凍融循環(huán)下CFRP高性能混凝土的粘結(jié)性能

王玉田，姜福香，趙鐵軍，張 凱，殷彥波

(青島理工大學(xué) a. 藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心；b. 土木工程學(xué)院，山東青島266033)

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王玉田a，b，姜福香a，b，趙鐵軍a，張 凱b，殷彥波b

(青島理工大學(xué) a. 藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心；b. 土木工程學(xué)院，山東青島266033)

通過雙面剪切試驗，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；經(jīng)受凍融循環(huán)次數(shù)較少時(25、50次)，界面的粘結(jié)強度、剛度及開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)的進一步增加，界面粘結(jié)性能有明顯的變化，界面粘結(jié)強度、端部滑移量減小，剛度退化，初始開裂荷載水平降低，非線性特征增強。粘結(jié)極限承載力與混凝土立方體抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增長存在先提高后下降的趨勢，混凝土強度變化是界面粘結(jié)性能變化的最重要因素。

碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)；高性能混凝土；凍融循環(huán)；粘結(jié)性能；耐久性

近年來，纖維增強聚合物(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)在混凝土結(jié)構(gòu)的加固和改造工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。CFRP與混凝土的粘結(jié)界面對傳遞有效應(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]。有關(guān)統(tǒng)計表明，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)致其耐久性劣化進程加快。

筆者利用雙面剪切試驗，重點研究凍融循環(huán)作用對CFRP與高性能混凝土界面粘結(jié)性能的影響。通過分析粘結(jié)區(qū)CFRP的應(yīng)變、加載端的端部粘結(jié)滑移、極限粘結(jié)承載力發(fā)展規(guī)律，研究凍融循環(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)律和機理。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用混凝土為雙摻粉煤灰和礦粉的高性能混凝土，設(shè)計強度等級為C50。原材料包括P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，Ⅱ級粉煤灰，S95級礦粉，粒徑5～25 mm連續(xù)級配的碎石作為粗骨料，青島大沽河河砂作為細骨料(最大粒徑5 mm，細度模數(shù)2.4，中砂)，攪拌水為普通自來水。另外，還使用了減水率為25%的HSC-A型聚羧酸高效減水劑。具體配合比見表1。

表1 混凝土配合比及抗壓強度

試驗采用上海優(yōu)士康化工有限公司生產(chǎn)的YC-190-300g單向CFRP片材，實測抗拉強度為3 356 MPa，彈性模量2.16×105MPa，伸長率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)。抗拉強度40 MPa，彈性模量 2 500 MPa，伸長率1.5%。

1.2 試件設(shè)計

混凝土立方體抗壓強度采用100 mm×100 mm×100 mm試件。粘結(jié)性能采用雙面剪切試件[3，14]，混凝土的試件尺寸為100 mm×100 mm×150 mm，CFRP布總長度為540 mm，寬度為50 mm，粘結(jié)區(qū)的長度為100 mm，加載端邊界上留有30 mm的非粘結(jié)區(qū)。將CFRP布按U型粘貼在混凝土試件的兩個相對側(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)的要求進行。立方體試件和粘結(jié)試件每組均為3個試件。

圖1 雙面剪切試件及應(yīng)變片粘貼示意圖Fig.1 Schematic representation of the double shear specimen and strain gauge paste

1.3 凍融試驗方案

立方體試件拆模后，標準養(yǎng)護(溫度20±2 ℃，相對濕度95%以上)24 d后從養(yǎng)護室取出，放在20±2 ℃水中浸泡4 d，在28 d齡期時開始進行凍融試驗。粘結(jié)試件標準養(yǎng)護28 d，置于常溫環(huán)境中3 d達到面干后，粘貼CFRP布，繼續(xù)在室溫下養(yǎng)護7 d，飽水4 d，再進行快速凍融試驗。凍融試驗依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(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機進行。每個凍融循環(huán)周期約為3 h，試件中心最低和最高溫度分別控制在-18±2℃和5±2℃。待凍融循環(huán)次數(shù)達到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，自然晾干后進行立方體抗壓強度試驗和雙面剪切試驗。

