凍融循環(huán)作用下CFRP-燒結(jié)磚界面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070)

引言

外貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)是一種運(yùn)用廣泛的建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，因?yàn)橥聊窘ㄖ牧先砸曰炷翞橹?，所以CFRP與混凝土粘結(jié)性能的研究正日漸成熟[1]，而我國(guó)在役建筑中，砌體結(jié)構(gòu)所占比例依然很大[2]，大量砌體結(jié)構(gòu)仍然需要改造和裝修；各地有歷史底蘊(yùn)的砌體結(jié)構(gòu)古建筑也需要進(jìn)行翻修及日常維護(hù)，尤其在我國(guó)西部地區(qū)砌體結(jié)構(gòu)更多的存在與土木建筑結(jié)構(gòu)中，而這些地區(qū)冬季寒冷，晝夜溫差大，在這種普遍而又特殊的環(huán)境作用下，CFRP加固的砌體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞，現(xiàn)有的文獻(xiàn)而多數(shù)以砌體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，研究CFRP加固對(duì)砌體結(jié)構(gòu)承載力的變化[3]、CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)受力性能的變化、CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)抗彎性能研究等，本文主要以燒結(jié)磚單磚為研究對(duì)象，并從CFRP和燒結(jié)磚粘結(jié)性能出發(fā)進(jìn)行試驗(yàn)研究。參照CFRP和混凝土界面的單面剪切模型，采取單面剪切粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，主要研究單面剪切試件在凍融循環(huán)作用下的破壞形式，單面剪切粘結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律及機(jī)理。

一、試驗(yàn)概況

(一)CFRP片材試件

試驗(yàn)所用碳纖維布采用上海灄口實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的SKO(賽克)牌一級(jí)碳纖維布(日本東麗絲)，浸漬樹脂采用該公司生產(chǎn)的SKO(賽克)牌碳纖維環(huán)氧樹脂浸漬膠(A級(jí)膠)，該浸漬膠有A、B膠兩種組分組成，使用時(shí)按照質(zhì)量比為2：1的配比混合。

(二)燒結(jié)磚及粘結(jié)試件

選取已用50年的燒結(jié)磚單磚為試驗(yàn)材料，所用規(guī)格為所用磚規(guī)格為(以mm計(jì))240×115×53的燒結(jié)磚，并且在單剪試驗(yàn)前測(cè)其抗壓強(qiáng)度。

燒結(jié)磚粘結(jié)試件尺寸為240mm×115mm×53mm。CFRP與燒結(jié)磚的粘結(jié)長(zhǎng)度為100mm，粘結(jié)寬度為30mm。粘結(jié)試件見圖1。凍融循環(huán)試驗(yàn)根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T 5150-2001[7]混凝土抗凍性試驗(yàn)方法進(jìn)行，采用“快凍法”進(jìn)行凍融循環(huán)，每個(gè)凍融循環(huán)周期為3h，控制試件中心溫度在(-7±2)℃和(8±2)℃之間變化，凍融循環(huán)次數(shù)分別為15次，30次，50次。試件的力學(xué)性能測(cè)試由蘭州交通大學(xué)土木工程試驗(yàn)室購(gòu)買的微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載方式為位移控制，CFRP片材和燒結(jié)磚粘結(jié)試件數(shù)據(jù)采用江蘇東華測(cè)試股份有限公司生產(chǎn)的DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)測(cè)量。

二、試驗(yàn)方法

單剪試件制作步驟：

(1)裁剪長(zhǎng)×寬為230mm×30mm的碳纖維布條。

(2)將粘貼CFRP的單磚試件表面用電砂輪進(jìn)行打磨，除去其表面殘?jiān)?，直到粘貼面平整，同時(shí)用記號(hào)筆畫線定出碳纖維布條所貼位置。

