沖擊作用下CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究

蔣正文,劉朋杰,方志*,方亞威,王志偉

（1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；3.中復(fù)碳芯電纜科技有限公司，連云港 222069）

碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(Carbon fiber reinforced polymers，CFRP)筋材以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐銹蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，作為土木工程中傳統(tǒng)鋼制拉索和普通鋼筋的替代品具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete，UHPC)以其超高的抗壓強(qiáng)度、較高的抗拉強(qiáng)度、良好的韌性和優(yōu)異的耐久性被認(rèn)為是新一代的水泥基復(fù)合材料[4-5]，適于作為錨固CFRP拉索的粘結(jié)介質(zhì)，且基于CFRP和UHPC兩種高級(jí)復(fù)合材料，可形成具有優(yōu)良承載性能和耐久性能的高性能配筋混凝土結(jié)構(gòu)而應(yīng)用于惡劣環(huán)境中工作的橋梁工程[6-10]。橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的拉索、梁板和墩柱可能遭受落石、車輛撞擊及相鄰拉索斷裂等引起的沖擊作用[11-14]。因此，明確CFRP筋材在UHPC中的粘結(jié)錨固性能，特別是沖擊荷載作用下的相互作用性能，是這類新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用于實(shí)際工程需要解決的關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題之一。

現(xiàn)有CFRP帶肋筋材與普通混凝土或UHPC間動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[15-16]，沖擊荷載作用下試件的粘結(jié)強(qiáng)度均較相應(yīng)的靜力粘結(jié)強(qiáng)度低，即均呈現(xiàn)負(fù)的應(yīng)變率效應(yīng)。而CFRP帶肋筋材與普通混凝土或UHPC等粘結(jié)介質(zhì)間的粘結(jié)強(qiáng)度均由界面上的機(jī)械咬合、化學(xué)粘結(jié)和滑動(dòng)摩擦等作用所構(gòu)成且主要由機(jī)械咬合作用提供[17]，因此，亦可斷定沖擊荷載下CFRP帶肋筋材與普通混凝土或UHPC之間的機(jī)械咬合作用與應(yīng)變率負(fù)相關(guān)。但受限于CFRP帶肋筋材復(fù)雜的表面構(gòu)造及粘結(jié)機(jī)制，難以判斷沖擊作用下界面上化學(xué)粘結(jié)和滑動(dòng)摩擦作用的應(yīng)變率效應(yīng)特征，有待進(jìn)一步明確。

國內(nèi)外部分學(xué)者開展了纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(Fiber reinforced polymers，F(xiàn)RP)筋與普通混凝土間動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能的研究。李維博[15]的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：縱向沖擊荷載下CFRP帶肋筋與普通混凝土之間的峰值粘結(jié)強(qiáng)度均低于相應(yīng)的靜力粘結(jié)強(qiáng)度。Xiong等[18]研究了應(yīng)變速率對(duì)玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(Basalt fiber reinforced polymer，BFRP)帶肋筋在普通混凝土中錨固性能的影響，結(jié)果表明：動(dòng)態(tài)試件的峰值粘結(jié)強(qiáng)度均小于相同錨固長(zhǎng)度的靜力試件。Li等[19]試驗(yàn)研究了筋材表面形狀和應(yīng)變速率對(duì)BFRP筋粘結(jié)性能的影響，結(jié)果表明：BFRP帶肋筋及黏沙筋與再生骨料混凝土之間的峰值粘結(jié)強(qiáng)度均隨加載速率的提高而降低。

沖擊作用下FRP筋與UHPC間粘結(jié)性能的研究還很少。向宇等[20]采用落錘試驗(yàn)機(jī)研究了采用UHPC錨固帶肋CFRP筋的粘結(jié)式錨固系統(tǒng)的橫向抗沖擊性能，結(jié)果表明：靜力錨固可靠的粘結(jié)式錨具，盡管沖擊荷載作用下筋材內(nèi)的拉力遠(yuǎn)小于相應(yīng)的靜力抗拔承載能力，但仍發(fā)生了筋材的滑移破壞，表明CFRP-UHPC粘結(jié)式錨固系統(tǒng)的動(dòng)力抗沖擊性能低于其靜力性能。方志等[16]試驗(yàn)研究了縱向沖擊作用下CFRP帶肋筋材在UHPC中的錨固性能，結(jié)果表明：應(yīng)變率為2.0 s-1的沖擊荷載作用下，CFRP筋材與UHPC之間的動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度僅約為相同錨固長(zhǎng)度靜力試件的45%，源于沖擊作用下CFRP筋材抗剪模量的降低使筋材肋與UHPC間機(jī)械咬合作用減弱所致。

