循環荷載作用下CFRP-混凝土界面粘結-滑移關系研究

王富羚，王玉田，姜福香,2，趙瑩瑩

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.山東省高等學校藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，山東 青島 266033；3.東營市公路勘察設計院有限公司，山東 東營 257091)

碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)具有輕質高強、良好的耐久性和抗疲勞性等優點，因此，在結構加固領域得到了廣泛的應用[1-2].CFRP加固技術是通過界面粘結應力來實現混凝土與CFRP之間荷載的傳遞，從而提高混凝土結構的承載能力.界面的粘結性能直接影響CFRP與混凝土之間應力傳遞的有效性.

為了描述界面破壞的機理，各國的研究者基于試驗研究、斷裂力學及損傷力學和半經驗等方法，提出了靜載作用下CFRP-混凝土界面粘結-滑移本構模型[3-8]，典型的包括單線性模型[4]、雙曲線模型[5]、雙線性模型[6-7]和Popovics模型[8]等.但是，許多實際的CFRP加固結構，如公路和鐵路橋梁，在其服役期間除了承受靜載外，還長期處于循環荷載作用下.加固結構破壞形式通常不是CFRP片材被拉斷，而是沿界面發生剝離破壞，破壞前無明顯征兆，且疲勞破壞時的荷載往往低于靜載下的極限荷載，屬于脆性破壞，難以察覺，具有更大的危害性[9].因此，國內外許多學者對循環荷載下CFRP-混凝土界面性能開展了研究，主要集中在疲勞壽命[10-11]、疲勞裂紋擴展行為[12-13]以及疲勞粘結-滑移關系[14-15]等方面.循環荷載應力水平的不同對界面粘結-滑移性能的影響顯著.但關于應力水平對粘結-滑移曲線影響的研究不多.

本文對6組(18個)雙剪試件進行了靜載及不同應力水平下的疲勞試驗，研究界面的應變和端部滑移變化規律，以及不同應力水平對粘結-滑移關系曲線的影響.

1 雙剪試驗方案

1.1 材料

(1)混凝土原材料及配合比

試驗采用混凝土的配合比見表1，試驗結果顯示混凝土28 d立方體抗壓強度為55.09 MPa，滿足所需混凝土強度等級的要求.

表1 混凝土配合比

(2)CFRP材料和浸漬膠及其性能指標

表2給出了CFRP材料和浸漬膠的主要性能指標.

表2 CFRP性能指標

1.2 試件設計

混凝土試件尺寸為200 mm×100 mm×100 mm，在混凝土試塊兩側粘貼CFRP片材如圖1所示，CFRP尺寸為50 mm×660 mm×0.167 mm，粘貼層數為一層，CFRP片材的粘貼范圍為150 mm×50 mm，加載端留有30 mm的非粘結長度，以避免試件邊緣破壞.

圖1 雙面剪切試件(單位mm)

為了研究CFRP-混凝土界面粘結-滑移關系，在CFRP片材表面沿中心方向粘貼電阻應變片，測點(ε1～ε6)布置如圖2所示.

圖2 應變片布置圖(單位:mm)

1.3 試驗設置及加載裝置

CFRP-混凝土界面粘結靜力試驗及疲勞試驗均在圖3所示的MTS電液伺服試驗系統上進行，采用量程為50 kN的作動器進行加載.靜力試驗加載的前10 kN采用1 kN/min的力控制，10 kN以后采用0.3 mm/min的位移控制；疲勞加載過程采用力控制模式，等幅循環加載，采用10 Hz的加載頻率，應力比(Pmax/Pmin)取0.1.

圖3 加載試驗裝置

通過靜載試驗(3個靜力加載試件)，得到界面粘結極限承載力(Pu)為19.19 kN，那么，對應最大應力水平R(Pmax/Pu)為0.45、0.55、0.65、0.75和0.85的5組(每組3個試件)循環荷載試驗的荷載最大值分別為8.55 kN、10.45 kN、12.35 kN、14.25 kN和16.15 kN.

在疲勞試驗過程中，如果試件破壞時的循環次數低于200萬次，則相應地加大數據采集密度.對經過200萬次循環荷載作用后尚未破壞的試件，分級施加靜力荷載直至破壞，以獲得界面剩余粘結承載力.

