FRP板與混凝土濕粘結(jié)界面剪切性能試驗(yàn)研究

張 普,朱 虹,陳 泉,孟少平,劉曉艷

(東南大學(xué)a.混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.城市工程科學(xué)技術(shù)研究院南京 210096)

FRP板與混凝土濕粘結(jié)界面剪切性能試驗(yàn)研究

張 普a,b,朱 虹a,b,陳 泉a,b,孟少平a,b,劉曉艷a,b

(東南大學(xué)a.混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.城市工程科學(xué)技術(shù)研究院南京 210096)

采用7種不同的粘結(jié)樹脂,通過2批雙剪試件的拉伸剪切試驗(yàn)研究了拉擠成型玄武巖纖維復(fù)合板與后澆混凝土濕粘結(jié)界面的力學(xué)性能,并將其與在既有混凝土表面外貼FRP形成的干粘結(jié)界面進(jìn)行了比較,通過對比兩者的破壞特征、荷載位移曲線、有效粘結(jié)長度、粘結(jié)滑移關(guān)系、界面斷裂能以及粘結(jié)破壞機(jī)理,深入地研究了濕粘結(jié)界面的性能。結(jié)果表明：濕粘結(jié)的粘結(jié)強(qiáng)度僅為干粘結(jié)的1/2～2/3,但2種界面的有效粘結(jié)長度相差不大。最后,基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了適用于濕粘結(jié)界面的剪切滑移本構(gòu)模型。

濕粘結(jié);界面;粘結(jié);有效粘結(jié)長度;斷裂能

濕粘結(jié)界面以及濕粘結(jié)與剪力鍵的綜合界面是FRP-混凝土組合梁中經(jīng)常采用的界面形式,它是指先在FRP模板表面上刷一層粘結(jié)劑,在粘結(jié)劑開始發(fā)粘但是尚未固化時(shí)澆筑混凝土形成界面的一種方法[1-6]。干粘結(jié)是相對于濕粘結(jié)而言的,是指FRP板材與預(yù)制混凝土之間通過樹脂粘結(jié)形成界面的方式。與干粘結(jié)相比,濕粘結(jié)具有施工方便快速的優(yōu)點(diǎn)。該文擬對濕粘結(jié)界面的性能進(jìn)行研究,并和干粘結(jié)界面進(jìn)行比較。

目前已有不少學(xué)者對濕粘結(jié)進(jìn)行了研究。1995年,Deskovic創(chuàng)新設(shè)計(jì)的FRP型材-混凝土組合梁中率先使用了這種界面方式,然而濕粘結(jié)界面的組合梁發(fā)生了剝離破壞[7]。1998年,Canning等人通過FRP組合梁的受彎試驗(yàn)比較了6種界面方式的效果,結(jié)果表明采用環(huán)氧樹脂的濕粘結(jié)界面效果略差于干粘結(jié),但是考慮到新建組合結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工,濕粘結(jié)卻是最實(shí)用的界面方式[8]。接著,J. Hulatt[9]、邵一心、吳智深、朱海棠等人[1-4]對濕粘結(jié)界面承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。然而,不同研究者的研究結(jié)果仍然存在較大差異,其主要原因是不同的研究者采用的樹脂不同;其次,不同的混凝土強(qiáng)度、FRP板材以及施工方法也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。

為了減少FRP板的制作工藝和混凝土強(qiáng)度對界面性能的影響,該文統(tǒng)一采用拉擠成型的玄武巖纖維(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)復(fù)合板,并在同一批次中采用相同的混凝土等級。通過2批BFRP板-混凝土濕粘結(jié)界面的雙剪試驗(yàn)研究,比較了7種不同的粘結(jié)樹脂的濕粘結(jié)性能,并與干粘結(jié)進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明,濕粘結(jié)界面的粘結(jié)效果不如干粘結(jié)界面,前者的粘結(jié)強(qiáng)度僅為后者的1/2～2/3,但2種界面的有效粘結(jié)長度相差不多。與干粘結(jié)相比,濕粘結(jié)具有施工方便快速的優(yōu)點(diǎn),可以靈活的配合使用剪力鍵以獲得超過干粘結(jié)的粘結(jié)性能[6],因而仍然具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。