另有學(xué)者對(duì)光圓鋼筋與普通混凝土之間的動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能開展了研究。Yan[21]的試驗(yàn)結(jié)果表明，直徑13 mm光圓鋼筋與C40混凝土界面間的峰值粘結(jié)強(qiáng)度由靜力加載下的13.0 MPa增大至沖擊應(yīng)變率約5.0 s-1下的22.0 MPa，其提升幅度約為69%。Weathersby[22]的試驗(yàn)結(jié)果表明：直徑25 mm光圓鋼筋與C40混凝土之間的峰值粘結(jié)強(qiáng)度由靜力加載下的10.7 MPa增大至沖擊應(yīng)變率約6.5 s-1下的18.4 MPa，其提升幅度約為72%。付應(yīng)乾等[23]研究了光圓鋼筋與普通混凝土之間的動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)筋材的應(yīng)變速率由0.001 s-1增大至3.33 s-1、33.33 s-1和333.33 s-1時(shí)，直徑6 mm光圓鋼筋與C40混凝土之間的峰值粘結(jié)強(qiáng)度由9.4 MPa分別增大至11.1 MPa、13.1 MPa和25.4 MPa，其提升幅度為18.1%、39.4%和170.2%。

可見，現(xiàn)有研究更多側(cè)重于FRP帶肋筋材與普通混凝土或UHPC之間的動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能，明確了沖擊作用下FRP帶肋筋材與普通混凝土或UHPC間動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度或機(jī)械咬合作用表現(xiàn)為負(fù)的應(yīng)變率效應(yīng)[15-19]。但受限于FRP帶肋筋材復(fù)雜的表面構(gòu)造及粘結(jié)機(jī)制，難以判斷沖擊作用下界面上化學(xué)粘結(jié)和滑動(dòng)摩擦作用的應(yīng)變率效應(yīng)特征。雖然已有光圓鋼筋與普通混凝土之間動(dòng)態(tài)粘結(jié)性能的研究，但畢竟光圓鋼筋和普通混凝土分別與光圓CFRP筋(抗剪強(qiáng)度低且表面更光滑)和UHPC(強(qiáng)度等級(jí)更高且不含粗骨料)間的性態(tài)相差較大，且光圓鋼筋和普通混凝土界面間化學(xué)粘結(jié)和滑動(dòng)摩擦作用的應(yīng)變率效應(yīng)也未特別明確。

基于此，考慮到表面光滑的CFRP光圓筋材與粘結(jié)介質(zhì)間的機(jī)械咬合作用幾近可忽略，界面粘結(jié)強(qiáng)度主要由化學(xué)粘結(jié)和摩擦作用構(gòu)成，本文分別對(duì)靜力拉拔和縱向沖擊作用下，CFRP光圓筋在UHPC中的錨固性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期明確CFRP筋與UHPC界面間化學(xué)粘結(jié)作用及摩擦作用的應(yīng)變率效應(yīng)，并建立CFRP光圓筋與UHPC界面間動(dòng)態(tài)峰值粘結(jié)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)采用圖1所示由中復(fù)碳芯電纜科技有限公司生產(chǎn)的CFRP光圓筋材，其直徑d=8 mm，表面非常光滑。參照《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 30022-2013)[24]，測(cè)得筋材的抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為3 025 MPa和160 GPa。

圖1 試驗(yàn)所用碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(CFRP)光圓筋Fig.1 Smooth carbon fiber reinforced polymers (CFRP) bar used in the tested

試驗(yàn)采用不含鋼纖維的UHPC商品預(yù)混料作為錨固CFRP筋的粘結(jié)介質(zhì)，UHPC的配合比如表1所示。靜力拉拔和縱向沖擊試件同批次澆筑，參照《超高性能混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS 864-2021)[25]與《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)[26]，試件澆筑完成后經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)24 h后再采用90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h，并采用邊長(zhǎng)100 mm的立方體試塊測(cè)得UHPC的立方體抗壓強(qiáng)度為120.5 MPa。

表1 超高性能混凝土(UHPC)的配合比Table 1 Mix proportion of ultra-high performance concrete (UHPC)

1.2 試件設(shè)計(jì)

