劉生緯, 趙建昌, 張家瑋, 王作偉, 楊子江

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用祁連山牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用天然黃河砂，細(xì)度模數(shù)為3.0；粗骨料采用最大粒徑為20 mm的卵石(5～10 mm粒徑與10～20 mm粒徑的質(zhì)量比為1∶2)；拌合水為自來(lái)水。水泥各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1，混凝土配合比見(jiàn)表2，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)得混凝土立方體平均抗壓強(qiáng)度為32.8 MPa。試驗(yàn)采用上海產(chǎn)的SKO(賽克)牌一級(jí)碳纖維布和黏結(jié)樹(shù)脂，其力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 混凝土配合比

表3 CFRP和黏結(jié)樹(shù)脂的力學(xué)性能參數(shù)

1.2 試件制作及試驗(yàn)方案

雙剪試件所用混凝土試塊截面為100 mm×100 mm，長(zhǎng)度為220 mm的棱柱體。CFRP的粘貼長(zhǎng)度為180 mm，黏結(jié)寬度為50 mm，并且在加載端處預(yù)留了一個(gè)20 mm的非黏結(jié)段，以防止加載過(guò)程中加載端處出現(xiàn)應(yīng)力集中而破壞。在混凝土試件兩側(cè)對(duì)稱(chēng)粘貼CFRP，并在一側(cè)粘貼一個(gè)寬度為50 mm的加強(qiáng)片，以保證測(cè)試一側(cè)的CFRP先發(fā)生剝離。雙剪試件的尺寸和應(yīng)變片布置見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 界面承載力

由于雙剪試件兩側(cè)CFRP傳遞的荷載相同，取雙剪試件的極限荷載的一半作為CFRP-混凝土界面的極限承載力Pu。為了方便比較，將不同侵蝕時(shí)間T獲得的界面極限承載力的平均值Pu,T以未受硫酸鹽侵蝕時(shí)的界面極限承載力的平均值Pu,0進(jìn)行歸一化處理，這樣可以消除混凝土試件制作和粘貼CFRP時(shí)各種因素造成的誤差。極限承載力隨侵蝕時(shí)間T的變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出：在侵蝕初期，界面承載力隨侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)略有增加或保持不變，這是由于硫酸根離子與混凝土中水泥的水化產(chǎn)物反應(yīng)生成的膨脹產(chǎn)物的量較少，未引起界面損傷；但隨著膨脹產(chǎn)物的不斷積累，混凝土孔隙被填實(shí)，從而產(chǎn)生較大的膨脹力，當(dāng)其大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土隨即開(kāi)裂，而裂縫的開(kāi)展加速了硫酸根離子向混凝土內(nèi)部的傳輸，侵蝕邊界不斷向混凝土內(nèi)部移動(dòng)，混凝土損傷加劇，最終導(dǎo)致CFRP-混凝土界面承載力下降。

從曲線(xiàn)的走勢(shì)看，曲線(xiàn)在侵蝕前期變化較小，在侵蝕時(shí)間超過(guò)60 d后曲線(xiàn)開(kāi)始下降，當(dāng)侵蝕時(shí)間超過(guò)120 d后，曲線(xiàn)斜率變大，說(shuō)明在侵蝕后期界面極限承載力下降速率加快。當(dāng)侵蝕試件為150 d時(shí)，界面極限承載力下降了約35%，說(shuō)明硫酸鹽侵蝕引起了CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能的退化。

2.2 界面斷裂能

界面斷裂能是表征CFRP-混凝土界面韌性的一個(gè)重要指標(biāo)[20-21]，界面斷裂能Gf為黏結(jié)-滑移曲線(xiàn)所圍成的面積，并且與黏結(jié)-滑移曲線(xiàn)的具體形式無(wú)關(guān)。目前，基于斷裂力學(xué)許多學(xué)者提出了界面斷裂能的計(jì)算公式，文獻(xiàn)[22]的研究表明CFRP-混凝土界面斷裂能Gf的平方根與界面承載力成正比，具體式為

( 1 )

式中:bf，tf，Ef分別為CFRP片材的寬度、厚度、彈性模量。

不同侵蝕時(shí)間對(duì)應(yīng)各試件的界面斷裂能見(jiàn)圖3。由圖3可知，在侵蝕初期試件的最大界面斷裂能隨侵蝕時(shí)間的增加基本保持不變，隨后隨侵蝕時(shí)間的增加最大界面斷裂能逐漸降低，并且隨侵蝕時(shí)間的增加試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性逐漸變大。在試驗(yàn)后期，界面斷裂能下降幅度更為顯著。這也反應(yīng)出隨硫酸鹽干濕循環(huán)作用時(shí)間的延長(zhǎng)，界面黏結(jié)性能的退化速度加快。

通過(guò)對(duì)界面斷裂能隨侵蝕時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合，得到了硫酸鹽環(huán)境下界面斷裂能隨侵蝕時(shí)間變化的函數(shù)表達(dá)式為

