內(nèi)嵌碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板-混凝土界面黏結(jié)性能試驗(yàn)研究

曲福來, 許哲, 于濤, 宋康康

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450045)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)和耐腐蝕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種劣化結(jié)構(gòu)的加固中[1]。按照CFRP的粘貼位置可分為表面粘貼法(外貼法)和表層嵌貼法(內(nèi)嵌法)。與外貼法相比，內(nèi)嵌法先對混凝土開槽，然后在槽內(nèi)注膠并將CFRP嵌入，因而CFRP材料能更好地受到保護(hù)，抗沖擊性和耐久性較好，也能防止火和外力作用對材料的破壞，尤其適用于對惡劣環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)的加固[2-5]。由于內(nèi)嵌CFRP法的這些優(yōu)點(diǎn)，在工程中具有較好的應(yīng)用前景。

采用內(nèi)嵌CFRP法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，其中一個(gè)關(guān)鍵的問題就是CFRP與混凝土的黏結(jié)性能問題。已有研究表明，內(nèi)嵌CFRP與混凝土的黏結(jié)承載力隨著黏結(jié)長度的增加而增大，但黏結(jié)長度超過某一臨界長度時(shí)，黏結(jié)承載力不會(huì)增加[6-7]?；炷翉?qiáng)度的提高能夠約束槽內(nèi)的膠層，延緩CFRP與膠層界面的剝離過程，從而可以提高黏結(jié)承載力[8-9]。文獻(xiàn)[10]研究表明，槽邊距只要滿足40 mm長度，對試件的承載力幾乎沒有影響；另外，開槽尺寸對黏結(jié)承載力影響較小，但考慮到槽內(nèi)膠的填充質(zhì)量，應(yīng)有一個(gè)最佳的開槽尺寸。文獻(xiàn)[11]采用不同黏結(jié)材料開展研究發(fā)現(xiàn)，水泥砂漿作為黏結(jié)劑，其承載力比環(huán)氧樹脂和環(huán)氧砂漿的低很多，環(huán)氧樹脂試件的承載力最好。文獻(xiàn)[12]研究表明：采用砂漿作為黏結(jié)劑，CFRP筋與混凝土的黏結(jié)承載力取為環(huán)氧樹脂黏結(jié)承載力的50%左右，在筋表面進(jìn)行粘砂處理后，黏結(jié)承載力雖然有所提高，但仍低于未處理表面采用環(huán)氧樹脂黏結(jié)試件的。采用內(nèi)嵌CFRP法進(jìn)行加固時(shí)，由于黏結(jié)試件存在2個(gè)界面：CFRP與膠體界面、膠體與混凝土界面。在外力的作用下會(huì)在較薄弱的一個(gè)界面發(fā)生剝離破壞，這將增加內(nèi)嵌CFRP與混凝土的剝離荷載計(jì)算的復(fù)雜性[13]。

綜上所述，內(nèi)嵌CFRP板與混凝土的黏結(jié)性能受多種因素的影響，目前，對黏結(jié)承載力的研究較少。因此，本文考慮混凝土強(qiáng)度、黏結(jié)長度和CFRP板不同處理方式等因素，開展了內(nèi)嵌CFRP板與混凝土黏結(jié)性能的研究，通過分析界面黏結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律來探究各因素對黏結(jié)應(yīng)力的影響規(guī)律，并給出界面剝離承載力的計(jì)算公式，為相關(guān)研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)考慮了混凝土強(qiáng)度、黏結(jié)長度和CFRP板黏結(jié)方式3種因素，共制作了18組54個(gè)CFRP-混凝土黏結(jié)試件。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級分別是C25、C35和C50，混凝土的配合比設(shè)計(jì)見表1。內(nèi)嵌黏結(jié)長度有150 mm和200 mm兩種。CFRP板的黏結(jié)方式有3種：①直接使用環(huán)氧樹脂作為黏結(jié)劑；②先在CFRP板表面均勻涂抹薄層環(huán)氧樹脂膠，再均勻撒上一層石英砂并自然晾干，再使用環(huán)氧樹脂作為黏結(jié)劑；③石英砂與環(huán)氧樹脂1∶2混合均勻后作為黏結(jié)劑。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì) kg

試驗(yàn)選用厚度為1.2 mm的CFRP板，抗拉強(qiáng)度為2 257 MPa，受拉彈性模量為150 GPa。試驗(yàn)所用的結(jié)構(gòu)膠為環(huán)氧樹脂浸漬膠，膠體的抗裂抗拉強(qiáng)度≥8.5 MPa。