靜力拉拔及縱向沖擊試件均由自由段CFRP筋、試驗(yàn)端錨具和固定端錨具三部分組成，如圖2所示。參照《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 30022-2013)[24]，試件自由段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為300 mm。靜力拉拔試件的固定端均采用錨固長(zhǎng)度為500 mm的粘結(jié)式錨具；對(duì)于沖擊試件，由于CFRP光圓筋的臨界錨固長(zhǎng)度較長(zhǎng)且沖擊試驗(yàn)空間受限，因此其固定端采用長(zhǎng)度為200 mm的夾片式錨具進(jìn)行錨固[27]。粘結(jié)式錨具由外部鋼套筒和內(nèi)部澆筑的UHPC粘結(jié)介質(zhì)組成，鋼套筒的外徑和壁厚分別為42 mm和3 mm。

圖2 靜力拉拔及縱向沖擊試件構(gòu)造及尺寸Fig.2 Configurations and dimensions of static tensile and longitudinal impact specimens

靜力和縱向沖擊試件的試驗(yàn)參數(shù)均為試驗(yàn)端的錨固長(zhǎng)度，分別為20d、25d、30d和35d(d=8 mm，d為筋材直徑)。設(shè)計(jì)制作了8組，每組3個(gè)共計(jì)24個(gè)試件，試件編號(hào)及分組如表2所示。

表2 試件概況Table 2 Overview of the test specimens

試驗(yàn)端粘結(jié)式錨具的長(zhǎng)度由試驗(yàn)所需筋材錨固長(zhǎng)度確定。

1.3 試驗(yàn)裝置

1.3.1 靜力拉拔試驗(yàn)

靜力拉拔所用試驗(yàn)裝置由壓力傳感器、穿心式千斤頂和加載墊板等組成，如圖3所示。試驗(yàn)過程中，采用深圳米朗科技有限公司生產(chǎn)的電子位移計(jì)(Linear variable displacement transducer，LVDT)測(cè)量錨固端錨具及試驗(yàn)端錨具加載側(cè)和自由側(cè)筋材的滑移量，應(yīng)變式壓力傳感器測(cè)量試件的縱向拉力。根據(jù)《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》(GB/T 14370-2015)[28]和《超高性能混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS 864-2021)[25]，對(duì)靜力試件采用荷載控制加載，每級(jí)持荷1 min后讀取相應(yīng)的拉力及滑移值[16]。

圖3 靜力試驗(yàn)裝置Fig.3 Setup of static tensile tests

1.3.2 縱向沖擊試驗(yàn)

縱向沖擊試驗(yàn)裝置包括落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)和自行研發(fā)的拉壓轉(zhuǎn)換裝置兩部分組成[16-17]，見圖4。

圖4 縱向沖擊試驗(yàn)裝置Fig.4 Setup of longitudinal impact tests

橋梁工程中，由落石、車撞及相鄰拉索斷裂引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)變率一般在0.1～10.0 s-1[29-31]。因此，試驗(yàn)的目標(biāo)應(yīng)變率取為4.0 s-1。通過預(yù)備性試驗(yàn)，測(cè)得落錘錘頭質(zhì)量為570 kg、沖擊高度為200 mm時(shí)，錨固長(zhǎng)度20d和35d試件的應(yīng)變率分別為3.59 s-1和4.20 s-1，故正式試驗(yàn)時(shí)均采用570 kg的錘頭質(zhì)量和200 mm的沖擊高度。

試驗(yàn)過程中，將錘頭上升至所需高度并釋放，錘頭下落沖擊拉壓轉(zhuǎn)換裝置的支架頂板，進(jìn)而對(duì)試件施加縱向受拉的沖擊力，沖擊拉壓轉(zhuǎn)換裝置的總行程為80 mm。采用電子位移計(jì)測(cè)量試驗(yàn)錨具加載側(cè)筋材的滑移量，具體布置如圖5所示。試件的索力則通過應(yīng)變式壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采樣頻率為15 kHz。

圖5 滑移測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Arrangement of slip measuring point

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

靜力及沖擊試驗(yàn)的主要結(jié)果如表3所示，包括試件自由段筋材的應(yīng)變率、最大索力Tmax、與Tmax相應(yīng)的峰值粘結(jié)強(qiáng)度τm、化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度τa、殘余粘結(jié)強(qiáng)度τr(靜力和縱向沖擊試件的殘余粘結(jié)強(qiáng)度均取滑移15 mm處對(duì)應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力，兩者的粘結(jié)應(yīng)力均在滑移值15 mm后逐漸趨于穩(wěn)定)、與Tmax相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)端錨具加載側(cè)筋材的滑移量S0、筋材自由端開始滑動(dòng)時(shí)加載側(cè)對(duì)應(yīng)的滑移量Sz。沖擊作用下試驗(yàn)端筋材自由側(cè)的滑移很遺憾未成功獲取。