1.4 加載裝置及測試內(nèi)容

凍融循環(huán)達到預(yù)定次數(shù)后，將立方體試件從凍融箱中取出，進行抗壓強度測試。

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，用于加載過程中測定粘結(jié)區(qū)域內(nèi)CFRP的應(yīng)變值，具體粘貼位置見圖1。采用引伸計(見圖2)測量CFRP自由端部與混凝土的相對滑移(端部滑移量)，數(shù)據(jù)通過電腦自動采集，取用兩側(cè)的平均值作為最終值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土立方體抗壓強度

經(jīng)觀察，在預(yù)定凍融循環(huán)次數(shù)下，各混凝土試塊均無明顯的表面剝落現(xiàn)象(參見圖4)。混凝土立方體抗壓強度依據(jù)常規(guī)方法測試，結(jié)果列于表2。

圖2 雙面剪切試驗加載裝置Fig.2 Test loading device for double shear

表2 凍融循環(huán)后混凝土立方體抗壓強度平均值

注：未經(jīng)凍融循環(huán)損傷(0次)的試件為標準養(yǎng)護28 d，按照標準試驗方法測得的立方體抗壓強度。

試驗結(jié)果表明，經(jīng)過較少次數(shù)的凍融循環(huán)后，混凝土立方體抗壓強度與28 d抗壓強度相比有一定程度的提高，文獻[15-16]的研究也有類似的現(xiàn)象。經(jīng)25次和50次凍融循環(huán)后，混凝土抗壓強度分別提高了9.7%和7.2%。分析原因，一方面是由于試驗采用了C50高性能混凝土，粉煤灰和礦粉雙摻配合比設(shè)計，使得混凝土孔隙率低、密實性較高，從而使該混凝土具有良好的抗凍性(另文介紹)。另一方面，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，在靜水壓和滲透壓作用下，混凝土內(nèi)部孔隙及微裂縫逐漸擴展，外部水分就會沿微缺陷滲透到混凝土內(nèi)部，從而加速水泥的二次水化。混凝土的水膠比為0.33(低于水泥顆粒完全水化而無毛細孔所需的理論水膠比0.38)二次水化效果較為明顯。

圖3所示為混凝土抗壓強度fd隨凍融循環(huán)次數(shù)N的變化情況。可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥繼續(xù)水化對混凝土強度增長的作用越來越低于凍融損傷導(dǎo)致的混凝土強度損失，抗壓強度總體呈下降的趨勢。經(jīng)歷100次凍融循環(huán)時，混凝土強度開始低于28 d抗壓強度。凍融循環(huán)300次后，強度已經(jīng)降低為28 d強度的62.2%。

對25 ～300次凍融循環(huán)后的試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到關(guān)系式為

fd=64.51-0.096N

(1)

其線性相關(guān)系數(shù)為0.994。

圖3 立方體抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.3 The cubic compressive strength along with the change of freeze-thaw cycles

2.2 界面粘結(jié)破壞特征

經(jīng)預(yù)定凍融循環(huán)次數(shù)作用后，各剪切試件也均未見明顯的混凝土表面剝落現(xiàn)象。界面剪切破壞后，觀察CFRP片材的表面，發(fā)現(xiàn)所有粘結(jié)試件的破壞均發(fā)生在粘結(jié)界面下較淺的混凝土表層內(nèi)。可見，剝離破壞模式在高強混凝土情況下，不僅僅取決于混凝土，與膠層也有很大的關(guān)系。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，片材表面粘附的混凝土顆粒自厚變薄。可見，對比試件和凍融循環(huán)100次以下的試件在破壞時CFRP表面粘有大量的混凝土顆粒，被剪下的混凝土層相對較厚。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞界面逐漸向膠層發(fā)展，當凍融循環(huán)次數(shù)達到200次和300次時，CFRP表面只能看到少量的混凝土顆粒，破壞層接近膠層。分析原因，主要是由于CFRP與混凝土的粘結(jié)界面存在氣孔、裂紋等缺陷，融解狀態(tài)時水分易于侵入。隨凍融次數(shù)增加，界面裂縫逐漸發(fā)展，導(dǎo)致界面粘結(jié)性能逐漸降低，且相比而言，其影響超過了混凝土強度降低的影響，從而導(dǎo)致破壞面逐漸向膠層發(fā)展。文獻[10]和[17]得到類似的結(jié)論，典型的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 CFRP-混凝土界面粘結(jié)破壞形態(tài)Fig.4 Falure pattern of CFRP-concrete interface bonding

