℃，高溫(15±2) ℃。試驗(yàn)中凍融循環(huán)次數(shù)分別取0次、20次、40次、60次和80次。

通過(guò)對(duì)以前學(xué)者設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)綜合考慮[14-16]，自制了一套操作簡(jiǎn)單、傳力合理的單剪粘結(jié)試驗(yàn)裝置，如圖2所示。

圖2 單剪粘結(jié)試驗(yàn)裝置Fig.2 Single shear test device

采用濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司生產(chǎn)的WDW-50微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，通過(guò)電腦控制加載速度，由荷載傳感器輸出CFRP與粘土磚的粘結(jié)荷載，CFRP的應(yīng)變數(shù)據(jù)通過(guò)DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集。

2 結(jié)果與討論

由于粘土磚材料的不均勻性，試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)技術(shù)以及粘土磚受侵蝕程度存在差異等眾多原因，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確程度將受到一定程度的影響。故在完成的30個(gè)粘土磚試件單剪試驗(yàn)中選取了20個(gè)試驗(yàn)結(jié)果比較理想的試件進(jìn)行分析。

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

凍融循環(huán)作用下CFRP-粘土磚粘結(jié)性能影響情況如表3所示。試件編號(hào)分別為sj-n，n為循環(huán)次數(shù)。表中給出不同循環(huán)次數(shù)下的平均破壞荷載并換算出平均粘結(jié)應(yīng)力。

表3 粘結(jié)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of bond test

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 材料性能變化

為了準(zhǔn)確分析凍融循環(huán)作用對(duì)CFRP-粘土磚界面粘結(jié)性能的影響，試驗(yàn)首先測(cè)試了凍融循環(huán)對(duì)粘土磚、CFRP材料的影響。表4給出了不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)粘土磚強(qiáng)度的影響情況，在不同凍融循環(huán)作用下，粘土磚抗壓強(qiáng)度在經(jīng)歷20次循環(huán)后略有上升，之后隨凍融循環(huán)次數(shù)增大快速下降。

表4 凍融環(huán)境對(duì)燒結(jié)粘土磚強(qiáng)度的影響Table 4 Effects of freeze-thaw environment on brick strength

2.2.2 未經(jīng)凍融情況下粘土磚與CFRP的粘結(jié)性能

通過(guò)觀察統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)中試件破壞主要有4種情況。第一種情況為粘土磚發(fā)生剪切破壞，其破壞特征為CFRP片材拉下一層磚塊，嚴(yán)重者可以拉下大塊磚體，粘土磚表面出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時(shí)磚體斷裂，如圖3(a)所示。第二種情況為樹脂膠與粘土磚的界面粘結(jié)破壞，破壞特征為CFRP片材上粘有零散混凝土顆粒，粘土磚表面平整，如圖3(b)所示。第三種情況為纖維布與磚體粘結(jié)尚未破壞的情況下粘土磚被直接拉斷。第四種情況為纖維布被直接拉斷。第三、四種情況為異常破壞，不再討論，本文只探討前兩種情況。

凍融循環(huán)0次、20次的試件，其破壞均發(fā)生在粘土磚層，均為剪切破壞。凍融循環(huán)40次的試件中多數(shù)破壞為膠層與粘土磚界面之間的粘結(jié)破壞，但CFRP片材上零散的部位已經(jīng)露出膠層，粘土磚表面裂縫淺而稀少，而少量試件仍發(fā)生剪切破壞，凍融循環(huán)60次、80次的試件均發(fā)生粘結(jié)破壞；說(shuō)明在40次凍融作用下膠層-粘土磚粘結(jié)性能受凍融影響開始退化，破壞方式開始由剪切破壞變?yōu)檎辰Y(jié)破壞?？梢缘贸鼋Y(jié)論，隨著凍融次數(shù)的增加，CFRP-粘土磚界面粘結(jié)性能發(fā)生快速退化，導(dǎo)致破壞方式由粘土磚層的剪切破壞逐漸變?yōu)镃FRP與粘土磚界面的粘結(jié)破壞。

