BFRP加固混凝土界面粘結(jié)疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

姜 浩，宋 航

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

0 前 言

近年來(lái)，F(xiàn)RP加固方法不斷涌現(xiàn)，具有強(qiáng)度高、施工速度快、耐腐蝕性強(qiáng)、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。這種加固方法可分為濕加固和干加固兩種，都為附著粘結(jié)在結(jié)構(gòu)和構(gòu)件表面[3]。因此，有必要對(duì)混凝土與結(jié)構(gòu)的界面性能進(jìn)行研究。BFRP作為一種新型的增強(qiáng)材料，是一種純天然的無(wú)機(jī)無(wú)公害材料，具有良好的力學(xué)性能和環(huán)境適應(yīng)性。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)?shù)卦弦椎?，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境無(wú)污染[4]。就力學(xué)性能，它不如碳纖維(CFRP)，強(qiáng)度為CFRP的2/3左右，但實(shí)際價(jià)格卻在1/6～1/4左右[5-6]。因此，研究BFRP混凝土結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)靜力性能和疲勞性能可以很大程度上控制成本預(yù)算，降低工程造價(jià)。BFRP雖強(qiáng)度較高，但延性比較差和脆性是其有待解決的缺點(diǎn)，同時(shí)破壞具有一定的不確定性和突發(fā)性。另外，粘結(jié)界面的剝離破壞也會(huì)降低其承載力及重新分配界面剪應(yīng)力[7-9]。因此，為了BFRP加固材料的經(jīng)濟(jì)和安全起見(jiàn)，有必要對(duì)界面連接的疲勞性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料與制作

試驗(yàn)所需雙剪試件主要由三部分組成：BFRP板、環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑、混凝土試塊。

1)BFRP板。本次試驗(yàn)采用的是海寧安捷復(fù)合材料公司生產(chǎn)的厚度為1.4 mm的BFRP板。厚度1.4 mm，彈性模量50 GPa，抗拉強(qiáng)度為1 000 MPa，伸長(zhǎng)率為2%。

2)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑。BFRP板與混凝土界面的粘結(jié)劑采用的是雙組分混合而成的環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑sikadur-30。彈性模量為2 630 MPa，抗拉強(qiáng)度為32.6 MPa，重量配比1∶3。

3)混凝土試塊。采用C30、C40兩種強(qiáng)度等級(jí)的試塊進(jìn)行對(duì)比，水泥為P.O 42.5，試塊尺寸為150 mm×150 mm×200 mm。

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用雙剪試驗(yàn)加載方式，共有10組試驗(yàn)，其中5組為靜載試驗(yàn)，另外5組為疲勞試驗(yàn)，每組試驗(yàn)有3個(gè)試件，共設(shè)有3個(gè)變量：①混凝土強(qiáng)度等級(jí)(C30、C40)、②粘結(jié)長(zhǎng)度(60 mm、80 mm)，③膠層厚度(1 mm、2 mm、3 mm)。先通過(guò)靜載試驗(yàn)得試件破壞的極限荷載，再以極限荷載的75%作為疲勞荷載上限，5 kN作為疲勞下限進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。本次試驗(yàn)主要研究不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)、粘結(jié)長(zhǎng)度以及膠層厚度對(duì)BFRP-混凝土界面粘結(jié)疲勞性能的影響。

1.3 加載方案

靜載荷試驗(yàn)儀采用電液伺服試驗(yàn)機(jī)，由電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)操作其加載過(guò)程。主要支持位移和力的控制，最大支持荷載為5 000 kN。疲勞試驗(yàn)儀器采用PA-500 型疲勞試驗(yàn)機(jī)。靜載試驗(yàn)前，每3 kN預(yù)加載兩次，使夾具固定，減小偏心所帶來(lái)的誤差。確定儀器正常夾具擰緊后，每級(jí)加載3 kN。為了精確控制力值的施加，采用0.2 kN/s的力控制加載速率。當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的力值時(shí)，持續(xù)2～3 min。穩(wěn)定讀數(shù)后，讀取并記錄相應(yīng)的應(yīng)變值。疲勞荷載預(yù)壓過(guò)程與靜載預(yù)壓過(guò)程相似。預(yù)壓后施加正弦載荷的疲勞載荷。在施加正弦波之前，需要將負(fù)載逐步加到正弦波負(fù)載的平均值上，同時(shí)設(shè)定負(fù)載頻率和振幅。疲勞下限值為5 kN。為了對(duì)比不同膠層厚度產(chǎn)生的影響，疲勞上限值取對(duì)應(yīng)于2 mm膠層厚度試件靜載極限承載能力的75%，其余為靜載極限承載能力的75%進(jìn)行比較。當(dāng)循環(huán)次數(shù)為500、1 000、2 000、4 000、6 000、10 000、15 000次時(shí)，停止機(jī)器，然后將其加到疲勞載荷上限，記錄疲勞次數(shù)相應(yīng)的應(yīng)變峰值。

