鋁合金板混凝土界面的粘結(jié)滑移性能及其本構(gòu)關(guān)系

姜德文 黃海林 劉光偉 張明亮 黃曙

摘要：鋁合金板具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕性和延展性好等優(yōu)點，是復(fù)雜惡劣環(huán)境中加固混凝土結(jié)構(gòu)的理想材料?；陔p剪試驗進行鋁合金混凝土界面粘結(jié)滑移性能研究，完成了45個構(gòu)件的雙面純剪試驗，得到了其破壞形態(tài)、荷載應(yīng)變關(guān)系曲線、粘結(jié)界面剪應(yīng)力分布曲線、荷載滑移關(guān)系曲線以及界面極限承載力，分析了不同的混凝土強度等級、鋁合金板表面粗糙度、鋁合金板粘結(jié)長度和粘結(jié)寬度條件下界面粘結(jié)滑移性能的演化規(guī)律。研究表明：加載過程中，界面應(yīng)力從加載端向自由端逐步傳遞，且隨著混凝土強度等級、鋁合金板的粘結(jié)長度和寬度的增加，試件的剝離承載力也有所提高。但鋁合金的粘結(jié)長度存在一個有效粘結(jié)長度值，超過該值試件的剝離承載力將不再增加，同時，鋁合金表面粗糙度對試件剝離承載力的提高沒有實質(zhì)影響。通過測量鋁合金板的應(yīng)變得到了不同參數(shù)條件下鋁合金板混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)曲線，結(jié)果表明：鋁合金板混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)曲線存在明顯的界面軟化特征和非線性行為。

關(guān)鍵詞：鋁合金板;雙剪試驗;粘結(jié)滑移;剝離承載力

中圖分類號：TU746.3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：20966717（2020）03008010

Abstract：

Aluminum alloy plate has the advantages of light weight， high strength， corrosion resistance and good extensibility. It is an ideal material for strengthening concrete structure in complex and harsh environment. In this paper， the study of bondslip behavior of aluminum alloycontrete interface was carried out by conducting doublesided pure shear tests on 45 members. The failure form， loadstrain relationship curve， bond interface shear stress distribution curve， loadslip relationship curve and interfacial ultimate bearing capacity were obtained. The evolution of interfacial bondslip behavior under different concrete strength grades， surface roughness of aluminum alloy plate， bond length and bond width of aluminum alloy plate were analyzed. The results show that the interfacial stress is gradually transferred from the loading end to the free end during loading. With the increase of the strength grade of concrete， and the length/width of bonding interface， the peeling capacity of the specimen is improved. But there is an effective bond length value for the aluminum alloy， beyond which the peeling bearing capacity of the specimen will not increase. Meanwhile， the surface roughness of the aluminum alloy has no substantial effect on the peeling bearing capacity of the specimen. By measuring the strain of aluminum alloy plate， the bond slip test curve of aluminum alloy plate and concrete under different parameters was obtained. The results show that the curve is of obvious interfacial softening characteristics and nonlinear behavior， which can be used to guide the actual engineering design of aluminum alloy plate reinforced concrete.

Keywords：aluminum alloy plate; double shear test; bondslip; peeling capacity

隨著時代的發(fā)展和時間的推移，有相當(dāng)一部分建筑物會因為使用功能改變、材料性能劣化、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損傷造成房屋結(jié)構(gòu)性能下降，因此，混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)和加固技術(shù)變得越來越重要。外粘金屬、復(fù)合材料板材或者片材增強混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件是目前常見的加固方法[15]。同時，鋼材和FRP是使用最廣泛的兩種加固材料，鋼材強度高、延展性好，但耐腐蝕性差;FRP材料具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕性強的優(yōu)點，但延展性差，明顯呈脆性材料特征[69];鋁合金材料耐腐蝕性好、延展性好，克服了鋼材和FRP的材料缺點，是工程結(jié)構(gòu)加固材料領(lǐng)域很有前景的材料。學(xué)者圍繞鋁合金加固混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能做了大量研究[1011]，文獻[12]采用外部粘貼鋁合金條帶的方式來增強混凝土梁的抗剪能力，提出了外粘鋁合金條帶混凝土梁的抗剪加固計算公式;文獻[13]提出了鋁混凝土組合梁承載力和剛度的數(shù)值分析模型;文獻[14]為了研究鋁合金和碳環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的粘結(jié)界面行為，使用有限元方法模擬了界面粘結(jié)破壞過程，結(jié)果表明，界面粘結(jié)強度和失效模式很大程度上取決于粘結(jié)劑。文獻[1516]通過單剪試驗研究了混凝土強度、鋁合金板寬度和厚度、粘結(jié)長度等因素對鋁合金板與混凝土界面性能的影響，