圖3 試件的破壞形式
Fig.3 Failure form of specimen

2.3 凍融對(duì)CFRP-粘土磚界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)采用的是粘貼纖維布后進(jìn)行凍融試驗(yàn)，因此粘土磚與CFRP之間的界面都受到凍融循環(huán)的作用。通過(guò)應(yīng)變片測(cè)出CFRP布上的應(yīng)變分布情況，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中不同循環(huán)次數(shù)下試件的應(yīng)變變化規(guī)律相近，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)變變化趨勢(shì)更加明顯。

圖4為未經(jīng)凍融循環(huán)和經(jīng)歷凍融循環(huán)60次的試件在逐級(jí)加載過(guò)程中各個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的纖維應(yīng)變值以及應(yīng)變分布形狀隨荷載變化的增長(zhǎng)規(guī)律。由圖4可見纖維布的應(yīng)變分布不均勻。在整個(gè)加載過(guò)程中，距離加載端較近范圍內(nèi)的纖維應(yīng)變值較大，距離加載端較遠(yuǎn)區(qū)域的應(yīng)變值逐漸減小。當(dāng)距離加載端達(dá)到80 mm以上時(shí)應(yīng)變趨近于零；同時(shí)隨著荷載的增加，加載端附近區(qū)域應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，兩測(cè)點(diǎn)間之間應(yīng)變的斜率逐漸增大，當(dāng)荷載增加到一定值時(shí)斜率趨近于0，而自由端區(qū)域的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢，其斜率雖有增長(zhǎng)但幅度不大。兩測(cè)點(diǎn)間之間應(yīng)變的斜率相同意味著加載端纖維產(chǎn)生剝離，荷載通過(guò)剩余粘結(jié)部分傳遞，當(dāng)能量被耗盡時(shí)，試件宣告破壞。

圖4 凍融0次和60次的試件在荷載逐級(jí)加載過(guò)程中CFRP應(yīng)變分布規(guī)律
Fig.4 CFRP strain distribution of specimens with 0 and 60 times of freeze-thaw cycles during the step by step loading process

圖5為不同凍融循環(huán)次數(shù)下的最大應(yīng)變分布曲線。由圖5可知，在極限荷載作用下，加載端區(qū)域的應(yīng)變基本保持水平狀態(tài)，粘結(jié)長(zhǎng)度范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值隨凍融次數(shù)的增加逐漸減小，說(shuō)明隨著凍融次數(shù)的增加，纖維布和粘土磚之間的粘結(jié)力在逐漸減小，在低應(yīng)力狀態(tài)下就開始剝離。

為了形象描述應(yīng)變分布規(guī)律變化，采用非線性公式(1)[17]對(duì)0、40和80次的結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

(1)

式中：ε(x)為距加載端x處的應(yīng)變值；x表示距自由端的距離；ε0，x0，α，β是根據(jù)已有數(shù)據(jù)通過(guò)擬合確定的參數(shù)。

圖5 凍融循環(huán)0～80次應(yīng)變分布曲線
Fig.5 0-80 times freeze-thaw cycles strain distribution curves

圖6 0、40、80次凍融循環(huán)應(yīng)變擬合曲線
Fig.6 0, 40, 80 times freeze-thaw cycles strain fitting curves

通過(guò)擬合結(jié)果可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，無(wú)論是加載端和自由端，其應(yīng)變水平段的長(zhǎng)度均在增加，說(shuō)明當(dāng)達(dá)到極限荷載后，剝離區(qū)域的長(zhǎng)度隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增而增加，有效的粘結(jié)區(qū)域向自由端方向平行移動(dòng)，試件在凍融作用下，界面的粘結(jié)力在逐漸減小。可以看出，在凍融環(huán)境下CFRP-粘土磚界面粘結(jié)性能受凍融循環(huán)影響，且隨著凍融次數(shù)的增加，界面粘結(jié)性能退化的速度越來(lái)越快。

2.4 界面荷載-滑移曲線

圖7 凍融循環(huán)對(duì)粘結(jié)-滑移的影響Fig.7 Effect of freeze-thaw cycle on bond-slip

為得到CFRP-粘土磚界面的荷載-滑移曲線，利用差分法，結(jié)合公式(2)、(3)[18]及試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

si+1=si+δi+1

(2)

(3)