表3 CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件靜力和沖擊試驗(yàn)主要結(jié)果Table 3 Typical results of static and impact tests on CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

沖擊試驗(yàn)中，CFRP筋自由段的應(yīng)變與索力成正比，因此，自由段筋材的應(yīng)變率系根據(jù)索力時(shí)程曲線初始線性上升段的斜率確定，并取為索力時(shí)程曲線初始線性上升段0.2Tmax～0.5Tmax間割線的斜率，這里Tmax為沖擊荷載作用下試件的最大索力。對(duì)于發(fā)生滑移破壞的試件，其峰值粘結(jié)強(qiáng)度τm采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Tmax為試件的最大索力(kN)；d為CFRP光圓筋的直徑(mm)；l為試驗(yàn)端錨固長(zhǎng)度(mm)。

文獻(xiàn)[32]定義化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度為初始加載段粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線中斜率發(fā)生明顯改變處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。試件S-L160、S-L200、S-L240和S-L280這4組靜力試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線分別在加載端滑移0.09 mm、0.10 mm、0.11 mm和0.11 mm處斜率發(fā)生明顯變化，亦即斜率的改變點(diǎn)均在滑移值0.10 mm左右，因此本文將靜力及縱向沖擊試件的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度取為加載端滑移0.1 mm處對(duì)應(yīng)的粘結(jié)應(yīng)力值，記為τa。

移量S采用下式計(jì)算，亦即應(yīng)扣除電子位移計(jì)前端至試驗(yàn)錨具加載端范圍內(nèi)筋材的彈性伸長(zhǎng)量：

式中：ST為位移計(jì)測(cè)量值(mm)；T為試件的實(shí)測(cè)索力(N)；Ef為筋材彈性模量(MPa)；A為筋材橫截面積(mm2)；ΔL為電子位移計(jì)前端至試驗(yàn)錨具加載端的長(zhǎng)度(mm)。

為獲得可靠的試驗(yàn)結(jié)果，每組試件均包含3個(gè)平行試件。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：靜力及沖擊加載作用下，每組3個(gè)平行試件的實(shí)測(cè)曲線相近，3組曲線上各特征點(diǎn)的實(shí)測(cè)值相差均基本在10%以內(nèi)。因此文中采用3條實(shí)測(cè)曲線中各特征點(diǎn)與平均值最接近的一條曲線進(jìn)行分析討論。

2.1 CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件的破壞形態(tài)

靜力和縱向沖擊試件均發(fā)生試驗(yàn)端錨具內(nèi)筋材拔出的滑移失效，但試件固定端錨具內(nèi)的筋材均未見明顯滑移。不同錨固長(zhǎng)度的靜力及縱向沖擊試件拔出后筋材表面的損傷程度相近，靜力試件拔出筋材表面存在刮傷，而縱向沖擊試件拔出筋材表面加載前后無明顯變化，見圖6(a)～6(c)。

圖6 CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件在靜力和縱向沖擊加載下的破壞形態(tài)Fig.6 Typical failure modes of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens under static and impact loads

將試驗(yàn)后的S-L200和D-L200試件試驗(yàn)錨具沿縱軸線切開以觀察結(jié)合面的狀態(tài)，如圖6(d)所示?？梢姡红o力試件S-L200有部分筋材表面樹脂殘留在UHPC內(nèi)表面上，而沖擊試件D-L200的界面較光滑，基本無樹脂基體的殘留。導(dǎo)致上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因是，CFRP樹脂基體及UHPC的抗剪強(qiáng)度均隨加載速率的提高而有所增加[33-35]，使二者的界面相對(duì)更趨弱化，導(dǎo)致筋材的滑出更容易，相應(yīng)的損傷程度亦較低。

2.2 沖擊作用下CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件的索力-時(shí)程曲線

縱向沖擊試件的索力-時(shí)程曲線如圖7所示。所有試件均迅速達(dá)到最大索力，之后由于CFRP筋材的滑出，索力快速下降，此后試件的粘結(jié)力僅由滑動(dòng)摩擦力提供并趨于穩(wěn)定，索力-時(shí)程曲線呈現(xiàn)出平臺(tái)段；最后因筋材拔出位移達(dá)到支架下落的最大行程80 mm，索力傳感器不再受力并快速下降為0。峰值索力隨錨固長(zhǎng)度的增加而增大，試件滑移達(dá)到支架最大行程80 mm所經(jīng)歷的時(shí)間也更長(zhǎng)。

