殷雨時(shí)， 范穎芳， 徐義洪

(大連海事大學(xué) 土木工程系， 遼寧 大連 116026)

混凝土表面的粗糙度對(duì)外貼CFRP布的加固行為有重要影響，也是評(píng)價(jià)界面間黏結(jié)性能、加固效果和預(yù)測(cè)界面黏結(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一[1].目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范或規(guī)程對(duì)混凝土表面粗糙度量化作出評(píng)定.美國(guó)內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局編制的混凝土手冊(cè)中要求在補(bǔ)澆混凝土之前，把壞的、松的和未黏結(jié)好的混凝土用鐵鑿或其他適用工具全部除掉，然后用水砂槍、風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)或其他適合方法打毛、清掃干凈并干燥[2].JTG/T J22—2008《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中，要求補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件界面的粗糙度不小于6mm， 但并未給出粗糙度的評(píng)定方法.目前關(guān)于粗糙度對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)-混凝土梁界面黏結(jié)性能的研究并不多，如Chajes等[4]指出CFRP-混凝土界面通過(guò)機(jī)械打磨，會(huì)提高界面黏結(jié)強(qiáng)度；Yao等[5]通過(guò)單剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CFRP-混凝土界面處理對(duì)界面黏結(jié)強(qiáng)度有顯著改善；Delaney等[6]提出CFRP-混凝土界面處理對(duì)加固體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均有影響；Li[7]通過(guò)砂紙和機(jī)械打磨出3種粗糙度的界面，與未打磨的界面比較后發(fā)現(xiàn)，其極限荷載和極限位移均有所提高.各國(guó)學(xué)者多采用鋼刷法、噴砂法、角磨機(jī)法和錘擊法進(jìn)行粗糙面的制作，其中前3種方法在宏觀上表現(xiàn)為粗糙程度區(qū)分不明顯，而錘擊法雖然能形成明顯粗糙度，但是對(duì)混凝土損傷較大，內(nèi)部易形成裂縫.

綜上所述，關(guān)于CFRP-混凝土梁界面粗糙度的量化評(píng)定研究還不系統(tǒng)，表現(xiàn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)少，試驗(yàn)方法單一，試驗(yàn)結(jié)果僅為定性描述.因此本文基于54塊混凝土試件單剪試驗(yàn)，考察了粗糙度不同的6種界面對(duì)CFRP-混凝土梁界面剪切黏結(jié)性能的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 試件制作

試驗(yàn)用水泥為吉林亞泰沈陽(yáng)沈北新區(qū)分廠P·O 42.5水泥；粉煤灰為江蘇連云港電廠生產(chǎn)的I級(jí)超細(xì)粉煤灰；骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.5中砂和連續(xù)級(jí)配、粒徑5～20mm的人工碎石；粉煤灰為丹東華能電廠，Ⅰ級(jí)粉煤灰；外加劑為山東萊陽(yáng)宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為18%；水為生活自來(lái)水；CFRP采用南京海拓復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HICOMA-HITEX系列碳纖維布，黏貼膠體采用該廠生產(chǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂AB膠，且按照質(zhì)量比2∶1配制黏結(jié)樹(shù)脂.原材料性能見(jiàn)表1，2.混凝土試件尺寸80mm×80mm×200mm.為降低制作粗糙度過(guò)程中混凝土因破損形成的裂縫對(duì)試驗(yàn)造成不利影響，先在試模底面輕涂1層緩凝劑，待試件澆筑24h脫模后，用鋼刷制配形成一定區(qū)分度的6種粗糙度界面，這樣既可明顯區(qū)分開(kāi)粗糙面，又能極大降低混凝土表層損傷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的離散影響.試驗(yàn)考慮3種強(qiáng)度的混凝土(C30，C40，C50)，每種強(qiáng)度的混凝土制作粗糙度不同的6種界面，每種粗糙度制作3塊試件，共計(jì)54塊.

表1 混凝土配合比

表2 材料物理參數(shù)指標(biāo)

圖1為黏結(jié)區(qū)間應(yīng)變片布置示意圖.

圖1 黏結(jié)區(qū)間應(yīng)變片布置Fig.1 Configuration of strain gauge in bonding area(size:mm)

由圖1可見(jiàn)，每個(gè)試件的上表面60mm×140mm 范圍內(nèi)粘貼了1組應(yīng)變片，用來(lái)檢測(cè)單剪試驗(yàn)過(guò)程中黏結(jié)長(zhǎng)度方向上應(yīng)變的變化情況；為弱化界面隨機(jī)粗糙度帶來(lái)的影響，沿界面黏結(jié)長(zhǎng)度方向，以20mm為間距布設(shè)了5mm×3mm的2列電阻應(yīng)變片，每個(gè)橫斷點(diǎn)位應(yīng)變值取2片應(yīng)變片的平均值.

