荷载与冻融循环对CFRP-高强混凝土界面黏结性能影响.pdf

第 1 9 卷第 3期 2 0 1 6年 6月 建筑材料学报 J 0URNAL OF BUI LDI NG MATERI AL S Vo 1 I 9 No 3 J u l 1 ， 2 0 1 6 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 O 1 6 ) 0 3 0 4 7 9 0 6 荷载与冻融循环对 C F RP一 高强混凝土界面 黏结性能影 响 王 苏岩 李璐 希 ， 洪 雷 ( 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 ， 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘 要 ： 通 过双 剪试 验 ， 研 究 了冻融循 环和持 续荷 载共 同作 用 下碳 纤 维增 强复 合 材料 ( C F RP ) 一 高强 混凝土界面的黏结性能 结果表 明： 冻融循环和持 载作用均对 C F R P一 高强混凝土的黏 结性能产生 了不利 影 响 ， 冻融循 环使 其极 限荷 载和极 限黏 结滑 移显 著 减 小 ， 持 载则 降低 了其黏 结刚 度 ； 冻 融循 环和持载的共同作用使界 面黏结性能退化进一步加剧 ， 而有效黏结长度增加 此外， 界 面的破坏形 式由树脂与混凝土之 间的黏结破坏转变为表层混凝土的剪切破坏， 说 明冻融循环和持载作用引起 的混凝 土 劣化是 导 致界 面黏 结性 能 降低 的 主要原 因 关键词 ： 碳纤维增强复合材料 ；高强混凝土；持续荷载 ；冻融循环；黏结耐久性 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 0 1 6 0 3 0 1 1 Ef f e c t o f Fr e e z e - Th a w Cy c l e s I nt e r f a c e Bo nd Pr o pe r t i e s o f a nd Su s t a i n e d Lo a d s o n CFRP a n d Hi g h S t r e n g t h Co n c r e t e WANG S u y a n，LJLu xi ，HONG Le i ( S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Co a s t a l a n d Of f s h o r e En g i n e e r i n g ，Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，Da l i a n 1 1 6 0 2 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Th e a d h e s i o n o f CF RP( c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y me r )t o h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t s u s t a i n e d l o a d s a n d f r e e z e - t h a w c y c l e s wa s s t u d i e d wi t h d o u b l e - l a b s h e a r t e s t s Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t e a c h f a c t o r h a s a d v e r s e e f f e c t s o n t h e b o n d p r o p e r t i e s ： f r e e z e - t h a w c y c l e s s i g n i f i c a n t l y d e c r e a s e u l t i ma t e 1 o a d s a n d u l t i ma t e s l i p s ，s u s t a i n e d 1 o a d s r e d u c e t h e s t i f f n e s s Th e i r c o mb i n a t i o n c a u s e s a f u r t h e r d e t e r i o r a t i o n o f b o n d p r o p e r t i e s a n d i n c r e a s e s t h e e f f e c t i v e b o n d l e n g t h I n a d d i t i o n，f a i l u r e mo d e t u r n s i n t o t h e s h e a r f a i l u r e o f s u r f a c e c o n c r e t e ，i n s t e a d o f t h e o n e b e t we e n a d h e s i v e a n d c o n c r e t e ，i l l u s t r a t i n g t h a t t h e d e g e n e r a t i o n o f c o n c r e t e c a u s e d b y s u s t a i n e d l o a d s a n d f r e e z e - t h a w c y c l e s i s t h e ma j o r r e a s o n o f t