恶劣环境作用下FRP-混凝土界面断裂能的概率分布.pdf

2 0 1 5 年 第 1期 ( 总 第 3 0 3 期 ) N u mb e r 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No ． 3 0 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RE rn CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 1 恶劣环境作用下 F R P一混凝土界面断裂能的概率分布 杨婷， 李杉 。 卢亦焱 ( 武汉大学 土木建筑工程学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要 ： 根据高温干湿循环、 冻融循环、 海水浸泡、 湿热及热水5种环境作用下 F R P一 混凝土界面的试验数据 ， 计算了相应的 F R P一 混凝土界面断裂能 ， 并采用 s— w 检验、 K—S检验 、 C— M 检验、 A—D检验及 检验分析了各恶劣环境作用下界面断裂能的概 率分布。 结果表明 ： 同一种恶劣环境作用下的界面断裂能可能服从多种概率分布； 高温干湿交替 、 海水浸泡、 湿热环境及热水作 用下 F R P一 混凝土界面断裂能的最优分布均为对数正态分布 ， 冻融循环作用下 F R P一混凝土界面断裂能的最优分布为正态分 布 ， 它们可作为 F R P一混凝土界面耐久性的可靠性分析依据； 结构设计时， 不能将不同环境作用下界面断裂能的概率分布假设为 同一种 ， 因为它们具有较大的区别； 选用检验方法时需要综合考虑各个因素 ， 否则可能会影响概率分布的判别结果。 关键词 ： F R P一混凝土界面； 耐久性 ； 界面断裂能； 概率分布 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 — 0 0 0 1 — 0 4 P r ob a b i l it y d i s t r i b u t i o n o f f r a c t u r e e n e r g y o f f i b e r r e i n f or ced p o l y me r c o n c r e t e I n t e r f a c e u n d e r h a r s h e n v i r o n me n t s Y．~V G T ing， LI S ha h，LU Yi y a n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Wu h a n U n i v e r s i 哆， Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ， C h i n a ) Abst r a ct ： Th e f r a c t u r e e n e r g y o f F RP—c o n c r e te i n t e rfa c e u n de r t h e e n v i r o n me n t s o f d r y—we t c yc l i n g i n h i g h t e mp e r a t u r e． f r e e z e— t h a w c y c l ing， s e a wa t e r i mme r s i o n， we t —the r ma l a n d h o t wa t e r wa s c a l c u l a ted a c c or d i n g t o the c o r r e s p on din g e x p e r i me n t a l d a t a ． Th e n t h e p r o b a b i l i t y d i s l r i b u t i o ns o f the i n t e r f a c i al fra c t u r e e ne r g y i n ha r s h e n v i r o nme n t s we r e l e a r ne d b y S—W t e s t ， K —S t e s t ， C —M t e s t ， A —Dt e s t and t e s t r e s pec t i v e l y ． I t i s s h o wn t h a t the i n t e r f a c i a l fr a c t u r e e n e r g y i n a c e r t a i n h a r s h e n v i r o nm e n t ma y s u b j e c t t o s e v e r a l p r o b a b i l i t y d i s t r