持载与干湿作用下CFRP-高强混凝土黏结性能研究.pdf

第 1 2卷第 2期 2 0 1 5年 4月 铁道科学与工程学报 J o u r n a l o f Ra il wa y Sc i e n c e a n d En g in e e r i n g Vo l u me 1 2 Nu mb e r 2 Ap r i l 2 01 5 持载与干湿作用下 C F R P一高强混凝土 黏结性能研究 王苏岩 ， 张所东， 李璐希 ， 洪雷 ( 大连理工大学 建设工程 学部 ， 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要 ： 为了给结构加固补强提供真实可靠的参考 ， 考虑结构 自身持续荷栽作用及海水干湿循环作用， 对 C F R P与高强混凝 土的界面黏结性能进行研究。利用5 浓度的 N a C I 溶液模拟海水， 利用发明的持栽装置施加持续荷载， 采用双面剪切试验 方法对 C F R P一高强混凝土的界面黏结性能变化规律进行分析。研究结果表明： 随着干湿次数增加， 界面破坏方式发生改 变， 黏结强度、 剥离荷载、 界面极限端部滑移逐渐降低； 施加持续荷载作用将导致界面损伤加重， 并加速界面破坏方式的转 变速度 。 关 键词 ： C F R P ；高强混凝土 ；耐久性 ； 干 湿循环 ； 持 续荷载 中图分类号： T U 3 7 5 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 3 6 1 0 7 Th e b o n d b e h a v i o r b e t we e n h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e a n d CF RP u n d e r t h e s u s t a i n e d l o a d a n d we t d r y c y c l e s W ANG S u y a n，Z HANG S u o d o n g，LI Lu x i ，HONG Le i ( F a c u l t y o f I n f r a s t r u c t u r e E n g i n e e r i n g ， Da l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，D a l i a n 1 1 6 0 2 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o p r o v i d e r e l i a b l e r e f e r e n c e f o r t h e r e i n for e e me n t o f b u i l d i n g s t r u c t u r e s ，t h e b o n d b e h a v i o r o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e wi t h C F RP wa s s t u d i e dc o n s i d e r i n g t h e e f f e c t o f we t d r y c y c l e s a n d s u s t a i n e d l o a d T h e 5Na C1 s o l u t i o n wa s u s e d t o s i mu l a t e s e a wa t e r a n d t he s e l fde s i g n e d l o a di ng de v i c e wa s a d o p t e d t o a p p l y s us t a i n e d l o a d Ba s e d o n t hi s ，t h e b o n d p e r f o r ma n c e o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e wi t h CF RP wa s a n a l y z e d wi t h t h e d o u b l e ds i d e d s h e a r t e s t T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t wi t h t h e i n c r e a s e o f we t d ry c y c l e s ，t h e f a i l u r e mo d e o f i n t e r f a c e a l t e r s a n d，t h e b o n d i n g s t r e n g t h，p e e l l o a d a n d t h e t e r mi n a l s