水浸與周期荷載耦合下CFRP錨固系統(tǒng)的耐久性分析

朱萬(wàn)旭， 黃宗寧， 桑潤(rùn)輝， 楊龍

(1. 桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林 541004)

橋梁鋼制拉索隨著使用年限的增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，如自重大、腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重等.碳纖維復(fù)合材料(CFRP)利用自身的優(yōu)勢(shì)，成為橋梁等結(jié)構(gòu)及特殊工程中傳統(tǒng)鋼材替代品的首選材料.碳纖維復(fù)合材料具有拉伸強(qiáng)度高、模量大、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，為了充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，學(xué)者們對(duì)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用進(jìn)行了多方面的研究[1-5].材料具有優(yōu)良的耐久性是保障橋梁結(jié)構(gòu)在服役期間安全及穩(wěn)定的重要條件.材料的耐久性除了自身內(nèi)在原因使組成、性能發(fā)生變化，還長(zhǎng)期受到周?chē)h(huán)境和各種因素的破壞作用，其中，外部因素包括化學(xué)作用(酸堿鹽)、物理作用、生物作用和機(jī)械作用4個(gè)方面，內(nèi)部因素包括材料的組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì).目前，研究主要集中在碳纖維復(fù)合材料與混凝土耐久性方面.王磊等[6]分析了纖維復(fù)合材料(FRP)筋-珊瑚混凝土破壞形態(tài)及粘結(jié)強(qiáng)度的變化，發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時(shí)間的增加，CFRP筋僅表面基體有少許損傷且粘結(jié)強(qiáng)度降低較少.張玲玲等[7]對(duì)海洋環(huán)境下CFRP材料、混凝土、CFRP混凝土粘結(jié)界面及加固后混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)海洋環(huán)境對(duì)材料、粘結(jié)界面和加固后柱的性能均有影響，使其力學(xué)性能指標(biāo)值降低.李江林等[8]探討了氯鹽環(huán)境下碳纖維布加固受損鋼筋混凝土構(gòu)件界面的耐久性，研究發(fā)現(xiàn)裂縫修補(bǔ)后粘貼CFRP加固法和替換受損混凝土后加固法更能發(fā)揮CFRP材料的高強(qiáng)性能，提高界面的耐久性.在橋梁中索錨結(jié)構(gòu)受到荷載與復(fù)雜環(huán)境耦合作用[9]，為了推廣碳纖維復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用，有必要對(duì)CFRP錨固結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行研究.CFRP筋錨具的主要類(lèi)型有夾片型、粘結(jié)型及復(fù)合型[10-15].夾片型錨具受荷端的“切口效應(yīng)”會(huì)夾傷碳纖維筋材，同時(shí)，夾片型與復(fù)合型錨具中的金屬夾片容易受到鹽溶液的腐蝕.在粘結(jié)型錨具中，雖然碳纖維復(fù)合材料與粘結(jié)劑[16]均具有良好的抗腐蝕性能，但CFRP錨固結(jié)構(gòu)在水浸與周期荷載作用下能否保持不脫錨，水通過(guò)纖維材料與粘結(jié)劑界面的微小裂縫滲入是否會(huì)影響錨固性能仍有待研究.

因此，本文以光纖光柵為檢測(cè)方式對(duì)錨具內(nèi)部碳纖維筋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)比不泡水、泡水端0，7，28 d的周期荷載試驗(yàn)結(jié)果，研究在水浸環(huán)境與周期荷載耦合下CFRP錨固結(jié)構(gòu)的耐久性.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及理論

1.1 儀器及方案

采用上海市華龍測(cè)試儀器有限公司制作的WAW-1000型鋼絞線萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn).按照J(rèn)TT 29-2010《公路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線用錨具、夾具和連接器》規(guī)定進(jìn)行循環(huán)次數(shù)為50次的周期試驗(yàn).