式中：si+1、si分別表示第i+1和第i個(gè)點(diǎn)的滑移量；εi表示CFRP片材第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變；δi+1、δi分別表示第i+1和第i個(gè)點(diǎn)的伸長(zhǎng)量；li,i+1表示第i個(gè)測(cè)點(diǎn)與第i+1個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離。

假定粘土磚與CFRP片材在自由端的相對(duì)滑移δ0=0，可以得出其他各點(diǎn)的荷載-滑移曲線。圖7為距離加載端計(jì)算所得的荷載滑移曲線，由圖可見，荷載滑移曲線在凍融初期性能沒(méi)有明顯退化，隨著凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，加載端的滑移在同一荷載下逐漸增大，而極限荷載呈下降趨勢(shì)。可見，凍融循環(huán)對(duì)粘結(jié)性能是有影響的。

3 粘結(jié)強(qiáng)度退化模型

圖7為通過(guò)試驗(yàn)得出的CFRP-粘土磚界面荷載滑移關(guān)系曲線。由圖7可知，達(dá)到極限荷載時(shí)，CFRP-粘土磚粘結(jié)滑移曲線由上升段和水平段組成，呈現(xiàn)出明顯的非線性特點(diǎn)。在上升段，加載初期剛度較大，剛度隨著滑移的增大而減小，到最大剪應(yīng)力時(shí)剛度下降為0；在水平段，在荷載不變的情況下，滑移還在繼續(xù)增加，加載端粘結(jié)剪應(yīng)力隨著滑移的增大，逐步減小到0，剪應(yīng)力向后傳遞。

研究表明[19]，F(xiàn)RP-磚界面剝離承載力和粘結(jié)膠系數(shù)、FRP與粘土磚寬度之比、FRP的粘結(jié)長(zhǎng)度(mm)、FRP的彈性模量(MPa)、FRP的厚度(mm)以及磚的抗壓強(qiáng)度(MPa)等因素有關(guān)，如公式(4)所示。

(4)

式中，ks為粘結(jié)膠系數(shù)，取1.0；kw為CFRP與粘土磚寬度之比，取值為50/115=0.435；kl為待定常數(shù)，取值為2.2；lf為CFRP的粘結(jié)長(zhǎng)度(mm)；Ef為CFRP的彈性模量(MPa)；tf為CFRP的厚度(mm)；fb為磚的抗壓強(qiáng)度(MPa)。

該表達(dá)式是在不考慮凍融作用的情況下推導(dǎo)獲得的，而在凍融環(huán)境下，相關(guān)材料的力學(xué)性能隨著凍融時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)退化，該表達(dá)式不能準(zhǔn)確表示CFRP-粘土磚界面的力學(xué)性能。為此引入凍融循環(huán)影響系數(shù)kd，給出一種考慮凍融循環(huán)作用下界面單剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。

(5)

圖8 界面剝離承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.8 Change curve of interfacial peeling capacity with freeze-thaw cycles

為了更直觀地反映粘結(jié)強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況，對(duì)不同循環(huán)下粘結(jié)強(qiáng)度的平均值以室溫下對(duì)比組試件的粘結(jié)強(qiáng)度平均值做歸一化處理，并按照公式(5)進(jìn)行擬合，經(jīng)擬合得到的凍融循環(huán)影響系數(shù)kd的表達(dá)式為:

kd=e-0.000 092x2+0.002 03x-0.008 68

(6)

式中：x為循環(huán)次數(shù)。

界面剝離承載力隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化曲線如圖8所示。

從圖8的曲線可以看出：經(jīng)擬合得到的數(shù)值與試驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)約為0.995，預(yù)測(cè)模型計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合，預(yù)測(cè)模型能較好的反映CFRP-粘土磚界面隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的退化規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1)凍融循壞作用下，粘土磚的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度受到的影響越來(lái)越顯著。

(2)凍融循環(huán)對(duì)CFRP-粘土磚初始剝離荷載、極限荷載均有較大影響，其數(shù)值均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。

(3)凍融循環(huán)對(duì)CFRP-粘土磚界面性能造成顯著的損傷，端部荷載滑移等參數(shù)均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。

(4)建立了凍融循環(huán)作用下CFRP-粘土磚界面荷載滑移退化模型，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合較好。