1 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)試件的制作方法及尺寸參數(shù)遵照此類試驗(yàn)常采用的日本相關(guān)規(guī)程[10]的規(guī)定。采用的雙剪試件尺寸以及BFRP板上的應(yīng)變片布置見圖1。從加載端到自由端的應(yīng)變片編號依次為0、1、…、7。雙剪試件為100 mm×100mm×500 mm的混凝土棱柱體,中間用木塊隔開,棱柱體中心的螺栓在木塊處斷開。試件側(cè)面布置位移計(jì)以測量2塊混凝土間的相對位移。雙剪試件的2個(gè)面分別記為A面和B面。

圖1 雙剪試件尺寸及應(yīng)變片位置示意圖

所有雙剪試件均采用鋼模制作。濕粘結(jié)試件的制作方法為：先將BFRP板材放入鋼模中,固定BFRP板位置,在BFRP板上刷粘結(jié)樹脂,然后放置預(yù)埋螺栓,澆筑混凝土,振搗并養(yǎng)護(hù)成型。干粘結(jié)試件的制作方法為先將混凝土試件養(yǎng)護(hù)成型,然后基面處理,刷底涂樹脂、找平樹脂和粘結(jié)樹脂,最后粘貼BFRP板。

設(shè)計(jì)了2批次BFRP板材-混凝土濕粘結(jié)界面的雙剪試驗(yàn)來研究濕粘結(jié)界面性能。第1批試驗(yàn)測試承載力初步比較6種不同粘結(jié)樹脂的濕粘結(jié)性能。在此基礎(chǔ)上,限定3種類型的膠,其中1種類型為新增,通過測試極限承載力、應(yīng)變和變形,完成了第2批12個(gè)試件的雙剪試驗(yàn),并深入分析了濕粘結(jié)界面的性能。BFRP板的材性見表1。2批次雙剪試件的試驗(yàn)參數(shù)見表2、表3。第1批混凝土強(qiáng)度46.4 MPa;第2批混凝土強(qiáng)度40.9 MPa。試驗(yàn)裝置以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見圖2;試驗(yàn)加載制度采用按位移加載控制,加載速度為2mm/m in。

圖2 試驗(yàn)裝置以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

表1 BFRP板參數(shù)

表2 第1批雙剪試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞特征

干粘結(jié)與濕粘結(jié)界面破壞特征對比見圖3、表2和表3。圖3a)為干粘結(jié)界面破壞特征,圖3b)和圖3c)為2種不同樹脂的濕粘結(jié)界面破壞特征。構(gòu)件上的A表示A面破壞,B表示B面破壞。由圖3可見,2種界面的破壞模式有所不同,干粘結(jié)能夠粘下一層混凝土,加載端部粘下塊狀混凝土,表現(xiàn)為混凝土層的破壞(特征I);而濕粘結(jié)只能粘下一層砂漿,加載端部未能粘下塊狀混凝土,表現(xiàn)為膠層與混凝土界面的破壞(特征II)。采用不同粘結(jié)樹脂的濕粘結(jié)界面具有相似的破壞特征。

圖3 干粘結(jié)與濕粘結(jié)破壞特征

2.2 荷載位移曲線

各試件的荷載位移曲線見圖4,橫坐標(biāo)為側(cè)面2個(gè)位移計(jì)讀數(shù)的平均值,縱坐標(biāo)為整個(gè)試件的承載力。從圖4和表3可知：第1批中6種不同樹脂的濕粘結(jié)界面承載力略有差別,其中NG膠的承載力為14.42 kN, CH-1A膠的承載力最小為9.27 kN;第2批中采用3種不同粘結(jié)樹脂的濕粘結(jié)界面承載力略有差別,其中SY膠和NG膠界面的承載力較為接近,分別為18.79 kN和18.69 kN,而FRS-CB膠濕粘結(jié)界面的承載力只有15.42 kN。濕粘結(jié)界面的承載力和延性不如干粘結(jié)。第1批中濕粘結(jié)的平均承載力為干粘結(jié)的0.36～0.56倍,第2批中濕粘結(jié)的平均承載力為干粘結(jié)的0.56～0.68倍。這種差異主要是由于2批次所采用的濕粘結(jié)樹脂和混凝土強(qiáng)度不同而引起的。