圖7 沖擊荷載作用下CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件的索力-時(shí)程曲線Fig.7 Tension histories of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens under impact loading

2.3 沖擊作用下CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件的滑移-時(shí)程曲線

沖擊試件試驗(yàn)錨具加載端滑移-時(shí)程曲線的時(shí)程如圖8所示。沖擊荷載作用下筋材滑移量持續(xù)增加直至最大行程80 mm?；?時(shí)程曲線的滑移速率均在峰值荷載對(duì)應(yīng)時(shí)刻發(fā)生改變，峰值后的滑移速率約為峰值前滑移速率的2～3倍，表明峰值荷載后CFRP筋與UHPC界面間的粘結(jié)性能明顯退化，主要是CFRP筋材與UHPC界面間的化學(xué)粘結(jié)作用在峰值荷載后完全喪失，僅存穩(wěn)定的滑動(dòng)摩擦作用。

圖8 沖擊荷載作用下CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件的滑移-時(shí)程曲線Fig.8 Slip histories of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens under impact loading

2.4 靜力及沖擊作用下CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線

靜力及縱向沖擊作用下試件試驗(yàn)錨具加載端典型的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線如圖9所示。從圖9并結(jié)合表3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

圖9 靜力和沖擊荷載作用下CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線Fig.9 Bond stress-slip curves of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens under static and impact loading

(1) 不同錨固長(zhǎng)度下的靜力及縱向沖擊試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線分別相近。靜力試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線可明顯分為峰值點(diǎn)前、后的上升段和下降段，滑移約15 mm后，不同錨固長(zhǎng)度下的曲線趨同，可視為進(jìn)入穩(wěn)定段；動(dòng)力試件的粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線可明顯分為峰值點(diǎn)前、后的上升段和下降段及滑移約15 mm后的穩(wěn)定段，且穩(wěn)定段較靜力試件更趨平坦，源于動(dòng)力試件拔出筋材表面更加光滑完整，摩擦系數(shù)更趨穩(wěn)定所致；

(2) 無論是靜力試件還是動(dòng)力試件，加載初期，滑移不超過約0.1 mm時(shí)，粘結(jié)應(yīng)力-滑移曲線均呈線性關(guān)系，此階段的粘結(jié)強(qiáng)度由化學(xué)粘結(jié)力提供；隨著荷載增加，滑移逐漸增大，CFRP筋與UHPC界面從加載端向自由端逐漸脫粘，界面間的化學(xué)粘結(jié)力逐漸喪失，曲線呈非線性，界面應(yīng)力主要由尚未脫粘部分的化學(xué)粘結(jié)力和脫粘界面的摩擦作用共同抵抗直至到達(dá)曲線的峰值點(diǎn)。峰值點(diǎn)后筋材自由端開始滑移，錨固長(zhǎng)度范圍內(nèi)筋材表面的化學(xué)粘結(jié)力完全喪失，粘結(jié)強(qiáng)度幾乎全部由摩擦力提供。這點(diǎn)從表3所示筋材自由端開始滑動(dòng)時(shí)加載側(cè)對(duì)應(yīng)的滑移量Sz與峰值點(diǎn)處加載端的滑移值S0極為接近可以推斷出；

(3) 滑移0.1 mm時(shí)，動(dòng)力試件的粘結(jié)應(yīng)力較靜力試件高約53%；而穩(wěn)定后的殘余粘結(jié)強(qiáng)度卻相應(yīng)降低約38%。表明CFRP光圓筋材與UHPC界面的化學(xué)粘結(jié)力具有正的應(yīng)變率效應(yīng)，而界面間的滑動(dòng)摩擦力則呈現(xiàn)負(fù)的應(yīng)變率效應(yīng)[36-38]。

2.5 錨固長(zhǎng)度對(duì)CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件界面間靜、動(dòng)力粘結(jié)性能的影響