i b u tio n s ． Th e o p t i mu m dis lr i b u t i o n s o f the int e r f a c i a l fra c t u r e e n e r gy u n d e r the e n v i r o nm e n t s o f d r y—we t c yc hn g in h i g h t e mper a t u r e ， s e a w a t e r i mm e r s i o n ， w e t — the r ma l and h o t w a t e r a r e a l l 对数正态 dis t r i b u t i o n s and th a t und e r th e e n v ir o n m e n t o f f r e e z e — tha w c y c l in g i s 正态 dis t r i b u t i o n ， w hi c h C an p r o v i d e t h e f o u n d a ti o n f o r th e r e l i a b i li t y ana l y s i s o f th e F R P—c o n c r e te in t e rf a c e ． T h e p r o b a — b i l i ty dis t r i b u ti o n s o f i n t e rfa c i al fr a c t u r e e n e r g y i n d i f f e r e n t h a r s h e n v i r o n me n t s c a l l t b e a s s u me d wi th t h e s a i i l e dis t r i b u ti o n i n s t r u c t u r e s d e s i g n b e c a u s e t h e y a r c m u c h di ff e r e n t ． A l l th e f a c t o r s s h o u l d b e c o n s i d e r e d i n t o s e l e c t i n g t e s t s ， O 1 " th e j u d g i n g r e s u l t s o f p r o b a b i fi ty d i s - I r i bu t i o n of i n t e rfa c i a l fra c t u r e e n e r g y ma y b e i n flu e n c e d ． K e y wo r d s： 一c o n c r e te i n t e rfa c e； d u r a b i l i 哆 ； i n t e r r a c i a l f r a c t u r e e n e r g y ； p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n 0 引言 外黏纤维增强塑料( F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r ， 简称 F R P ) 由于其 轻 质 高 强、 耐 腐 蚀性 能 好 、 抗疲 劳 、 施 工 便 捷等优良特性， 被广泛应用于钢筋混凝土结构的加固修复 工程 中 J 。 但 由于钢筋混凝 土结构的服役环境 复杂多样 ， 导致 F R P加固体系可能处于干湿交替、 冻融、 湿热循环等 恶劣环境中 ， 长期服 役后 ， 容易导致 F R P一混凝土 界面 的 黏结性能发生退化， 降低 F R P的约束效果 ， 从而造成结构 的承载力降低， 影响结构的耐久性和安全性 。 因此， F R P一混凝土界面黏结 耐久性对于 F R P加 固的混 凝土结 构极为重要。 目前， 一些学者已经通过试验研究了冻融循环、 干 湿交替、 盐溶液环境、 湿热环境、 高温环境等恶劣环境对 F R P一混凝土界面黏结性 能 的影 响。 研究表 明 ： 高温 和水 溶液的作用会降低 F R P一 混凝土界面的最大剪应力、 改变 界面破坏模式以及降低界面断裂能等 。 盐溶液及干湿 交替的作用会 影响 F R P一混凝土界面 的滑移和剥离 承载 力等 一 。 冻融循环会降低 F R P一混凝土界面的黏结强度 和刚度 、 界面断裂能及最大滑移量 ， 并改变破坏模式 。 此外， 还有学者结合有限元方法分析了F R P一 混凝土界面 在恶劣环境下的黏结性能。 K u m a r i G a m a g e 等结合非线性 有 限元模型预测 了 F R P一混凝 土界 面在不 同湿热环 境 中 的力学性能 ， 建立的模型能够有效 预测剥离承载力 、 破坏 模式 以及应变分布等 ⋯。 