碳纖維布與高溫后混凝土界面粘結(jié)性能統(tǒng)計(jì)分析★

談明睿 蔣承林 恩宏遠(yuǎn) 高恒磊 焦小軍

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026)

1 概述

據(jù)消防救援局相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2019年全國(guó)接報(bào)火災(zāi)23.3萬起，其中大部分都是建筑火災(zāi)，而在所有建筑結(jié)構(gòu)中，混凝土結(jié)構(gòu)占有較大比重，在服役期內(nèi)面臨火災(zāi)的威脅。火災(zāi)發(fā)生后，混凝土強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一定程度劣化，采用碳纖維布(Carbon Fiber Reinforced Plastics,簡(jiǎn)稱CFRP)針對(duì)部分受損嚴(yán)重的混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固修復(fù)已得到較為廣泛的應(yīng)用[1]。CFRP布與高溫后混凝土界面的粘結(jié)性能好壞是影響加固效果的關(guān)鍵問題，部分學(xué)者借助單剪和雙剪試驗(yàn)對(duì)CFRP與高溫后混凝土的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，本文擬針對(duì)現(xiàn)有部分研究成果進(jìn)行整理分析，總結(jié)CFRP—高溫后混凝土界面剪切粘結(jié)強(qiáng)度隨粘結(jié)長(zhǎng)度、粘結(jié)寬度和受火溫度的變化規(guī)律，為今后進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作提供參考。

2 CFRP與高溫后混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度研究

根據(jù)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的整理，CFRP與高溫后普通混凝土粘結(jié)抗剪性能的試驗(yàn)加載方式主要有單剪(如圖1所示)和雙剪(如圖2所示)兩種，影響CFRP與高溫后混凝土粘結(jié)抗剪強(qiáng)度的主要因素有粘結(jié)長(zhǎng)度、粘結(jié)寬度和受火溫度等。本文擬針對(duì)現(xiàn)有已開展的CFRP與高溫后普通混凝土粘結(jié)抗剪性能試驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，建立剪切強(qiáng)度比(τ/τ0)與粘結(jié)長(zhǎng)度、粘結(jié)寬度和受火溫度的關(guān)系。

2.1 粘結(jié)長(zhǎng)度

現(xiàn)有眾多針對(duì)FRP—普通混凝土界面粘結(jié)性能開展的剪切試驗(yàn)成果[2-4]表明：隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加，試件破壞時(shí)的極限荷載(F)和極限位移均有所增加；但粘結(jié)極限荷載不會(huì)隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加而持續(xù)提高，當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度超過某一界限值時(shí)，極限荷載趨于穩(wěn)定后不再增長(zhǎng)，說明FRP—混凝土界面之間存在有效粘結(jié)長(zhǎng)度。依據(jù)現(xiàn)有研究成果準(zhǔn)確建立界面高溫后粘結(jié)剪切強(qiáng)度在粘結(jié)長(zhǎng)度范圍內(nèi)的分布規(guī)律仍有一定困難，本文依據(jù)文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]不同受火溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)剪切強(qiáng)度比和粘結(jié)長(zhǎng)度的關(guān)系進(jìn)行了初步統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。分析選取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)FRP粘結(jié)寬度均為50 mm，試件受火溫度為20 ℃,300 ℃和500 ℃。由圖3可以看出，不同溫度條件下的剪切強(qiáng)度比隨粘結(jié)長(zhǎng)度的增加均出現(xiàn)持續(xù)下降，當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度超過100 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度比的下降速率隨粘結(jié)長(zhǎng)度增加而趨于平緩。當(dāng)T=300 ℃時(shí)剪切強(qiáng)度比下降最多，在T=500 ℃時(shí)，剪切強(qiáng)度比下降幅度有所回升。