2.5.1 對(duì)界面化學(xué)粘結(jié)力的影響

不同錨固長(zhǎng)度下靜力及縱向沖擊試件化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度的變化分別如圖10和表4所示?？梢姡?dāng)錨固長(zhǎng)度由20d逐漸增大至35d時(shí)，靜力試件的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度分別為1.16～1.24 MPa，均值為1.20 MPa；縱向沖擊試件的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度則分別為1.76～1.93 MPa，均值為1.84 MPa。亦即雖然不同錨固長(zhǎng)度試件的靜、動(dòng)態(tài)化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度各自有所變化，但變化幅度較??；而界面化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的正應(yīng)變率效應(yīng)。應(yīng)變速率約為4.0 s-1時(shí)，CFRP光圓筋與UHPC界面的動(dòng)態(tài)化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度較相應(yīng)的靜力值提高約48%～56%，均值提高約53%。

表4 CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件靜、動(dòng)態(tài)化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比Table 4 Comparison of static and dynamic chemical bond strength between CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

圖10 錨固長(zhǎng)度對(duì)CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.10 Effect of embedded length on chemical bond strength of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

沖擊荷載下CFRP筋材與UHPC界面間化學(xué)粘結(jié)作用得到提升，源于靜力荷載作用下界面微觀裂紋有足夠的時(shí)間沿著阻力最小的路徑發(fā)展，而在較高的加載速率下，界面微觀裂紋未必沿阻力較小的路徑發(fā)展[35,39-40]且UHPC及CFRP筋樹脂基體的抗剪強(qiáng)度均隨加載速率的增大而提升[33-35]，致使CFRP筋的拔出阻力增大，界面間的化學(xué)粘結(jié)作用相應(yīng)增強(qiáng)。

2.5.2 對(duì)峰值點(diǎn)處粘結(jié)強(qiáng)度的影響

不同錨固長(zhǎng)度下靜力及縱向沖擊試件峰值點(diǎn)處粘結(jié)強(qiáng)度的變化分別如圖11和表5所示?？梢?，當(dāng)錨固長(zhǎng)度由20d逐漸增加至35d時(shí)，靜力試件的峰值粘結(jié)強(qiáng)度為2.78～2.98 MPa，均值為2.89 MPa；縱向沖擊試件的峰值粘結(jié)強(qiáng)度為3.34～3.47 MPa，均值為3.39 MPa。亦即雖然不同錨固長(zhǎng)度試件的靜、動(dòng)態(tài)峰值粘結(jié)強(qiáng)度各自有所變化，但變化幅度尚較??；與光圓鋼筋和普通混凝土界面間的動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度類似[21-23]，CFRP光圓筋與UHPC界面的動(dòng)態(tài)峰值粘結(jié)強(qiáng)度亦呈現(xiàn)較明顯的正應(yīng)變率效應(yīng)，應(yīng)變速率約為4.0 s-1時(shí)的動(dòng)態(tài)峰值粘結(jié)強(qiáng)度較相應(yīng)的靜力值提高約16%～20%，均值約提高17%。

表5 CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件靜、動(dòng)態(tài)峰值粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比Table 5 Comparison of static and dynamic peak bond strength between CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

圖11 錨固長(zhǎng)度對(duì)CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件峰值粘結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.11 Effect of embedded length on peak bond strength of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

沖擊荷載作用下試件峰值點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度仍得以提高，源于沖擊荷載作用下峰值點(diǎn)處的界面化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度增幅(增加約53%，見表4)高于界面滑動(dòng)摩擦力的降幅(降低約38%，見表6)，使峰值點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度仍有所提高，但約17%的提高幅度明顯低于界面化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度約53%的增幅。

表6 CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件靜、動(dòng)態(tài)殘余粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)比Table 6 Comparison of static and dynamic residual bond strength between CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

2.5.3 對(duì)殘余粘結(jié)強(qiáng)度的影響

不同錨固長(zhǎng)度下靜力及縱向沖擊試件的殘余粘結(jié)強(qiáng)度的變化分別如圖12和表6所示。可見，當(dāng)錨固長(zhǎng)度由20d逐步增加至35d時(shí)，靜力試件的殘余粘結(jié)強(qiáng)度為2.49～2.52 MPa，均值為2.50 MPa；而縱向沖擊試件的殘余粘結(jié)強(qiáng)度為1.52～1.60 MPa，均值為1.56 MPa。亦即雖然不同錨固長(zhǎng)度試件的靜、動(dòng)態(tài)殘余粘結(jié)強(qiáng)度各自有所變化，但各自的變化幅度也較小；CFRP光圓筋與UHPC界面的動(dòng)態(tài)殘余粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)較明顯的負(fù)應(yīng)變率效應(yīng)，應(yīng)變速率約為4.0 s-1時(shí)的動(dòng)態(tài)殘余粘結(jié)強(qiáng)度較相應(yīng)的靜力值降低約37%～39%，均值約降低38%。沖擊荷載下試件殘余粘結(jié)強(qiáng)度即滑動(dòng)摩擦力的下降源于CFRP筋材與UHPC之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)隨加載速率的增大而減小[36-38]。

