凍融循環(huán)下CFRP高性能混凝土的粘結(jié)性能

1、摘 要：通過(guò)雙面剪切試驗(yàn)，研究了凍融環(huán)境下 CFRP- 高性能混凝土界面粘結(jié)性能的發(fā)展規(guī)律。對(duì)比分析了未經(jīng)凍 融和經(jīng)歷 25、50、100、150、200 及 300 次凍融循環(huán)作用試 件的破壞特征、剪應(yīng)變分布、荷載滑移曲線、粘結(jié)承載力以 及粘結(jié)破壞機(jī)理。結(jié)果表明，所有試件的界面破壞均發(fā)生在 混凝土表層內(nèi)，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞界面有向 膠層發(fā)展的趨勢(shì)；經(jīng)受凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)（25、50 次），界面的粘結(jié)強(qiáng)度、剛度及開(kāi)裂荷載的變化不明顯，甚至略微 提高；但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加，界面粘結(jié)性能有 明顯的變化，界面粘結(jié)強(qiáng)度、端部滑移量減小，剛度退化， 初始開(kāi)裂荷載水平降低，非線性特征

2、增強(qiáng)。粘結(jié)極限承載力 與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)存在先 提高后下降的趨勢(shì)，混凝土強(qiáng)度變化是界面粘結(jié)性能變化的 最重要因素。關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 （CFRP ;高性能混凝土； 凍融循環(huán)；粘結(jié)性能；耐久性中圖分類號(hào)： TU528. 572 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-4764 （ 2015） 02-0085-07近年來(lái)，纖維增強(qiáng)聚合物（ Carbon Fiber ReinforcedPolymer，簡(jiǎn)稱CFRP在混凝土結(jié)構(gòu)的加固和改造工程中得 到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用1 oCFRP與混凝土的粘結(jié)界面對(duì)傳遞 有效應(yīng)力、保證加固結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性起到重要的作用 2-4

3、。有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，F(xiàn)RP加固混凝土梁的破壞約有 63%是 由于FRP與混凝土界面粘結(jié)失效造成的 5。然而，實(shí)際加固 工程結(jié)構(gòu)常處于惡劣的環(huán)境下，粘結(jié)界面的長(zhǎng)期性能受到威 脅，從而影響加固結(jié)構(gòu)的可靠性。在寒冷地區(qū)，凍融破壞是 普遍存在的混凝土結(jié)構(gòu)病害，CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)也不可避 免地受到凍融循環(huán)作用的影響，導(dǎo)致其耐久性劣化進(jìn)程加快。對(duì)外貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究開(kāi)始于20世紀(jì) 90 年代初，但迄今為止針對(duì)其在凍融壞境下粘結(jié)破壞機(jī) 理的研究仍不夠充分6-9 o Bisby等研究了 3類CFRP混凝 土界面的抗凍性能，發(fā)現(xiàn) 200 次或 300次凍融循環(huán)作用對(duì)界 面性能沒(méi)有太大的影響。Ah

4、mad等7的研究則表明凍融循環(huán) 作用大大降低了試件的承載能力。中國(guó)在這方面的研究相對(duì) 較晚，文獻(xiàn) 10-12等的研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)作用對(duì)界面粘結(jié) 有不利影響。王蘇巖13的研究則發(fā)現(xiàn)，經(jīng)受過(guò)凍融循環(huán)作 用后的CFRP與高強(qiáng)混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度有一定的增長(zhǎng)?？梢?jiàn)，有關(guān)凍融循環(huán)作用對(duì) CFRP混凝土界面粘結(jié)性能影響的研究 結(jié)論存在分歧，而對(duì)于高性能混凝土的相關(guān)研究很少。這勢(shì) 必在一定程度上制約 CFRP材料在寒冷地區(qū)高性能混凝土結(jié) 構(gòu)中的推廣應(yīng)用。筆者利用雙面剪切試驗(yàn)， 重點(diǎn)研究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì) CFRP 與高性能混凝土界面粘結(jié)性能的影響。 通過(guò)分析粘結(jié)區(qū) CFRP 的應(yīng)變、 加載端的端部粘結(jié)滑移、 極限

5、粘結(jié)承載力發(fā)展規(guī)律， 研究?jī)鋈谘h(huán)下碳纖維與高性能混凝土界面粘結(jié)的耐久性 退化規(guī)律和機(jī)理。王玉田，等：凍融循環(huán)下CFRP高性能混凝土的粘結(jié)性能1 試驗(yàn)方案1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)所用混凝土為雙摻粉煤灰和礦粉的高性能混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C50。原材料包括 P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，級(jí)粉煤灰，S95級(jí)礦粉，粒徑525 mm連續(xù)級(jí)配的 碎石作為粗骨料，青島大沽河河砂作為細(xì)骨料（最大粒徑 5 mm，細(xì)度模數(shù)2.4,中砂），攪拌水為普通自來(lái)水。另外， 還使用了減水率為 25%的HSC-A型聚羧酸高效減水劑。具體 配合比見(jiàn)表 1。試驗(yàn)采用上海優(yōu)士康化工有限公司生產(chǎn)的 YC-190-300g 單向

6、CFRP片材，實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度為 3 356 MPa，彈性模量2.16X 105 MPa，伸長(zhǎng)率1.62%，名義厚度0.167 mm。浸漬膠為 該廠生產(chǎn)的YC-189-A膠（由甲、乙兩組份按 2 : 1質(zhì)量比混 合而成）?？估瓘?qiáng)度40 MPa，彈性模量 2 500 MPa，伸長(zhǎng)率 1.5%1.2 試件設(shè)計(jì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度采用100 mm x 100 mm x 100mm 試件。粘結(jié)性能采用雙面剪切試件 3， 1 4，混凝土的試 件尺寸為100 mm x 100 mm x 150 mm , CFRP布總長(zhǎng)度為 540 mm，寬度為50 mm，粘結(jié)區(qū)的長(zhǎng)度為100 mm，加載端邊界 上留有30 m

