雙剪切加固結(jié)構(gòu)下混凝土—環(huán)氧樹(shù)脂—纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面力學(xué)試驗(yàn)分析

劉 萍

(中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇 無(wú)錫 214028)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)常被采用于加固土木工程結(jié)構(gòu)，廣大研究者和工程人員正在致力于尋求新方法以便優(yōu)化材料的設(shè)計(jì)和使用，從而修復(fù)有一定程度損傷的結(jié)構(gòu)部件以及需提高使用性能的部件[1-3]。在建筑中，最常用的加固材料是玻璃纖維增強(qiáng)材料(GFRP)、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)。CFRP層壓板由碳(纖維)和環(huán)氧樹(shù)脂(基體)組成。根據(jù)纖維的方向可分為具有一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)方向加固行為的層壓板[4]。其中單向?qū)訅喊?具有單個(gè)方向的纖維力學(xué)行為)常被用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固，其滿足了抵抗拉伸應(yīng)力的全部要求，并通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂黏附于外部。由于復(fù)合材料尚處于發(fā)展階段，在土木工程中的應(yīng)用也相對(duì)較晚，加之FRP本身的復(fù)雜性，F(xiàn)RP和混凝土之間的黏附力損失非常嚴(yán)重，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固方面的研究甚少[5-6]。

現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP的黏附失效機(jī)制是鋼筋構(gòu)件在剪切或彎曲時(shí)行為的關(guān)鍵因素[7-8]。此外，需要改進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)來(lái)更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)FRP和混凝土之間的滑動(dòng)及FRP分層造成的黏附力損失[9]。此文設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)來(lái)研究層壓板和混凝土之間的黏附力。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究混凝土—環(huán)氧樹(shù)脂—CFRP層壓板之間的應(yīng)力傳遞，此文設(shè)計(jì)了雙剪切試驗(yàn)。目的是對(duì)層壓板施加拉力，并將軸向應(yīng)力傳遞到加固區(qū)，而避免不良彎曲效應(yīng)的產(chǎn)生。為此，建造了一對(duì)0.250m×0.250m×1m的混凝土砌塊，并通過(guò)兩個(gè)CFRP層壓板以近乎對(duì)稱(chēng)的方式連接。層壓板的尺寸為0.05m×0.25m×1.25m。

1.1 鋼筋混凝土構(gòu)件的表面處理

確定放置層壓板的區(qū)域前，須對(duì)該區(qū)域的混凝土構(gòu)件表層(小于1mm)進(jìn)行力學(xué)清除。利用振動(dòng)錘處理混凝土表面，使固定層壓板的區(qū)域略微粗糙。利用輕度酸洗去除混凝土的點(diǎn)狀缺陷區(qū)域，如結(jié)垢、碳化或微小裂紋。得益于表面的輕微粗糙度，層壓板與混凝土間連接的環(huán)氧樹(shù)脂具有適中的黏附力。

1.2 膠黏劑

將MBRACE膠黏劑涂抹于酸洗過(guò)的混凝土和層壓板的表面(見(jiàn)圖1)。用抹刀涂抹約1mm厚的接觸層，覆蓋在待加固區(qū)域任何不規(guī)則的小型構(gòu)件。如果裂紋較大，應(yīng)事先用修補(bǔ)砂漿進(jìn)行處理。

圖1 膠黏劑層

1.3 儀器的放置

在混凝土加固表面層壓板上，每隔0.05m放置有一個(gè)應(yīng)變片(見(jiàn)圖2)。在圖2中可以看到，標(biāo)有1～5的量具位于黏附區(qū)，標(biāo)有A/B的量具(SG)用于校驗(yàn)層壓板的對(duì)稱(chēng)與否，試驗(yàn)還測(cè)量了帶有傳感器混凝土砌塊的相對(duì)位移。

圖2 試驗(yàn)儀器

1.4 層壓板的放置

將層壓板放置于膠黏劑層上(見(jiàn)圖3)。按壓層壓板，去除氣泡并改善不同表面間的接觸。

圖3 黏合后的層壓板

1.5 試驗(yàn)的實(shí)施

雙剪切試驗(yàn)通過(guò)荷載控制進(jìn)行(見(jiàn)圖4)，荷載被施加在其中一個(gè)砌塊上。連接執(zhí)行器的砌塊以500N/min的低負(fù)荷速率被拉動(dòng)，直到層壓板脫落。故障發(fā)生的時(shí)間極短：較短的層壓板先行脫落，另一層壓板隨即脫落。

