凍融環(huán)境下CFRP-粘土磚抗剪性能試驗研究

郭樂樂，靳文強,2，張家瑋，王 琦，趙建昌,2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室， 蘭州 730070;3.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

0 引 言

碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)由于具有重量輕、體積小、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，不僅被用于混凝土的加固，也被廣泛應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)的加固。然而，目前國內(nèi)外對CFRP加固結(jié)構(gòu)的研究主要圍繞混凝土結(jié)構(gòu)開展，只有少數(shù)的試驗研究[1-4]涉及砌體結(jié)構(gòu)，對于CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下耐久性問題的研究更為鮮少[5-6]。因此，十分有必要對CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)的耐久性能進行研究。

凍融作用對建筑結(jié)構(gòu)有嚴重的威脅。凍融可以使服役于寒冷地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)受到不同程度的侵蝕，在影響建筑的外觀的同時，會加速結(jié)構(gòu)老化的進程，降低結(jié)構(gòu)的安全性，給國民經(jīng)濟帶來損失，也會對使用CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的效果產(chǎn)生影響。因而在采用CFRP對砌體結(jié)構(gòu)進行加固時，必須同時考慮凍融循環(huán)對CFRP加固砌體結(jié)構(gòu)的影響。CFRP與砌體材料的粘結(jié)性能是影響外貼CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)的主要因素之一。在現(xiàn)有研究中對CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)的抗凍融性能研究甚少的背景下，本文結(jié)合凍融對CFRP-混凝土界面性能影響方面的研究成果[7-9]，參照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》[10]，通過加速凍融試驗，利用單剪試驗，研究了CFRP-燒結(jié)粘土磚界面粘結(jié)性能退化規(guī)律，為凍融環(huán)境下使用CFRP加固粘土磚砌體結(jié)構(gòu)提供參考和依據(jù)。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗材料包括燒結(jié)粘土磚、碳纖維布和粘結(jié)樹脂。燒結(jié)粘土磚采用的是從既有建筑拆除的、表面平整、無明顯裂紋并且邊角完整的粘土紅磚，其大小尺寸平均值為235 mm×115 mm×55 mm。經(jīng)測定這些粘土磚的抗壓強度平均值為9.28 MPa，吸水率約為17.58%，平均密度約為1 700 kg/m3。試驗采用的碳纖維布和粘結(jié)樹脂均由上海生產(chǎn)，其性能分別見表1和表2。

表1 碳纖維布主要性能參數(shù)Table 1 Main properties of carbon fiber reinforced polymer(CFRP)

表2 粘結(jié)樹脂主要性能參數(shù)Table 2 Main properties of impregnation resin

1.2 試件制作

制作三種試件：粘貼了碳纖維布的粘土磚、未粘貼碳纖維布的粘土磚以及碳纖維片材。粘貼了碳纖維布的粘土磚為主要試件，未粘貼碳纖維布的粘土磚試件和碳纖維片材試件主要是測試凍融對材料本身的影響。

制作主試件30個，分為6組，每組5塊。按照標準方法對粘土磚打磨光滑，按照規(guī)范程序刷膠、貼布和養(yǎng)護[11]。碳纖維布的寬度為50 mm，粘結(jié)長度為80 mm，在加載端預(yù)留30 mm非粘結(jié)區(qū)以防止端部邊界效應(yīng)[12]。

圖1 應(yīng)變片的粘貼位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pasted position of strain gauge

試驗用應(yīng)變片為箔式應(yīng)變片，在粘貼長度范圍內(nèi)沿CFRP布中線布置，在加載端懸空段10 m處貼一應(yīng)變片，用于測量非粘結(jié)段CFRP布內(nèi)的應(yīng)變。考慮自由端的應(yīng)變變化比較復(fù)雜，粘結(jié)應(yīng)力較小，應(yīng)變片在自由端加密布置，如圖1所示。

按照標準方法同時制作了未粘貼碳纖維布的粘土磚試件30個，共分為6組，每組5個，每一組試件作為對比試件隨同主試件進行相同次數(shù)的凍融循環(huán)。為測量碳纖維片材的抗拉強度、彈性模量、伸長率等參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律，按照GB/T 21490—2008《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》[13]制作了碳纖維布試件，與主試件進行相對應(yīng)的凍融次數(shù)循環(huán)試驗。