7、m的非粘結(jié)區(qū)。將 CFRP布按U型粘貼在混凝土 試件的兩個(gè)相對(duì)側(cè)面上，粘貼層數(shù)為一層，如圖 1 所示。碳 纖維布的具體粘貼方法按碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu) 技術(shù)規(guī)程(CECS 146 2003)的要求進(jìn)行。立方體試件和粘 結(jié)試件每組均為 3 個(gè)試件。1.3 凍融試驗(yàn)方案立方體試件拆模后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度20 2 C,相對(duì)濕度95%以上)24 d后從養(yǎng)護(hù)室取出，放在20 2 C水中浸泡 4 d,在28 d齡期時(shí)開(kāi)始進(jìn)行凍融試驗(yàn)。粘結(jié)試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28 d,置于常溫環(huán)境中 3 d達(dá)到面干后，粘貼 CFRP布，繼續(xù) 在室溫下養(yǎng)護(hù)7 d,飽水4 d,再進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)。凍融試 驗(yàn)依據(jù)普通混凝土長(zhǎng)期性能

8、和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082 2009)建議的快速凍融法， 采用KDR-V9型混 凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。每個(gè)凍融循環(huán)周期約為3 h，試件中心最低和最高溫度分別控制在-18 2C和5 2 C。待凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到 25、50、100、150、200、300次后,分別 從凍融箱中取出立方體試件和粘結(jié)試件,自然晾干后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和雙面剪切試驗(yàn)。1.4 加載裝置及測(cè)試內(nèi)容 凍融循環(huán)達(dá)到預(yù)定次數(shù)后，將立方體試件從凍融箱中取出，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。粘結(jié)試件則待其自然晾干后，沿CFRP中心方向依次粘貼應(yīng)變片，用于加載過(guò)程中測(cè)定粘結(jié)區(qū)域內(nèi)CFRP的應(yīng)變值，具體粘貼位置見(jiàn)圖1。采用引伸計(jì)

9、（見(jiàn)圖2）測(cè)量CFRP自由 端部與混凝土的相對(duì)滑移（端部滑移量） ，數(shù)據(jù)通過(guò)電腦自 動(dòng)采集，取用兩側(cè)的平均值作為最終值。6Bisby L A，Green M F. Resistance to freezing and thawing of fiber-reinforced polymer-concrete bond J. ACI Structure Journal， 2002， 99（2）：215-223.7 Ahmad M A. De-bonding of FRP from concrete in strengthening applications experimental investi

10、gation and theoretical validation D. New York ：The City University of New York， 2005.8 Mukhopadhyaya U P ， Swamy R N， Lynsdale C J. Influence of aggressive exposure conditions on the behaviour of adhesive bonded concrete-GFRP joints J. Construction and Building Materials ， 1998， 12（ 8）： 427-446.9 Su

11、bramaniam K V， Ali-Ahmad M ， Ghosn M. Freeze-thawdegradation of FRP-concrete interface ： Impact on cohesive fracture response J. Engineering Fracture Mechanics ， 2008， 75：3924-3940.10 管巧艷，高丹盈，李杉.凍融循環(huán)作用后 CFRP與混 凝土粘結(jié)性能研究J.工業(yè)建筑，2010 , 40 (6): 9-11.Guan Q Y， Gao D Y， Li S. Study on CFRP-concrete bond be

12、havior subject to freeze-thaw cycles J. Industrial Construction ， 2010， 40(6)： 9-11.(in Chinese)11 張悅悅，黃登科.凍融環(huán)境對(duì)CFRP混凝土界面粘結(jié) 性能影響試驗(yàn)研究 J. 公路交通科技， 2014(5)： 185-187.Zhang Y Y， Huang D K. Experimental study on CFRP-concrete bond behavior under freeze-thaw environment J. Highway Traffic Science and Techno

13、logy， 2014( 5)： 185-187.( in Chinese)12 張勇，卜娜蕊，馬國(guó)慶.CFRP加固混凝土梁的凍融試 驗(yàn)研究 J. 河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2012， 30(1)： 15-17.Zhang Y， Bu N R， Ma G Q. Experiment with the freeze-thaw of the concrete beams reinforced by CFRP J. Journal of Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering ， 2012， 30(1)： 15-17. ( in Chi

14、nese)13 王蘇巖，尹曉明，劉林.持載作用下CFRP高強(qiáng)混凝 土界面的抗凍性能J.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，25( 5)： 834-841.Wang S Y， Yin X M，Liu L. Research on freeze-thaw resistance behavior of bonded joints between CFRP and high strength concrete under sustained load J. Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2009，25( 5)：834-

15、841. ( in Chinese)14 Tuakta C， Buyukozturk O. Deterioration of FRP/concrete bond system under variable moisture conditions quantified by fracture mechanics J. Composites Part B ： Engineering，2011， 42( 2)： 145-154.15 艾毅然，楊玉啟，胡耀林 .高性能混凝土的抗凍性研究及其工程應(yīng)用J.建筑技術(shù)，2005 , 36 (1): 54-56.Ai Y R， Yang Y Q， Hu Y L.

16、 Research on project application on frost resistance of high performance concrete J. Architecture Technology， 2005， 36(1)： 54-56.(in Chinese)16 尹曉明.荷載和凍融循環(huán)雙重作用下CFRP高強(qiáng)混凝土界面性能研究 D. 遼寧 大連：大連理工大學(xué)， 2009.17 Wu Y F， Yun Y C. Durability of CFRP-concrete joints under freeze-thaw cycling J. Cold Regions Science and Technology， 20