圖4 荷載位移曲線匯總

2.3 有效粘結(jié)長度和平均粘結(jié)強(qiáng)度

通過BFRP板上不同位置處的應(yīng)變片讀數(shù)可以得到應(yīng)變分布圖。濕粘結(jié)和干粘結(jié)的應(yīng)變分布圖具有相同的變化規(guī)律。荷載較小時(shí),只有加載端附近的FRP承受荷載,而加載端附近的應(yīng)變分布基本呈現(xiàn)線性分布;隨著荷載的增大,參與受力的FRP長度增加,靠近加載端的應(yīng)變增長。當(dāng)參與受力的FRP長度達(dá)到有效錨固長度的長度后,荷載不再增加,加載點(diǎn)處的應(yīng)變達(dá)到峰值,隨后應(yīng)變峰值點(diǎn)向自由端移動(dòng),剝離從加載端向自由端發(fā)展。

由于篇幅所限,文中僅列出幾個(gè)典型的應(yīng)變分布圖(圖5)。由圖5可知,濕粘結(jié)和干粘結(jié)2種界面方式的應(yīng)變分布有一定的相似性,但是峰值應(yīng)變有較大差別。濕粘結(jié)界面的應(yīng)變峰值在3 500με左右,而干粘結(jié)的應(yīng)變峰值一般在4 700με左右,這也是干粘結(jié)界面承載力高于濕粘結(jié)界面的原因。

圖5 第2批試件的應(yīng)變分布圖

粘結(jié)界面的一個(gè)重要特點(diǎn)是其存在一個(gè)有效粘結(jié)長度,當(dāng)粘結(jié)長度超過這個(gè)值,界面的承載力將不再提高。目前有效粘結(jié)長度的計(jì)算方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn);文獻(xiàn)[11]中有效粘結(jié)長度的定義是應(yīng)變分布曲線上從加載點(diǎn)到應(yīng)變趨近于零的點(diǎn)之間的距離;在達(dá)到開裂荷載之前,有效粘結(jié)長度保持為常數(shù),開裂之后,有效粘結(jié)長度線性增大。采用文獻(xiàn)[11]中的方法,取初始有效粘結(jié)長度為其計(jì)算有效粘結(jié)長度,其值見表3。由表3知,濕粘結(jié)界面的有效粘結(jié)長度略大于干粘結(jié)界面,約為干粘結(jié)的1.03～1.16倍。所有試件的粘結(jié)長度在60～81.6 mm之間。得到有效粘結(jié)長度以后,平均粘結(jié)強(qiáng)度可以按照式(1)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3。可見,濕粘結(jié)的平均剪切粘結(jié)強(qiáng)度約為干粘結(jié)的1/2～2/3。

表3 第2批雙剪試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果

2.4 粘結(jié)滑移關(guān)系

拉伸剪切試驗(yàn)加載的過程中,FRP和混凝土的變形并不同步,FRP上的應(yīng)變發(fā)展較快,而混凝土上的應(yīng)變發(fā)展較慢,這種變形的不協(xié)調(diào)將在界面層產(chǎn)生剪應(yīng)力。