1.3 試驗環(huán)境及加載裝置

凍融循環(huán)試驗參照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》[10]中關(guān)于凍融試驗的方法進行。凍融試驗在試驗箱內(nèi)完成，每次冷凍時間是3 h，融化3 h，控制低溫(-17±2) ℃，高溫(15±2) ℃。試驗中凍融循環(huán)次數(shù)分別取0次、20次、40次、60次和80次。

通過對以前學(xué)者設(shè)計試驗裝置的優(yōu)缺點綜合考慮[14-16]，自制了一套操作簡單、傳力合理的單剪粘結(jié)試驗裝置，如圖2所示。

圖2 單剪粘結(jié)試驗裝置Fig.2 Single shear test device

采用濟南恒思盛大儀器有限公司生產(chǎn)的WDW-50微機控制電子萬能試驗機進行加載，通過電腦控制加載速度，由荷載傳感器輸出CFRP與粘土磚的粘結(jié)荷載，CFRP的應(yīng)變數(shù)據(jù)通過DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集。

2 結(jié)果與討論

由于粘土磚材料的不均勻性，試驗設(shè)備、試驗技術(shù)以及粘土磚受侵蝕程度存在差異等眾多原因，試驗結(jié)果準確程度將受到一定程度的影響。故在完成的30個粘土磚試件單剪試驗中選取了20個試驗結(jié)果比較理想的試件進行分析。

2.1 試驗結(jié)果

凍融循環(huán)作用下CFRP-粘土磚粘結(jié)性能影響情況如表3所示。試件編號分別為sj-n，n為循環(huán)次數(shù)。表中給出不同循環(huán)次數(shù)下的平均破壞荷載并換算出平均粘結(jié)應(yīng)力。

表3 粘結(jié)性能試驗結(jié)果Table 3 Results of bond test

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 材料性能變化

為了準確分析凍融循環(huán)作用對CFRP-粘土磚界面粘結(jié)性能的影響，試驗首先測試了凍融循環(huán)對粘土磚、CFRP材料的影響。表4給出了不同凍融循環(huán)次數(shù)對粘土磚強度的影響情況，在不同凍融循環(huán)作用下，粘土磚抗壓強度在經(jīng)歷20次循環(huán)后略有上升，之后隨凍融循環(huán)次數(shù)增大快速下降。

表4 凍融環(huán)境對燒結(jié)粘土磚強度的影響Table 4 Effects of freeze-thaw environment on brick strength

2.2.2 未經(jīng)凍融情況下粘土磚與CFRP的粘結(jié)性能

通過觀察統(tǒng)計，試驗中試件破壞主要有4種情況。第一種情況為粘土磚發(fā)生剪切破壞，其破壞特征為CFRP片材拉下一層磚塊，嚴重者可以拉下大塊磚體，粘土磚表面出現(xiàn)裂縫，嚴重時磚體斷裂，如圖3(a)所示。第二種情況為樹脂膠與粘土磚的界面粘結(jié)破壞，破壞特征為CFRP片材上粘有零散混凝土顆粒，粘土磚表面平整，如圖3(b)所示。第三種情況為纖維布與磚體粘結(jié)尚未破壞的情況下粘土磚被直接拉斷。第四種情況為纖維布被直接拉斷。第三、四種情況為異常破壞，不再討論，本文只探討前兩種情況。

凍融循環(huán)0次、20次的試件，其破壞均發(fā)生在粘土磚層，均為剪切破壞。凍融循環(huán)40次的試件中多數(shù)破壞為膠層與粘土磚界面之間的粘結(jié)破壞，但CFRP片材上零散的部位已經(jīng)露出膠層，粘土磚表面裂縫淺而稀少，而少量試件仍發(fā)生剪切破壞，凍融循環(huán)60次、80次的試件均發(fā)生粘結(jié)破壞；說明在40次凍融作用下膠層-粘土磚粘結(jié)性能受凍融影響開始退化，破壞方式開始由剪切破壞變?yōu)檎辰Y(jié)破壞。可以得出結(jié)論，隨著凍融次數(shù)的增加，CFRP-粘土磚界面粘結(jié)性能發(fā)生快速退化，導(dǎo)致破壞方式由粘土磚層的剪切破壞逐漸變?yōu)镃FRP與粘土磚界面的粘結(jié)破壞。