( 2 )

硫酸鹽對(duì)界面斷裂能影響系數(shù)ηG的表達(dá)式為

ηG=1.499 4e2.269 7+0.001 62T-0.000 029 55T2

( 3 )

式中：Gf,T為侵蝕時(shí)間為T(mén)時(shí)的界面斷裂能。式( 2 )得到的界面斷裂能與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)圖4，由圖4可以看出，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合較好。

2.3 界面應(yīng)變分布及有效黏結(jié)長(zhǎng)度

典型時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)各級(jí)荷載下CFRP表面應(yīng)變分布，見(jiàn)圖5，不同侵蝕時(shí)間對(duì)應(yīng)的應(yīng)變曲線(xiàn)形狀基本相同，整個(gè)加載過(guò)程可以分為3各階段：(1)在加載初期，只在加載端處產(chǎn)生應(yīng)變，遠(yuǎn)離加載端處應(yīng)變?yōu)榱?，隨著荷載的增加，CFRP應(yīng)變由加載端逐漸向自由端擴(kuò)展；(2)當(dāng)荷載達(dá)到剝離荷載后，加載端處界面開(kāi)始剝離，剝離處應(yīng)變?cè)谝粋€(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，應(yīng)變達(dá)到最大值，此時(shí)，自由端處應(yīng)變?nèi)詾榱?，隨著加載的進(jìn)行，應(yīng)變峰值不斷向自由端移動(dòng)，應(yīng)變曲線(xiàn)靠近加載端一側(cè)出現(xiàn)平行段，曲線(xiàn)整體呈兩頭平行中間傾斜的近“S”形，在剝離過(guò)程中，曲線(xiàn)傾斜區(qū)域迅速向自由端等長(zhǎng)移動(dòng)，但荷載幾乎不增加；(3)當(dāng)剝離發(fā)展到自由端時(shí)，由于端部黏結(jié)增強(qiáng)作用，荷載略微增加，界面破壞時(shí)伴有一聲巨響。

對(duì)比不同侵蝕時(shí)間對(duì)應(yīng)的應(yīng)變曲線(xiàn)可以看出，隨著硫酸鹽干濕循環(huán)作用時(shí)間的延長(zhǎng)，CFRP表面最大應(yīng)變逐漸降低，而且曲線(xiàn)傾斜段的斜率也隨著侵蝕時(shí)間的增加而逐漸減小。說(shuō)明硫酸鹽干濕循環(huán)作用導(dǎo)致CFRP-混凝土界面的黏結(jié)性能出現(xiàn)退化，界面延性逐漸降低。

CFRP與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度并不是總隨著黏結(jié)長(zhǎng)度的增加而增加，很多研究表明CFRP-混凝土界面存在一個(gè)有效黏結(jié)長(zhǎng)度Le[11,22]。Yuan等[23]建議的有效黏結(jié)長(zhǎng)度為該長(zhǎng)度上界面所能夠提供的剪切力至少能夠承受界面極限荷載的97%。但是試驗(yàn)中很難直接測(cè)得達(dá)到極限荷載時(shí)的有效黏結(jié)長(zhǎng)度。Nakaba等[24]將界面有效黏結(jié)長(zhǎng)度定義為以峰值剪應(yīng)力的10%畫(huà)直線(xiàn)，與剪應(yīng)力分布曲線(xiàn)的上升段和下降段相交，交點(diǎn)之間的長(zhǎng)度為有效黏結(jié)長(zhǎng)度，即應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度，見(jiàn)圖6(a)所示。由于應(yīng)力傳遞長(zhǎng)度與應(yīng)變上升段對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度相一致，因此將應(yīng)變曲線(xiàn)的上升段對(duì)應(yīng)的黏結(jié)長(zhǎng)度定義為有效黏結(jié)長(zhǎng)度，見(jiàn)6(b)。

由于材料的不均勻性，已剝離部位CFRP的應(yīng)變并不完全相等，而是呈鋸齒狀分布。為了更好地考察應(yīng)變分布規(guī)律，采用退化式( 4 )[25]對(duì)圖5中荷載分別為9.5，6.0 kN對(duì)應(yīng)的應(yīng)變分布曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖7。

( 4 )

式中：ε(x)為距自由端x處的應(yīng)變值；ε0，x0，α，β根據(jù)已有應(yīng)變值通過(guò)非線(xiàn)性回歸方法確定出的使曲線(xiàn)能很好吻合實(shí)測(cè)應(yīng)變的參數(shù)。

通過(guò)對(duì)試件應(yīng)變曲線(xiàn)的分析可知，由于界面摩擦力的存在，當(dāng)界面剝離后CFRP應(yīng)變還有一個(gè)小幅上升的過(guò)程。因此，取擬合曲線(xiàn)上應(yīng)變值為最大應(yīng)變2%和98%的兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度作為有效黏結(jié)長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)剝離過(guò)程中所有試件應(yīng)變擬合曲線(xiàn)的分析，未受侵蝕的試件有效黏結(jié)長(zhǎng)度為60～70 mm，隨著侵蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，有效黏結(jié)長(zhǎng)度逐漸增加，侵蝕150 d后有效黏結(jié)長(zhǎng)度增加至90～100 mm。有效黏結(jié)長(zhǎng)度與侵蝕時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖8。