黏結(jié)試件開槽及尺寸如圖1所示，開槽寬度為6 mm、槽深為30 mm，為避免混凝土端部發(fā)生拉剪破壞，在CFRP的加載端一側(cè)預(yù)留50 mm的非黏結(jié)段。為了在試驗(yàn)中獲得CFRP板應(yīng)變分布情況，在每個(gè)板上布置7個(gè)應(yīng)變片。試件制作完成后，放入恒溫、恒濕的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d。

圖1 試件開槽及尺寸(單位：mm)

本試驗(yàn)采用專門裝置進(jìn)行加載，將黏結(jié)試件固定好后，加載端CFRP板用夾具固定并張拉。CFRP板的黏結(jié)力及滑移量分別通過荷載和位移傳感器量測，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過靜態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)采集并存儲。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

內(nèi)嵌CFRP板黏結(jié)試件開始加載后荷載緩慢增加，到極限荷載的70%左右，可聽見一次較大的響聲，此時(shí)加載端CFRP板應(yīng)變迅速增大，CFRP板與環(huán)氧樹脂開始發(fā)生剝離。隨著荷載繼續(xù)增大，離加載端較遠(yuǎn)的應(yīng)變片也出現(xiàn)了應(yīng)變，此時(shí)試件進(jìn)一步剝離，最后剝離到達(dá)自由端時(shí)又發(fā)出一聲巨響，荷載突降，CFRP板被緩慢拉出。本次試驗(yàn)所有試件均發(fā)生CFRP板拔出破壞，可明顯觀察到板與膠層之間的滑移，如圖2所示。

圖2 CFRP板拔出破壞

2.2 平均黏結(jié)強(qiáng)度

試驗(yàn)得到的18組試件黏結(jié)力均表現(xiàn)為隨黏結(jié)長度的增大而提高，只使用環(huán)氧樹脂作為黏結(jié)劑的試件，試驗(yàn)所得的黏結(jié)強(qiáng)度最大。但由于受力后CFRP板黏結(jié)區(qū)域各位置應(yīng)變不同，從而造成與混凝土界面的黏結(jié)應(yīng)力也不同，黏結(jié)長度對黏結(jié)力的提高作用有所降低[13]。為了從整體上評價(jià)黏結(jié)效果，可以采用平均黏結(jié)強(qiáng)度作為衡量指標(biāo)，用下式表示：

τave=Pu∑(bfla)-1。

(1)

式中：τave為試件的平均黏結(jié)強(qiáng)度；Pu為CFRP板與混凝土的極限承載力；bf為CFRP板寬；la為黏結(jié)長度。

圖3為平均黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土立方體抗壓強(qiáng)度變化的情況。

由圖3可見，CFRP板與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度的提高而增大。以黏結(jié)長度為200 mm的A組試件為例，混凝土抗壓強(qiáng)度從27.8 MPa增加到38.7 MPa，黏結(jié)強(qiáng)度提高了14.9%;抗壓強(qiáng)度從38.7 MPa增加到51.3 MPa時(shí)，黏結(jié)強(qiáng)度提高了1.6%。這說明混凝土的強(qiáng)度對CFRP與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度有一定的提高作用，但隨著混凝土強(qiáng)度越來越大，CFRP板對混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度的提高作用減慢，其他各組試件也有類似的規(guī)律。

圖3 平均黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度的變化

圖3中，采用2種方式處理內(nèi)嵌CFRP板與混凝土的黏結(jié)面，在混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C25和C35時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)CFRP板表面環(huán)氧石英砂涂層(B組)、環(huán)氧石英砂作為黏結(jié)劑(C組)有明顯的增強(qiáng)效果。原因是，由于是冬季試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度10～15 ℃)，低溫對黏結(jié)膠的工作性能帶來不利影響。另外，由于碳纖維板表面的涂層，帶來板厚度的增加，開槽的寬度也隨之增加，以確保粘膠的最佳厚度。當(dāng)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C50時(shí)，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，采用環(huán)氧石英砂作為黏結(jié)劑的C組試件平均黏結(jié)強(qiáng)度最大。