圖3 試件的破壞形式
Fig.3 Failure form of specimen

2.3 凍融對CFRP-粘土磚界面粘結(jié)強度的影響

試驗采用的是粘貼纖維布后進行凍融試驗，因此粘土磚與CFRP之間的界面都受到凍融循環(huán)的作用。通過應(yīng)變片測出CFRP布上的應(yīng)變分布情況，通過觀察發(fā)現(xiàn)，試驗中不同循環(huán)次數(shù)下試件的應(yīng)變變化規(guī)律相近，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)變變化趨勢更加明顯。

圖4為未經(jīng)凍融循環(huán)和經(jīng)歷凍融循環(huán)60次的試件在逐級加載過程中各個應(yīng)變測點的纖維應(yīng)變值以及應(yīng)變分布形狀隨荷載變化的增長規(guī)律。由圖4可見纖維布的應(yīng)變分布不均勻。在整個加載過程中，距離加載端較近范圍內(nèi)的纖維應(yīng)變值較大，距離加載端較遠區(qū)域的應(yīng)變值逐漸減小。當距離加載端達到80 mm以上時應(yīng)變趨近于零；同時隨著荷載的增加，加載端附近區(qū)域應(yīng)變增長較快，兩測點間之間應(yīng)變的斜率逐漸增大，當荷載增加到一定值時斜率趨近于0，而自由端區(qū)域的應(yīng)變增長較慢，其斜率雖有增長但幅度不大。兩測點間之間應(yīng)變的斜率相同意味著加載端纖維產(chǎn)生剝離，荷載通過剩余粘結(jié)部分傳遞，當能量被耗盡時，試件宣告破壞。

圖4 凍融0次和60次的試件在荷載逐級加載過程中CFRP應(yīng)變分布規(guī)律
Fig.4 CFRP strain distribution of specimens with 0 and 60 times of freeze-thaw cycles during the step by step loading process

圖5為不同凍融循環(huán)次數(shù)下的最大應(yīng)變分布曲線。由圖5可知，在極限荷載作用下，加載端區(qū)域的應(yīng)變基本保持水平狀態(tài)，粘結(jié)長度范圍內(nèi)測點的應(yīng)變值隨凍融次數(shù)的增加逐漸減小，說明隨著凍融次數(shù)的增加，纖維布和粘土磚之間的粘結(jié)力在逐漸減小，在低應(yīng)力狀態(tài)下就開始剝離。

為了形象描述應(yīng)變分布規(guī)律變化，采用非線性公式(1)[17]對0、40和80次的結(jié)果進行擬合，擬合結(jié)果與試驗結(jié)果如圖6所示。

(1)

式中：ε(x)為距加載端x處的應(yīng)變值；x表示距自由端的距離；ε0，x0，α，β是根據(jù)已有數(shù)據(jù)通過擬合確定的參數(shù)。

圖5 凍融循環(huán)0～80次應(yīng)變分布曲線
Fig.5 0-80 times freeze-thaw cycles strain distribution curves

圖6 0、40、80次凍融循環(huán)應(yīng)變擬合曲線
Fig.6 0, 40, 80 times freeze-thaw cycles strain fitting curves

通過擬合結(jié)果可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，無論是加載端和自由端，其應(yīng)變水平段的長度均在增加，說明當達到極限荷載后，剝離區(qū)域的長度隨著凍融循環(huán)的次數(shù)增而增加，有效的粘結(jié)區(qū)域向自由端方向平行移動，試件在凍融作用下，界面的粘結(jié)力在逐漸減小。可以看出，在凍融環(huán)境下CFRP-粘土磚界面粘結(jié)性能受凍融循環(huán)影響，且隨著凍融次數(shù)的增加，界面粘結(jié)性能退化的速度越來越快。

2.4 界面荷載-滑移曲線

圖7 凍融循環(huán)對粘結(jié)-滑移的影響Fig.7 Effect of freeze-thaw cycle on bond-slip

為得到CFRP-粘土磚界面的荷載-滑移曲線，利用差分法，結(jié)合公式(2)、(3)[18]及試驗數(shù)據(jù)進行計算。

si+1=si+δi+1

(2)