在試驗(yàn)前期，對(duì)光纖光柵的檢測(cè)能力進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加的拉力荷載大于60 kN時(shí)，光纖光柵監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，因此，試驗(yàn)選擇拉力荷載的取值范圍為12～50 kN.加載方式為常應(yīng)力幅值循環(huán)正弦加載，從初始狀態(tài)開(kāi)始加載至12 kN，加載速度不大于100 MPa·min-1，加載至50 kN時(shí)記錄光柵讀數(shù)，再逐級(jí)卸載至疲勞下限值，卸載速度不大于100 MPa·min-1，持荷2 min后記錄相應(yīng)讀數(shù)，根據(jù)次數(shù)需要重復(fù)加卸載過(guò)程.

試驗(yàn)一共制作3組試件，每組試件有4個(gè)光纖光柵，分別編號(hào)1.1～1.4，2.1～2.4，3.1～3.4.首先，對(duì)所有試件進(jìn)行50次周期張拉試驗(yàn)，標(biāo)記為0 d組；接著，給每組試件加裝泡水裝置，并加入一定量的水溶液浸泡7 d后，觀察試件的變化，水浸狀態(tài)下進(jìn)行50次周期張拉試驗(yàn)，標(biāo)記為7 d組；泡水28 d后，再次進(jìn)行周期張拉試驗(yàn)，標(biāo)記為28 d組.

1.2 試件的設(shè)計(jì)

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5224-2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》并結(jié)合試驗(yàn)儀器情況制作試件.測(cè)量試件均從同一批成品CFRP筋上截取并加工而成.由于粘結(jié)的光纖光柵傳感器較長(zhǎng)，周期荷載實(shí)驗(yàn)所用的試件長(zhǎng)度需保證兩端之間的距離不小于1 000 mm，錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為350 mm.試件采用耦合5根直徑為2 mm的鋼絲碳纖維復(fù)合筋，公稱直徑為8 mm，截面面積為50.24 mm2.

在CFRP筋兩端各刻長(zhǎng)350 mm、深0.7 mm、寬1 mm的凹槽，用酒精將凹槽清洗干凈，待凹槽干燥后，距筋材尾部50，100 mm處粘貼光纖光柵，待膠體干燥后將CFRP筋錨固(圖1).光纖光柵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示.圖2中：監(jiān)測(cè)點(diǎn)1，2為泡水端；監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，4為非泡水端.CFRP筋錨固結(jié)構(gòu)尺寸及各測(cè)點(diǎn)的分布，如圖3所示.

1.3 試驗(yàn)原理分析

試驗(yàn)碳纖維筋由4個(gè)物理相組成，分別為高強(qiáng)鋼絲、環(huán)氧樹(shù)脂、纖維及樹(shù)脂和纖維之間的界面.碳纖維原絲及高強(qiáng)鋼絲的彈性模量較高，承受95%以上的荷載；浸漬樹(shù)脂基體的彈性模量較小，能承擔(dān)纖維方向的荷載有限，主要用于保護(hù)、固定纖維絲，傳遞纖維間的剪應(yīng)力；界面是纖維與基體間的連接層，其主要作用是傳遞基體與纖維之間的應(yīng)變差異，使兩者應(yīng)變相協(xié)調(diào).對(duì)于單根碳纖維原絲，周期試驗(yàn)失效的原因是荷載達(dá)到剩余承載力失效或局部應(yīng)力集中導(dǎo)致開(kāi)裂失效；對(duì)于復(fù)合纖維筋，疲勞損傷情況較為復(fù)雜，當(dāng)樹(shù)脂和纖維之間界面較弱時(shí)，纖維受力傳遞給樹(shù)脂，界面處出現(xiàn)微裂縫，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加，界面處的裂縫逐漸擴(kuò)展，最終形成宏觀裂縫(圖4(a))；當(dāng)樹(shù)脂和纖維之間的界面較強(qiáng)時(shí)，微裂縫出現(xiàn)在纖維內(nèi)部，隨著循環(huán)圈數(shù)的增加，微裂縫擴(kuò)展成為橫向裂縫，導(dǎo)致其他纖維絲承受荷載增大，裂縫擴(kuò)展加快，最終破壞形式為纖維筋破斷(圖4(b)).