但上述研究并不能直接用 于 F R P加 固混凝土结构 的 耐久性设计 ， 采用可靠度理论对 F R P加固结构的耐久性 进行分析对其耐久性设计具有非常重要的意义 “ 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 7 — 1 8 基金项 目： 国家自然科学基金( 5 1 1 0 8 3 5 5 ) ； 湖北省自 然科学基金( 2 0 1 1 C D B 2 6 9 ) ； 武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北重点实验室开 ] 孜 基金( D Q J J 2 0 1 3 1 2 ) l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 这两种分布。 因此， 海水浸泡作用下 F R P一混凝土界面断 裂能的最优分布为对数正态分布， 且符合程度很高。 ( 4 ) 湿热作用 由图4和表4可知， 湿热作用下的F R P一 混凝土界面 断裂能 在 5种检 验 下 均 可认 为 服 从 对 数 正 态 分 布 ， 以 s— w检验结果为准， 尸值仅为 0 ． 1 1 9 ， 所以符合对数正态 分布的程度较低 ； 在 K— s检验和 c— M 检验 下也可认为 服从 G a m ma 分布 ， 但其 P值均小于对数正态分 布对 应 的 P值 ， 对数正态分布 就优 于 G a m ma 分 布。 因此 ， 湿热 作用 下 F R P一 混凝土界面断裂能 的最优分布为对数正态分布 ， 但符合程度较低。 ( 5 ) 热水作用 由图 5和表 5 可知 ， 热水作用下 F R P一混凝土界面断 裂 能在 5 种检验下均可认 为服从对数正态分布 ， 而不 服从 其余三种分布， 以 s— w 检验结果为准， P值为0 ． 1 5 9 ， 所 以该种环境下的界面断裂能服从对数正态分布的程度较 低。 因此， 对数正态分布可认为是热水作用下 F R P一混凝 土界面断裂能的最优分布 ， 但符合程度较低 。 由以上分析可知 ， 同一种恶劣环境作用下 F R P一混凝 土界面断裂能的概率分布可能有 多种 ； 不 同恶劣环境作用 下 F R P一 混凝土界 面断裂能服从 的概 率分布及最优 分布 都有一定 的区别 ， 即使两种不同环境下 的界面断裂能均服 从同一种概率分布， 它们在各检验下的 P值也有较大的区 别 ， 对该分布的符合程度就有较大 的区别。 因此 ， 采用可靠 度理论分析恶劣环境作用下 F R P一混凝土界面耐久性时， 需根据相关数据具体分析特定 环境下 F R P一 混凝 土界面 断裂能的概率分布。 此外 ， 当采用不 同检验方法对同一种环境下 F R P一 混 凝土界面的断裂能进行同一种分布检验时 ， 得到 的 P会有 较大 的区别 ， 甚至会影响概率分布的判别结果 。 所以 ， 在实 际进行分析时， 应根据各 检验方法 的适用条件 ， 并尽可 能 结合多种检验方 法的结 果去判别 F R P一 混凝 土界面断 裂 能的最优概率分布 ， 以增加判别结果的准确度。 2 结 论 本研究采用 S—W 检验 、 K —S检 验 、 C—M 检 验 、 A— D 检验及 检验 5种检验方法对高温干湿交替、 冻融 循 环、 海水 浸 泡、 湿热 以及 热水 5种恶 劣 环境作 用 下 的 F R P一混凝土界面断裂能的概率分布进行 了研究。 所得结 论如下 ： ( 1 ) 同一种环境作用下的 F R P一混凝土界面断裂能可 能服从多种概率分布： 高温干湿交替作用下的界面断裂能 分布和 G a m ma 分布 ； 热水作用 下的界面断裂能仅 服从 对 数 正态分布。 ( 2 ) 高温干湿交替 、 海水浸泡 、 湿热环境及热水作用下 F R P一 混凝土界面断裂能的最优分布均为对数正态分布 ； 4 冻融循环作用下 F R P一 混凝土界面断裂能的最优分布为 正态分布， 可作为 F R P一混凝土界面耐久性的可靠性分析 提供依据。 ( 3 ) 不同恶劣环境作用下 F R P一混凝土界面断裂能 的概率分布具有较大的差异， 因此， 在进行结构设计时， 不 能将各恶劣环境作用下的界面断裂能概率分布假设为同 一 种。 ( 4 ) 采用不 同检验 方法得到 的 P值可 能会有很大 的 区别 ， 甚至影响概率分布的判别结果 。 实际进行分析时 ， 应 综合考虑各检验方法的适用条件等因素， 并尽可能结合多 种检验方法 的结果才能得到最准确 的判别结果 。 