粘結長度對AFRP-混凝土界面粘結性能的影響

袁嬌嬌，林 軍，繆 云，侯新宇

(1.江蘇開放大學建筑工程學院，南京 210036;2.河海大學土木與交通學院，南京 210098)

0 引 言

纖維增強聚合物具有輕質高強、成型方便、耐腐蝕等特點，近年來已在老化損傷混凝土結構加固和修復[1-3]領域得到了廣泛應用。纖維增強聚合物是由聚合物基體和纖維材料經過一系列成型工藝制得的聚合材料。常用的纖維增強聚合物有碳纖維[4]、玻璃纖維[5]、芳綸纖維[6]、玄武巖纖維[7]等。其中，芳綸纖維(AFRP)具有良好的電絕緣性，適宜修復地鐵鐵路等對電絕緣性要求較高的結構。

纖維片材進行加固和修復時，加固和修復結構常發生剝離[8-9]破壞。剝離破壞屬于脆性破壞，破壞時纖維應變仍處于較低水平，極大降低了纖維片材加固和修復效果。因此，減少纖維片材與混凝土界面之間的剝離破壞，使纖維片材與混凝土界面之間擁有良好的粘結性能是加固修復技術的關鍵[10-11]。纖維片材與混凝土界面存在有效粘結長度[12]。實際工程加固和修復時，只有當纖維片材粘結長度大于有效粘結長度時，剝離承載力(界面粘結力)才能達到最大值。因此，研究AFRP-混凝土界面在不同粘結長度下的界面性能，求得AFRP-混凝土界面有效粘結長度范圍，具有非常重要的工程應用價值。

為了深入地了解AFRP-混凝土界面的有效粘結長度，本文依據JSC E2001規程，制作了12個試件。通過對不同粘結長度的試件進行拉伸試驗，對試驗結果進行統計分析，得到了剝離承載力和有效粘結長度的修正計算公式。

1 實 驗

1.1 試件設計與制作

試件在模板制作時，需要對左右端部模板鉆孔，模板中部插入木質隔板，隔板也需要鉆孔，3孔在一條直線上，并且孔徑均為25 mm，模板制作如圖1所示。左右兩根鋼筋分別對稱從模板端部穿入直至木隔板中部。然后澆筑混凝土，3 d后拆模，保留兩塊混凝土和中間木隔板。由于澆筑時兩根鋼筋分別插入木隔板中部，此時將兩塊混凝土和中間木隔板拼成整體，然后打磨、清理混凝土表面，在混凝土兩個相對的側面居中縱向粘貼寬度為50 mm的纖維布，錨固端長度為250 mm，加載端長度分別為50 mm、80 mm、110 mm、140 mm，如圖2所示。在試件錨固端沿著環向包裹2層以上寬度為200 mm的纖維布，確保試件剝離破壞發生在加載端，試件具體制作參考文獻[13]。由于兩根鋼筋在木隔板處斷開，實際加載時鋼筋將拉力傳遞給縱向纖維片材，纖維片材承擔拉力,兩根鋼筋均穿入木隔板中部，可以保證加載時試件始終對中，如圖1所示。

圖1 試件模板組成Fig.1 Template composition of test piece

圖2 材料粘貼Fig.2 Material paste

1.2 材料力學試驗

試驗澆筑的雙面剪切性能試件使用的是C30商品混凝土。在澆筑雙面剪切性能試件的同時，澆筑立方體標準試件(150 mm×150 mm×150 mm)，與雙面剪切性能試件在相同環境中養護，養護齡期為28 d。對立方體試件進行抗壓強度力學性能試驗，實測抗壓強度均值為32.1 MPa。纖維片材的試驗室檢測力學性能結果和出廠力學性能結果如表1、表2所示。

表1 AFRP纖維片材實驗室力學性能Table 1 Laboratory mechanical properties of AFRP fiber sheet

表2 AFRP纖維片材出廠力學性能Table 2 Factory mechanical properties of AFRP fiber sheet

1.3 試驗加載裝置設計和試驗數據采集

在試驗加載過程中，通過應變片測定AFRP纖維片材表面應變，應變片尺寸為3 mm×5 mm，間距為15 mm，如圖3所示。通過荷載傳感器測定界面剝離承載力，如圖4所示。試驗加載采用MTS動靜萬能試驗機，加載速度為0.2 mm/min，速度平緩，以便可以較好的測量AFRP表面應變。試驗數據收集采用DH3816靜態應變測試分析系統。