很多研究表明有效黏結(jié)長(zhǎng)度與CFRP的厚度、彈性模量及混凝土的強(qiáng)度有關(guān)[11,26]，在文獻(xiàn)[7]有效黏結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算公式的基礎(chǔ)上建立考慮硫酸鹽侵蝕作用的有效黏結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算式為

( 5 )

式中：Le,T為侵蝕時(shí)間為T(mén)時(shí)的有效黏結(jié)長(zhǎng)度；ηL為有效黏結(jié)長(zhǎng)度影響系數(shù)；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)圖8數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到硫酸鹽干濕循環(huán)作用下有效黏結(jié)長(zhǎng)度影響系數(shù)ηL的表達(dá)式

ηL=0.015 15e4.192 5-0.000 83T-0.000 023T2

( 6 )

式( 5 )計(jì)算得到的界面有效黏結(jié)長(zhǎng)度與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)圖9，公式預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合較好，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值均分布在45°線(xiàn)周?chē)?/p>

3 黏結(jié)強(qiáng)度模型

目前已有的界面黏結(jié)強(qiáng)度模型主要是針對(duì)未考慮環(huán)境因素時(shí)提出的，通過(guò)對(duì)已有界面承載力模型的分析，界面黏結(jié)強(qiáng)度與纖維片材的剛度、混凝土強(qiáng)度密切相關(guān)，但經(jīng)硫酸鹽侵蝕作用后，各組成材料的力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)不同程度的退化，因此已有的界面黏結(jié)強(qiáng)度模型均不能準(zhǔn)確反映經(jīng)硫酸鹽侵蝕后界面黏結(jié)強(qiáng)度的退化。基于文獻(xiàn)[7]的界面黏結(jié)強(qiáng)度模型，引入硫酸鹽干濕循環(huán)作用下界面黏結(jié)強(qiáng)度影響系數(shù)ηq，建立考慮硫酸鹽侵蝕影響的界面黏結(jié)強(qiáng)度模型

( 7 )

式中：qu,T為侵蝕時(shí)間為T(mén)時(shí)的界面黏結(jié)強(qiáng)度(即為受剪破壞時(shí)CFRP-混凝土界面單位寬度所承受的極限荷載)，N/mm；ηq為界面黏結(jié)強(qiáng)度影響系數(shù)；βl為黏結(jié)長(zhǎng)度影響系數(shù)；βw為寬度影響系數(shù)。

( 8 )

( 9 )

不同侵蝕時(shí)間下界面黏結(jié)強(qiáng)度分布，見(jiàn)圖10，通過(guò)對(duì)圖中數(shù)據(jù)的擬合，可得到硫酸鹽干濕循環(huán)作用下界面黏結(jié)強(qiáng)度影響系數(shù)ηq為

ηq=0.005 11e5.265 4+0.001 62T-0.000 029 55T2

(10)

式(7)得到的界面黏結(jié)強(qiáng)度與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)圖11，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合較好，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值均分布在45°線(xiàn)周?chē)?。說(shuō)明本文建立的硫酸鹽環(huán)境下CFRP-混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型能夠反映界面黏結(jié)強(qiáng)度隨硫酸鹽侵蝕時(shí)間的退化規(guī)律。

4 結(jié)論

(1) 硫酸鹽干濕循環(huán)作用對(duì)CFRP-混凝土界面的黏結(jié)性能產(chǎn)生不利影響，界面黏結(jié)強(qiáng)度和界面斷裂能均表現(xiàn)出：在侵蝕初期，隨侵蝕時(shí)間的增加而略有增加或保持不變，達(dá)到一定侵蝕時(shí)間后，隨侵蝕時(shí)間的增加而下降，且下降速率隨侵蝕時(shí)間的增加而逐漸加快。

(2) 在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下，CFRP-混凝土界面有效黏結(jié)長(zhǎng)度隨侵蝕時(shí)間的增加而逐漸增加，因此，在實(shí)際工程中CFRP的錨固長(zhǎng)度應(yīng)大于最大有效黏結(jié)長(zhǎng)度。

(3) 建立了硫酸鹽干濕循環(huán)作用下CFRP-混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度模型，給出了界面斷裂能、有效黏結(jié)長(zhǎng)度隨硫酸鹽侵蝕時(shí)間T的函數(shù)表達(dá)式，通過(guò)預(yù)測(cè)模型與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，預(yù)測(cè)模型能夠很好的反映界面黏結(jié)強(qiáng)度、斷裂能、有效黏結(jié)長(zhǎng)度隨硫酸鹽侵蝕時(shí)間的退化規(guī)律。