應(yīng)變片各點(diǎn)間的粘結(jié)剪應(yīng)力按下式計(jì)算[12]：

按照上式計(jì)算得到的最大粘結(jié)剪應(yīng)力和最大的滑移值見表3。由表3可知,干粘結(jié)的最大粘結(jié)剪應(yīng)力為5.62 MPa,約為濕粘結(jié)最大剪應(yīng)力的2倍。干粘結(jié)的滑移值在0.61mm左右,而濕粘結(jié)的滑移值在0.27～0.42 mm之間。圖6給出了有代表性的濕粘結(jié)與干粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移(τ-s)關(guān)系曲線,并和2個(gè)現(xiàn)有的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型(Nakaba模型[12]、Lu模型[13-16])進(jìn)行了對比。由圖6可知：Nakaba模型曲線與干粘結(jié)界面的試驗(yàn)結(jié)果較為接近,誤差較小;而與濕粘結(jié)界面的試驗(yàn)曲線相差較遠(yuǎn),因此不能適用于濕粘結(jié)界面。而Lu模型曲線則與濕粘結(jié)試驗(yàn)的剪切滑移曲線相對比較接近,而且兩者的形狀非常相似,但該模型過高估計(jì)了濕粘結(jié)的最大剪應(yīng)力。Lu模型的表達(dá)式如下：

式中,為FRP板寬度;為混凝土棱柱體的寬度。

式中,為FRP板與混凝土粘結(jié)界面的斷裂能理論值。

圖6 剪應(yīng)力-滑移關(guān)系曲線

采用試驗(yàn)得到的濕粘結(jié)界面最大剪應(yīng)力平均值對Lu模型中的最大剪應(yīng)力折減,即最大剪應(yīng)力按照式(12)進(jìn)行計(jì)算;其最大斷裂能按照式(13)計(jì)算,而其余參數(shù)計(jì)算仍然采用Lu模型的計(jì)算方法。為了便于對比,將上述修正后的計(jì)算方法稱為修正Lu模型。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,濕粘結(jié)界面修正 Lu模型的修正系數(shù)可按照如下取值：=0.6、=0.8和φ3=1.0。采用NG樹脂、SY樹脂和FRS樹脂的濕粘結(jié)典型試件的粘結(jié)滑移試驗(yàn)與理論曲線對比見圖6;最大剪應(yīng)力理論與試驗(yàn)比較見圖7;由圖6和圖7可見,修正后的Lu模型能夠較好的預(yù)測濕粘結(jié)界面的剪應(yīng)力滑移關(guān)系。

圖7 最大剪應(yīng)力試驗(yàn)值與理論值比較

2.5 斷裂能

隨著荷載的增加,最大剪應(yīng)力和滑移量逐漸增加,因此界面斷裂能也在不斷增加。當(dāng)界面斷裂能達(dá)到其臨界值時(shí),界面層剪應(yīng)力較大處的初始缺陷將產(chǎn)生不穩(wěn)定擴(kuò)展,最終發(fā)生界面的剝離。最大界面斷裂能為界面粘結(jié)滑移曲線所包含的面積。已有研究表明,FRP混凝土界面承載力與的平方根成正比,而與粘結(jié)滑移曲線的具體形式無關(guān)。根據(jù)已有的基于斷裂力學(xué)的理論推導(dǎo)粘結(jié)界面的斷裂能可按照下式計(jì)算[17]：

按照式(15)計(jì)算得到的斷裂能見表3。由表3可知,濕粘結(jié)界面的斷裂能的平均值在0.21～0.30 N/m之間;而由經(jīng)驗(yàn)公式(13)預(yù)測得到的第2批濕粘結(jié)試件的理論值為0.245 N/m;可見式(13)能夠較好的預(yù)測濕粘結(jié)界面斷裂能。由表3可知,濕粘結(jié)界面的斷裂能僅為干粘結(jié)斷裂能的1/3左右。