1.2 粗糙度量化定義

目前，中國(guó)測(cè)量粗糙度常用的方法是灌砂法[8]，其測(cè)量方法如下：用圍擋板將混凝土四周?chē)鷵跗饋?lái)，使擋板的最高處和混凝土表面凹凸面的最高點(diǎn)平齊，在圍擋內(nèi)灌入標(biāo)準(zhǔn)砂，用抹刀將高過(guò)于圍擋的砂子抹平，然后撤掉圍擋，將圈入其中的砂子全部倒出來(lái)進(jìn)行體積測(cè)量，灌砂平均深度h可由標(biāo)準(zhǔn)砂體積V除以混凝土的黏結(jié)面積來(lái)表示，如式(1)所示：

(1)

式中：a，b為混凝土黏結(jié)面的長(zhǎng)度和寬度.

粗糙度f(wàn)按式(2)[9]計(jì)算：

(2)

式中：δ為混凝土黏結(jié)面凹凸最大深度值.

6種界面粗糙度量化值如表3所示.

表3 6種界面粗糙度量化值

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用100t電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速率為1kN/min.單剪試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖2.試驗(yàn)前先將應(yīng)變片與德國(guó)IMC公司的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)相連，再接入計(jì)算機(jī)，以便實(shí)時(shí)觀測(cè)混凝土應(yīng)變隨加載力的變化情況.

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

加載過(guò)程中荷載與加載端附近的CFRP布應(yīng)變基本同步增長(zhǎng).當(dāng)荷載達(dá)到極限黏結(jié)荷載的20%時(shí)，CFRP布開(kāi)始發(fā)出輕微的撕裂聲；當(dāng)荷載繼續(xù)增加到極限黏結(jié)荷載的40%時(shí)，伴隨試件間斷發(fā)出的“啪啪”響聲，CFRP表面應(yīng)變急劇變化，表明CFRP布與混凝土已經(jīng)出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象；當(dāng)荷載達(dá)到極限黏結(jié)荷載的70%～80%時(shí)，剝離聲音較頻繁，這個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其中部分試件荷載有波動(dòng)，但變化范圍不大；當(dāng)荷載達(dá)到極限黏結(jié)荷載時(shí)，突然發(fā)出“啪”的一聲，CFRP從混凝土試件上完全剝離下來(lái)，破壞前無(wú)明顯征兆，屬脆性破壞.6種界面試件遭到單剪破壞后，有3種破壞形態(tài)，如圖3所示.由圖3可見(jiàn)，第1種破壞是在膠層與混凝土界面處拉斷(圖3(c),(d),(e),(f))；第2種破壞是碳纖維布附帶許表層混凝土剝落(圖3(a))；第3種破壞是碳纖維布撕裂破壞(圖3(b)).試驗(yàn)中70%試件發(fā)生了第1種破壞.

圖2 單剪試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Single shear experimental setup

圖3 CFRP-混凝土界面破壞形態(tài)Fig.3 Interfacial failure pattern between CFRP and concrete

3 粗糙度對(duì)CFRP-計(jì)算混凝土界面黏結(jié)性能的影響

3.1 粗糙度對(duì)CFRP布應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

圖4給出了C40試件在加載過(guò)程中沿黏貼長(zhǎng)度方向CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.

由圖4可見(jiàn)：隨著粗糙度的增加，f0～f2界面黏結(jié)剪應(yīng)力逐漸增強(qiáng)；f3～f5界面黏結(jié)剪應(yīng)力急速下降，損失較大.這是因?yàn)閒0～f2界面距離自由端120mm處的應(yīng)變片在加載到1kN時(shí)即可形成1.1×10-6～6.5×10-6的應(yīng)變，當(dāng)荷載加載到極限荷載的68%～ 83%，即9.08，13.2，15.7kN時(shí)，自由端應(yīng)變有反應(yīng)，即黏結(jié)剪應(yīng)力傳遞到了自由端.以加載力5kN為例，f0～f2界面距離自由端120mm位置處應(yīng)變值分別為2730×10-6，2930×10-6，3130× 10-6，f2較f0提高14.7%；f3，f4在同樣位置應(yīng)變值較f2分別下降14.3%和79.7%.

