碳纖維布與高溫后混凝土界面粘結強度分析

林燕卿

(廈門城市職業(yè)學院)

碳纖維布加固高溫后混凝土結構技術的基礎研究和工程應用[1-3]已取得一定成果，研究結果表明，采用碳纖維布加固高溫后混凝土結構的方法是可行且有效的。碳纖維布與高溫后混凝土之間的可靠粘結是兩種材料共同工作的基礎，是保證火災后加固修復效果的前提。碳纖維布與高溫后混凝土界面粘結性能研究是加固技術的基礎課題，不同受力狀態(tài)下，碳纖維布與高溫后混凝土界面的受力模式不同，界面粘結強度也不同。林燕卿[4]完成碳纖維布與高溫后混凝土界面處于正拉(垂直于粘結界面施加拉力)和單剪(平行于粘結界面施加拉力)兩種基本受力狀態(tài)下的粘結性能試驗，分析過火溫度、碳纖維布寬度及長度對粘結強度的影響。試驗表明，當施工工藝相同、施工質量有保證時，這兩種受力狀態(tài)下的粘結強度之間存在一定的相關性。因此，碳纖維布與高溫后混凝土界面粘結強度研究對碳纖維布加固火災后混凝土結構的工程設計意義重大。

1 混凝土強度

根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB50081-2002)》[5]的規(guī)定對混凝土立方體抗壓強度fcu和抗拉強度ft進行測試，具體結果見表1。

表1 混凝土力學性能及正拉粘結強度

圖1(a)給出了高溫后混凝土立方體抗拉強度與未受火的相對比值fcu(T)/fcu隨過火溫度T的變化情況。混凝土試塊經高溫加熱后，隨著過火溫度提高，混凝土立方體抗壓強度有所降低，高溫300℃、500℃后混凝土立方體抗壓強度分別降低了22.3%、39.1%。通過回歸擬合，可以得到高溫后混凝土立方體抗壓強度相對值與過火溫度的關系式可表達為：

圖1 過火溫度對混凝土力學性能的影響

圖1(b)給出了高溫后混凝土立方體抗拉強度與未受火的相對比值ft(T)/ft隨過火溫度T的變化情況。混凝土試塊經高溫加熱后，隨著過火溫度提高，混凝土立方體抗拉強度有所降低，高溫300℃、500℃后混凝土立方體抗拉強度分別降低了28.0%、43.3%。通過回歸擬合，可以得到高溫后混凝土立方體抗拉強度相對值與過火溫度的關系式可表達為：

從表1中可以看出，未受火、高溫300℃、500℃后混凝土立方體抗拉強度分別為混凝土立方體抗壓強度的10.34%、9.71%、9.63%。通過回歸擬合，可以得到高溫后混凝土立方體抗拉強度與抗壓強度的比值與過火溫度的關系式可表達為：

2 正拉粘結強度

通過碳纖維布與高溫后混凝土的正拉粘結強度試驗，研究過火溫度對正拉粘結強度的影響。試件尺寸及加載裝置如圖2 所示。碳纖維布與混凝土的正拉粘結性能試驗是垂直于粘結界面施加拉力，因此，粘結界面受到的是法向拉應力的作用。表1 給出了每組試件的正拉粘結強度平均值σ，該值是根據(jù)《碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程(CECS146-2003)》[6]附錄規(guī)定的數(shù)據(jù)處理方法得到，正拉粘結強度等于正拉試件破壞時的荷載值P與碳纖維布粘貼面積的比值。從表1中可以看出，隨著受火溫度提高，正拉粘結強度降低。

圖2 試件及加載裝置

正拉試件破壞形式為基材混凝土內聚破壞，如圖3所示，發(fā)生在混凝土的淺層，呈“碗狀”，未受火試件破壞時碳纖維布下粘附的混凝土層較薄較均勻，混凝土呈青灰色；混凝土試塊經高溫作用，隨著過火溫度的提高，混凝土的顏色從青灰色向灰白色、灰紅色變化，破壞時碳纖維布粘附的混凝土層較厚，破壞面邊緣不規(guī)則。當碳纖維布粘貼質量有保證時，正拉試件的破壞形態(tài)屬于正常破壞，正拉試件的粘結界面受到的是法向拉應力的作用，因此，正拉粘結強度主要取決于混凝土的抗拉強度，這也說明當混凝土的抗拉強度不足以抵抗界面的粘結正應力時，正拉試件才發(fā)生破壞，因此，從表1 中可以看出，正拉粘結強度近似于混凝土抗拉強度。