2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，如表1所示。隨著疲勞載荷上限值的增大，疲勞循環(huán)次數(shù)卻與之成反比，且下限固定為5 kN,疲勞上限值越大，疲勞的振幅越大。雖然粘結(jié)長(zhǎng)度增加20 mm，但振幅仍是試件粘結(jié)界面破壞的主要控制因素。為了比較1、2、3 mm膠層厚度的影響，采用相同的上限17.4 kN和下限5 kN，得出界面膠層具有一定的抗疲勞延遲破壞能力，隨著界面膠體厚度的增加，變形能力也越強(qiáng)，疲勞荷載作用下變形阻力越大。在靜載試驗(yàn)部分，得出界面膠體越厚，極限承載力越高，混凝土試塊破壞深度越深的結(jié)論。其原因與靜載試驗(yàn)部相似，粘結(jié)層厚度的增加會(huì)使混凝土表面的破壞更加深入。失效部位可見(jiàn)膠體透過(guò)混凝土表皮深入內(nèi)部的浸潤(rùn)痕跡。當(dāng)試件即將達(dá)到疲勞極限次數(shù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生細(xì)小“咔嚓”聲，隨著聲音逐漸增大，試件最終破壞，但比靜載損傷小得多，疲勞失效屬于脆性失效。在疲勞荷載作用下，由于混凝土表面相比于膠層的粘結(jié)界面比較脆弱，混凝土界面首先出現(xiàn)微細(xì)裂縫，在疲勞上下限荷載的反復(fù)拉伸作用下界面進(jìn)一步破壞裂縫增大，粘結(jié)界面的相對(duì)滑移值也擴(kuò)大，損傷也隨之積累，剩余未損傷部分會(huì)因承載能力不足，突然發(fā)生脆性破壞。當(dāng)疲勞荷載的上限數(shù)值從17.4 kN增加到23 kN時(shí)，振幅變大，界面損傷積累的速度會(huì)進(jìn)一步加快，最終導(dǎo)致界面開(kāi)裂破壞。

表1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

2.2 BFRP板的應(yīng)變分布規(guī)律

在BFRP板表面粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片的間距為20 mm，現(xiàn)通過(guò)應(yīng)變采集儀500、1 000、2 000、4 000、6 000、10 000次循環(huán)的應(yīng)變值記錄下來(lái)，繪制出在疲勞上限荷載下的各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布規(guī)律，具體如圖1所示。

由上述應(yīng)變分布圖可以看出，A2-1～A4-2的應(yīng)變曲線(xiàn)具有一定的的規(guī)律：應(yīng)變值從疲勞循環(huán)1 000次到2 000次，應(yīng)變值增加的幅度相對(duì)較大但趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)變趨勢(shì)隨著疲勞循環(huán)次數(shù)增加到2 000次左右變得緩慢增加，應(yīng)變曲線(xiàn)從4 000次增大到6 000次，然后應(yīng)變變化更加緩慢，最終到達(dá)極限，界面破壞。

A2-1的應(yīng)變分布

A2-2的應(yīng)變分布

A3-2的應(yīng)變分布

A4-2的應(yīng)變分布

2.3 結(jié)果分析

本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)膠層厚度對(duì)疲勞循環(huán)次數(shù)影響比較小，由于環(huán)氧樹(shù)脂膠具有一定的彈性，膠層厚度的增加能夠使界面應(yīng)變?cè)黾幼兙?，從而達(dá)到減小損傷的效果，疲勞循環(huán)次數(shù)也相應(yīng)增加；疲勞循環(huán)次數(shù)隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而減小，80 mm粘結(jié)長(zhǎng)度試件A4-2三個(gè)階段應(yīng)變值變化明顯，但穩(wěn)定階段持續(xù)時(shí)間短，早期損傷較嚴(yán)重，而60 mm粘結(jié)長(zhǎng)度試件A2-2早期損傷較輕，大部分處于穩(wěn)定階段，疲勞循環(huán)次數(shù)較高。結(jié)果表明，隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加，若達(dá)到有效粘結(jié)長(zhǎng)度，疲勞壽命反而會(huì)出現(xiàn)降低；混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，其粘結(jié)界面靜極限承載力越高，因?yàn)槊恳淮纹茐亩际怯苫炷烈粋?cè)表層剝離引起的，也就是說(shuō)，混凝土強(qiáng)度是影響界面承載力大小的因素之一，但混凝土本身延性隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高是降低的，若疲勞振幅較大，則混凝土強(qiáng)度不能作為控制疲勞效應(yīng)的決定性因素。通過(guò)應(yīng)變曲線(xiàn)可以看出，C40試樣A5-2在疲勞過(guò)程中，應(yīng)變片各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值始終處于均勻增漲狀態(tài)。三個(gè)階段的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)沒(méi)有明顯的極限，比C30試件A2-2的相對(duì)損傷更為嚴(yán)重。因此，混凝土強(qiáng)度等級(jí)與疲勞壽命成反比，破壞的主要因素在于疲勞幅值的大小。

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