圖3 應變片布置Fig.3 Strain gauge arrangement

圖4 試驗加載裝置Fig.4 Test loading device

2 結果與討論

2.1 剝離承載力分析

為了保證試驗效果，混凝土需事先進行打磨，用酒精擦除表面灰塵后，再粘貼纖維片材。纖維片材與混凝土界面剝離破壞通常有兩種破壞特征：第一種是AFRP與混凝土界面發生剝離，AFRP撕開混凝土表面1～3 mm，骨料清晰可見；第二種是AFRP與環氧樹脂分離。第二種破壞往往是由于混凝土表面污損，導致環氧樹脂沒有可靠粘結。本文對12個雙面剪切試件混凝土表面進行了處理，所有試件均只發生第一種破壞。

AFRP-混凝土界面剝離承載力試驗值，如表3所示。試件L50-1中L表示長度，單位為mm，1表示試件表面粘貼應變片，2、3表示試件表面不粘應變片，用來獲取試件剝離承載力，如圖3所示。

表3 界面剝離承載力試驗值Table 3 Test value of interface peel bearing capacity

將界面剝離承載力試驗值與學者們建立的模型預測值做了比較，如表4所示。

表4 試驗平均值與理論值的對比Table 4 Comparison between test average value and theoretical value

試件L50，L80，L110，L140的平均剝離承載力分別為3 917 N，5 391 N，6 639 N和6 641 N。當增加粘結長度時，相較于L50試件，L80，L110，L140試件剝離承載力分別提高了37.6%，69.5%和69.5%。單位面積剝離承載力為平均剝離承載力除以AFRP與混凝土界面接觸面積，試件L50，L80，L110，L140的值分別為1.57 N/mm2，1.35 N/mm2，1.21 N/mm2，0.95 N/mm2。當增加粘結長度時，相較于L50試件，L80，L110和L140試件單位面積剝離承載力分別降低了14.01%，22.93%和39.49%。

Chen和Teng[14]提出了如下確定AFRP-混凝土界面剝離承載力公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Pu為剝離承載力，kN；βP為纖維片材寬度系數；βl為纖維片材長度系數；f′c是混凝土圓柱體抗壓強度，MPa，f′c的取值參考文獻[15]，f′c=0.8fcu,k;Le是有效粘結長度，mm；bP是纖維片材的寬度,mm；bc是混凝土寬度，mm；EP是纖維彈性模量，N/mm2；tP是纖維厚度，mm；L是纖維實際粘貼長度，mm。

通過對AFRP-混凝土界面剝離承載力試驗平均值和Chen-Teng模型[14]值進行比較，發現當粘結長度大于110 mm時，模型值可以很好的預測試驗平均值。相較于L110試件，L140試件剝離承載力提高不大。這是由于纖維布與混凝土之間存在有效粘結長度。由此可知AFRP纖維片材與混凝土界面之間的有效粘結長度在80～110 mm之間。

2.2 片材表面應變分析

通過在AFRP纖維片材表面中線連續等間距的粘貼應變片，可以測得應變沿AFRP長度的變化規律。圖5為不同位置處，荷載與AFRP纖維片材表面應變關系圖，橫坐標表示應變片到木隔板的距離，縱坐標表示由粘貼在AFRP表面的應變計測得的應變。

由圖5可知，試件 AFRP表面的應變隨荷載變化規律基本一致。試件L50和L80 AFRP-混凝土界面粘結長度較短，一旦加載,整個纖維都會有應變產生。試件L110和L140纖維粘結長度較長，可以觀察到，隨著荷載的增大，應變峰值向遠離木隔板處移動。當荷載較小時，靠近錨固端的AFRP應變增長迅速，遠離錨固端的AFRP應變趨向于0，AFRP與混凝土界面的傳力區域較小；當荷載增大時，AFRP應變和傳力區域不斷增大；當荷載達到極限值時，AFRP與混凝土界面的傳力區域不再增長。由圖5(d)可知，當荷載達到極限值時，剝離過程向遠離木隔板處移動。因此，相較于L110試件，L140試件雖然沒有提高剝離承載力，但是延長了剝離時間，提高了延性性能。

