溫度循環(huán)作用后CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能研究

趙少偉，任梓煒，郭 蓉，張家赫，陳 冰

(河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401)

0 引 言

隨著相關(guān)加固規(guī)范與技術(shù)規(guī)程頒布，纖維增強復合材料(fiber reinforced plastic，F(xiàn)RP)已經(jīng)成為工程應用較為成熟的結(jié)構(gòu)加固材料[1]，廣泛應用于房屋建筑工程、市政橋梁工程等領(lǐng)域。FRP與混凝土之間良好的界面黏結(jié)性能是FRP加固技術(shù)的關(guān)鍵[2-3]。研究表明FRP加固常用的環(huán)氧類膠黏劑對溫度變化較為敏感，在60 ℃時其黏結(jié)強度是常溫下的50%，在90 ℃時則降為常溫下的24%～29%[4-5]。根據(jù)相關(guān)資料顯示：我國北方地區(qū)季節(jié)性氣溫變化差異明顯[6-7]，F(xiàn)RP加固結(jié)構(gòu)在季節(jié)性溫度循環(huán)作用后，對界面黏結(jié)性能影響程度如何，是否存在安全隱患，因此有必要對溫度循環(huán)作用后的FRP-混凝土界面的黏結(jié)性能進行研究。

國內(nèi)外學者開展了不同溫度情況作用下FRP-混凝土界面黏結(jié)性能的研究，并取得一定的進展。目前的研究表明：由于環(huán)氧樹脂對于溫度敏感性較強，溫度變化對FRP-混凝土界面的黏結(jié)性能會有顯著影響?，F(xiàn)有研究[8-10]發(fā)現(xiàn)在環(huán)氧樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之前，隨著溫度的增加，界面的黏結(jié)強度會增加，當超過Tg后，界面的黏結(jié)強度會大幅下降。此外，不同溫度作用下FRP-混凝土界面的破壞形態(tài)也不同，例如W.Y.GAO等[11]研究了在不同溫度下FRP與混凝土界面黏結(jié)性能的變化規(guī)律，結(jié)果表明：當溫度為-10～40 ℃時，試件發(fā)生混凝土表層內(nèi)聚破壞，表層混凝土被扯下；環(huán)境溫度為50～75 ℃時，試件發(fā)生FRP-環(huán)氧樹脂的界面黏附失效。值得注意的是，胡克旭[12]等發(fā)現(xiàn)高溫固化能夠提高膠黏劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，較高的溫度(

對于實際服役的FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)來說，需要承受較大的季節(jié)性溫差的循環(huán)作用，因此本研究模擬長期處于季節(jié)溫度循環(huán)作用后的FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)所處的溫度環(huán)境，研究外貼FRP板的混凝土雙剪試件界面黏結(jié)性能的變化規(guī)律，在經(jīng)典模型的基礎上考慮環(huán)氧樹脂膠體材料性能和FRP板厚度的影響，建立起溫度循環(huán)作用后的黏結(jié)-滑移模型，為FRP板加固混凝土結(jié)構(gòu)在北方地區(qū)的應用提供理論參考。

1 試驗設計

1.1 試件制作

1.1.1 試驗材料

混凝土試塊采用C30和C50兩種強度等級，實測立方體抗壓強度值分別為38、55 MPa；CFRP板的力學性能參數(shù)見表1；界面黏結(jié)劑采用雙組份環(huán)氧樹脂膠，主要力學性能見表2。

表1 CFRP板力學性能

表2 環(huán)氧樹脂膠力學性能

1.1.2 試件制作

為保證CFRP板與混凝土之間的黏結(jié)長度大于有效黏結(jié)長度(通常不大于200 mm)因此將混凝土試件尺寸設置為150 mm×150 mm×300 mm，其中CFRP板黏結(jié)長度為250 mm，為了避免應力集中，在試件端部設置50 mm的非黏結(jié)區(qū)，示意見圖1。

圖1 試件示意(單位：mm)

混凝土養(yǎng)護28 d后，在混凝土表面進行打磨并采用無水乙醇進行清洗，根據(jù)CFRP板寬度，在混凝土表面畫出需要黏貼的區(qū)域，并在非黏結(jié)區(qū)貼上防水膠帶。均勻涂抹環(huán)氧樹脂膠并采用銅絲控制膠層厚度為2 mm，然后黏貼CFRP板，用滾筒在CFRP板上多次滾壓，使CFRP板充分浸潤環(huán)氧樹脂。黏貼好兩側(cè)CFRP板以后，將試塊在室溫條件下養(yǎng)護7 d，再進行后續(xù)試驗。