(a) 界面破壞 (b) 纖維破壞

1.4 光纖光柵原理

光纖光柵的本質(zhì)就是由于光纖芯區(qū)折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的改變，從而導(dǎo)致一定波長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)的模式耦合，使得其透射光譜和反射光譜對(duì)該波長(zhǎng)出現(xiàn)奇異性.隨著碳纖維筋應(yīng)力的改變，筋內(nèi)光纖光柵波長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化.

以均勻周期正弦型光纖光柵為例說(shuō)明耦合特性，均勻光纖光柵的折射率微擾為

(1)

式(1)中：Δn為折射率最大變化量；Λ為光柵周期.

由式(1)可以得到光纖光柵的耦合波長(zhǎng)方程為

(2)

相應(yīng)地，可得到正弦型光柵的相位匹配條件為

(3)

式(3)中：neff為第s階模式的有效折射率；λB為中心波長(zhǎng).

應(yīng)力引起的光纖光柵波長(zhǎng)漂移描述為

ΔλB=2(Λ·ne+ΔΛ·neff).

(4)

式(4)中:ne為光纖光柵折射率因應(yīng)力產(chǎn)生的變化；ΔΛ為光柵柵距因應(yīng)力產(chǎn)生的變化；Δneff為光纖光柵的彈光效應(yīng)引起的折射率變化.

當(dāng)光纖光柵軸向(z方向)受到均勻力時(shí)，光柵產(chǎn)生軸向均勻應(yīng)變.此時(shí)，各方向的應(yīng)力可以表示為σz=p，σxσy=0，其中，p為外加壓強(qiáng)，且不存在切向應(yīng)力.根據(jù)材料力學(xué)原理可求得各方向的應(yīng)變?yōu)?/p>

(5)

式(5)中：ν為光纖光柵的泊松比；E為光纖光柵的彈性模量.

將式(4)展開(kāi)可得

(6)

式(6)中：ΔL為光纖的縱向伸縮量；Δa為由于縱向拉伸引起的光纖直徑變化；?neff/?L表示彈光效應(yīng)引起的有效折射率變化；?neff/?a表示波導(dǎo)效應(yīng)引起的有效折射率變化.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水浸環(huán)境前、后周期試驗(yàn)分析

在安裝試件1時(shí)，1.3號(hào)光柵被夾片夾壞，僅有3個(gè)光纖光柵的數(shù)據(jù)可以使用.由于環(huán)氧體為非完全彈性材料，因此，每張拉一次均有殘余變形.試件1的波長(zhǎng)變化量-循環(huán)次數(shù)曲線，如圖5所示.圖5中:Δλ為波長(zhǎng)變化量；N為循環(huán)次數(shù)；F為施加的拉力荷載.由圖5可知：1.1號(hào)、1.2號(hào)光纖光柵的波長(zhǎng)變化均單調(diào)增加，曲率隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小且趨于平緩，在同一個(gè)循環(huán)內(nèi)，拉力荷載12～50 kN之間的波長(zhǎng)變化量為0 d組>7 d組>28 d組；1.4號(hào)光纖光柵隨著循環(huán)次數(shù)的增加，波長(zhǎng)變化較快，趨近45次循環(huán)荷載后，變化幅度開(kāi)始放緩， 同一個(gè)循環(huán)內(nèi)，在荷載12～50 kN之間的波長(zhǎng)變化量為28 d組>7 d組>0 d組；3個(gè)光纖光柵的變化率皆為0 d組>7 d組>28 d組.