2.6 濕粘結(jié)與干粘結(jié)剪切性能存在差異機(jī)理分析

FRP片材與混凝土之間的粘結(jié)作用力在FRP片材、粘結(jié)劑和梁下表面混凝土3層材料中有效傳遞是保證FRP和混凝土共同工作的基礎(chǔ)。粘結(jié)失效的實(shí)質(zhì)是由于在FRP、混凝土表層以及兩者之間的粘結(jié)材料層中不可避免地存在細(xì)觀尺度上的初始缺陷(如裂紋、孔隙、夾層等),在荷載作用下,當(dāng)斷裂能達(dá)到其臨界值時(shí),這些初始缺陷就將產(chǎn)生不穩(wěn)定擴(kuò)展,最終導(dǎo)致粘結(jié)失效[18]。對于干粘結(jié),在施工可靠的情況下,由于工程上常用粘結(jié)劑的抗剪強(qiáng)度一般高于混凝土,故FRP片材與混凝土之間的界面剝離通常是發(fā)生于粘結(jié)劑與混凝土界面區(qū)靠近混凝土的一側(cè)。剝離破壞主要發(fā)生在粘結(jié)膠未浸潤的混凝土薄層中。界面發(fā)生剝離行為主要是因?yàn)榛炷恋目估瓘?qiáng)度達(dá)到極限而產(chǎn)生裂縫[18]。而對于濕粘結(jié)界面,粘結(jié)劑與新澆混凝土作用,同時(shí)固化,混凝土中的水分容易對粘結(jié)樹脂的固化產(chǎn)生影響,更容易產(chǎn)生初始缺陷,界面發(fā)生剝離主要是因?yàn)槟z層與混凝土表面砂漿面層的粘結(jié)失效,因此其界面粘結(jié)強(qiáng)度較低。

3 結(jié) 論

1)濕粘結(jié)界面承載力與混凝土強(qiáng)度、粘結(jié)樹脂、纖維材性、溫度濕度以及施工質(zhì)量等因素有關(guān)。就所采用的7種環(huán)氧樹脂而言,采用不同樹脂的濕粘結(jié)界面承載力有所差別,其中SY膠和NG膠的濕粘結(jié)性能最優(yōu)。

2)拉擠成型BFRP板與混凝土濕粘結(jié)界面和干粘結(jié)界面相比,具有如下特點(diǎn)：濕粘結(jié)的極限承載力、最大剪應(yīng)力和最大滑移量均明顯小于干粘結(jié)界面;有效粘結(jié)長度略大于干粘結(jié);平均粘結(jié)強(qiáng)度約為干粘結(jié)的1/2～2/3倍;斷裂能為干粘結(jié)的1/3左右。

3)基于濕粘結(jié)界面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對Lu模型進(jìn)行了修正,修正后的Lu模型能夠較好地預(yù)測濕粘結(jié)界面的剪切滑移關(guān)系。

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(編輯 胡英奎)

Experimental Analysis of Shear Performance of Wet-bonding Interface between FRP Plate and Concrete

ZHANGPu,ZHUHong,CHENQuan,MENGShao-ping,LIUXiao-yan

(a.Key Laboratory of Concrete and Prestressed Conc rete Structures of Ministry of Education; b.International Institute for U rban Systems Engineering,Southeast University,Nan jing 210096,P.R.China)

By adopting seven kinds of adhesive resins,the mechanical properties of the interface between pu ltruded Basalt fiber rein forced polymer p lates and cast-in-p lace concrete is studied according to two groups of stretching double-shear test.And it is com pared w ith the dry-bonding interface between BFRP plates and the p recast concrete.Further study is conducted by comparing the damage features,loaddisp lacement curves,effective bond length,bond slip relationship and interface fractureenergy between the two interfaces.It is found that the effective bond length of the two interfaces are similar,but the bond strength of the w et-bonding is about half of the d ry-bonding.Finally,the shear stress-slip model is proposed for the wet-bonding interface based on the experimental data.

wet-bonding;interfaces;bond;effective bond length;fracture energy

TU398.9

A

1674-4764(2011)03-0074-06

2010-11-24

國家十一五支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAJ03B07);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50908045)

張 普(1982-),男,博士生,主要從事FRP材料在土木工程中的應(yīng)用研究,(E-mail)zhp1243@163.com。朱 虹(通訊作者),女,博士,副教授,(E-mail)seuzhuhong@gmail.com。