圖2 試件制作

1.2 溫度循環(huán)設置

試驗采用GDW-3000高低溫試驗箱對試塊進行溫度處理，試驗箱溫度控制精度為 ±1 ℃，試驗預定溫控區(qū)間為-20～60 ℃，分別對試件進行0、50、100、150次的溫度循環(huán)處理。循環(huán)方式為升溫恒溫4 h,降溫恒溫4 h，保證混凝土內(nèi)部受熱均勻，避免試塊內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度，8 h為一個循環(huán)，每天循環(huán)3次。

除了溫度循環(huán)次數(shù)之外，試件設計還考慮了另外3種影響因子：①混凝土強度(C30、C50)、②CFRP板寬度(50、75、100 mm)、③CFRP板厚度(1.2、1.4、2.0 mm)。試件參數(shù)見表3。

表3 試件參數(shù)

1.3 加載方案及測試內(nèi)容

1.3.1 加載方案

本試驗自行設計了一套夾持裝置(圖3)，裝置分為夾具主體、橡膠夾片、鐵質(zhì)夾片和螺栓4個部分：其中橡膠夾片放置在鐵質(zhì)夾片與夾具主體之間，用于增大CFRP板與夾具之間的摩阻力；為了增強加持力，在夾具主體和夾片上等距離預留8個高強螺栓穿孔；將CFRP板放置于夾具和橡膠夾片之間再安裝鐵質(zhì)夾片，最后擰緊螺栓固定。

圖3 夾持裝置

為避免試驗過程中CRRP板和混凝土間正應力的影響，只受到面內(nèi)剪切力作用，采用10 t級液壓分離式千斤頂作為加載裝置，試驗加載裝置見圖4。加載前，在地面放置鋼梁并在其上放置尺寸為150 mm×150 mm×20 mm的找平鋼板。在雙剪試件上部放置同等尺寸的鋼板，使混凝土面受力均勻并依次放置千斤頂、力傳感器。

圖4 加載裝置

1.3.2 測試內(nèi)容

本試驗主要測量內(nèi)容包括：CFRP板表面應變、CFRP板與混凝土相對滑移以及荷載。

應變測量：采用電阻應變片，其電阻值為120±0.1% Ω，靈敏系數(shù)為2.12±1.3%，柵長5 mm，柵寬3 mm。沿CFRP板中心軸線位置黏貼應變片，為減小應變差分和積分過程中產(chǎn)生的誤差，應變片布置的間距不宜過大，本試驗設置的間距為30 mm，測點布置圖見圖5，同時在混凝土兩面的非黏結(jié)區(qū)域各黏貼一個應變片，測量非黏結(jié)區(qū)域CFRP板應變的變化。位移測量：在CFRP板黏結(jié)區(qū)最靠近加載端的位置固定一角鋼，在角鋼和混凝土上各架設一臺位移傳感器，通過兩個位移傳感器的位移差得到加載端CFRP板與混凝土之間的相對位移。荷載測量：采用華東電子儀器廠生產(chǎn)的BHR-4型力傳感器，量程為20 t，放置于千斤頂和夾具之間(圖4)。所有測量數(shù)據(jù)均使用型號為DH3816N的靜態(tài)應變測試儀進行采集。

圖5 應變測點布置(單位：mm)

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 試驗現(xiàn)象及主要破壞形態(tài)

加載初期，CFRP板只有靠近加載端的2～3個應變片有讀數(shù)，應變很小，CFRP板基本沒有滑移；隨著荷載的增大，應力逐漸向自由端傳遞，當荷載繼續(xù)增加至極限荷載40%左右時，靠近加載端附近的應變片讀數(shù)增長速率明顯加快，能夠聽到輕微界面剝離的聲音；繼續(xù)增大荷載，遠端應變片讀數(shù)開始明顯增大，而加載端應變不再繼續(xù)增大，靠近加載端的CFRP板從非黏結(jié)區(qū)出現(xiàn)局部剝離；當荷載繼續(xù)增加至極限荷載時，發(fā)出“砰”的巨響，雙剪試件破壞。