(a) 1.1號(hào)光纖光柵

試件2的波長(zhǎng)變化量-循環(huán)次數(shù)曲線，如圖6所示.由圖6可知：在第1組循環(huán)張拉過(guò)程中，各光纖光柵的波長(zhǎng)均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，且波長(zhǎng)變化的幅度逐漸變??；2.1號(hào)、2.2號(hào)光纖光柵的變化曲率為0 d組>7 d組>28 d組，同一循環(huán)內(nèi)的波長(zhǎng)變化量為28 d組>7 d組>0 d組；2.3號(hào)、2.4號(hào)光纖光柵的變化曲率為0 d組>7 d組>28 d組，同一循環(huán)內(nèi)的波長(zhǎng)變化量為0 d組>7 d組>28 d組；泡水端的2.1號(hào)、2.2號(hào)光纖光柵的變化是單調(diào)遞增的，而未泡水端2.3號(hào)、2.4號(hào)光纖光柵的7，28 d組變化曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)甚至下降的趨勢(shì).

(a) 2.1號(hào)光纖光柵 (b) 2.2號(hào)光纖光柵

試件3的波長(zhǎng)變化量-循環(huán)次數(shù)曲線，如圖7所示.由圖7可知：3.1號(hào)、3.2號(hào)光纖光柵在各組周期試驗(yàn)中，波長(zhǎng)都是線性遞增，波長(zhǎng)變化率為0 d組>7 d組>28 d組，在同一個(gè)循環(huán)內(nèi)的波長(zhǎng)變化量為28 d組>7 d組>0 d組；3.3號(hào)、3.4號(hào)光纖光柵在0 d組周期試驗(yàn)中的波長(zhǎng)線性遞增，波長(zhǎng)變化曲率隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，在7 d組、28 d組試驗(yàn)中，波長(zhǎng)變化近似一條平穩(wěn)的直線，波長(zhǎng)變化率為0 d組>7 d組>28 d組，循環(huán)內(nèi)波長(zhǎng)為0 d組>7 d組>28 d組.

(a) 3.1號(hào)光纖光柵 (b) 3.2號(hào)光纖光柵

綜合對(duì)比分析3組試件在泡水前、后的幾次循環(huán)張拉試驗(yàn)情況.除個(gè)別特殊情況外，在未泡水試驗(yàn)中，兩端的變形基本相同；在泡水試驗(yàn)中，泡水端的波長(zhǎng)變化量明顯大于非泡水端，隨著泡水時(shí)間的增加，泡水端循環(huán)周期內(nèi)的波長(zhǎng)變化量不斷增加，而非泡水端則隨循環(huán)次數(shù)的增多，波長(zhǎng)變化量越來(lái)越??；循環(huán)荷載試驗(yàn)對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的影響大于水浸泡對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的影響.

3組試件各監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)后的波長(zhǎng)變化量，如表1所示.表1中：光纖光柵1.1代表試件1的第1個(gè)光

表1 3組試件各監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)后的波長(zhǎng)變化量

纖光柵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，表中數(shù)值為試驗(yàn)后取下試件，等光纖光柵完全穩(wěn)定后測(cè)得的數(shù)值減去初始值所得.

由表1可知：在每次循環(huán)張拉試驗(yàn)過(guò)程中，雖然波長(zhǎng)有較大的變化，但是絕大部分為筋材的彈性變形，只有少數(shù)部分為環(huán)氧體的塑性變形；泡水端的塑性變形略大于非泡水端，在泡水7 d后的塑性變形略大于泡水28 d后的塑性變形.

2.2 靜載實(shí)驗(yàn)

為了研究CFRP錨固系統(tǒng)在水浸及周期荷載情況下對(duì)錨固性能的影響，將3個(gè)試件進(jìn)行靜力張拉試驗(yàn)，得到CFRP錨結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度.

在泡水7 d后的周期試驗(yàn)中，在水中摻入體積分?jǐn)?shù)為50%的紅色染料(圖8)，以便觀察滲漏情況.加載方案為每級(jí)10 kN加載至80 kN，每級(jí)記錄1組光纖光柵數(shù)據(jù)，然后，由80 kN拉至試件破壞.