圖4 CFRP布應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(C40試件)Fig.4 Stress-strain relations of CFRP sheets(specimen C40)

3.2 粗糙度對(duì)界面有效黏結(jié)長(zhǎng)度的影響

有效黏結(jié)長(zhǎng)度是研究CFRP-混凝土界面行為的一個(gè)重要參數(shù).隨著黏結(jié)長(zhǎng)度的增加，界面黏結(jié)強(qiáng)度隨之增加，當(dāng)超過(guò)某個(gè)固定長(zhǎng)度Le后，即使黏結(jié)長(zhǎng)度繼續(xù)增加，界面黏結(jié)強(qiáng)度也保持不變，此固定長(zhǎng)度Le即為有效黏結(jié)長(zhǎng)度[10].國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)測(cè)量剪應(yīng)力-位置曲線上最大黏結(jié)剪應(yīng)力10%的兩點(diǎn)間距離，或根據(jù)界面剪應(yīng)力-加載端滑移量曲線下的面積與有效黏結(jié)長(zhǎng)度成正比，或者通過(guò)解析表達(dá)式[11-14]來(lái)計(jì)算有效黏結(jié)長(zhǎng)度均是不準(zhǔn)確的.潘金龍等[15]把有效黏結(jié)長(zhǎng)度劃分成應(yīng)力彈性區(qū)間和應(yīng)力軟化區(qū)間，給出了有效黏結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算公式：

(3)

圖5 不同界面粗糙度下的有效黏結(jié)長(zhǎng)度Fig.5 Effective bond length among interfacial roughness

3.3 粗糙度對(duì)界面黏結(jié)滑移曲線的影響

黏結(jié)滑移關(guān)系是決定CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能的本構(gòu)屬性.基于單剪試驗(yàn)得到的CFRP應(yīng)變分布數(shù)據(jù)，通過(guò)殘差計(jì)算，可得到本試驗(yàn)的黏結(jié)滑移關(guān)系.

第i個(gè)應(yīng)變片位置局部黏結(jié)應(yīng)力τi為：

(4)

設(shè)應(yīng)變片間距為Δx，則第i個(gè)應(yīng)變片處滑移值si為：

(5)

式中：ε0為黏結(jié)區(qū)靠近加載端的第1個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值，由于第1個(gè)位置處平行放置2個(gè)應(yīng)變片，這里取2個(gè)應(yīng)變片的平均值；εj(j=1,2，…,i)為沿CFRP長(zhǎng)度方向第j個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值.

圖6，7分別為C40試件在不同粗糙度界面下的散點(diǎn)圖和本構(gòu)關(guān)系曲線.

圖6 界面本構(gòu)關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter of obtained interface laws

圖7 界面本構(gòu)關(guān)系曲線Fig.7 Interfacial constitutive relation curves

由圖6可以看出：界面黏結(jié)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在粗糙度為0.44的f2界面上，其黏結(jié)強(qiáng)度τmax為4.89MPa， 黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)滑移值sτ為0.035mm，相比f(wàn)0界面，上述2個(gè)指標(biāo)分別增加58.0%，6.1%；f3界面較f2界面的τmax減少52.8%，sτ減少4.2%；f3～f5界面的黏結(jié)性能急劇下降，f5界面較f3界面的τmax減少59.3%，sτ減少86.6%.這說(shuō)明并非界面越粗糙，其黏結(jié)強(qiáng)度和極限位移就越大，只是在一定范圍內(nèi)符合此規(guī)律.由圖7可見(jiàn)，f0～f3界面在彈性區(qū)域上的剛度相差無(wú)幾；f4～f5界面在彈性區(qū)間上的剛度明顯降低，彈性區(qū)間變短；進(jìn)入塑性階段后，6種界面的黏結(jié)滑移曲線均以不同斜率下降，最終以0.04～0.35mm的滑移值剝離破壞；有效黏結(jié)長(zhǎng)度總體上隨著粗糙度的增加而呈下降的趨勢(shì).

4 結(jié)論

(1)并非CFRP-混凝土界面越粗糙，其黏結(jié)強(qiáng)度和極限位移就越大，此規(guī)律只適用于一定粗糙度范圍之內(nèi).