2.3粘結(jié)界面剪應(yīng)力分析

根據(jù)鋁合金板上應(yīng)變片的布置方案，可選取相鄰兩個應(yīng)變片之間的鋁合金板作為單元體，通過分析該單元體力的平衡方程，可以得到：鋁合金板拉力差由粘結(jié)界面剪應(yīng)力的合力來平衡。其中，鋁合金板粘結(jié)界面剪應(yīng)力可通過相鄰測點的應(yīng)變進行計算。根據(jù)以上方法，繪制不同試件界面剪應(yīng)力的演化規(guī)律如圖7所示。其中，橫坐標(biāo)表示距混凝土加載端距離，縱坐標(biāo)表示界面上的剪應(yīng)力。

加載初期，局部粘結(jié)剪應(yīng)力主要分布在加載端附近區(qū)域。剪應(yīng)力分布曲線大致為拋物線，且拋物線的最高點隨著荷載的增加，不斷向自由端轉(zhuǎn)移，說明隨著荷載的增加，加載端界面剪應(yīng)力快速增長，并不斷向自由端轉(zhuǎn)移，當(dāng)加載端附近剪應(yīng)力減少至0時，表明界面開始剝離，直到界面完全剝離失效。在極限狀態(tài)時，最大粘結(jié)剪應(yīng)力一般情況下均出現(xiàn)在距離加載端60～80 mm的位置，其值一般約為5～10 MPa。而圖7（b）對應(yīng)的極限剝離承載力較小且峰值剪應(yīng)力值沒有傳遞過程就發(fā)生剝離破壞，這是因為在調(diào)制結(jié)構(gòu)膠的過程中會產(chǎn)生氣泡和缺陷，導(dǎo)致界面出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得鋁合金提前發(fā)生剝離。試驗數(shù)據(jù)表明;粘結(jié)長度越長，其峰值剪應(yīng)力越高，剪應(yīng)力開始由加載端向自由端傳遞的速度越慢;混凝土強度等級越高，峰值剪應(yīng)力值越高，剪應(yīng)力開始由加載端向自由端傳遞的速度越快;粘結(jié)寬度越寬，其對峰值剪應(yīng)力沒有太大影響，剪應(yīng)力開始由加載端向自由端傳遞的速度越快;同時G、B類試件的峰值剪應(yīng)力比N類試件要高，分析其原因，可能是在截面削弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中，剪應(yīng)力開始由加載端向自由端傳遞的速度要慢。

2.4荷載滑移關(guān)系曲線

試驗通過在鋁合金板加載端與自由端設(shè)置WY系列位移傳感器的方法來測量相對滑移。相對滑移值反映了在加載過程中鋁合金板與混凝土之間的位移差值，也間接反映了界面的粘結(jié)剛度。由試驗結(jié)果可知，在整個加載過程中，各試件的鋁合金板/混凝土界面自由端相對滑移幾乎為0，可以忽略不計，因此，僅考慮鋁合金板/混凝土在加載端的相對滑移。典型試件在加載端鋁合金板與混凝土之間的荷載滑移曲線如圖8所示。由圖8可以看出，荷載滑移曲線大致呈現(xiàn)出相同的規(guī)律：1）線性增長階段，滑移隨荷載的增長呈線性增長，此時界面3種材料共同工作、協(xié)同變形;2）快速增長階段，滑移隨著荷載的增加出現(xiàn)非線性增長，界面開始出現(xiàn)損傷，界面剛度變?nèi)?3）失穩(wěn)增長階段，加載端界面開始剝離，此時，荷載不增加但滑移會迅速增長。