(3)

式中：si+1、si分別表示第i+1和第i個點的滑移量；εi表示CFRP片材第i個測點的應(yīng)變；δi+1、δi分別表示第i+1和第i個點的伸長量；li,i+1表示第i個測點與第i+1個測點之間的距離。

假定粘土磚與CFRP片材在自由端的相對滑移δ0=0，可以得出其他各點的荷載-滑移曲線。圖7為距離加載端計算所得的荷載滑移曲線，由圖可見，荷載滑移曲線在凍融初期性能沒有明顯退化，隨著凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，加載端的滑移在同一荷載下逐漸增大，而極限荷載呈下降趨勢。可見，凍融循環(huán)對粘結(jié)性能是有影響的。

3 粘結(jié)強度退化模型

圖7為通過試驗得出的CFRP-粘土磚界面荷載滑移關(guān)系曲線。由圖7可知，達到極限荷載時，CFRP-粘土磚粘結(jié)滑移曲線由上升段和水平段組成，呈現(xiàn)出明顯的非線性特點。在上升段，加載初期剛度較大，剛度隨著滑移的增大而減小，到最大剪應(yīng)力時剛度下降為0；在水平段，在荷載不變的情況下，滑移還在繼續(xù)增加，加載端粘結(jié)剪應(yīng)力隨著滑移的增大，逐步減小到0，剪應(yīng)力向后傳遞。

研究表明[19]，F(xiàn)RP-磚界面剝離承載力和粘結(jié)膠系數(shù)、FRP與粘土磚寬度之比、FRP的粘結(jié)長度(mm)、FRP的彈性模量(MPa)、FRP的厚度(mm)以及磚的抗壓強度(MPa)等因素有關(guān)，如公式(4)所示。

(4)

式中，ks為粘結(jié)膠系數(shù)，取1.0；kw為CFRP與粘土磚寬度之比，取值為50/115=0.435；kl為待定常數(shù)，取值為2.2；lf為CFRP的粘結(jié)長度(mm)；Ef為CFRP的彈性模量(MPa)；tf為CFRP的厚度(mm)；fb為磚的抗壓強度(MPa)。

該表達式是在不考慮凍融作用的情況下推導(dǎo)獲得的，而在凍融環(huán)境下，相關(guān)材料的力學(xué)性能隨著凍融時間的延長而出現(xiàn)退化，該表達式不能準確表示CFRP-粘土磚界面的力學(xué)性能。為此引入凍融循環(huán)影響系數(shù)kd，給出一種考慮凍融循環(huán)作用下界面單剪強度預(yù)測模型。

(5)

圖8 界面剝離承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.8 Change curve of interfacial peeling capacity with freeze-thaw cycles

為了更直觀地反映粘結(jié)強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況，對不同循環(huán)下粘結(jié)強度的平均值以室溫下對比組試件的粘結(jié)強度平均值做歸一化處理，并按照公式(5)進行擬合，經(jīng)擬合得到的凍融循環(huán)影響系數(shù)kd的表達式為:

kd=e-0.000 092x2+0.002 03x-0.008 68

(6)

式中：x為循環(huán)次數(shù)。

界面剝離承載力隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的變化曲線如圖8所示。

從圖8的曲線可以看出：經(jīng)擬合得到的數(shù)值與試驗值的相關(guān)系數(shù)約為0.995，預(yù)測模型計算值與試驗值基本吻合，預(yù)測模型能較好的反映CFRP-粘土磚界面隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的退化規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1)凍融循壞作用下，粘土磚的抗壓強度出現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強度受到的影響越來越顯著。

(2)凍融循環(huán)對CFRP-粘土磚初始剝離荷載、極限荷載均有較大影響，其數(shù)值均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。

(3)凍融循環(huán)對CFRP-粘土磚界面性能造成顯著的損傷，端部荷載滑移等參數(shù)均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。

(4)建立了凍融循環(huán)作用下CFRP-粘土磚界面荷載滑移退化模型，模型預(yù)測值與試驗值吻合較好。