鋁合金板混凝土界面的粘結滑移性能及其本構關系

姜德文 黃海林 劉光偉 張明亮 黃曙

摘要：鋁合金板具有輕質高強、耐腐蝕性和延展性好等優點，是復雜惡劣環境中加固混凝土結構的理想材料。基于雙剪試驗進行鋁合金混凝土界面粘結滑移性能研究，完成了45個構件的雙面純剪試驗，得到了其破壞形態、荷載應變關系曲線、粘結界面剪應力分布曲線、荷載滑移關系曲線以及界面極限承載力，分析了不同的混凝土強度等級、鋁合金板表面粗糙度、鋁合金板粘結長度和粘結寬度條件下界面粘結滑移性能的演化規律。研究表明：加載過程中，界面應力從加載端向自由端逐步傳遞，且隨著混凝土強度等級、鋁合金板的粘結長度和寬度的增加，試件的剝離承載力也有所提高。但鋁合金的粘結長度存在一個有效粘結長度值，超過該值試件的剝離承載力將不再增加，同時，鋁合金表面粗糙度對試件剝離承載力的提高沒有實質影響。通過測量鋁合金板的應變得到了不同參數條件下鋁合金板混凝土粘結滑移本構曲線，結果表明：鋁合金板混凝土粘結滑移本構曲線存在明顯的界面軟化特征和非線性行為。

關鍵詞：鋁合金板;雙剪試驗;粘結滑移;剝離承載力

中圖分類號：TU746.3 文獻標志碼：A 文章編號：20966717（2020）03008010

Abstract：

Aluminum alloy plate has the advantages of light weight， high strength， corrosion resistance and good extensibility. It is an ideal material for strengthening concrete structure in complex and harsh environment. In this paper， the study of bondslip behavior of aluminum alloycontrete interface was carried out by conducting doublesided pure shear tests on 45 members. The failure form， loadstrain relationship curve， bond interface shear stress distribution curve， loadslip relationship curve and interfacial ultimate bearing capacity were obtained. The evolution of interfacial bondslip behavior under different concrete strength grades， surface roughness of aluminum alloy plate， bond length and bond width of aluminum alloy plate were analyzed. The results show that the interfacial stress is gradually transferred from the loading end to the free end during loading. With the increase of the strength grade of concrete， and the length/width of bonding interface， the peeling capacity of the specimen is improved. But there is an effective bond length value for the aluminum alloy， beyond which the peeling bearing capacity of the specimen will not increase. Meanwhile， the surface roughness of the aluminum alloy has no substantial effect on the peeling bearing capacity of the specimen. By measuring the strain of aluminum alloy plate， the bond slip test curve of aluminum alloy plate and concrete under different parameters was obtained. The results show that the curve is of obvious interfacial softening characteristics and nonlinear behavior， which can be used to guide the actual engineering design of aluminum alloy plate reinforced concrete.

Keywords：aluminum alloy plate; double shear test; bondslip; peeling capacity

隨著時代的發展和時間的推移，有相當一部分建筑物會因為使用功能改變、材料性能劣化、結構或構件損傷造成房屋結構性能下降，因此，混凝土結構修復和加固技術變得越來越重要。外粘金屬、復合材料板材或者片材增強混凝土結構或構件是目前常見的加固方法[15]。同時，鋼材和FRP是使用最廣泛的兩種加固材料，鋼材強度高、延展性好，但耐腐蝕性差;FRP材料具有輕質高強、耐腐蝕性強的優點，但延展性差，明顯呈脆性材料特征[69];鋁合金材料耐腐蝕性好、延展性好，克服了鋼材和FRP的材料缺點，是工程結構加固材料領域很有前景的材料。學者圍繞鋁合金加固混凝土結構的受力性能做了大量研究[1011]，文獻[12]采用外部粘貼鋁合金條帶的方式來增強混凝土梁的抗剪能力，提出了外粘鋁合金條帶混凝土梁的抗剪加固計算公式;文獻[13]提出了鋁混凝土組合梁承載力和剛度的數值分析模型;文獻[14]為了研究鋁合金和碳環氧樹脂復合材料的粘結界面行為，使用有限元方法模擬了界面粘結破壞過程，結果表明，界面粘結強度和失效模式很大程度上取決于粘結劑。文獻[1516]通過單剪試驗研究了混凝土強度、鋁合金板寬度和厚度、粘結長度等因素對鋁合金板與混凝土界面性能的影響，