h e r e d u c t i o n o f i n t e r f a c e a d h e s i o n Ke y wo r d s ：c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p o l y me r ( CFRP) ；h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ；s u s t a i n e d l o a d；f r e e z e t h a w c y c l e ；b o n d d u r a b i l i t y 对于 C F R P加 固混凝土结构， 界面 良好 的黏结 是保证加 固工程整体性能 的前提_ 1 在北方寒冷地 区， 加固结构 除承受外力 以外 ， 还要受 到冻害 的影 响 现有 的耐久性研究大多只考虑 了单一 因素 2 ， 对于荷载与冻融循环双重因素下黏结性能的研究还 相对欠缺L 4 ， 尤其是对于 C F R P加 固高强混凝土结 构 ， 相关的研究更加有 限 本 文利用 自行发明的 持载装置 ， 对 C F R P一 高强混凝土双剪试件施加不 同等级的持续荷载再进行冻融循环试验 ， 从而研究 C F R P加固高强混凝土结构在持续荷载和冻融循环 共同作用下的耐久性 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 1 1 5 ；修订 日期 ： 2 0 1 6 0 3 - 0 9 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 7 8 0 8 9 ) ； 海岸 和近海工程 国家重点实验室独立研究项 目( S L 1 4 3 2 ) 第一作 者： 王苏岩 ( 1 9 5 8 一) ， 女 ， 江苏灌云人 ， 大连理工大学教授 ， 硕 士生导 师， 学士 E - ma i l ： s u y a n wd l u t e d u c n 第 3期 王苏岩 ， 等 ： 荷载与冻融循环对 C F R P一 高强混凝土界面黏结性能影响4 8 1 s t r a i n g a ug e 4 一 CFRP 图 3 C F P R布应变片分布 图 Fi g 3 Di s t r i b u t i o n o f s t a i n g a u g e s ( s i z e ： ram) 1 5环 境设 计及 试件 编码 参照 G B - T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能 和耐久性能试验方法标准 中的快冻法， 将试件浸泡 4 d 后进行冻融循环试验 平均每次冻融循环时间为 3 h ， 试件中心温度上下限分别为( 8 土2 )和( 一1 7 2 ) ， 采用清水进行冻 融循环 ， 冻融循环次数 以为 5 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0 ， 2 0 0次 每组循环下设有 F O ， F 1 ， F 2这 3个持载等级 ， 每个等级下有 3个试件 ( A， B， C ) 根据冻融循 环次 数 、 持 载 等 级 及 试 件 编 号 对 试 件 进 行 编 码 ， 如 F 5 O F O A 表示 经受 5 O次 冻 融 循 环 ， 承 受 F O级 持 续 荷载的第 1个试件 2 试 验结果与分析 2 1 荷载一 端部滑移曲线 图 4为 F 0 ， F 1 ， F 2持载等级下 ， 经受 5 0 ， 2 0 0次 冻融循环试件的荷载一 端部滑移 ( F _ s ) 曲线 由图 4 可见 ， 6 条 曲线的发展规律大致相 同 在加载初期 ， 曲线近似呈线性 ， 此时 C F RP与混凝土共同受力 ， 界 面处 于 弹性 状态 随着 裂缝 的产 生和 开展 ， 曲线逐 渐 呈现非线性 ， 达到某一荷载时 ， 黏结面开始剥离 ， 曲 线出现明显拐点 ， 此时 的荷载即为剥离荷载( 图中 A 点 ) 剥 离过 程 中黏 结 滑 移 迅 速增 加 ， 荷 载则 基 本 不 变 经历一段水平段后 ， 曲线 的末端有所上升 ， 这表 明 自由端 C F R P与 混 凝 土 的 黏结 增 强 ， C F R P重 新 图 4 试 件的荷 载一 端部滑移( F - s ) 曲线 F i g 4 Lo a d - e n d s l i p c u r v e s o f s p e c i me n s 1 j 与 Loa d i n g e n d 与混凝 土共 同受 力 ， 直 到最后 破 坏 由图 4还可看到， 随着冻融循环次数和持载水 平的增加 ， 试件的剥离荷载、 极 限荷载和极限端部滑 移均呈下降趋势 说 明冻融循环和持载皆对试件界 面的黏结性能造成损害， 而它们 的共 同作用使破坏 进一步加剧 此外 ， 持载试件线性部分的斜率较非持 载试件低 ， 这是由两方面的原 因引起 ： ( 1 ) 持续荷载 引起 了界 面 的进 一 步损 伤 ， 降低 了其 黏 结 刚度 ( 2 ) 夹式引伸计 固定在 C F R P与混凝土黏结端部， 其 所测数值包括黏结滑移和已剥离 C F RP片材的变形 两部分 对 于持 载试 件， 预加 荷载 会 引起 加 载端 C F R P的预先剥离 ， 第二部分 占比加大， 导致曲线斜 率降低 2 2 极限荷载和极限端部滑移 表 4给出了不同冻融循环次数及持载等级下试 件极限荷载 F 的平均值 由表 4可知 ， F O持载等级 下， 2 0 0次冻融循环试件的极 限荷载较 5 O次冻融循 环试 件下 降 1 6 O ， 而 F 2持载 等级 下则 下 降 了 8 7 5 O次冻融 循环后 ， F 2持载等级试件 