圖12 錨固長(zhǎng)度對(duì)CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件殘余粘結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.12 Effect of embedded length on residual bond strength of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

2.5.4 對(duì)峰值點(diǎn)處滑移量的影響

錨固長(zhǎng)度對(duì)靜力及縱向沖擊試件峰值點(diǎn)處滑移量的影響如圖13所示?？芍o力和縱向沖擊荷載作用下，峰值點(diǎn)處滑移量均隨錨固長(zhǎng)度的增加而增大。當(dāng)錨固長(zhǎng)度由20d增大至25d、30d和35d時(shí)，靜力試件的滑移量由0.46 mm增大至0.53 mm、0.61 mm和0.68 mm，分別增大了15.22%、32.61%和47.83%；縱向沖擊試件的滑移量由0.83 mm增大至0.91 mm、1.01 mm和1.08 mm，分別增大了9.64%、21.69%和30.12%。源于錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，錨固區(qū)內(nèi)筋材的彈性伸長(zhǎng)量越大[7,16]。

圖13 錨固長(zhǎng)度對(duì)CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件峰值點(diǎn)處滑移量的影響Fig.13 Effect of embedded length on slip at maximum load of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

圖14對(duì)比了相同錨固長(zhǎng)度試件在靜力和縱向沖擊荷載作用下峰值點(diǎn)處的滑移量。可見，相同錨固長(zhǎng)度下沖擊試件峰值點(diǎn)處的滑移量均較靜力試件的大。錨固長(zhǎng)度由20d提升至25d、30d和35d時(shí)，分別較靜態(tài)滑移量增大了80.43%、71.70%、65.57%和58.82%。這與普通混凝土中光圓鋼筋峰值荷載對(duì)應(yīng)滑移量隨加載速率的提高而增大的結(jié)論相符[21-23,41]。源于沖擊荷載作用下試件的峰值索力更大，錨固區(qū)內(nèi)筋材的彈性伸長(zhǎng)也更大。

圖14 靜力和縱向沖擊荷載下CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)試件峰值索力對(duì)應(yīng)滑移量的對(duì)比Fig.14 Comparison of static and dynamic slip at maximum load between CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

3 UHPC中CFRP光圓筋的界面動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度及臨界錨固長(zhǎng)度

已有研究提出了靜力作用下CFRP光圓筋與UHPC間的界面粘結(jié)強(qiáng)度(前文述及的峰值粘結(jié)強(qiáng)度)計(jì)算公式[42]：

式中：τs,m為靜力試件的界面粘結(jié)強(qiáng)度(MPa)；α為錨具套筒內(nèi)壁傾角(°)；fcu為粘結(jié)介質(zhì)UHPC的立方體抗壓強(qiáng)度(MPa)。

圖15為本文靜力試件實(shí)測(cè)值與式(3)計(jì)算值的比較，平均值為1.01，變異系數(shù)為0.04，二者吻合良好，表明上式具有良好的適用性，故本文基于上式提出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式。

圖15 CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)靜力試件峰值粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較Fig.15 Comparison between the predicted and experimental of static peak bond strength of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

縱向沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊作用下，CFRP光圓筋與UHPC間的動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)得到提升，為量化沖擊作用對(duì)峰值粘結(jié)強(qiáng)度的影響，定義界面動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度增大系數(shù)Id：

式中，τd,m為縱向沖擊試件的峰值粘結(jié)強(qiáng)度(MPa)。

由式(3)和式(4)，可得界面動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度τd,m的預(yù)測(cè)公式：

基于前述試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)變率3.65～4.06 s-1時(shí)，可取動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度增大系數(shù)Id=1.17。

縱向沖擊試件粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較如圖16所示，平均值為1.00，變異系數(shù)為0.03，二者吻合良好，表明式(5)對(duì)縱向沖擊試件的動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度能給出較好的預(yù)測(cè)。

圖16 CFRP光圓筋與UHPC粘結(jié)沖擊試件動(dòng)態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的比較Fig.16 Comparison between the predicted and experimental of dynamic bond strength of CFRP smooth bar and UHPC bonded specimens