(3)用抹布蘸清水，擦去燒結(jié)磚試件粘貼面的浮沉，等表面干燥后再用無(wú)水乙醇將燒結(jié)磚表里灰塵去除，等表面干燥后進(jìn)行下一步。

(4)將底膠按照廠商提供的比例置于干凈的塑料容器中，并用攪拌機(jī)攪拌均勻，用毛刷將配置好的底膠充分均勻的刷在燒結(jié)磚的貼碳布的區(qū)域，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3～6個(gè)小時(shí)，等底膠表面用手指碰觸時(shí)不粘手后可進(jìn)行下一道工序。

(5)待碰觸表面干燥后，在粘貼面矩形區(qū)域內(nèi)用刷子均勻刷一層浸漬膠，并在上面貼長(zhǎng)為23mm的碳纖維布，用滾筒來(lái)回滾動(dòng)壓實(shí)，直到浸漬樹脂完全浸漬碳布。

(6)按照環(huán)氧樹脂浸漬膠組分A、B質(zhì)量比為2:1的配比配置浸漬膠，用刷子將浸漬膠均勻刷在燒結(jié)磚表面粘貼碳布的部位，將事先裁剪好的碳纖維布條用手輕壓于粘貼部位，然后用滾筒來(lái)回滾動(dòng)壓實(shí)，確保浸漬膠充分浸透碳纖維布后，在碳纖維布的表面再均勻刷一層浸漬膠，以確保碳纖維布和試件表面的粘結(jié)質(zhì)量。

(7)為確保片材的平整，在粘貼碳布的過(guò)程中，可以將兩個(gè)燒結(jié)磚試件的單側(cè)面作為一組一起粘貼后拉直放置，如圖2所示，等該側(cè)面碳布手指碰觸干燥后，用剪刀按所需設(shè)計(jì)長(zhǎng)度將其剪開。

(8)為了加持端受力均勻，避免夾具損傷片材，在片材的夾持端的兩面分別貼上同寬度同材料的碳纖維布作為加強(qiáng)片。為確保單剪試驗(yàn)的有效，將碳纖維布與燒結(jié)磚粘貼末端預(yù)留出50mm的長(zhǎng)度，并在該區(qū)域的試件表面貼上透明膠帶，以防預(yù)留端與試件表面粘結(jié)。

(9)試件制作好后，置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)固化一周后備用。

(10)將制備好的單剪試件放置于兩種試驗(yàn)環(huán)境中：對(duì)比試件放置于常溫環(huán)境，水中凍融循環(huán)作用試件放入凍融箱中(浸泡環(huán)境為水)。此外，將燒結(jié)磚單磚強(qiáng)度對(duì)照組也分別放置于以上兩種試驗(yàn)環(huán)境中。待試驗(yàn)環(huán)境作用時(shí)間到后將試件取出置于常溫環(huán)境，表1所示為單剪試驗(yàn)設(shè)計(jì)表。

表1 單剪試驗(yàn)試件表

注：DW表示水中凍融，J表示單剪試件

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(一)CFRP片材試件力學(xué)性能

表2給出了凍融循環(huán)作用后CFRP片材的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出，CFRP片材抗拉強(qiáng)度和延伸率隨著凍融次數(shù)的增加呈降低趨勢(shì)，彈性模量變化不顯著。碳纖維自身抗腐蝕能力較強(qiáng)，造成CFRP片材力學(xué)性能下降的原因可能是凍融循環(huán)對(duì)所用材料浸漬樹脂的劣化，使得樹脂對(duì)碳纖維片材強(qiáng)度和變形的貢獻(xiàn)及剪應(yīng)力的傳遞能力削弱。

表2 CFRP片材的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

注:CRT表示室溫環(huán)境下的CFRP，CDW15表示15次凍融循環(huán)的CFRP，其他符號(hào)依此類推。

(二)燒結(jié)磚試件抗壓強(qiáng)度

試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，得出凍融循環(huán)作用下，隨著凍融次數(shù)的增加，燒結(jié)磚強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。如表3所示。

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下單軸受壓試驗(yàn)單磚試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值