圖8 浸染料靜載拉伸試驗(yàn)

加載初期，筋材無(wú)明顯變化，環(huán)氧體也無(wú)任何異?，F(xiàn)象；當(dāng)持續(xù)加載至70～80 kN時(shí)，隱約聽(tīng)見(jiàn)環(huán)氧體相互擠壓、摩擦的聲音；加載至90 kN后，有鐵砂受擠壓脫落的聲音；加載至100 kN時(shí)，筋材開(kāi)始發(fā)出嘣絲聲，105 kN開(kāi)始隨著碳纖維絲的破裂、破斷，荷載有所下降，此時(shí)的荷載位移曲線表現(xiàn)為鋸齒狀；最終，3個(gè)試件的破壞荷載均超過(guò)120 kN，而且其破壞形式均為理想的發(fā)散式破環(huán).周期荷載試驗(yàn)后試件的拉伸破壞情況，如圖9所示.

(a) 試件1 (b) 試件2 (c) 試件3

試驗(yàn)完成后，沿著距離端口5 cm處鋸開(kāi)錨具，觀察其截面內(nèi)部情況，錨具切口截面，如圖10所示.由圖10可知：試件經(jīng)過(guò)周期試驗(yàn)及長(zhǎng)時(shí)間冷凝水浸泡后，距離錨具端口5 cm處的截面并沒(méi)有紅色液體進(jìn)入錨具內(nèi)部，說(shuō)明環(huán)氧體有良好的密封性；CFRP筋與樹(shù)脂間界面受到冷凝水影響小，在試驗(yàn)過(guò)程中也沒(méi)有發(fā)生界面滑移；在初期的探索試驗(yàn)中，光纖光柵往往只能跟隨至拉力荷載60 kN左右就不能正常檢測(cè)到數(shù)值，經(jīng)過(guò)周期循環(huán)張拉試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，光纖光柵檢測(cè)的量程變大，在拉伸破壞后，部分光纖光柵仍能讀出有效數(shù)據(jù).

2.3 錨固區(qū)筋材應(yīng)變分析

錨固區(qū)內(nèi)筋材的應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖11所示.由圖11可知:隨著荷載的增加，錨固區(qū)筋材的應(yīng)變線性增加，當(dāng)拉力荷載為0～80 kN時(shí)，沒(méi)有明顯突變；泡水端筋材的變形較大，驗(yàn)證了泡水端的變形大于非泡水端的結(jié)論；除了第一級(jí)荷載會(huì)受夾持的影響造成不規(guī)則變形外，在拉力荷載為10～80 kN之間的波長(zhǎng)變化規(guī)律為泡水端比非泡水端大10%～30%.

(a) 試件1

對(duì)比表1與表2可知:周期荷載試驗(yàn)后，泡水端的CFRP錨固結(jié)構(gòu)依然具有良好的錨固性能，試件的極限強(qiáng)度均值大于母材試驗(yàn)均值，說(shuō)明在循環(huán)荷載與水浸環(huán)境下，CFRP的錨固性能仍保持穩(wěn)定.

表2 剩余強(qiáng)度數(shù)值表

3 結(jié)論

錨固區(qū)內(nèi)筋材以光纖光柵為檢測(cè)方式對(duì)錨固結(jié)構(gòu)在水浸條件下的錨固性能進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)的分析，得到以下3點(diǎn)結(jié)論.

1) 50次循環(huán)的周期荷載試驗(yàn)中，初始幾個(gè)循環(huán)的環(huán)氧體塑性變形開(kāi)始較大，隨著循環(huán)次數(shù)的增大，每個(gè)循環(huán)所產(chǎn)生的塑性變形減小并趨于穩(wěn)定.

2) 對(duì)比泡水端與非泡水端在周期荷載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可知，泡水端的波長(zhǎng)變化曲率大于非泡水端；泡水端碳纖維筋受到較大的形變，而CFRP筋與環(huán)氧體界面受到水浸影響小，試驗(yàn)中無(wú)脫錨發(fā)生.

3) 水浸及周期荷載耦合作用雖然會(huì)使錨具內(nèi)部筋材變形，但并不能影響錨固結(jié)構(gòu)的錨固性能，觀察浸水端碳纖維筋表面無(wú)腐蝕現(xiàn)象.