圖9給出了4種不同參數(shù)影響下的荷載滑移關(guān)系曲線對比圖。由圖9（a）可知，經(jīng)過表面粗糙度加工處理后的G、B類試件相比N類試件相對滑移還有一定程度的增加，可能是表面加工處理后試件截面剛度會降低，且界面受力時更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致剪應(yīng)力值較大的截面過早出現(xiàn)損傷軟化，因此，界面的粘結(jié)剛度會變?nèi)酢Ｓ蓤D9（b）可知，混凝土強度等級越高，其界面粘結(jié)剛度越大，相對滑

移值越小，這是因為混凝土強度等級越高，混凝土表面抗拉強度越大，混凝土、結(jié)構(gòu)膠與鋁合金板三者之間的共同相互作用增強，導(dǎo)致粘結(jié)界面的剛度變大，滑移值變小。由圖9（c）可知，粘結(jié)寬度越寬的試件，界面粘結(jié)剛度越大，相對滑移值越小，達到極限荷載時的滑移值越大。由圖9（d）可知，粘結(jié)長度對試件的初始粘結(jié)剛度并沒有太大影響，初始曲線斜率基本保持一致。在加載后期，有效粘結(jié)長度范圍內(nèi)，粘結(jié)長度越短的試件應(yīng)力傳遞速度更快，界面損傷更快發(fā)生，界面粘結(jié)剛度下降更快，導(dǎo)致在相同荷載作用下滑移值最大。粘結(jié)長度越長的試件，破壞時的滑移值越大。

2.5界面極限承載力

表2給出了各試件的極限承載力、界面平均粘結(jié)強度的具體試驗結(jié)果，為了能直觀觀察出不同參數(shù)下的極限承載力規(guī)律，分別繪出不同參數(shù)下的極限承載力柱狀圖，見圖10。由圖10可知，當(dāng)混凝土強度等級為C40，對于N類，當(dāng)粘結(jié)長度為170 mm時，試件的極限承載力較120 mm時提高了10.4%;當(dāng)粘結(jié)長度為220 mm時，試件的極限承載力較170 mm時提高了22.3%。但G、B類鋁合金板相對于N類鋁合金板，其極限承載力并沒有提高。鋁合金板的粘結(jié)承載力會隨著粘結(jié)寬度的增加而增加，當(dāng)試件類型為G類，混凝土強度等級為C40，粘結(jié)長度為220 mm時，粘結(jié)寬度為75 mm的試件比粘結(jié)寬度為50 mm的試件承載力提高了69.8%，粘結(jié)寬度為100 mm的試件比粘結(jié)寬度為75 mm的試件承載力提高了25.5%。

由圖10（c）可知，當(dāng)試件類型為G類，鋁合金板寬為75 mm時，粘結(jié)長度為120 mm的C40試件比C30試件極限承載力提高了35.2%，粘結(jié)長度為170 mm的C40試件比C30試件極限承載力提高了14.1%，粘結(jié)長度為220 mm的C40試件比C30試件極限承載力提高了5.7%，表明隨著混凝土的強度等級增加，鋁合金板的粘結(jié)強度也會增加。

由試驗結(jié)果可知，試件的極限荷載會隨著鋁合金板的粘結(jié)長度和寬度以及混凝土的強度等級的增加而增加，而增加鋁合金板表面粗糙度并未達到試驗預(yù)期效果，沒有隨著刻痕而增加界面的極限承載力，分析原因，可能是對鋁合金板表面做的處理雖然增加了粘膠面積和化學(xué)膠結(jié)力，但截面削弱處更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使應(yīng)力最大處界面過早軟化，在此處首先產(chǎn)生滑移，界面粘結(jié)強度降低，使試件承載力降低。