2.3粘結界面剪應力分析

根據鋁合金板上應變片的布置方案，可選取相鄰兩個應變片之間的鋁合金板作為單元體，通過分析該單元體力的平衡方程，可以得到：鋁合金板拉力差由粘結界面剪應力的合力來平衡。其中，鋁合金板粘結界面剪應力可通過相鄰測點的應變進行計算。根據以上方法，繪制不同試件界面剪應力的演化規律如圖7所示。其中，橫坐標表示距混凝土加載端距離，縱坐標表示界面上的剪應力。

加載初期，局部粘結剪應力主要分布在加載端附近區域。剪應力分布曲線大致為拋物線，且拋物線的最高點隨著荷載的增加，不斷向自由端轉移，說明隨著荷載的增加，加載端界面剪應力快速增長，并不斷向自由端轉移，當加載端附近剪應力減少至0時，表明界面開始剝離，直到界面完全剝離失效。在極限狀態時，最大粘結剪應力一般情況下均出現在距離加載端60～80 mm的位置，其值一般約為5～10 MPa。而圖7（b）對應的極限剝離承載力較小且峰值剪應力值沒有傳遞過程就發生剝離破壞，這是因為在調制結構膠的過程中會產生氣泡和缺陷，導致界面出現應力集中，使得鋁合金提前發生剝離。試驗數據表明;粘結長度越長，其峰值剪應力越高，剪應力開始由加載端向自由端傳遞的速度越慢;混凝土強度等級越高，峰值剪應力值越高，剪應力開始由加載端向自由端傳遞的速度越快;粘結寬度越寬，其對峰值剪應力沒有太大影響，剪應力開始由加載端向自由端傳遞的速度越快;同時G、B類試件的峰值剪應力比N類試件要高，分析其原因，可能是在截面削弱處產生應力集中，剪應力開始由加載端向自由端傳遞的速度要慢。

2.4荷載滑移關系曲線

試驗通過在鋁合金板加載端與自由端設置WY系列位移傳感器的方法來測量相對滑移。相對滑移值反映了在加載過程中鋁合金板與混凝土之間的位移差值，也間接反映了界面的粘結剛度。由試驗結果可知，在整個加載過程中，各試件的鋁合金板/混凝土界面自由端相對滑移幾乎為0，可以忽略不計，因此，僅考慮鋁合金板/混凝土在加載端的相對滑移。典型試件在加載端鋁合金板與混凝土之間的荷載滑移曲線如圖8所示。由圖8可以看出，荷載滑移曲線大致呈現出相同的規律：1）線性增長階段，滑移隨荷載的增長呈線性增長，此時界面3種材料共同工作、協同變形;2）快速增長階段，滑移隨著荷載的增加出現非線性增長，界面開始出現損傷，界面剛度變弱;3）失穩增長階段，加載端界面開始剝離，此時，荷載不增加但滑移會迅速增長。

圖9給出了4種不同參數影響下的荷載滑移關系曲線對比圖。由圖9（a）可知，經過表面粗糙度加工處理后的G、B類試件相比N類試件相對滑移還有一定程度的增加，可能是表面加工處理后試件截面剛度會降低，且界面受力時更容易出現應力集中現象，導致剪應力值較大的截面過早出現損傷軟化，因此，界面的粘結剛度會變弱。由圖9（b）可知，混凝土強度等級越高，其界面粘結剛度越大，相對滑

移值越小，這是因為混凝土強度等級越高，混凝土表面抗拉強度越大，混凝土、結構膠與鋁合金板三者之間的共同相互作用增強，導致粘結界面的剛度變大，滑移值變小。由圖9（c）可知，粘結寬度越寬的試件，界面粘結剛度越大，相對滑移值越小，達到極限荷載時的滑移值越大。由圖9（d）可知，粘結長度對試件的初始粘結剛度并沒有太大影響，初始曲線斜率基本保持一致。在加載后期，有效粘結長度范圍內，粘結長度越短的試件應力傳遞速度更快，界面損傷更快發生，界面粘結剛度下降更快，導致在相同荷載作用下滑移值最大。粘結長度越長的試件，破壞時的滑移值越大。

2.5界面極限承載力

表2給出了各試件的極限承載力、界面平均粘結強度的具體試驗結果，為了能直觀觀察出不同參數下的極限承載力規律，分別繪出不同參數下的極限承載力柱狀圖，見圖10。由圖10可知，當混凝土強度等級為C40，對于N類，當粘結長度為170 mm時，試件的極限承載力較120 mm時提高了10.4%;當粘結長度為220 mm時，試件的極限承載力較170 mm時提高了22.3%。但G、B類鋁合金板相對于N類鋁合金板，其極限承載力并沒有提高。鋁合金板的粘結承載力會隨著粘結寬度的增加而增加，當試件類型為G類，混凝土強度等級為C40，粘結長度為220 mm時，粘結寬度為75 mm的試件比粘結寬度為50 mm的試件承載力提高了69.8%，粘結寬度為100 mm的試件比粘結寬度為75 mm的試件承載力提高了25.5%。