圖4 執(zhí)行器與混凝土砌塊的連接

由于試驗(yàn)裝置的位置調(diào)整，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)觀察到了非線性現(xiàn)象(見(jiàn)圖5)。在混凝土—環(huán)氧樹(shù)脂—纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面上，因黏附力損失，系統(tǒng)的剛度開(kāi)始降低，在約15kN的荷載下呈現(xiàn)線性行為。

圖5 雙剪切試驗(yàn)中的荷載(P)—位移(Ux)曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 層壓板應(yīng)變

為進(jìn)行荷載控制試驗(yàn)，將5個(gè)量具(SG)放置在錨固區(qū)的層壓板上。此外，在量具A/B(SG A/B)的兩側(cè)放置兩個(gè)控制桿，以驗(yàn)證樣品兩側(cè)之間無(wú)應(yīng)變差異， 從而確保荷載均勻分布在兩個(gè)層壓板上(見(jiàn)圖6)。

圖6 層壓板的應(yīng)變分布

當(dāng)荷載達(dá)到25kN時(shí)，層壓板脫落，測(cè)量器顯示了荷載如何隨黏附區(qū)面積的減小而變化?？梢钥闯?，即使在完全脫離層壓板的情況下，荷載水平和應(yīng)變量也遠(yuǎn)低于層壓板的彈性極限。因此，在試驗(yàn)中的任意時(shí)刻，層壓板都具有彈性行為，并且只受到純拉伸(軸向應(yīng)力)。

隨著外荷載的增大，非線性加載狀態(tài)首先出現(xiàn)在SG4梁段中，然后出現(xiàn)在SG3、SG2梁段中，最后出現(xiàn)在SG1梁段中，直至層壓板脫落。A/B控制桿顯示，樣品間的應(yīng)變無(wú)差異，如SGA/B曲線所示。此外，觀察到黏附區(qū)以外的樣品保持線性行為(見(jiàn)圖7)。

圖7 不同荷載下使用測(cè)量器測(cè)量的層壓板應(yīng)變

2.2 界面損傷

雙剪切模擬試驗(yàn)可以研究混凝土和環(huán)氧樹(shù)脂損傷的演變過(guò)程，對(duì)界面的失效機(jī)理進(jìn)行全面分析。試驗(yàn)中的最大荷載為25kN(見(jiàn)圖8)。由于層壓板滑動(dòng)和混凝土砌塊末端部分脫落，試件在失效期間均表現(xiàn)出低延展性。這說(shuō)明，材料的延性行為可能彌合材料的層間滑移以及局部損傷。建議分析該類(lèi)復(fù)合材料的力學(xué)行為時(shí)，需要獨(dú)立分配各成分的本構(gòu)模型，從而根據(jù)所使用的模型觀察內(nèi)部變量的演變。

圖8 最大荷載為25kN時(shí)混凝土砌塊和膠黏劑的損傷

混凝土的最大損傷發(fā)生在混凝土塊體的上、下邊緣處，試驗(yàn)結(jié)果顯示FRP的末端最大損傷達(dá)到75%。該類(lèi)損傷從砌塊末端向前延伸到0.28m處，即層壓后的0.07m處。在圖8中可以看到，環(huán)氧樹(shù)脂在混凝土脫落的末端具有更高的損傷，并向鋼筋的中心收縮。錨固長(zhǎng)度為0.21m的環(huán)氧樹(shù)脂損傷分布不均勻，最大損傷發(fā)生在砌塊末端的下部(見(jiàn)圖8)。此外，試驗(yàn)結(jié)果顯示在混凝土界面上比層壓板界面上的損傷更為顯著(見(jiàn)圖9)，混凝土損傷基本為67%，分布均勻，最大損傷為75%，發(fā)生在砌塊內(nèi)層壓結(jié)束的末端，對(duì)應(yīng)于界面的失效時(shí)刻。

圖9 混凝土損傷

由于層壓板長(zhǎng)度較短，應(yīng)力集中系數(shù)較大，膠黏劑的損傷分布不均勻，集中在端部。以上試驗(yàn)為今后的模擬分析過(guò)程提供了建議，即理論分析或數(shù)值模擬時(shí)也應(yīng)該考慮環(huán)氧樹(shù)脂的損傷問(wèn)題。正如一些研究提出的假設(shè)[10-12]，環(huán)氧樹(shù)脂的損傷行為既不是彈性的，也不是線性的(見(jiàn)圖10)。

圖10 環(huán)氧樹(shù)脂損傷

2.3 界面應(yīng)力分布

由于失效發(fā)生在埋設(shè)鋼筋的砌塊端部區(qū)域，因而對(duì)鋼筋頂部(即距砌塊底部0.15m處)混凝土、環(huán)氧樹(shù)脂和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的軸向和切向應(yīng)力的行為進(jìn)行分析(見(jiàn)圖11、圖12)。