2.2 粘結(jié)寬度

針對(duì)文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[7]中的剪切強(qiáng)度比與粘結(jié)寬度的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。由于相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)采用的粘結(jié)寬度不同，文獻(xiàn)[5]中τ0取值為粘結(jié)寬度等于50 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的τ值，文獻(xiàn)[7]中τ0取值為粘結(jié)寬度等于30 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的τ值，統(tǒng)計(jì)的粘結(jié)長(zhǎng)度范圍為130 mm～200 mm，試件受火溫度分別為20 ℃,300 ℃和500 ℃。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：當(dāng)FRP布粘結(jié)寬度不超過100 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度比隨FRP粘結(jié)寬度有所降低，下降幅度為25%，當(dāng)FRP粘結(jié)寬度超過100 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度比隨FRP粘結(jié)寬度變化趨于穩(wěn)定。

2.3 受火溫度

現(xiàn)有研究成果表明，高溫作用后混凝土—CFRP界面粘結(jié)剪切強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)較為明顯降低，依據(jù)文獻(xiàn)[5]～[7]試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)剪切強(qiáng)度比與受火溫度的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。統(tǒng)計(jì)選取的數(shù)據(jù)受火溫度范圍為20 ℃～600 ℃，粘結(jié)長(zhǎng)度范圍為80 mm～200 mm。粘結(jié)用膠為碳纖維膠和環(huán)氧樹脂膠，抗拉強(qiáng)度分別為30 MPa和47.3 MPa，試件均采用自然冷卻的方式，恒溫時(shí)間為2 h～6 h，CFRP外包層數(shù)為一層。圖5曲線趨勢(shì)表明：隨著溫度不斷升高，剪切強(qiáng)度比有先升后降的趨勢(shì)，峰值強(qiáng)度比溫度區(qū)間為280 ℃～320 ℃；在20 ℃～300 ℃區(qū)間內(nèi)，剪切粘結(jié)強(qiáng)度略有升高，提高幅度為5%；在300 ℃～600 ℃區(qū)間內(nèi)，剪切粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，下降幅度為27%。

依據(jù)圖5相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)剪切強(qiáng)度比隨溫度變化進(jìn)行曲線擬合，方程式為：

τ/τ0=0.000 171 993T+0.998 19 (20 ℃≤T<314 ℃)。

τ/τ0=-0.001 12T+1.403 87 (314 ℃≤T<600 ℃)。

其中，τ/τ0為剪切強(qiáng)度比；τ為受火溫度為T時(shí)計(jì)算得到的剪切強(qiáng)度；τ0為受火溫度為T=20 ℃時(shí)(常溫)計(jì)算得到的剪切強(qiáng)度；T為混凝土試件表面受火溫度。

2.4 其他因素

CFRP與高溫后混凝土的粘結(jié)性能還受其他因素的影響，如冷卻方式[8]、CFRP層數(shù)、環(huán)氧樹脂膠種類和高溫后混凝土表面處理方式、混凝土表面粗糙度等等。FRP—高溫后混凝土的粘結(jié)性能影響因素眾多，由于現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，尚難以進(jìn)一步展開統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)論

1)不同溫度條件下的剪切強(qiáng)度比隨粘結(jié)長(zhǎng)度的增加均出現(xiàn)持續(xù)下降，當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度超過100 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度比的下降速率隨粘結(jié)長(zhǎng)度增加而趨于平緩。當(dāng)T=300 ℃時(shí)剪切強(qiáng)度比下降最多，在T=500 ℃時(shí)，剪切強(qiáng)度比下降幅度有所回升。

2)當(dāng)FRP布粘結(jié)寬度不超過100 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度比隨FRP粘結(jié)寬度有所降低，下降幅度為25%，當(dāng)FRP粘結(jié)寬度超過100 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度比隨FRP粘結(jié)寬度變化趨于穩(wěn)定。

3)隨著溫度不斷升高，剪切強(qiáng)度比有先升后降的趨勢(shì)，峰值強(qiáng)度比溫度區(qū)間為280 ℃～320 ℃；在20 ℃～300 ℃區(qū)間內(nèi)，剪切粘結(jié)強(qiáng)度略有升高，提高幅度為5%；在300 ℃～600 ℃區(qū)間內(nèi)，剪切粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，下降幅度為27%，由于統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，剪切強(qiáng)度計(jì)算公式的準(zhǔn)確性還有待于相關(guān)試驗(yàn)的進(jìn)一步證實(shí)。