参考文献 ： [ 1 ]O U Y A N GZ ． D u r a b i l i t y o f b o n d b e t w e e n F R P a n d c o n c r e t e i n m o i s t e n v i r o n m e n t ： e x p e r i m e n t a l ， n u m e r i c al and ana l y t i c a l s t u d y[ D] ． Mi l wa u k e e ， W i s c o n s i n： Ma r q u e t t e Un i v e r s i ty ， 2 0 0 7 ． [ 2 ]C O L O MB I P ， F A V A G， P O G G I C ． B o n d s t r e n g t h o f C F R P— c o n c r e t e e l e m e n t s u n d e r f r e e z e—t h a w c y c l e s[ J ] ． C o m p o s i t e S t r u c t u r e s 。 2 0 1 0( 9 2 ) ： 9 7 3 — 9 8 3 ． [ 3 ]S I L V A M A G， H UG O C ． B i s c a i a ， R u i Ma r re i r o s ． B o n d—s l i p o n C F R P ／ G F R P— t 0一c o n c r e t e j o in ts s u b j e c t s t o mo i s t u r e ． s al t f o g and t e m p e r a t u r e c y c l e s [ J ] ． C o m pos i t e s ： P a r t B， 2 0 1 3( 5 5 ) ： 3 7 4— 3 8 5． [ 4 ]L A 1 w L ， K O U S C， P O O N C S 。 e t a1 ． E f f e c ts o f e l e v a t e d w a t e r t e m pe r a t u r e s on i nt e r f a c i a l d e l a mi n a t i o n s， f a i l u r e m o d e s an d s h e a r s ~e n g t h i n e x t e r n a l l y- - bo n d e d CF RP— - c o n c r e te b e a ms us i n g i n f r a - r e d the r m o g r a p h y ， g r a y—s c al e i m a g e s and d i r e c t s h e a r t e s t [ J ] ． C o n s t r u c ti o n and B u i l d i n g Ma t e r i al s ， 2 0 0 9( 2 3 ) ： 3 1 5 2— 3 1 6 0 ． [ 5 ]张大伟 ， 金伟良， J u s ti n S h r e s t h a ， e t a1． 浸水环境下 F R P一混凝土 界面剪切黏结性能研究 [ 刀． 施工技术， 2 0 1 3 ， 4 2( 1 0 ) ： 3 4— 3 8 ． [ 6 ]S ILV A M A G， B I S C A I A H C ． E f f e c t s o f e x p o s u r e t o s a l i n e h u — m i d i ty o n b o n d bet w e e n G F R P a n d c o n c re t e r 门 ． C o m p o s i t e S t r u c t u r e s 。 2 0 1 0( 9 3 ) ： 2 1 6— 2 2 4 ． [ 7 ]K I M Y J ， H O S S A I N M， C HI Y a p in g ． C h a r a c t e r i s ti c s o f C F R P— c o n c r e t e int e r f a c e s u b j e c t e d t o c o l d r e g i o n e n v i r o n me n t s i n c l u — d i n g t h r e e —di me n s i o n al t o pogr a p h y[ J ] ． C o l d R e g i o n s S c i e n c e and T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1( 6 7 ) ： 3 7 — 4 8 ． ’ [ 8 ]Ⅶ N Y a n c h u n ， WU Y u f e i ． D u r a b i l i ty o f C F R P— c o n c re te j o i n t s u n d e r f r e e z e — tha w c y c l i n g r J ] ． C o l d R e g i o n s S c i e n c e a n d T e c h — n o l o g y ， 2 0 1 1( 6 5 ) ： 4 0 1 — 4 1 2 ． [ 9 ]管巧艳， 高丹盈， 李杉． 