所有的雙剪試件中，出現(xiàn)了兩種主要的破壞形態(tài)(圖6)：其中采用C30的雙剪試件均發(fā)生混凝土表層破壞如圖6(a)，即混凝土表層被黏下薄薄一層，這是由于環(huán)氧樹脂滲透進混凝土表面，形成了環(huán)氧樹脂膠-混凝土滲透層，膠體的抗剪性能比混凝土自身的抗剪性能強，所以破壞發(fā)生于環(huán)氧樹脂膠-混凝土滲透層的混凝土一側(cè)；采用C50的雙剪試件均發(fā)生了界面脫黏破壞如圖6(b)，即界面脫黏破壞，膠層上還殘留部分CFRP板的纖維絲，這是由于膠體的內(nèi)聚力優(yōu)于界面黏結(jié)力，故發(fā)生了界面脫黏。

圖6 主要破壞形態(tài)

2.2 界面黏結(jié)-滑移關(guān)系

2.2.1 黏結(jié)剪應力

考慮CFRP板與膠層為線彈性材料，假定環(huán)氧樹脂只起到將應力從混凝土傳遞到CFRP板的作用且應力不在厚度方向發(fā)生改變，剪應力在CFRP板上沿軸線方向均勻變化。圖7為CFRP板微元體受力示意，圖7中bf為CFRP板的計算亮度，σf為CFRP板所變拉應力，τ為剪切應力，可近似認為相鄰兩測點間的應變呈線性變化。因此將相鄰兩應變片之間的平均剪應力近似為某點i處的剪應力，推導出式(1)來計算CFRP板與混凝土界面某點i處的黏結(jié)剪應力為：

圖7 CFRP板微元體受力示意

(1)

式中：Ef為CFRP板的受拉彈性模量；tf為CFRP板的計算厚度；εi和εi+1為CFRP板在i、i+1處的應變；Δx為相鄰兩測點的間距。

2.2.2 滑移量

界面某點i的滑移量si是該點處CFRP板與混凝土間的相對滑移。假定自由端處CFRP板相對滑移為0，CFRP板為各向同性的線彈性材料。則可通過CFRP板上的應變，自CFRP板自由端向加載端，按式(2)數(shù)值積分得到界面某點i處的黏結(jié)滑移si：

(2)

式中：εf為測點i，i-1間的平均應變；xi和xi-1分別為測定i,i-1距加載端的距離；si-1為測點i-1的滑移量。

2.3 界面剪應力分布

各級荷載下沿黏結(jié)長度方向的界面剪應力分布曲線見圖8，各組試件最大剪應力τmax見表4。

表4 界面最大剪應力τmax

圖8 界面剪應力分布

由于各個試件界面剪應力分布曲線形狀基本相似，以圖8中兩個試件為例可知，在荷載較小的情況下，界面應力傳遞區(qū)較短，呈現(xiàn)出距加載端越遠應力越小的特征；隨著荷載的增加，黏結(jié)應力傳遞距離增加，加載端的應力快速增長，當超過了最大界面黏結(jié)應力時，該處應力出現(xiàn)了軟化下降，應力向后方傳遞，后方應力逐漸增加，因此應力分布曲線出現(xiàn)先上升后下降的特征；隨著荷載繼續(xù)增加，靠近加載端處剪應力減小(<1 MPa)，界面開始出現(xiàn)剝離，剪應力峰值點也逐漸向自由端移動，從圖上體現(xiàn)為整個曲線從加載端向自由端后移。

3 黏結(jié)-滑移模型

3.1 界面黏結(jié)-滑移曲線

按式(1)、式(2)計算黏結(jié)界面的剪應力和滑移量，得到各測點黏結(jié)-滑移關(guān)系曲線(圖10)。由圖10可以看出，雖然溫度循環(huán)次數(shù)、CFRP板尺寸和混凝土強度不同，但是曲線基本形式相差不大，分為線性上升段、曲線上升段、曲線下降段和平穩(wěn)段4個部分。

3.2 溫度循環(huán)作用后的黏結(jié)-滑移模型

目前，國內(nèi)外學者在分析FRP與混凝土之間的黏結(jié)滑移關(guān)系時，主要有雙曲線模型[14-16]、雙線性模型[17]、三線性模型[18-19]和指數(shù)函數(shù)模型[20]4種黏結(jié)滑移模型，這4種模型不僅很好地描述了界面在初始受力階段線彈性的特點，還考慮了界面具有軟化下降段的情況。其中，G.MONTI等[17]提出的雙線性模型〔圖9及式(3)～式(7)〕假設下降段為線性下降，模型簡潔，便于計算，在實際工程中可以更好地應用。除此之外，雙線性模型與坐標軸所圍面積(斷裂能)較另外3種模型更小，界面承載性能更加安全。加之試驗所得的黏結(jié)-滑移曲線形式與Monti的雙線性模型形式相近有較好的符合性，因此可以利用該雙線性模型建立溫度循環(huán)作用后界面黏結(jié)-滑移模型。