(三)CFRP-燒結(jié)磚界面破壞過(guò)程及分析

CFRP與燒結(jié)磚粘結(jié)試件經(jīng)過(guò)不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，破壞形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，與CFRP與混凝土粘結(jié)界面剪切破壞形態(tài)相似[9]。在室溫情況下，CFRP與燒結(jié)磚粘結(jié)試件對(duì)比試件的剪切破壞發(fā)生在粘結(jié)面下燒結(jié)磚表層，被拉掉的CFRP片材上粘有大塊燒結(jié)磚殘?jiān)?；凍?5次后，試件的破壞形態(tài)依然是發(fā)生在燒結(jié)磚表層；凍融30次、50次以后，CFRP片材上燒結(jié)磚殘?jiān)兴鶞p少，部分地方無(wú)燒結(jié)磚殘?jiān)?，說(shuō)明此時(shí)剪切破壞發(fā)生在粘結(jié)樹脂和燒結(jié)磚之間的界面處。CFRP與燒結(jié)磚粘結(jié)試件單剪試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 界面單剪粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)現(xiàn)象表明：CFRP本身具有很高的抗拉強(qiáng)度，本試驗(yàn)中施加的荷載不足以將CFRP片材拉斷，一般不會(huì)發(fā)生CFRP的拉斷破壞。在室溫環(huán)境和凍融循環(huán)不同次數(shù)作用下，粘結(jié)界面破壞形態(tài)不同，破壞的原因[10]與燒結(jié)磚的抗凍性、粘結(jié)樹脂與燒結(jié)磚界面粘結(jié)力有關(guān)。造成界面承載力降低的主要原因可能為：一是凍融循環(huán)作用導(dǎo)致燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度降低，并且在凍融循環(huán)作用下，磚體會(huì)產(chǎn)生微裂紋，凍融環(huán)境下的水會(huì)在界面上凍結(jié)產(chǎn)生應(yīng)力。二是粘結(jié)面處粘結(jié)樹脂吸水溶脹會(huì)在界面上產(chǎn)生應(yīng)力，并且在凍融循環(huán)的交替作用下會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。所以隨著凍融循環(huán)的時(shí)間越長(zhǎng)，微裂紋產(chǎn)生的概率越大，所以微裂紋和粘結(jié)樹脂吸水溶脹在界面上產(chǎn)生應(yīng)力共同作用下，會(huì)是破壞形態(tài)形成燒結(jié)磚表層破壞和粘結(jié)樹脂與燒結(jié)磚之間界面破壞共同的形態(tài)。

(四)界面應(yīng)變分析

采用江蘇東華測(cè)試股份有限公司生產(chǎn)的DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試與分析系統(tǒng)測(cè)量CFRP片材和燒結(jié)磚粘結(jié)試件應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中應(yīng)變片的粘貼方式如圖4所示。

圖4 應(yīng)變片布置示意圖

根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)得出室溫環(huán)境、水中凍融循環(huán)作用下片材各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變沿粘結(jié)長(zhǎng)度方向的變化曲線。如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)表示應(yīng)變測(cè)點(diǎn)距加載端的距離，縱坐標(biāo)表示測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。