冻融循环作用后C F R P与混凝土黏结性 能研究 [ J ] ． 工业建筑， 2 0 1 0 ， 4 0( 6 ) ： 9 —1 1 ． [ 1 O ] G A MA G E K， e t a 1 ． F e mo d e l l i n g o f C F R P—c o n c r e t e i n t e r f a c e s u b j ect e dt o c y c fi c te m p e r a t u r e ， h u m i d i ty a n d me c h a n i c a l s t re s s [ J ] ． C o mp o s i t e S t r u c tu r e s ， 2 0 1 0 ( 9 2 ) ： 8 2 6— 8 3 4 ． [ 1 1 ] 吴毅彬， 金国芳， 瞿革． 基于可靠度的 F R P加固混凝土结构设 计方法研究 [ J ] ． 土木工程学报， 2 0 1 2 ， 4 5( 增刊) ： 7 5— 8 0 ． [ 1 2 3 吴毅彬， 金国芳， 李敏峰． 基于可靠度的 F R P加固混凝土结构 研究综述 [ J ] ． 玻璃钢／ 复合材料， 2 0 1 4( 1 ) ： 8 5— 8 9 ． [ 1 3 ] 王苏岩， 刘贵， 周英武． G F R P高强混凝土界面黏结 一 滑移关 系研究 [ J ] ． 土木工程学报 ， 2 0 0 9 ， 4 2( 6 ) ： 8— 1 3 ． 下转第 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3不同恒定低温和水灰 E 下水化程度表达式和相关系数 福 水灰比 三 兰 兰 一 表 达式 z ／ 1 d 3 d 7 d 1 4 d 2 8 d 何不同恒定温度和水灰比下的水泥水化规律 曲线 。 2 ． 4试 验 验证 同一试验中测的6℃下水灰比为 0 ． 3 l的水化规律曲 线 。 采用线性 内插法求得 6 o c下水灰 比为 0 ． 3 1的水化规 律 曲线函数系数 a = 0 ． 5 ， 3 9 ， b = 0 ． 1 7 0 ， 计算 出各龄期 下水 化程度。 6℃下水灰比为0 ． 3 1 的水化规律试验曲线和计算 曲线如图 8 所示。 龄 期 ／ d 图 8 6℃下 0 ． 3 1的水灰比水泥水化程度曲线 由图 8可 知通过线性 内插得到任何不 同恒定温度 和 水灰 比下的水泥水化规律 曲线 函数 系数 口 、 b ， 继 而得到任 何不 同恒定温度和水灰 比下 的水 泥水化规律 曲线 与试 验 值具有较高的相符程度。 因此， 可采用此函数预测恒定低 温下水泥水化规律曲线。 3结 论 ( 1 ) 恒定低温条件下水泥仍可进行水化反应 ， 但水化速 率变缓 ， 3℃下0 ． 2 4 、 0 ． 3 1 和0 ． 3 8 的水 泥 浆2 8 d 的水 化程 上接第 4页 [ 1 4 ] L U X Z ， T E N G J G， Y E L P ， e t a 1 ． B o n d—s l i p mo d e l s f o r F R P s h e e t s ／ p l a t e s b o n d e d t o c o n c l~ te[ J ] ． 2 0 0 5( 2 7 ) ： 9 2 0— 9 3 7 ． [ 1 5 ] 陆新征， 叶列平， 滕锦光， 等． F R P一混凝土界面黏结滑移本构 模型 [ J ] ． 建筑结构学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6( 4 ) ： 1 0 —1 8 ． [ 1 6 ] 万先虎． 高温干湿交替环境下 F R P一混凝土界面黏结性能的耐 久性研究 [ D ] ． 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 1 3 ． [ 1 7 ] 吴毅彬， 金国芳． 增强纤维复合材料力学性能指标概率分布类 型[ J ] ． 中南大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 4 2( 1 2 ) ： 3 8 5 1 — 3 8 5 7 ． [ 1 8 ] K A R B H A R I V M， A B A N I L L A M A ． D e s i g n f a c t o r s ， r e l i a b i l i t y ， a n d d u r a b i l i ty p r e d i c ti o n o f we t l a y u p c a r b o n ／ e p o x y u s e d i n e x — t e r n a l s t r e n g th e n i n g[ J ] ． C o m pos i t e s ： P a r t B， 2 0 0 7( 3 8 ) ： 1 0— 2 3 ． [ 1 9 ] 赖广胜 F R P与混凝土的黏结耐久性试验研究 [ D] ． 