由圖10（c）可知，當試件類型為G類，鋁合金板寬為75 mm時，粘結長度為120 mm的C40試件比C30試件極限承載力提高了35.2%，粘結長度為170 mm的C40試件比C30試件極限承載力提高了14.1%，粘結長度為220 mm的C40試件比C30試件極限承載力提高了5.7%，表明隨著混凝土的強度等級增加，鋁合金板的粘結強度也會增加。

由試驗結果可知，試件的極限荷載會隨著鋁合金板的粘結長度和寬度以及混凝土的強度等級的增加而增加，而增加鋁合金板表面粗糙度并未達到試驗預期效果，沒有隨著刻痕而增加界面的極限承載力，分析原因，可能是對鋁合金板表面做的處理雖然增加了粘膠面積和化學膠結力，但截面削弱處更容易產生應力集中現象，使應力最大處界面過早軟化，在此處首先產生滑移，界面粘結強度降低，使試件承載力降低。

3鋁合金板混凝土界面粘結滑移本構關系

鋁合金板混凝土的界面粘結滑移本構曲線是鋁合金板加固混凝土結構受力分析的基礎，為了得到鋁合金混凝土界面粘結滑移本構曲線，需要獲得鋁合金界面某點的剪應力和滑移量。常用的方法是通過沿粘結長度方向在鋁合金板上粘貼應變片，根據相鄰應變片的讀數計算出局部粘結剪應力，再利用應變片的讀數采用疊加的方法得到局部滑移量的大小，進而求得界面的粘結滑移關系試驗曲線，圖11為鋁合金混凝土界面受力示意圖。

由試驗數據可知，鋁合金板混凝土界面粘結呈現明顯的非線性和界面軟化行為，其中，0→τcr為直線上升段，此時，界面的粘結主要由結構膠的化學膠結力提供，滑移較小，可認為荷載產生的位移可恢復。τca→τmax段為曲線上升段，粘結界面的初始缺陷在應力集中的作用下開始擴展，削弱了界面粘結剛度。τmax→τΓ段為曲線下降段，當滑移值到s0、界面應力達到峰值，曲線開始進入下降段，此時，界面出現損傷，不能承擔粘結區段釋放的剪應力，承載力下降，卸載后界面的粘結剛度不可恢復。τΓ→∞段為平穩段，此階段曲線接近于水平線，界面粘結應力幾乎為零，此時，界面發生剝離。

4結論

1）鋁合金板混凝土雙剪試驗的破壞位置主要發生在鋁合金板和混凝土之間的膠層界面，并且破壞形態分為剝離和分層兩種，破壞前構件沒有明顯征兆，屬于脆性破壞。

2）鋁合金板混凝土界面的受力過程是界面應力逐步從加載端向自由端傳遞的過程，且從應力傳遞區域來看，各試件均存在一個有效粘結長度值，超過該值應力即不再進行傳遞。

3）不同參數條件對試件界面應力的影響：粘結長度越短、粘結寬度越小、混凝土強度等級越低的試件界面應力傳遞速度越快;不同表面粗糙度的試件應變分布曲線規律基本保持一致，且應變大小也基本相同，說明鋁合金板表面處理對試件應變分布、承載力的提高并沒有實質影響。

4）不同參數條件對試件加載端與自由端相對滑移的影響：提高混凝土強度等級、增加粘結寬度，可以增加界面粘結剛度，從而使得界面相對滑移較小;粘結長度對界面粘結剛度沒有太大影響，但可以增加試件的延性;對于表面粗糙度不同的試件，N類表面粘結剛度最大，G類次之，B類最小。

5）不同參數條件對試件剝離承載力和粘結強度的影響：增加粘結長度、粘結寬度、提高混凝土強度等級能夠提高試件剝離承載力，尤以粘結寬度影響最為顯著，而鋁合金表面處理對剝離承載力并沒有實質影響;增加粘結長度，粘結強度有所降低，粘結寬度和鋁合金板板表面處理對粘結強度影響不大，提高混凝土強度等級，粘結強度增加。

6）通過測量鋁合金板的應變得到了不同參數條件下鋁合金板混凝土界面粘結滑移試驗曲線，該曲線存在明顯的界面軟化特征和非線性行為。參考文獻：

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（編輯胡玲）