2 試驗結果及分析

2.1 界面破壞過程

2.1.1 CFRP應變變化規律

圖4給出CFRP應變值εf在不同應力水平下隨循環次數的變化規律：

(1)ε1處的應變在不同應力水平下初始加載過程中均快速增長達到峰值，說明此時加載端界面微裂紋開始萌生，直至出現裂縫，界面發生完全脫粘；

(2)ε2處應變峰值在不同應力水平下隨循環次數的增加而增大，R分別為0.45、0.55、0.65、0.75和0.85，應變峰值分別達到1 170 με、2 099 με、2 450 με、722 με和3 272 με(圖中可看出R為0.65和0.75時，此處的應變片在經歷20萬次循環次數后破壞失效)，不同應力水平下的ε2處均處于完全脫粘區域；

(3)ε3處應變在R=0.45時，無明顯起伏，說明應力傳遞區域到ε3處結束，而R為0.55、0.65和0.75時的ε3有隨荷載循環次數的增加而上升的趨勢，結合表3的剝離長度可以說明ε3處在R=0.55時處于應力傳遞區域，R為0.65和0.75時ε3處于完全脫粘區域，R=0.85時應變值一直維持在3 600με左右，處于一個平臺，說明此時界面已經脫粘，應變值已經達到峰值，不隨循環次數增長而變化；

(4)ε4處應變在R為0.45與0.55時沒有明顯波動，說明在這2個應力水平下ε4處于無應力區域，R=0.65時ε4處于應力傳遞區域，R為0.75和0.85時ε4處于完全脫粘區域；

(5)ε5處應變在R為0.45、0.55和0.65時沒有起伏，說明在這三個應力水平下，ε5處于無應力區域，R=0.75時有明顯起伏，說明ε5處于應力傳遞區域，R=0.85時應變增長到一個平臺，說明ε5處于完全脫粘區域；

(6)ε6處應變在前四個應力水平下均無明顯變化，處于無應力區域，只有在R=0.85時應變會有增長，說明此時應力傳遞區域已經趨近于自由端.

對比圖4(a)～(e)可以看出，R為0.45、0.55、0.65、0.75和0.85時，應力分別傳遞到ε3、ε4、ε5、ε6和自由端處，應力水平的提高，導致應力傳遞區域結束端點越靠近自由端.

圖4 循環荷載下CFRP應變變化

表3給出200萬次循環荷載作用后的界面剝離長度，其隨著應力水平的提高呈線性增長，通過擬合得到界面剝離長度l與應力水平R之間的關系如式(1)所示，相關系數為0.992 8.

表3 應力傳遞段及剝離長度

l=286R-114.7

(1)

依據表3繪制不同應力水平下CFRP長度方向上的應變分布示意圖如圖5.可以看出，在CFRP長度方向上的應變分布，分為三個區域：①完全脫粘區域、②應力傳遞區域、③無應力區域.隨著循環荷載應力水平的增加，完全脫粘區域變長，且應力傳遞區域逐漸靠近自由端，說明應力水平越高，界面損傷退化越明顯.

圖5 CFRP長度方向上應變分布示意圖

2.1.2 界面端部滑移變化規律

由于前4個應力水平下的試件經過200萬次循環荷載作用后未破壞，而R=0.85試件的疲勞壽命遠遠短于200萬次，考慮到疲勞壽命差距過大不利于滑移演化規律的比較，故將R=0.85試件的端部滑移量單獨畫出.圖6給出了不同應力水平下的端部滑移量隨加載次數的變化規律.由圖6可知，CFRP-混凝土界面的端部滑移量隨著循環次數增加呈上升趨勢，并且變化過程可以明顯分為兩個階段[16]：

圖6 端部滑移隨加載次數的變化

(1)端部滑移量在初期加載過程中顯著增加，為滑移的快速增長階段，界面層中最薄弱的“軟弱區”微裂紋或微孔隙逐漸開始失穩擴張，界面的粘結剪應力逐漸減小，界面裂紋開始萌生.

(2)隨后是穩定增長階段，端部滑移量緩慢增長并逐漸達到穩定，界面裂紋逐漸由加載端向自由端擴展，界面裂紋穩定發展.

可以看出，兩個階段的曲線斜率均隨應力水平的提高而增大，這是因為應力水平越高，界面疲勞損傷越快，滑移量增長速率也隨之逐漸增大，說明提高應力水平會加快界面剝離速率，降低界面疲勞壽命.