大连： 大 8 ． 度分别为 0 ． 4 8 、 0 ． 5 3 、 0 ． 6 2 ； 1 0℃ 下 0 ． 2 4 、 0 ． 3 1和 0 ． 3 8的 水泥浆 2 8 d的水化程度分别 为 0 ． 5 3 、 0 ． 5 7 、 0 ． 6 7 ； 1 7℃下 0 ． 2 4 、 0 ． 3 1 和 0 ． 3 8的水泥浆 2 8 d的水化程度分别 为 0 ． 6 9 、 0． 7 3、 0． 8 0； ( 2 ) 恒定低温条件下 ， 水泥仍可进行水化 反应 且水泥 水化程度随着水灰比的增加而增大； ( 3 ) 水灰比一定的条件下， 水泥水化程度随着温度的 升高而增大； ( 4 ) 拟合的恒定低温条件下水泥 的水化规律 函数 Y= a ( 1 一 e ) 与试验情况有较 高的相符程度 ， 对冬季施工 具有一定 的指导价值 。 参考文献 ： [ 1 ]董继红， 李占印． 水泥水化放热行为的温度效应[ J ] ． 建筑材料 学报 ， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 5 ) ： 6 7 5— 6 7 7 ． [ 2 ]董继红， 李占印． 水泥 水化放热 行为的温度效应和水灰比效 应[ c ] ／ ／ 第十届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文 摘要集， 2 0 0 7 ． [ 3 ]王培铭， 丰曙霞， 刘贤萍． 水泥水化程度研究方法及其进展[ J ] ． 建筑材料学报， 2 0 0 6 ， 8 ( 6 ) ： 6 4 6 — 6 5 2 ． [ 4 ]施惠生， 黄小亚． 硅酸盐水泥水化热的研究及其进展[ J ] ． 水泥， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 4— 1 0 ． [ 5 ]余松柏， 胡利民， 曹中海． 减少水泥水化热测定误差的探讨[ J ] ． 水泥 ， 2 0 0 2 ( 9 ) ： 4 6— 4 7 ． [ 6 ]李林香， 谢永江， 冯仲伟， 等． 水泥水化机理及其研究方法[ J ] ． 混凝土 ， 201 I ( 6 ) ： 7 6— 8 0 ． [ 7 ]马振珠， 岳汉威， 宋晓岚． 水泥水化过程的机理， 测试及影响因 素[ J ] ． 长沙大学学报， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 2 ) ： 4 3— 4 6 ． [ 8 ]张谦， 宋亮． 水泥水化热测定方法的探讨[ J ] ． 哈尔滨师范大学 自然科学学报， 2 0 0 1 ， 1 7 ( 6 ) ： 7 8— 8 0 ． [ 9 ]何忠茂， 巴恒静， 王岩． 负温下水泥水化热力学模型的研究与 论证[ J ] ． 材料科学与工艺 ， 2 0 0 5 ， 1 3 ( 4 ) ： 4 3 5— 4 3 7 ． [ 1 0 ] 危鼎， 戴耀军， 王桂玲． 胶凝材料水化热计算问题探讨[ J ] ． 水 泥 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 1 5 —1 7 ． 作者简介 ： 联系地址 ： 联 系 电话 ： 杨阳( 1 9 9 1 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 甘肃省兰州市兰州交通大学土木工程学院4 0 8信箱 ( 7 3 0 0 7 0 ) 1 5 0 9 5 42 8 2 7 9 连理工大学 ， 2 0 0 7 ． [ 2 0 ] 李趁趁． F R P加固混凝土结构耐久性试验研究 [ D] ． 大连： 大 连理工大学 ， 2 0 0 5 ． [ 2 1 ] 张建． 海洋环境下C F R P及C F R P一 混凝土界面性能的耐久性 研究 [ D ] ． 大连 ： 大连理工大学 ， 2 0 1 3 ． [ 2 2 1 任慧韬． 纤维增强复合材料加固混凝土结构基本力学性能和 长期受力性能研究 [ D ] ． 大连： 大连理工大学， 2 0 0 3 ． 作者简介： 杨婷( 1 9 9 0一 ) ， 女， 工学硕士 ， 从事结构加固领域研究。 联系地址： 湖北省武汉市武昌区东湖南路 8 号( 4 3 0 0 7 2 ) 联系电话 ： 1 8 9 8 6 1 7 2 8 9 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m