寒冷環(huán)境循環(huán)荷載對CFRP-混凝土界面極限荷載的影響

李國民

摘 要：首先通過24塊事先已經(jīng)經(jīng)過凍融循環(huán)的混凝土試件，外加循環(huán)荷載條件，考察循環(huán)荷載和凍融循環(huán)次數(shù)兩個(gè)參數(shù)對CFRP-混凝土界面的極限荷載的影響。結(jié)果表明：復(fù)合荷載作用下，界面極限荷載下降很快，總體呈現(xiàn)線性下降趨勢，界面極限荷載減少為原來的1/8，界面承載能力大為削弱。影響界面極限荷載中的因素中，循環(huán)荷載其主要作用。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán);循環(huán)荷載;混凝土;CFRP;界面

上世紀(jì)90年代，F(xiàn)RP加固技術(shù)在我國開始逐漸新興起來，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，迅速在土木工程、鋼鐵制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。我國東北地區(qū)冬季氣溫較為寒冷，據(jù)遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院氣候調(diào)研報(bào)告（2010年）對2000-2010十年內(nèi)的溫度調(diào)研總結(jié)，遼寧省14個(gè)地級市，在冬季極寒條件下，最低氣溫均突破-20℃，遼寧屬于重工業(yè)區(qū)域，工業(yè)化程度較高，交通負(fù)載較大，很多在役橋梁目前已經(jīng)出現(xiàn)破損，亟待修補(bǔ)，CFRP在這個(gè)時(shí)候體現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。

基于以上工況，橋梁底板承受的來自環(huán)境的凍融循環(huán)損傷和車輛荷載的循環(huán)碾壓損傷，因此是符合荷載受力情況，關(guān)于上述的工況分析，很多學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究，例如Bisby and Green[1]通過開展3種類型的FRP片材在凍融循環(huán)下加固性能，發(fā)現(xiàn)直到300次凍融循環(huán)，F(xiàn)RP-混凝土構(gòu)件并無明顯力學(xué)性能變化;Ahmad[2]卻得到了與Bisby相反的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對FRP-混凝土梁影響很大，尤其是在凍融循環(huán)后期，劣化更為明顯;李杉[3]研通過開展一系列凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著凍融齡期的增長，F(xiàn)RP-混凝土的破壞面，從單純的混凝土表層剝離轉(zhuǎn)向混凝土-膠層界面處剝離破壞，這一研究結(jié)果將各國學(xué)者的研究重點(diǎn)增加了一個(gè)環(huán)節(jié)，那就是膠體性能的研發(fā)和耐久性研究，具有重要意義。同時(shí)他發(fā)現(xiàn)動(dòng)力循環(huán)下凍融循環(huán)的客觀性，明確FRP-混凝土界面是破壞的重點(diǎn)位置，應(yīng)該加強(qiáng)對此界面的關(guān)注。目前，這方面的研究已經(jīng)引起一些學(xué)者的關(guān)注。[4-6]

綜上可見，亟需對復(fù)合荷載下CFRP-混凝土界面（以下簡稱為界面）的粘結(jié)行為進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究，本文從凍融循環(huán)下的損傷梁開始著手，對梁體進(jìn)行循環(huán)加載，考察凍融循環(huán)次數(shù)，是否加載循環(huán)荷載兩參數(shù)對界面的極限荷載的影響，以期對橋梁加固工程設(shè)計(jì)提供一些實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件制作

基于表1配比制成C30混凝土試件，試件尺寸10×10×22cm3，24塊試件分成4組，每組試件6塊，3塊用于加循環(huán)荷載，3塊用于不加循環(huán)荷載。試件工況見表2。材料的物理性能參數(shù)如表3所示。

1.2 試驗(yàn)過程

采用 KDR-V9 型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)，凍融循環(huán)方案參考GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中快凍法的相關(guān)規(guī)定，每個(gè)凍融循環(huán)周期約為3h，試件中心最低和最高溫度分別控制在（-18±2）℃和（5±2）℃，凍融循環(huán)次數(shù)為0次（作為對比試件）、50次、100次和300次;通過MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)對單剪試件施加動(dòng)力循環(huán)荷載，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。以相同尺寸試件靜載極限承載力的80%為循環(huán)荷載上限值，30%為荷載下限，采用力控制的方法，按正弦波對試件施加循環(huán)荷載，基本循環(huán)次數(shù)定為4萬次，而后取下試件做單剪試驗(yàn)。

單剪采用20t電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載。剪試驗(yàn)加載速率為位移控制，速度為為5mm/min，單剪實(shí)驗(yàn)過程中，采用IMC動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)與應(yīng)變片相連，實(shí)時(shí)觀測應(yīng)變隨著加載力的變化情況，同時(shí)在CFRP撕裂過程中采集到極限荷載，極限位移、最終位移，同時(shí)觀察試件破壞形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試件加載后，當(dāng)加載力到達(dá)極限荷載的70%左右，界面處傳來“噼噼啪啪”的響聲，到了極限荷載，“砰”的一聲纖維布從混凝土表面剝離出來。從破壞形態(tài)來看纖維布會(huì)從試件表面剝離下來，并帶有一定厚度的混凝土，加了循環(huán)作用的時(shí)間，剝離下的混凝土越多，這是由于本來已經(jīng)表層經(jīng)過凍融循環(huán)的混凝土試件，再次經(jīng)過循環(huán)荷載，這一過程加速了混凝土表層的劣化，形成較多裂縫，在后期單剪試驗(yàn)中，切向粘結(jié)應(yīng)力使得混凝土保持不住本體，從表層脫落下來;從破壞時(shí)間來看，經(jīng)過多次凍融且循環(huán)荷載后的試件，承載能力較弱，往往不到2kN作用，CFRP布便從表面剝離下來，界面承載能力大為削弱，以對比件來說，照比300次凍融循環(huán)下的循環(huán)荷載件，界面極限荷載強(qiáng)化近8倍。

3 結(jié)論

（1）復(fù)合荷載作用下，界面粘結(jié)能力大為下降，總體呈現(xiàn)線性下降趨勢。

（2）復(fù)合荷載作用下，影響界面極限荷載中的因素中，循環(huán)荷載其主要作用。

（3）復(fù)合荷載作用下，以300次凍融循環(huán)下的循環(huán)荷載件來說，界面極限荷載減少為原來的1/8，界面承載能力大為削弱。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bisby L A，Green M F.Resistance to Freezing and Thawing of Fiber-ReinforcedPolymer-Concrete Bond[J].ACI Structural Journal.2002，99（2）：215-223.

[2]Ahmad M A.Debonding of FRP from concrete in strengthening applications Experimentalinvestigation and theoretical validation[D].New York：City University of New York，2005.

[3]李杉.環(huán)境與荷載共同作用下FRP加固混凝土耐久性[D].大連理工大學(xué)，2009.

[4]INOUE SHOICHI，NISHIBAYASHI SHINZO，YOSHINOAKIRA，et al. Strength and deformation characteristics of reinforced concrete beam strengthened with carbon fiber reinforced plastics plate under static and fatigue loading[J].Zairyo Journal of the Society of Materials Science，1994，43（491）：1004-1009.

[5]TOUTANJI H，DENG Y，JIA M. Fatigue performance of RC beams strengthened with CF sheets bonded byinorganic matrix[C].FRPRCS-6. Singapore，2003：2837-2851.

[6]SHAHAWY MOHSEN，BEITELMAN THOMAS E.Static and fatigue performance of RC beams strengthened with CFRP laminates[J].Journal of Structural Engineering，1999，125（6）：613-621.