2.3 界面粘結(jié)極限承載力

表3所列為試驗所得不同凍融次數(shù)下CFRP-混凝土粘結(jié)試件的破壞極限承載力(Fb)。

表3 凍融循環(huán)下CFRP-混凝土界面粘結(jié)承載力平均值

從表3可以看出，粘結(jié)極限承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化與混凝土抗壓強度變化存在類似的規(guī)律，即在凍融循環(huán)次數(shù)較少(≤50次)時，極限承載力有所提高。25次和50次時，分別提高了2.3%和2.9%。在凍融循環(huán)50次以上，則呈線性下降的趨勢(如圖5，線性相關(guān)系數(shù)為0.996)。凍融循環(huán)達300次時，極限荷載降低了19.9%。

已有研究表明[11，13，18]，混凝土強度越高，CFRP與混凝土之間的粘結(jié)強度也越高。圖6所示為凍融循環(huán)作用下混凝土立方體抗壓強度與界面粘結(jié)承載力下降百分比。可見，兩者的變化規(guī)律類似，但前者比后者的變化幅度大。分析原因，凍融循環(huán)初期，粘結(jié)承載力的提高，主要是由此階段二次水化引起的混凝土強度提高決定的。但由于膠層的包裹作用，一定程度上阻止了水泥的二次水化，所以，此階段粘結(jié)承載力提高的幅度低于表面裸露混凝土強度的提高的幅度，且粘結(jié)承載力最大峰值出現(xiàn)的時間較晚(凍融循環(huán)50次)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土強度進入下降段。同時，凍融循環(huán)作用會擴大膠層表面初始的微缺陷，由于CFRP與混凝土的熱膨脹系數(shù)差別較大[19]，溫度在升降過程中膠層與混凝土?xí)a(chǎn)生周期性的溫度應(yīng)力，降低其與混凝土的粘結(jié)效果，當達到一定程度即表現(xiàn)為粘結(jié)強度的降低。但由于膠層對混凝土的保護作用，界面層受凍融作用的損傷程度也低于表面裸露的混凝土，即界面粘結(jié)承載力下降的百分比小于相同循環(huán)次數(shù)下立方體抗壓強度下降的百分比。

2.3 CFRP的應(yīng)變分布

圖7和圖8分別給出了未經(jīng)受凍融損傷的試件和經(jīng)受不同次數(shù)凍融循環(huán)作用的CFRP應(yīng)變分布情況，應(yīng)變曲線的斜率反映了相應(yīng)階段界面應(yīng)變發(fā)展的速率。

圖7 對比試件CFRP應(yīng)變分布Fig.7 Strain distribution of CFRP in contrast specimen

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下CFRP應(yīng)變分布Fig.8 Strain distribution of CFRP under different freeze-thaw cycles

由圖可見，各個試件沿粘結(jié)長度上的CFRP應(yīng)變分布及發(fā)展規(guī)律大致相同。在加載初始階段，與加載端較近部位的 CFRP拉應(yīng)變較大，距加載端較遠處CFRP拉應(yīng)變較小，荷載為4 kN時傳遞長度均約為30 mm。這是因為此時荷載較小，只需距加載端較近局部區(qū)域內(nèi)粘結(jié)界面的剪應(yīng)力合力與之達到平衡。應(yīng)變分布呈明顯的下凹型曲線，應(yīng)變發(fā)展較慢。隨著荷載的增加，應(yīng)變逐漸向距加載端較遠處的自由端傳遞，應(yīng)變分布曲線的下凹趨勢逐漸減弱，加載端應(yīng)變值的增長速度明顯加快。從圖5和圖6中均可看出，距加載端最近的兩個測點之間應(yīng)變的斜率隨荷載的增大先增大后減小，斜率達到最大時，表明加載端的剪應(yīng)力達到峰值，裂縫開始出現(xiàn)，裂縫處CFRP 與混凝土的有效粘結(jié)被破壞，CFRP將拉力傳向了未破壞的粘結(jié)界面，此時，界面的粘結(jié)滑移開始加快。荷載再繼續(xù)增大，應(yīng)變分布曲線開始向上凸，剪應(yīng)力的分布也越來越均勻，應(yīng)力由加載端快速向自由端傳遞。最終，CFRP 與混凝土之間發(fā)生一次性剝離破壞。