2.2 界面粘結退化

2.2.1 界面粘結承載力

前4個應力水平下的試件經過200萬次循環荷載作用后未破壞，故對試件又繼續施加靜力荷載直至剝離破壞，以研究疲勞后界面的剩余承載力.表4可以看到R為0.65和0.75的試件在經過200萬次循環荷載作用后極限承載力分別下降了20.32%和35.49%，這表示循環荷載使得界面裂紋向自由端延伸，剩余粘結長度變短，導致剩余界面粘結承載力降低，并且應力水平越高，界面剩余粘結長度就越短，界面疲勞損傷越嚴重，承載力下降幅度也越大.而R為0.45和0.55的試件的剩余承載力與靜載下的極限承載力相差無幾，是由于應力水平較低，疲勞后剩余粘結長度依然大于試件的有效粘結長度，而疲勞后的剩余承載力略大于靜載下極限承載力是由于離散性導致.

表4 試件剩余粘結長度及承載力

2.2.2 界面粘結-滑移

通過分析不同應力水平下CFRP-混凝土界面粘結滑移關系曲線，可以進一步分析應力水平對界面的剝離破壞的影響規律.

利用公式(2)對CFRP應變值進行差分計算，得到相鄰兩個應變片之間區域界面平均粘結剪應力τi，利用公式(3)對CFRP片材從自由端到某點(xi)的應變值進行積分計算得到滑移值si，這樣計算得到的結果可以看作是兩個應變片中點處界面粘結剪應力和滑移值的近似值[17].

(2)

(3)

式中，τf為某點粘結剪應力；tf、σf和Ef分別為CFRP片材厚度、橫截面應力和彈性模量；εf為CFRP片材上某點應變，si為某點的滑移量.

通過公式(2)、(3)分別將靜載和疲勞試件界面粘結-滑移(τ-s)曲線與式(4)的Popovics模型[8]進行繪制，見圖7(d表示該點到加載端的距離).

(4)

式中，τmax為最大剪應力；s0為最大剪應力對應的滑移量；a為曲線特征常數.

從圖7(a)可以看到不同位置的粘結-滑移曲線相似，并且試驗結果與現有的Popovics粘結滑-移模型吻合較好，這說明利用CFRP片材測得的應變進一步計算得到的粘結-滑移曲線是可靠的.圖7(b)中0.45應力水平循環加載的試件，觀察到加載曲線的剛度隨循環次數增加而增大，說明此時在d=36 mm處的界面仍處在彈性階段，沒有發生損傷，界面剪應力隨著循環次數的增加而增大，沒有達到峰值；而圖7(c)顯示出R=0.55時，曲線剛度先上升，此時界面處于彈性階段，而后在50萬次后剛度下降，對應此時界面出現脫粘現象；在應力水平為0.65和0.75的循環荷載作用下，粘結-滑移曲線的剛度有逐漸減小的趨勢，剛度的下降表示界面開始有損傷，并且損傷所耗散的能量將無法恢復；圖7(f)在經歷1000次循環以后，剪應力就出現了負值，這是因為在0.85應力水平下，此處的界面出現剝離，最大應變出現在未剝離的下一個測點處.對比5個應力水平的結果可以看出，應力水平的增加導致界面最大剪應力顯著增大.

圖7 靜載和疲勞試件的粘結-滑移曲線的對比

3 結論

基于雙面剪切試驗，研究了循環荷載下CFRP-混凝土界面粘結-滑移關系，分析得出以下結論：

(1)CFRP-混凝土界面粘結-滑移疲勞退化的主要影響因素有循環加載次數和循環荷載的應力水平，兩者增大均會導致界面粘結退化，且粘結退化在卸載后也不可恢復；

(2)循環荷載的應力水平越高，界面剝離長度就越長，應力傳遞區域就越靠近自由端，界面損傷就越嚴重，當R分別為0.65和0.75時，界面剩余粘結長度小于有效粘結長度，經受200萬次循環荷載作用后的界面剩余承載力較靜載下的界面極限承載力分別下降20.32%和35.49%；

(3)循環荷載作用下端部滑移的變化過程分為兩個階段即滑移量快速增長階段和滑移量穩定增長階段，兩個階段的斜率均隨應力水平的增加而增加；

(4)隨著循環荷載應力水平的增加，界面粘結-滑移曲線的最大剪應力也有所增大.