的极限 荷载较 F 0持载等级试件下降 1 0 9 ， 而 2 0 0次冻 融循环后则下降了 5 3 由此可见 ， 两种影响因素 中， 冻融循环作用对极限荷载的影响更大， 且当冻融 循环次数较大或持载等级较高时 ， 另一因素 的影响 程度会降低 ， 但是双重 因素 的共 同作用仍会加剧界 面 的损 伤 裹 4 试件的极 限荷载 Ta b l e 4 Ul t i ma t e l o a d s o f s p e c i me n s 表 5为不同冻融循环次数及持载等级下试件极 限端部滑移 s 的平 均值 从表 5可知， 在各 持载等 级下， 试件的极限端部滑移均随冻融循环次数的增 加而减小 对于相同的冻融循环次数 ， 高等级持载下 4 8 2 建筑材料学报 第 1 9 卷 表 5 试件 的极 限端部滑移 Ta b l e 5 Ul t i ma t e e n d s l i p o f s p e c i me n s 0 5 1 8 0 4 6 4 O 4 4 0 试件的极 限端部滑移有小幅浮动 如前所述 ， 夹式引 伸计所测 的数据 由黏结滑移和 已剥离 C F R P片材的 变形这两部分组成 ， 在高持载等级下 ， C F R P片材 的 预先剥离区域变大 ， 第二部分数值增加 ， 而此时所测 端部滑移只有小 幅变化 ， 说 明 C F R P与混凝土的实 际黏结 滑移 ( 第一部分数值) 降低 对 于 F 1持载等 级试件 ， 由于其持载等级较低 ， 在加载端引起 的损伤 有限 ， 端部滑移 的第二部分 数据涨 幅较 小 ， 因此在 5 O ， 1 5 0 及 2 0 0次冻融循环后 ， 其极 限端部滑移值略 低于 F 2持载等级试件 2 3 应 变分布 规 律及 有效 黏结 长度 试件 F 5 0 F 0 A在加载过程 中的应变 e 随距 自由 7 0 6 0 5 0 4 0 一 X 3 0 2 0 1 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 l 2 O Mmm 月 N ： 5 0 0 ； 1 0 0 0 ； 1 5 0 0 ； 2 00 0 ； 2 5 0 0 ； 2 8 0 0 ； 3 00 0 ； 0 3 0 91 ； 3 1 1 1 ：A 3 1 7 9 ；3 1 8 7 ；+3 3 7 9 ； 3 5 7 1 ；3 5 6 3 ( a ) S t r a i n d i s t r i b u t i o n d u r i n g wh o l e l o a d i n g p r o c e s s 端距离 的变化如 图 5所示 由图 5 ( a ) 可见 ， 加载 过程可分为 3个阶段 ： ( 1 ) 在加载初期 ， 只有加载端 处有应变产生， 应变以指数方式减小口 ， 远离加载端 处应变为零 随着荷载的增加 ， 应变值增加 ， 应变的 非零区域变大 这一 阶段与 图 4中曲线 的线性部分 相对应 ( 2 ) 加 载 到剥 离荷 载 ( 图 4中 A 点 ) 后， C F R P开始剥离 此时 ， 应变曲线呈“ S ” 形 ， 加载端处 C F R P已剥离， 应变 几乎不 变 ， 自由端处 应变仍 为 零 ， 这两处 C F R P与混凝土之间均无切应力 ， 只有 中 间的应变变化段可以传递黏结应力 ， 称为有效黏结 区域 在剥离过程中， 有效黏结区域迅速 向自由端等 长移动 ， 直到末端到达 自由端 ， 这期间荷载几乎不增 加 此 阶段对应 图 4中曲线 的水平段 ( 3 ) 当剥离发 展到 自由端处 ， 由于此处 的黏结增强 ， 剥离不再继 续 ， C F R P重新与混凝土共 同受力变形 从试件末端 开始产生应变到最终破坏， 荷载从 3 1 8 7 k N增大到 3 5 6 3 k N， 这与图 4中曲线末端的上升段相吻合 由于材料的不均匀性 ， 已剥离的 C F R P上应变 并不完全相等 ， 而是呈锯齿状分布 为了更好地考察 应变分布规律 ， 采用退化公式 ( 1 ) 对 图 5 ( a ) 曲线进 7 0 6 0 5 0 4 0 一 X 3 0 2 0 1 O 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 x l mm ( b ) F i t ti n g G U l -V e o f s t r a i nd i s t r i b u t i o nu n d e r 3 1 1 1 k N 图 5 试件 F 5 0 F O A 的应变分 布 Fi g 5 S t r a i n di s t r i but i on o f s p e c i m e n F5 0 FOA 行拟合 ， 其中荷载为 3 1 1 1 k N的应变分布拟合 曲 线见 图 5 ( b ) ( z)一 0 + 旦一 ( 1 ) + e ( 一 ) 式中： ( z ) 为距 自由端 X( ram) 处 的应变值 0 ， a ， ， o是根据已有应变值 ， 通过非线性 回归方法确定 出 的使 曲线能最好吻合实测应变的参数 图 6为试件 F 2 0 0 F 2 A 的应变分布 通过与图 5 的对 比可以发现以下变化 ： ( 1 ) 在加载初期 ， 加载端 应变不再呈指数分布， 第 1 ， 2 个测点间斜率降低 ； 在 较低荷载下 ， 应 变峰值就 由第 1个测 点转移到第 2 个测点 表明持载和冻融循环作用降低 了加载端处 的黏结强度 ( 2 ) 试件在剥离期间的有效黏结长度增 加 通过对剥离过程 中应变拟合曲线进行分析 ， 发现 经过冻融循环和持载作用 ， 试件的有效黏结长度 由 5 0 6 0 mm增加到 7 0 8 O mm， 如 图 6 ( b ) 所示 ( 荷 载达 2 7 6 3 k N的应变分布拟合曲线)