圖9 Monti雙線性模型

(3)

τmax=1.8βwfct

(4)

(5)

sf=0.33βw

(6)

(7)

式中：βw為FRP-混凝土寬度影響系數(shù)；fct為混凝土抗拉強度；sf為黏結(jié)剪應力為0時的極限滑移量；ta為膠層厚度；Ea為膠體彈性模量；Ec為混凝土彈性模量；s0為黏結(jié)剪應力達到峰值時所對應的滑移量；bc為混凝土的計算寬度。

然而在Monti雙線性模型中，最大剪應力τmax的表達式在材料參數(shù)方面只考慮了混凝土強度的影響。這是由于以往研究認為膠體的黏結(jié)強度較大，混凝土強度較小，破壞形式一般為混凝土的內(nèi)聚破壞，公式的建立都是基于該類破壞形式提出的。而實際破壞形式隨著基材與黏結(jié)材料的相對強度不同，破壞形式有所區(qū)別，因此進行模型修正時，不能只考慮混凝土強度還需要考慮黏結(jié)膠體強度的影響。

采用Monti雙線性模型建立溫度循環(huán)作用后界面的黏結(jié)-滑移模型，考慮在-20～60 ℃溫度循環(huán)情況下，膠體性能有所變化，在模型中引入溫度影響參數(shù)(A、B、C)；考慮CFRP板厚度的影響，引入厚度修正系數(shù)βi。假定當CFRP板厚1.2 mm時，取βi=1，βw的表達式同式(7)，修正后的模型各特征值的表達式為：

τmax=1.8Aβwβt1fctfat

(8)

(9)

sf=0.33Cβwβt3

(10)

式中：fat為膠體抗拉強度。

將C30試件組中CFRP板厚度為1.2 mm的試件的試驗數(shù)據(jù)代入式(8)～式(10)，則各試件對應的A、B、C值見表5。

表5 溫度循環(huán)作用后C30試件模型公式參數(shù)(tf=1.2 mm)

采用一階衰減指數(shù)函數(shù)ExpDecl對A、B、C值進行擬合，以T值(溫度循環(huán)次數(shù))為自變量，以A、B、C值為因變量，對C30試件進行數(shù)據(jù)擬合可得A、B、C值與T值函數(shù)關(guān)系式為：

(11)

(12)

(13)

同樣循環(huán)次數(shù)下，C30試件組中不同CFRP板厚的試件界面特征值見表6。

表6 C30試件界面特征值參數(shù)(溫度循環(huán)次數(shù)為150次)

通過表6對CFRP厚度修正系數(shù)βti進行擬合可得：

(14)

(15)

(16)

將式(11)～式(16)分別代入式(8)～式(10)可得溫度循環(huán)作用后，C30試件曲線特征值表達式為：

(17)

(18)

(19)

模型擬合值與試驗數(shù)據(jù)對比如圖10。

圖10 試驗值-擬合值對比

4 結(jié) 論

1)所有的雙剪試件中C30混凝土試件均為混凝土表層黏聚性破壞；C50混凝土試件均為CFRP板-環(huán)氧樹脂界面脫黏破壞，且破壞總發(fā)生在強度較為薄弱的一側(cè)。

2)隨著溫度循環(huán)次數(shù)、混凝土強度等級、CFRP板寬度和厚度的增加，界面最大剪應力τmax會有不同程度的增大，其中溫度循環(huán)次數(shù)對其影響較為顯著，且界面最大剪應力τmax隨溫度循環(huán)次數(shù)的增加其增長呈現(xiàn)逐漸放緩的趨勢，混凝土強度等級、CFRP板寬度和厚度則對其影響并不顯著。

3)在Monti雙線性模型基礎上增加了環(huán)氧樹脂膠體抗拉強度fat以及CFRP板厚度修正系數(shù)βti，建立起的溫度循環(huán)作用后界面的黏結(jié)-滑移模型，模型與試驗結(jié)果有較好的吻合性。

4)針對所得到的的試驗現(xiàn)象及結(jié)論進行內(nèi)在機理分析為：試驗在黏貼CFRP板時，對雙剪試件進行室溫固化(20±5 ℃)，而在溫度循環(huán)處理的高溫升溫和恒溫階段，試件所處溫度高于初始的固化溫度，環(huán)氧樹脂膠會繼續(xù)發(fā)生后固化反應，樹脂預聚體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀聚合物，分子交聯(lián)度提高，膠體內(nèi)聚力增強，剪切黏結(jié)性能提高。