2.3 CFRP板應(yīng)變及黏結(jié)應(yīng)力

CFRP板與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力無法通過試驗(yàn)直接得到，但可以通過CFRP板的應(yīng)變分析間接得到。圖4為試件C25A-200在各級荷載下采集到的應(yīng)變分布。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：加載初期，CFRP板只在加載端附近的區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)變，自由端附近的應(yīng)變?yōu)榱?，此時(shí)應(yīng)變的傳遞區(qū)域較小；隨著荷載的不斷增加，加載端的應(yīng)變隨之增大，并向自由端傳遞。

為了分析CFRP板與混凝土之間的黏結(jié)應(yīng)力，取長度為dx的CFRP板微段作為研究對象，微段的受力情況如圖5所示。

圖5 CFRP板微段受力圖

圖5中：i和i-1分別為沿CFRP板長度方向的位置編號；σf為截面i處的正應(yīng)力；dσf為正應(yīng)力增量；τf為第i點(diǎn)和第i-1點(diǎn)之間板段上的平均黏結(jié)應(yīng)力。

假定CFRP板在特定截面上的軸向應(yīng)力均勻分布，且相鄰2個(gè)橫截面之間的應(yīng)變線性變化，黏結(jié)應(yīng)力出現(xiàn)在CFRP板的正面和背面。通過CFRP板微段受力平衡，由差分法計(jì)算得到局部黏結(jié)應(yīng)力為[13]：

(2)

式中：εf,i、εf,i-1分別為第i點(diǎn)和第i-1點(diǎn)的應(yīng)變值;xi、xi-1分別為第i點(diǎn)和第i-1點(diǎn)距加載端的距離；tf、Ef分別為CFRP板的厚度和彈性模量。

通過公式(2)計(jì)算得到黏結(jié)應(yīng)力隨荷載變化的規(guī)律，如圖6所示。

圖6 試件C25A-200在各級荷載下的黏結(jié)應(yīng)力分布

圖6中，在加載初期，黏結(jié)應(yīng)力分布在距加載端不超過60 mm的范圍內(nèi)，且從加載端到自由端逐漸減小至零；隨著荷載的增大，加載端黏結(jié)應(yīng)力也相應(yīng)增大，黏結(jié)應(yīng)力開始向自由端傳遞；當(dāng)接近極限荷載時(shí)，黏結(jié)區(qū)域傳遞到了自由端附近，之后試件發(fā)生剝離破壞。

2.4 界面剝離承載力模型

通過對本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，內(nèi)嵌CFRP板與混凝土界面的剝離承載力Pu可以采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中：α為系數(shù)，取0.85；β為粘貼方式影響系數(shù)，對3種方式經(jīng)數(shù)據(jù)回歸可分別取1.00(環(huán)氧樹脂)、0.95(環(huán)氧石英砂涂層)和0.90(環(huán)氧石英砂)；fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度；la為黏結(jié)長度，超過200 mm時(shí)取200 mm。

計(jì)算后將剝離承載力模型與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，具體結(jié)果見表2。由表2知：計(jì)算值與試驗(yàn)值比值的平均值為1.01，方差為0.015，該模型與試驗(yàn)值吻合較好，可供內(nèi)嵌CFRP板與混凝土黏結(jié)力計(jì)算時(shí)參考。

表2 CFRP板與混凝土剝離承載力的試驗(yàn)值和計(jì)算值的比較

續(xù)表

說明：試件編號中A代表只填充環(huán)氧樹脂，B代表環(huán)氧石英砂涂層，C代表環(huán)氧石英砂填充，下標(biāo)test代表試驗(yàn)值，下標(biāo)cal代表計(jì)算值。

3 結(jié)語

1)采用3種處理方式處理內(nèi)嵌的CFRP板，拉拔試驗(yàn)表明，試件發(fā)生CFRP板的拔出破壞。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，CFRP板與混凝土界面的平均黏結(jié)強(qiáng)度增大。

2)環(huán)氧石英砂涂層和環(huán)氧石英砂作為黏結(jié)劑的增強(qiáng)效果不顯著，本文分析了其可能原因并給出了解決的方法。通過CFRP板的應(yīng)變得到黏結(jié)應(yīng)力分布的規(guī)律，該規(guī)律能夠較好地揭示內(nèi)嵌CFRP板混凝土的剝離過程。

3)考慮混凝土強(qiáng)度、黏結(jié)面積和粘貼方式，文中提出了內(nèi)嵌CFRP板與混凝土發(fā)生界面剝離時(shí)的黏結(jié)力公式，該公式形式簡單，且公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可供相關(guān)計(jì)算時(shí)參考。