(2)與現(xiàn)有模型下的有效黏結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算值相比，基于粗糙度參數(shù)下的CFRP-混凝土梁界面有效黏結(jié)長(zhǎng)度有較大提高，隨著粗糙度的增加，6種界面有效黏結(jié)長(zhǎng)度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

(3)6種界面下，粗糙度為0.44的界面黏結(jié)性能最好；粗糙度為0.25～0.44的界面τ-s曲線在脆性區(qū)域上的剛度相差無(wú)幾，且界面越粗糙，脆性區(qū)間越短；進(jìn)入塑性階段后，6種界面的黏結(jié)滑移曲線均以不同斜率下降，最終以0.04～0.35mm的滑移值剝離破壞.

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳懷軍.新舊混凝土粘結(jié)性能影響因素綜述[J].水泥與混凝土,2014(5):47-49.

CHEN Huaijun.New and old concrete bonding properties influence factors review [J].Cement and Concrete,2014 (5):47-49.(in Chinese)

[2] 美國(guó)內(nèi)務(wù)部墾務(wù)局.混凝土手冊(cè)[M].王圣培譯.北京:水利電力出版社,1990:23-24.

The Interior Bureau of Reclamation.Concrete handbook[M].Translated by WANG Shengpei.Beijing:Water Conservancy Electric Power Press,1990：23-24.(in Chinese)

[3] JTG/T J22—2008 公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

JTG/T J22—2008 Highway bridges reinforcement design specification[S].(in Chinese)

[4] CHAJES M J,FINCH W W,JANUSZKA T F,et al.Bond and force transfer of composite material plates bonded to concrete[J].ACI Structural Journal ，1996,93(2):208-217.

[5] YAO J,TENG J G,CHEN J F.Experimental study on FRP-to-concrete bonded joints[J].Composites Part B，2005,36(2):99-113.

[6] DELANEY J,KARBHARI V.Defect criticality in FRP strengthening[C]//Proc 8th IntSymp in Fiber-Reinforced(FRP) Polymer Reinforcement for Concrete Structures(FRPRCS-8) 2007 CD-ROM.Greece,Patras:[s.n.],2007:3-20.

[7] LI Weiwen.Effect of concrete surface roughness on the bonding performance between the CFRP and concrete[J].Journal of Shenzhen University (Technology)，2007,24(1):13-17.

[8] 趙志方,趙國(guó)藩.采用高壓水射法處理新老混凝土粘結(jié)面的試驗(yàn)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,39(4): 559-561.

ZHAO Zhifang,ZHAO Guofan.Experimental research on treating interface of young-old concrete with high-pressure water jet method[J].Journal of Dalian University of Technology,1999,39(4):559-561.(in Chinese)

[9] 尚守平,余德軍,張瑞文.被加固混凝土構(gòu)件表面粗糙度評(píng)定[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010,31(10):120-124.

SHANG Shouping，YU Dejun，ZHANG Ruiwen.Evaluation of surface roughness on strengthed RC structure[J].Journal of Building Structures，2010,31(10):120-124.(in Chinese)

[10] 方恩權(quán),劉桂鳳,張雷順.CFRP-混凝土界面粘結(jié)性能試驗(yàn)研究[J].,2007,10(1):32-36.

FANG Enquan,LIU Guifeng,ZHANG Leishun.Experimental research on the bond performance of CFRP concrete interface[J].,2007,10(1):32-36.(in Chinese)

[11] 王蘇巖,劉貴,周英武.GFRP-高強(qiáng)混凝土界面黏結(jié)-滑移關(guān)系研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2009,42(6):8-13.

WANG Suyan,LIU Gui,ZHOU Yingwu.Study on GFRP-high strength concrete interface bond slip relationship[J].Journal of Civil Engineering,2009,42 (6):8-13.(in Chinese)

[12] BANK L C.Composites for constructions:Structural design with FRP materials[M].Hoboken:Wiley,2006:33-37.

[13] TOUTANJI H,HAN M,GHORBEL E.Interfacial bond strength characteristics of FRP and RC substrate[J].Journal of Composite for Construction,2012,16(1):35-46.

[14] CHEN J F,TENG J G.Anchorage strength models for FRP and steel plates bonded to concrete[J].Journal of Structual Engineering ,2001,98(3):1-9.

[15] PAN Jinlong,WU Yufei.Analytical modeling of bond behavior between FRP plate and concrete composites[J].Composites:Part B,2014,61:17-25.

[16] 陸新征.FRP-混凝土界面行為研究[D].北京:清華大學(xué),2004.

LU Xinzheng.Studies on FRP-concrete interface [D].Beijing:Tsinghua University,2004.(in Chinese)