凍融0次 凍融15次

凍融30次 凍融50次

由材料力學(xué)知識(shí)可得：

F=bftfσf=bftfEfεf

各式中：F—CFRP的軸向拉力

σf—片材的拉應(yīng)力；bf為片材的寬度;tf為片材的厚度，取名義厚度0.167mm；

Ef為片材的彈性模量，取相同環(huán)境作用下彈性模量的試驗(yàn)值；

εf為片材的應(yīng)變。

由公式可得：界面兩相鄰測(cè)點(diǎn)之間粘結(jié)剪應(yīng)力的變化是由曲線的斜率變化反應(yīng)的。由試驗(yàn)結(jié)果可得：各個(gè)試件在不同的凍融循環(huán)次數(shù)下應(yīng)變分布曲線形狀大體相似，即在凍融循環(huán)作用下，CFRP-燒結(jié)磚界面具有相似的應(yīng)變分布以及變化規(guī)律：在加載初期，加載端附近范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)變值，離加載端距離越遠(yuǎn)應(yīng)變值依次逐漸降低，當(dāng)相差距離達(dá)到一定值之后，應(yīng)變值幾乎為零，說(shuō)明片材并不是在所有粘結(jié)區(qū)域受力，而是在很短的一段距離受力；在加載端，相鄰兩側(cè)點(diǎn)間的應(yīng)變分布曲線的斜率先升高后降低，加載端CFRP片材的應(yīng)變不斷增加，但不會(huì)持續(xù)增加到自由端，因離加載端一段距離后粘結(jié)區(qū)將不再受力，所以應(yīng)變會(huì)在某一個(gè)測(cè)點(diǎn)開始逐漸下降。隨著荷載的不斷增加，由圖5可知當(dāng)相鄰兩側(cè)點(diǎn)的應(yīng)變比較接近時(shí)，應(yīng)變曲線的斜率接近零，說(shuō)明該部分界面的粘結(jié)剪應(yīng)力接近零，即該部分將發(fā)生剝離；再繼續(xù)增加荷載，加載端的片材開始從燒結(jié)磚表面剝離，荷載會(huì)繼續(xù)向剩余粘結(jié)部分的自由端傳遞，直到CFRP片材完全從燒結(jié)磚上剝離下來(lái)，試件發(fā)生破壞。

四、結(jié)論

凍融循環(huán)作用下，由于試驗(yàn)所用材料浸漬樹脂發(fā)生劣化，使得樹脂對(duì)碳纖維片材強(qiáng)度和變形的作用及單剪試件剪應(yīng)力的傳遞能力削弱，會(huì)造成CFRP片材力學(xué)性能下降。CFRP片材抗拉強(qiáng)度和延伸率隨著凍融次數(shù)的增加呈降低趨勢(shì)，彈性模量變化不顯著。

室溫以及在較低次數(shù)的凍融循環(huán)作用下，CFRP與燒結(jié)磚粘結(jié)試件的剪切破壞發(fā)生在粘結(jié)面下燒結(jié)磚表層。凍融多次后，因凍融環(huán)境下的水會(huì)在界面上凍結(jié)產(chǎn)生應(yīng)力，并且粘結(jié)面處粘結(jié)樹脂吸水溶脹會(huì)在界面上產(chǎn)生應(yīng)力，并且在凍融循環(huán)的交替作用下會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。所以破壞形態(tài)形成為燒結(jié)磚表層破壞和粘結(jié)樹脂與燒結(jié)磚之間界面破壞共同的形態(tài)。

CFRP與燒結(jié)磚粘結(jié)試件經(jīng)過(guò)多次數(shù)凍融循環(huán)作用后，與室溫情況下比較，加載端片材剝離時(shí)的荷載和對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值顯著降低。并且降低的幅度隨凍融次數(shù)的增加而增加，即經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用之后，界面的粘結(jié)性能降低。

CFRP—燒結(jié)磚界面的應(yīng)變自加載端到自由端呈不均勻分布。在加載初期，應(yīng)變主要集中在加載端附近，隨著荷載的增加，應(yīng)變由加載端向自由端方向傳遞。經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后的試件加載端開始剝離時(shí)的荷載和對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值與室溫試件相比顯著降低，且降低的幅度隨凍融次數(shù)的增加而增加。CFRP片材在單剪試驗(yàn)中并不是在所有粘結(jié)區(qū)域受力，而是在很短的一段距離受力；加載端的片材開始從燒結(jié)磚表面剝離，荷載會(huì)繼續(xù)向剩余粘結(jié)部分的自由端傳遞，直到CFRP片材完全從燒結(jié)磚上剝離下來(lái)，試件即發(fā)生破壞。

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