l i p r e d u c e s g r a d u a l l y Mo r e o v e r ，s u s t a i n e d l o a d wi l l a g g r a v a t e i n t e rfa c e d a ma g e a n d a c c e l e r a t e t h e t r a n s i t i o n s p e e d o f t h e f a i l u r e mo de o f i n t e rfa c e Ke y wo r ds：CFRP；h i g hs t r e n g t h c o n c r e t e；d u r a b i l i t y；we td r y c y c l e s ；s u s t a i n e d l o a d 高强混凝土自问世以来， 以其优良的技术经济 指标而备受瞩 目， 广泛应用于码头 、 船坞等近海工 程 。目前大量近海工程已逐渐腐蚀老化 ， 对它们加 固补强具有重要的现实意义。纤维增强复合材料 作为一种新型的复合材料以其轻质 、 高强等优 点广 泛应 用 于 结 构 补 强 领 域 。然 而 目前 国 内外 对 C F R P加 固混凝土结构的研究仅仅局 限于普通 昆 凝土 ， 只有少数研究 卜 涉足高强混凝土结构 ， 而 收稿 日期 ： 2 0 1 41 1 0 2 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 7 8 0 8 9 )； 大连理工大学海岸与近海工程 国家重点实验室基金项 目( S L 1 432 ) 通 讯作者 ： 王 苏岩 ( 1 9 5 8一) ， 女 ， 江苏灌云人 ， 教授 ， 从事结构工程研究 ； Em a i l ： s u y a n wd l u t e d u e n 3 6 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5年4月 2 3 典型的荷载一 端部滑移曲线 图4以试件 N 3 0为例 给出了荷 载一端部滑移 曲线， 曲线发展规律大致分为 3个阶段。第 1阶 段 ， 在加载初期， 荷载滑移 曲线近似线性规律发展 ， 即 C F R P与高强混凝土界面的剪切应力 与剪切应 变呈线性变化， 滑移量非常小 ， 约 0 0 3 0 1 4 mm； 第 2阶段 ， 曲线曲率明显下降， 荷载 略有下降而滑 移却突然增加很 多， 表 明加载 端黏结界面发生 剥 离 ， 此时荷载称为初始剥离荷载 ， 如 图 A点。第 3 阶段 ， 剥离将从加载端部逐渐 向自由端发展直至破 坏， 而荷载最终稳定在某个值附近 ， 定义为极限荷 载 ， 如图 B点 ， 可 以作为反 映界面黏结 强度 的指 标。试件破坏时所对应 的端部滑移定义为极 限端 部滑移 ， 如 图 C点 ， 极限端部滑移值越 大， 界面 的 延性就越好 ， 反之延性就越差。由于实际测量的极 限荷载有一定的波动 ， 因此分析 中将第 3阶段的荷 载平 均 值 作 为 极 限 荷 载。所 有 试 件 测 试 结 果 见表 3 _2 l 1 0 4 0 0 6 ( X I 8 【 x ) 端部 滑移 p m 图 4 N 3 0荷载一 端部滑移曲线 Fi g 4 N30 Lo a ds l i p t e s t r e s u l t 对于高强混凝 土而言， 当荷 载达到极 限荷 载 8 0 左右时开始发 生剥离 ， 对 比文 献 6 和文 献 7 可以发现 ， 普通混凝土一般在极 限荷载 4 0 6 0 时开始发生剥离 ， 这说 明高强混凝土与 C F R P 的黏结破坏更为突然 ， 脆性更大。表 3中实验结果 表明在较高的干湿次数作用下界面黏结性能 已经 发生了严重的退化 ， 且随着干湿次数 的增加 ， 界面 黏结性能退化的速度越来越快， 而持载作用下的干 湿试件， 界面黏结性能退化程度更为突 出， 退化速 度更快， 持载等级越高 ， 退化程度也就越严重。 2 4应变变化规律分析 图 5为干湿循环 1 2 0次试件在各级荷载水平 下的应变分 布规律 ， 图中荷载水平前 面的“+” 表 示极限荷载后的下降段 。在较低的荷载水平下 ， 靠 近加载端的应力应变呈线性关系 ， 零应变逐渐 向自 由端移动。当达到极 限荷载( 1 0 0 荷载水平 ) 后 ， 加载端 区域 的应变基本不变 ， 有效黏结区域 ( 应变 增加的区域 ) 长度保持不变并逐渐向后平行移 动， 直至破坏。很显然 ， 本文中 1 2 0 m m黏结长度 已经 超过有效黏结长度。图中试件变化波动非常显著 ， 这是 由混凝土 中材料 的不均匀性 以及局部 的开裂 引起 的 。由于应变 的波动很难计算有效黏结长 度 ， 为研究应变变化规律 ， 利用式( 1 ) _ 9 m 进行非线 性拟合。 ( ) 。 + ( 1 ) 式( 1 ) 的参数均采用非线性回归确定。