3鋁合金板混凝土界面粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系

鋁合金板混凝土的界面粘結(jié)滑移本構(gòu)曲線是鋁合金板加固混凝土結(jié)構(gòu)受力分析的基礎(chǔ)，為了得到鋁合金混凝土界面粘結(jié)滑移本構(gòu)曲線，需要獲得鋁合金界面某點的剪應(yīng)力和滑移量。常用的方法是通過沿粘結(jié)長度方向在鋁合金板上粘貼應(yīng)變片，根據(jù)相鄰應(yīng)變片的讀數(shù)計算出局部粘結(jié)剪應(yīng)力，再利用應(yīng)變片的讀數(shù)采用疊加的方法得到局部滑移量的大小，進而求得界面的粘結(jié)滑移關(guān)系試驗曲線，圖11為鋁合金混凝土界面受力示意圖。

由試驗數(shù)據(jù)可知，鋁合金板混凝土界面粘結(jié)呈現(xiàn)明顯的非線性和界面軟化行為，其中，0→τcr為直線上升段，此時，界面的粘結(jié)主要由結(jié)構(gòu)膠的化學(xué)膠結(jié)力提供，滑移較小，可認(rèn)為荷載產(chǎn)生的位移可恢復(fù)。τca→τmax段為曲線上升段，粘結(jié)界面的初始缺陷在應(yīng)力集中的作用下開始擴展，削弱了界面粘結(jié)剛度。τmax→τΓ段為曲線下降段，當(dāng)滑移值到s0、界面應(yīng)力達到峰值，曲線開始進入下降段，此時，界面出現(xiàn)損傷，不能承擔(dān)粘結(jié)區(qū)段釋放的剪應(yīng)力，承載力下降，卸載后界面的粘結(jié)剛度不可恢復(fù)。τ?！薅螢槠椒€(wěn)段，此階段曲線接近于水平線，界面粘結(jié)應(yīng)力幾乎為零，此時，界面發(fā)生剝離。

4結(jié)論

1）鋁合金板混凝土雙剪試驗的破壞位置主要發(fā)生在鋁合金板和混凝土之間的膠層界面，并且破壞形態(tài)分為剝離和分層兩種，破壞前構(gòu)件沒有明顯征兆，屬于脆性破壞。

2）鋁合金板混凝土界面的受力過程是界面應(yīng)力逐步從加載端向自由端傳遞的過程，且從應(yīng)力傳遞區(qū)域來看，各試件均存在一個有效粘結(jié)長度值，超過該值應(yīng)力即不再進行傳遞。

3）不同參數(shù)條件對試件界面應(yīng)力的影響：粘結(jié)長度越短、粘結(jié)寬度越小、混凝土強度等級越低的試件界面應(yīng)力傳遞速度越快;不同表面粗糙度的試件應(yīng)變分布曲線規(guī)律基本保持一致，且應(yīng)變大小也基本相同，說明鋁合金板表面處理對試件應(yīng)變分布、承載力的提高并沒有實質(zhì)影響。

4）不同參數(shù)條件對試件加載端與自由端相對滑移的影響：提高混凝土強度等級、增加粘結(jié)寬度，可以增加界面粘結(jié)剛度，從而使得界面相對滑移較小;粘結(jié)長度對界面粘結(jié)剛度沒有太大影響，但可以增加試件的延性;對于表面粗糙度不同的試件，N類表面粘結(jié)剛度最大，G類次之，B類最小。

5）不同參數(shù)條件對試件剝離承載力和粘結(jié)強度的影響：增加粘結(jié)長度、粘結(jié)寬度、提高混凝土強度等級能夠提高試件剝離承載力，尤以粘結(jié)寬度影響最為顯著，而鋁合金表面處理對剝離承載力并沒有實質(zhì)影響;增加粘結(jié)長度，粘結(jié)強度有所降低，粘結(jié)寬度和鋁合金板板表面處理對粘結(jié)強度影響不大，提高混凝土強度等級，粘結(jié)強度增加。

6）通過測量鋁合金板的應(yīng)變得到了不同參數(shù)條件下鋁合金板混凝土界面粘結(jié)滑移試驗曲線，該曲線存在明顯的界面軟化特征和非線性行為。參考文獻：

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（編輯胡玲）