定義沖擊作用下試件發(fā)生筋材拉斷而非拔出破壞的最小錨固長(zhǎng)度為臨界錨固長(zhǎng)度lcr，則有

式中，fd,t為CFRP筋的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度(MPa)。

Hou等[43]、Al-Zubaidy[44]對(duì)單向CFRP片材及層合板的應(yīng)變率效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在0.002～31.32 s-1的應(yīng)變率范圍內(nèi)，CFRP材料縱向抗拉強(qiáng)度無明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。故這里CFRP筋材的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度取其靜態(tài)抗拉強(qiáng)度。

將式(5)代入式(6)，可得3.65～4.06 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)，CFRP光圓筋在UHPC中的臨界錨固長(zhǎng)度lcr的計(jì)算公式如下：

將實(shí)測(cè)fd,t、fcu、d和Id等參數(shù)代入式(7)進(jìn)行計(jì)算，可得縱向沖擊作用下，采用抗壓強(qiáng)度為120.5 MPa的UHPC作為粘結(jié)介質(zhì)時(shí)，8 mm直徑的CFRP光圓筋的縱向沖擊臨界錨固長(zhǎng)度lcr為223d(1 778 mm)，結(jié)合式(3)與式(6)計(jì)算可得，此時(shí)靜力試件臨界錨固長(zhǎng)度計(jì)算值為260d(2 080 mm)，CFRP光圓筋的動(dòng)態(tài)臨界錨固長(zhǎng)度約為相應(yīng)靜態(tài)值的0.86倍。

4 結(jié) 論

基于靜力拉拔和縱向沖擊作用下，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)光圓筋在超高性能混凝土(UHPC)中粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

(1) 錨固長(zhǎng)度為20d～35d的靜力和縱向沖擊試件均發(fā)生CFRP筋材拔出的滑移失效。靜力試件拔出筋材表面存在刮傷，UHPC內(nèi)表面可見部分殘留樹脂，而縱向沖擊試件拔出筋材表面無明顯變化。錨固長(zhǎng)度對(duì)界面間的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度、峰值粘結(jié)強(qiáng)度及殘余粘結(jié)強(qiáng)度的影響較?。?/p>

(2) 沖擊荷載作用下，CFRP光圓筋與UHPC間界面的動(dòng)態(tài)化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)正的應(yīng)變率效應(yīng)。應(yīng)變速率約為4.0 s-1時(shí)，錨固長(zhǎng)度20d～35d的CFRP光圓筋，其與UHPC界面的化學(xué)粘結(jié)強(qiáng)度較相應(yīng)的靜力強(qiáng)度提高約53%；

(3) 沖擊荷載作用下，CFRP光圓筋與UHPC間界面的動(dòng)態(tài)峰值粘結(jié)強(qiáng)度也呈現(xiàn)正的應(yīng)變率效應(yīng)。應(yīng)變速率約為4.0 s-1時(shí)，錨固長(zhǎng)度20d～35d的CFRP光圓筋，其與UHPC界面的動(dòng)態(tài)峰值粘結(jié)強(qiáng)度較相應(yīng)的靜力強(qiáng)度提高約17%；

(4) 沖擊荷載作用下，CFRP光圓筋與UHPC間界面的殘余粘結(jié)強(qiáng)度即滑動(dòng)摩擦力呈現(xiàn)負(fù)的應(yīng)變率效應(yīng)。應(yīng)變速率約為4.0 s-1時(shí)，錨固長(zhǎng)度20d～35d的CFRP光圓筋，其與UHPC界面的殘余粘結(jié)強(qiáng)度即滑動(dòng)摩擦力較相應(yīng)的靜力殘余粘結(jié)強(qiáng)度降低約38%；

(5) 基于試驗(yàn)結(jié)果建立了沖擊作用下CFRP光圓筋與UHPC間的粘結(jié)強(qiáng)度及臨界錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式。采用抗壓強(qiáng)度不低于120.5 MPa的UHPC作為粘結(jié)介質(zhì)時(shí)，直徑8 mm的CFRP光圓筋的動(dòng)態(tài)臨界錨固長(zhǎng)度為223d，約為靜力臨界錨固長(zhǎng)度的0.86倍。

需要說明的是，本文僅對(duì)靜力和應(yīng)變速率約為4.0 s-1的沖擊荷載下，不同錨固長(zhǎng)度CFRP光圓筋與UHPC間的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，不同筋材直徑、UHPC強(qiáng)度等級(jí)和應(yīng)變速率對(duì)界面粘結(jié)性能的影響有待后續(xù)研究中的進(jìn)一步明確。