拟合结 果见图 6 。可 以发现 当达到极限荷载( 1 0 0 荷 载 水平 ) 时应变分布可以分为 3个 区域 ： a无应力 区 域 ； b有效黏结区域 ； c 完全剥离区域 。有效黏结 区域外的黏结应力传递可以被忽略， 因为 C F R P与 混凝土之间在这些位置的滑移要么是太小要么是 太大 ， 都不 能产 生显著的剪应力。所有试件 的 值和平均最大应变 见表 3 。可以看出， 随着干 湿循环次数的增加和持续荷载 的增加 ， 逐渐变 长， 而O m ax 却逐渐变小， 正如之前提到的， 这种现象 是 由混凝土的不均匀性 以及黏结界面 的损伤导致 局部开裂引起 的。 2 5 持载对界面性能的影响分析 考虑应变发展充分及持载作用显著 ， 故选择靠 近加载端的 1 、 2测点 ( 距离加 载端距离分别为 5 ， 1 2 m m) 应变变化规律为例分析持载对黏结性能的 影响， 如 图7为干湿循环 1 2 0次试件的 1 ， 2测点应 变规律 ， 可以发现 ， 加载初期应变随荷载的增加呈 线性增长， 当荷载达到某一定值时 ， 第 1测点应变 突然急剧上升 ， 第 2测点应变不 同程度下 降， 这可 能是 因为第 2测点与第 1测点之 间出现开裂或者 初始裂缝扩大 ， 导致第 2测点的应变下降。其中线 性段应变曲线斜率 的大小变化反 映了界面损伤程 度 ， 斜率越大 ， 说 明界面的损伤就越大。为准确表 示线性段斜率 的变化 ， 用 1 和 2表示 2测点线性 段斜率 ， 见表 4和表 5 ， 表 中数据均为试件与相应 对 比试件 的 1和 2的 比值 ， 加 ， 和 5表示 持载等级。从表中可以看出， 随着干湿次数的增加 和持续荷载的增加 ， 线性段斜率 1和 2均不同程 6 2 8 4 0 互 铎煨 第 2期 王苏岩， 等： 持载与干湿作用下 C F R P一高强混凝土黏结性能研究 3 6 5 度的变大 ， 持载干湿试件斜率变化程度远大于无持 载干湿试件 。以上现象说明， 无持载干湿试件界面 损伤程度有限且损伤速度缓慢 ， 而持载干湿试件 的 界面损伤程度显著并且速度较快 ， 持载越大 ， 这种 现象越 明显 。产生这种现象的原因 ， 一方面由于材 料缺陷、 制作工艺等 因素 ， 黏结界面不可避免 的存 在初始微裂缝 ， 干湿循 环中 N a c l 离子在裂缝 中结 一 自由端距离 IY IIT I ： 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一l 晶析出产生的膨胀力加剧 了微观裂缝的发展 ， 但这 种膨胀力有 限， 裂缝发展速度相对缓慢 。另一方面 持载使端部处于较高应力作用下 ， 微裂缝又更进一 步开裂扩张， 发展速度相对较快 ， 且施加 的持续荷 载越大 ， 端部的应力越大 ， 裂缝发展速度就越快 ， 对 界面损伤也就越大。 0 0 0 O 一0 O 0 o7 0( ) 05 0 0 03 O o ( ) 1 -0 o ( ) l 自由端距离 mn 自由端距离 n l l l 自由端距离 ll l F n ( a ) N 1 2 0 ； ( b ) S 1 2 0 L 0； ( C ) S 1 2 0 L 4； ( d ) S 1 2 0 L 7 5 图 5 各级荷 载下 C F R P应 变分布规律 F i g 5 C F RP s t r a i n d i s t r i b u t i o n u n d e r e v e r y g r a d e o f l o a d 自由端距离 mm I 自由端距离 I Y I I Y I 自出端距离 ， 一 自由端距离 mm ( a ) N1 2 0 ； ( b ) S 1 2 0 L 0； ( C ) S 1 2 0 L 4； ( d ) 5 1 2 0 L 7 5 图 6有效黏结长度 F i g 5 Ef f e c t i v e b o n d l e n h L e O O O O 0 O O 0 O 0 毯 7 5 3 l 1 7 5 3 l l _昌 0 O 0 O 0 O O O 0 0 型 一 7 5 3 B n I砉 册 I鲁 舢 m m m m 0 0 O O 毯 一 3 6 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 5年 4月 Oo o 7 0( ) o 5 00 03 0 0 0l 一0 o ( ) l 0 2 4 6 8 l 0 l 2 l 4 1 6 荷载 ，k ( ) o 0 7 ( ) o o 5 j 0 0 0 3 0O 0I - 00 0l 0 0 0 0 -0 0 0 0 7 0 o 0 5 制 j 0 0 0 3 0( 砌 1 -00 01 荷载 荷载 k N 荷载 k N ( a ) N 1 2 0； ( b ) S 1 2 0 L 0； ( c ) S 1 2 0 L 4； ( d ) S 1 2 0 L 7 5 图 7 1 ， 2测点应 变变化 Fi g 7 Va r i a t i o n o f s t r a i n a t p o i n t 1， 2 因此 ， 在实际的海工结构补强加 固中， 仅 考虑 环境作用对补强性能的影响 ， 会过高地估算加 固后 的结构性能 ， 必须考虑环境与结构 自身承载的共同 作用 ， 才能真实的反应结构加 固补强后 的性能。 