圖3 正拉試件破壞特征

楊勇新研究[7]表明，在常溫下，正拉粘結強度與混凝土抗壓強度的平方根基本呈線性關系。圖4(a)給出了正拉粘結強度與高溫后混凝土抗壓強度平方根的回歸曲線，回歸方程見公式4，相關系數(shù)為0.791。

圖4 粘結強度與混凝土抗壓強度平方根關系

3 剪切粘結強度

通過碳纖維布與高溫后混凝土的剪切粘結強度試驗，研究過火溫度、碳纖維布粘結長度、粘結寬度對剪切粘結強度的影響。剪切粘結強度試件如圖5 所示，是在混凝土一側粘貼碳纖維布，通過施加平行于粘結界面的拉力P，使粘結界面受到面內純剪應力的作用。典型破壞形態(tài)如圖6 所示，表現(xiàn)為碳纖維布剝離，并粘附一層混凝土，混凝土破壞面與原始界面基本平行的形狀，部分試件還伴隨著非加載端被拉下一個不規(guī)格的三角區(qū)域或碳纖維布斷裂。

圖5 剪切試件

圖6 剪切試件破壞特征

剪切粘結強度是單剪試件的極限粘結荷載P 與碳纖維布粘結面積的比值[4]，從試驗結果中可知，隨著過火溫度提高，極限粘結荷載降低。表2 中給出了未受火、過火溫度300℃、過火溫度500℃自然冷卻后的混凝土試塊表面粘貼一層碳纖維布、碳纖維布寬度為50mm、碳纖維布長度為50～160mm 的單剪試件的平均剪切粘結強度τ，從表中可以看出，隨著過火溫度提高，平均剪切粘結強度降低，但降低幅度不大，過火溫度300℃的試件較常溫試件降低了2.7%，過火溫度500℃的試件較常溫試件降低了8.1%，所有試件剪切粘結強度的平均值為2.51MPa，標準差為0.0873。圖4(b)給出了剪切粘結強度與混凝土抗壓強度平方根的關系圖，從圖中可看出，兩者具有相關關系，可表達為公式⑸，相關系數(shù)為0.945。

表2 剪切粘結強度

在粘結界面內剪應力作用下，剪切粘結強度主要取決于混凝土的抗剪強度。局部粘結剪應力在碳纖維布粘結長度方向上分布不均勻，最大值先出現(xiàn)在加載端端部，隨著荷載的增加，峰值剪應力向自由端方向傳遞，如圖4(b)所示，當混凝土剪應力大于混凝土的抗剪強度時就會發(fā)生剪切粘結破壞。由于混凝土的抗剪強度小于抗拉強度，所以剪切粘結強度小于正拉粘結強度，表2中數(shù)據(jù)也反映了該規(guī)律。

剪切粘結強度與相同溫度作用下的正拉粘結強度的比值在0.71～0.95 的范圍內，比值的平均值為0.7950，標準差為0.1079。楊勇新[7]試驗研究表明拉剪粘結強度與正拉粘結強度比值的平均值為0.74。當混凝土過火溫度不超過300℃時，該比值規(guī)律一致。單剪試件的粘結界面受到的是純剪應力作用，破壞面發(fā)生在混凝土內，而正拉試件的粘結界面受到的是純拉應力作用，破壞面也發(fā)生在混凝土內，兩者的相關性較好。正拉粘結性能試驗操作方便、試驗結果具有穩(wěn)定性，正拉粘結強度與混凝土抗壓強度平方根有相關關系，且與剪切粘結強度也有相關關系，因此，選擇正拉粘結強度作為界面粘結強度指標。基于正拉粘結強度，剪切粘結強度可表達為：

4 結論

基于碳纖維布與高溫后混凝土界面的正拉粘結性能試驗和剪切粘結性能試驗，對兩種受力狀態(tài)下碳纖維布與高溫后混凝土界面粘結強度進行分析，得到以下主要結論：

⑴經高溫作用，混凝土力學性能有所降低，建立了高溫作用后混凝土立方體抗壓強度、抗拉強度與過火溫度之間的關系式，抗壓強度與抗拉強度之間的關系式。

⑵碳纖維布與高溫后混凝土界面的正拉粘結強度近似于混凝土抗拉強度。相同過火溫度時，剪切粘結強度小于正拉粘結強度。正拉粘結強度、剪切粘結強度與高溫后混凝土抗壓強度平方根具有線性相關。

⑶正拉粘結性能試驗操作方便、試驗結果具有穩(wěn)定性，基于正拉粘結強度，建立剪切粘結強度的表達式。