圖5 各級荷載下AFRP纖維片材表面應變分布Fig.5 Strain distribution on the surface of AFRP fiber sheet under various loads

2.3 粘結剪應力分析

為了測得圖6位置i處的粘結剪應力τi，需在AFRP表面盡可能多的布置應變片，如圖6所示，從距木隔板邊緣2.5 mm開始，每隔15 mm粘貼一個應變片，測得AFRP纖維片材表面應變，再通過文獻[16]中的公式求得界面上某位置i處的粘結剪應力。

圖6 AFRP-混凝土界面纖維應變的測量Fig.6 Measurement of fiber strain at AFRP-concrete interface

圖7為粘結剪應力分析圖，由圖7可知，試件 AFRP-混凝土界面局部粘結剪應力隨荷載變化規律基本一致。試件L50和L80的AFRP-混凝土界面粘結長度較短，沒有反映出粘結剪應力隨著剝離向加載端傳遞的過程，如圖7(a)和圖7(b)所示。試件L110和L140 AFRP-混凝土界面粘結長度較長，距離錨固端的纖維片材一旦與混凝土界面發生剝離，則粘結剪應力降為零,剝離過程隨著時間向加載端移動時，AFRP-混凝土界面局部粘結剪應力峰值也向著加載端移動。

圖7 粘結剪應力分析Fig.7 Bond shear stress analysis

Kasumassa等[17]認為有效粘結長度可取為粘結剪應力分析曲線上0.1倍的剪應力峰值間的距離。本文采取文獻[15]的方法得出:AFRP-混凝土界面有效粘結長度為82.4 mm。這個結果與本文剝離承載力試驗得出的有效粘結長度范圍(80～110 mm)比較接近。表明按照文獻[17]的方法計算有效粘結長度值是比較可靠的。

2.4 修正的剝離承載力模型及有效粘結長度模型

影響AFRP-混凝土界面剝離承載力模型最大的因素是Le的確定。本文先對Chen-Teng模型[14]的Le進行修正。

(5)

將本文Le=82.4 mm代入上式擬合，得到修正系數A=1.27。有效粘結長度Le試驗值與公式(5)計算值比值為0.99，變異系數為0。公式(5)能夠很好的預測芳綸纖維與混凝土界面的有效粘結長度Le。

通過對βl公示進行修正，采用分段擬合的方式，得到AFRP-混凝土界面剝離承載力公式：

(6)

(7)

其他公式與Chen-Teng模型[14]相同。

采用本文修正公式的剝離承載力計算值，如表5所示。試驗剝離承載力與修正公式剝離承載力比值平均值為1，變異系數為0，如表5所示。公式(6)及公式(7)能夠很好的預測芳綸纖維與混凝土界面的剝離承載力。

表5 試驗平均值與修正模型值的對比Table 5 Comparison between test average value and modified model value

3 結 論

(1)對于AFRP-混凝土界面剝離承載力，當增加纖維布粘結長度時，相較于L50試件，試件L80、L110、L140剝離承載力分別提高了37.6%，69.5%和69.5%,單位面積剝離承載力分別降低了14.01%，22.93%和39.49%。說明當粘結長度小于110 mm時，要提高剝離承載力可以通過增加AFRP粘結長度實現。從經濟性角度來講，纖維粘結長度大于110 mm時，對提高界面剝離承載力意義不大。

(2)通過試驗可知，當混凝土強度為C30，粘結寬度為50 mm時，AFRP-混凝土界面有效粘結長度在80 mm至110 mm之間。Kasumassa模型計算出有效粘結長度為82.4 mm。

(3)本文對試驗數據進行分析，提出了AFRP-混凝土界面修正的剝離承載力公式和修正的有效粘結長度公式。