表 4 1统计结果 Tab l e 4 kl s t a t i s t i ca l r e s u l t s 表 5 k 2统计 结果 Tabl e 5 k 2 s t a t i s t i c a l r e s ul t s 3 结论 1 ) 海水干湿循环作用对 C F R P一高强混凝土 的黏结性能造成显著损伤。随着干湿循环次数 的 增加 ， 黏结面的初始剥离荷载 、 极限荷载 、 极 限端部 滑移等界面参数逐渐降低 。 2 ) 在持载和干湿循环耦合作用下 ， C F R P 一高 强混凝土的界面黏结性能进一步降低 ， 且下降速度 加快。因此在模拟环境作用对 C F R P加 固补强性 能的研究 中， 必须考虑环境作用和结构 自身承载的 共 同作 用 ， 才 能真 实 的反应 结 构加 固补强 后 的 性能。 3 ) 界面的破坏方式在干湿循 环 9 O次时 开始 发生改变 ， 由混凝土的剪切破坏向树脂胶与混凝土 的黏结破坏转变。持续荷载作用的存在 ， 加速 了破 坏方式的转变速度 ， 并且持载越大 ， 转变速度越快。 4 ) 混凝土的应变发展规律大致呈 S型， 随着 干湿循环次数 的增加和持续荷载的增加 ， 有效黏结 长度 逐渐变大而最大应变逐渐降低。 参考文献 ： 1 王苏岩， 曹怀超 ， 刘毅 C F R P修复震损高强混凝土柱 抗震性能试验研究 J 铁道科学与工程学报， 2 0 1 2， 9 ( 3 )： 17 第 2期 王苏岩 ， 等： 持载与干湿作用下 C F R P一 高强混凝土黏结性能研究 3 6 7 W ANG S uy a n， CAO Hu a nc h a o， LI U Yi Ex p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n on s e i s mi c be h a v i o r o f d a ma g e d h i g h s t r e ng t h c o n c e t e c o l u m n s r e p a i r e d w i t h C F R P s h e e t s J J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 ， 9 ( 3 ) ： 1 7 2 尚亚妮 ， 王海涛 ， 赵海波 C F R P加固高强混凝土的本 构模型研究 J 科学技术与工程， 2 0 1 0 ，1 0 ( 2 0) ： 49 6 4 4 96 7 S HA NG Ya n n i ， W ANG Ha i t a o ， Z HAO Ha i b o S t u d y o n c o n s t i t u t i v e mo d e l o f h i g h s t r e n gth c o n c r e t e c o n f i n e d b y C F R P J S c i e n c e T e c h n o l o g y a n d E n gi n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 1 0 ( 2 0 ) ： 4 9 6 4 4 9 6 7 3 王苏岩， 王泽源 组合 F R P约束高强混凝土棱柱力学 性能试验研究 J 铁道科学与工程学报 ， 2 0 1 3 ， 1 0 ( 1 ) ： 1 6 2 2 WANG S u y a n ， W ANG Z e y u a n Ex p e ri me n t a l r e s e a r c h o n me c h a n i c a l b e h a v i o r o f h i g h s t r e n gth c o n c r e t e p ri s ms r e t r o fi t t e d w i t h h y b ri d i z e d F R P m e t h o d J J o u r n al o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n gi n e e r i n g ， 2 0 1 3 ， 1 0 ( 1 ) ： 1 6 2 2 4 王吉忠 C F R P一高强混凝 土柱受力性能试验研究 D 大连： 大连理工大学， 2 0 1 2 WANG J i z h o n g Ex p e ri me n t a l s t u d y o n b e h a