在6.1kN的荷載下，最大的軸向應(yīng)力出現(xiàn)在CFRP黏附的末端(見(jiàn)圖11)。

圖11 混凝土軸向應(yīng)力分布

對(duì)于其他荷載水平，最大應(yīng)力(1.85～2.00MPa)發(fā)生在鋼筋區(qū)域，并朝向FRP末端。對(duì)于失效荷載，距鋼筋0.04m處的應(yīng)力為2.31MPa。

關(guān)于切向應(yīng)力，可以觀察到，對(duì)20.9kN以下的不同荷載水平，最大應(yīng)力發(fā)生在FRP黏附的末端，在6.1kN荷載下達(dá)到1.68MPa。對(duì)超過(guò)20.9kN的荷載水平，最大應(yīng)力在0.75～0.80MPa之間，并發(fā)生在層壓板另一端的鋼筋區(qū)域。在極限荷載下，應(yīng)力增加到1.0MPa(見(jiàn)圖12)。

圖12 混凝土切向應(yīng)力分布

通過(guò)分析圖11和圖12可以得出，界面上混凝土的行為對(duì)應(yīng)于切向和軸向應(yīng)力的共同作用。對(duì)第一個(gè)載荷級(jí)(高達(dá)16.6kN)，切向應(yīng)力達(dá)到軸向應(yīng)力的67%～89%，對(duì)其他載荷級(jí)，切向應(yīng)力達(dá)到軸向應(yīng)力的38%～48%。此外，與CFRP末端相比，切向應(yīng)力對(duì)混凝土砌塊末端損傷的影響更大。

對(duì)比分析可以看出，即使在失效荷載下，CFRP中的軸向和切向應(yīng)力數(shù)值也較低，這表明FRP的性能未得到發(fā)揮。此外，由于切向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的2%～4%，CFRP大體上是受軸向作用影響的(見(jiàn)圖13、圖14)。

圖13 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料軸向應(yīng)力分布

圖14 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料切向應(yīng)力分布

通過(guò)比較應(yīng)力分布及其大小可以得出，混凝土中的最大切向應(yīng)力(大于16.6kN)為層壓板應(yīng)力的6%～8%，而軸向應(yīng)力的占比小于0.1%。因此，環(huán)氧樹(shù)脂的強(qiáng)度小于層壓板和鋼筋混凝土的強(qiáng)度，須具有足夠的性能，以確保應(yīng)力從層壓板到混凝土的傳遞和分布。文獻(xiàn)[13]與文獻(xiàn)[14]的研究成果相同，該文進(jìn)行的模擬試驗(yàn)通過(guò)觀察混凝土、膠黏劑和CFRP的行為，發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力的作用不盡相同。針對(duì)界面行為，軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力在混凝土和環(huán)氧樹(shù)脂中均占顯著比例，而在CFRP中軸向應(yīng)力則占主導(dǎo)地位。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)雙剪切試驗(yàn)評(píng)估了混凝土黏結(jié)層壓板端部的行為，以及鋼筋脫落過(guò)程。在純剪切狀態(tài)下研究了層壓板兩端的有效應(yīng)力和應(yīng)變分布區(qū)域，詳細(xì)說(shuō)明了混凝土—環(huán)氧樹(shù)脂—CFRP在界面黏附區(qū)的受力行為，并得出以下研究結(jié)論：

試驗(yàn)中，CFRP與混凝土之間的界面發(fā)生了滑動(dòng)，CFRP未能有效地起到混凝土構(gòu)件的加固作用。這是因?yàn)檩^短的層壓板容易發(fā)生應(yīng)力集中，從而使得膠黏劑的損傷分布不均勻，集中在端部。此時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂因應(yīng)力集中而發(fā)生損傷。說(shuō)明環(huán)氧樹(shù)脂的損傷行為既不是彈性的，也不是線性的。它對(duì)CFRP加固效果起著決定性作用。這為CFRP加固設(shè)計(jì)提供了建議，即需要考慮環(huán)氧樹(shù)脂因應(yīng)力集中導(dǎo)致的損傷問(wèn)題。

界定CFRP加固鋼筋混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)之一是混凝土與CFRP之間的黏附力，這取決于應(yīng)力傳遞機(jī)制和復(fù)合材料的行為。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的牢固程度既取決于正確選擇加固裝置，也取決于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與混凝土之間的黏合力大??；界面上的混凝土具有切向和軸向應(yīng)力共同作用的機(jī)制。與CFRP末端相比，軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力在混凝土和環(huán)氧樹(shù)脂中均占顯著比例，而在CFRP中軸向應(yīng)力則占主導(dǎo)地位，切向應(yīng)力對(duì)混凝土砌塊末端損傷的影響更大。