同時，通過對比圖7和圖8還可以發(fā)現(xiàn)，在加載早期(見圖中4～12 kN曲線)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CFRP應(yīng)變更早地向自由端發(fā)展，這說明凍融循環(huán)作用對CFRP-混凝土的粘結(jié)界面產(chǎn)生了不利的影響，降低了粘結(jié)界面的抗剪能力；而最終界面剝離時的應(yīng)變發(fā)展(見圖中第一測點的應(yīng)變最大值)則有逐漸降低的趨勢，這主要是由凍融循環(huán)對粘結(jié)面的破壞導(dǎo)致界面承載能力的降低造成的。

圖9 荷載端部滑移曲線Fig.9 Curves for the load-end slip

另外，試驗結(jié)果還表明，隨著凍融次數(shù)的增加，達到破壞時，試件的端部最大滑移量總體上呈逐漸降低的趨勢，如凍融300次后降低了25%左右，這說明凍融循環(huán)使CFRP-混凝土粘結(jié)界面的脆性增高，變形能力降低。

3 結(jié)論

1)由于水泥二次水化和凍融損傷的雙重作用，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，高性能混凝土立方體抗壓強度經(jīng)歷先增長后下降的變化過程。經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后，混凝土抗壓強度總體呈線性下降的趨勢。

2)各凍融循環(huán)次數(shù)下，CFRP-高性能混凝土界面破壞均發(fā)生在粘結(jié)界面下的混凝土表層內(nèi)。且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞界面有向膠層發(fā)展的趨勢。

4)CFRP-混凝土界面粘結(jié)極限承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化與混凝土抗壓強度的變化規(guī)律類似，說明混凝土強度變化是粘結(jié)強度變化的重要因素，而其變化滯后及其變化幅度較小則是受膠層的作用影響。

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(編輯 胡英奎)

Bond properties of CFRP-high performance concrete subjected to freeze-thaw cycles

WangYutiana，b，JiangFuxianga，b，ZhaoTiejuna，ZhangKaib，YinYanbob
(a. Cooperative Innovation Center of Engineering Construction and Safety in Shandong Blue Economic Zone;b. School of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，Shandong，P. R. China)

By adopting double shear test，the developing law of interface bonding properties between CFRP and high performance concrete exposed to freeze-thaw environment was studied. The damage characteristics，shear strain distribution，the paths of the load-slip curves，adhesive capacity and failure mechanisms of specimens without freeze-thaw damage and with 25，50，100，150，200 and 300 times freeze-thaw cycle effect were compared and analyzed. The results showed that interface damage occurred within the concrete surface layer for all of the specimens，but with the increase of freeze-thaw cycles，destroyed interface had the tendency to the adhesive resins layer. Subjected to less freeze-thaw cycles such as 25 times and 50 times，the interface bond strength，rigidity and cracking load didnot change obviously，even slightly elevated but with the further increase of freeze-thaw cycles，interface bond properties changed obviously. Interfacial bond strength and slippage in the end of CFRP decreasedThe rigidity degeneration and nonlinear characteristics were obvious andthe initial cracking load was lowered. The ultimate bearing capacity and the concrete cube compressive strength both declined after increasing with the growth of the number of freeze-thaw cycles. The change of concrete strength was an important factor for the changes of interfacial bond properties.

carbon fiber reinforced composites(CFRP); high performance concrete; freeze-thaw cycled; interfacial bond properties; durability

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.02.014

王玉田(1972-)，男，博士(后)，高級實驗師，主要從事結(jié)構(gòu)檢測評估與加固技術(shù)研究，(E-mail)wyt-wkl@163.com。

Foundation item：Key Project of International Cooperation from National Science Foundation of China(No.51420105015);Joint Basic Research Project Fund Plan of Qingdao(No.13-1-4-115-jch)

TU528. 572

A

1674-4764(2015)02-0085-07

Received：2014-08-06

Author brief：Wang Yutian(1972- ), PhD,senior experimentalist, main research interests:structural testing evaluation and reinforcement technology，(E-mail)wyt-wkl@163.com.