v i o r o f C F RP h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e c o l u m n s D D al i a n： D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ， 2 0 1 2 5 Y U N Y C， WU Y F D u r a b i l i t y o f C F R Pc o n c r e t e j o i n t s u n d e r f r e e z e t h a w c y c l i n g J C o l d R e g i o n s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 6 5 ( 3 ) ： 4 0 1 4 1 2 6 李趁趁 F R P加固混凝土结构耐久性试验研究 D 。 大 连： 大连理工大学， 2 0 0 6 L I C h e n c h e n E x p e r i me n t a l s t u d y o n d u r a b i l i t y o f F RP s t r e n gt h e n e d c o n c r e t e s t r u c t u r e D D a l i a n ： D al i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ， 2 0 0 6 7 马涛 ， 潘金龙， 魏红雾 循环荷载作用下 C F R P一混凝土 的黏结性能试验研究 J 建筑结构 ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 1 9 ) ： 1 5 1 8 MA T a o ， P AN J i n l o n g ， WE I Ho n g w u E x p e ri me n t a l s t u d y o f b o n d b e h a v i o r b e t we e n C F RP a n d c o n c r e t e u n d e r c y c l i c l o a d i n g J B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 1 9 ) ： 1 51 8 8 万先虎 高温干湿交替环境下 F R P一混凝土界面黏结 性能的耐久性研究 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 01 3 W AN Xi a n h u Du r a b i l i t y o f t h e b o n g p e rf o r ma n c e s o f F RP t o c o n c r e t e u n d e r t h e c o r r o s i v e e n v i r o n me n t o f h i g h t e m p e r a t u r e a n d d r y w e t c y c l i n g D H a r b i n ： H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， 2 01 3 9 K o l l u r u V S ， A l i A h ma d M， G h o s n MF r e e z et h a w d e g r a d a t i o n o f F RPc o n c r e t e i n t e r f a c e ：I mp a c t o n c o h e s i v e f r a c t u r e r e s p o n s e J E n g i n e e ri n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 8 ， 7 5 ( 1 3 ) ： 3 9 2 4 3 9 4 0 1 0 Z H O U Y i n g Wu ， WU Y nfe i ， Y U N Y a n c h u n A n a l y t i c a l mo d e l i n g o f t h e b o n d -s l i p r e l a t i o n s h i p a t F RP c o n - c r e t e i n t e rf a c e f o r a d h e s i v e l y b o n d e d j o i n t s J C o m p o s i t e s P a r t B ，E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 6 ) ： 4 2 3 4 3 3 ( 编辑蒋学东)