黏砂CFRP管與混凝土的界面黏結性能研究*

曹 廣,張永權,李 晨,王大永,杜 志,張學杰,張 煜,呂 楊

(1.中鐵一局集團有限公司,陜西 西安 712000; 2.天津城建大學土木工程學院,天津 300384; 3.天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室,天津 300384)

0 引言

界面黏結性能是2種材料協同工作的基礎,國內外學者通過研究鋼筋、FRP筋、纖維與基體的黏結性能,確定筋類與基體之間的基本錨固長度。在筋材黏結滑移性能研究方面,國內外學者主要開展了梁式試驗和拉拔試驗。高嘉琪[1]通過128個FRP筋-海水海砂混凝土中心拉拔試驗系統研究了FRP和海水海砂混凝土在多種試驗因素下的黏結性能。薛偉辰等[2-3]對GFRP筋采用繞肋、黏砂的表面處理方式,以直徑和黏結長度為變量,采用C30混凝土開展拉拔試驗,結果表明黏結長度大于5倍直徑時,GFRP筋會發生劈裂破壞,小于5倍直徑時發生拔出破壞,黏結強度隨直徑、長度的增加呈下降趨勢,每增加1倍直徑長度,強度降低18%～44%,對應滑移值減小40%～70%,對直徑的影響相對較小;2013年在C50混凝土中進行試驗,發現基體強度提高,黏結強度也提高,但黏結強度均比普通鋼筋低,為鋼筋的73%～84%。Achillides等[4]在不同混凝土強度、不同嵌入長度情況下進行GFRP筋、CFRP筋的拉拔試驗,FRP筋的黏結強度與混凝土強度無關,破壞時FRP筋發生表層剝落、樹脂粉碎。FRP筋的黏結強度隨嵌入長度增加而降低,方形筋因邊緣楔入效應,黏結強度比相同的圓形筋大25%左右。周柯第[5]認為由于BFRP筋是各向異性材料,其強度與縱向纖維有關,橫向強度受樹脂強度控制,泊松效應和剪切滯后是導致BFRP筋直徑增加而黏結應力降低的主要原因。

在纖維黏結性能研究方面,纖維在基體中起阻滯裂紋擴展的作用,測定黏結強度并確定臨界埋置長度是保證最大限度發揮纖維強度的前提。目前測定黏結強度常用的試驗方法有纖維拔出試驗、壓頭頂出試驗、單根纖維碎斷試驗以及微脫粘法等[6]。拔出試驗最簡單且與實際基體開裂過程中纖維發揮橋接受力的狀態相似,國內外普遍采用拔出試驗研究纖維-基體的黏結性能,但目前尚未有單根纖維的拔出試驗標準。Ali等[7]采用混凝土試件通過分層澆筑的方法插入椰子纖維,以2.5mm/min的拉拔速率加載,椰子纖維從10mm長增至30mm時,黏結強度增大,從30mm增至40mm時,黏結強度降低,以此確定臨界纖維長度為30mm。Singh等[8]將聚丙烯纖維以0.02mm/s的速率從直徑2mm、高50mm的圓柱形水泥砂漿基體中拔出,結果表明黏結強度在0.5MPa左右,纖維表面機械壓痕能提高黏結強度,最大可提高3倍。Choi等[9]使用邊長50mm的立方體試件在0.2mm/min的加載速率下發現隨著水泥基強度和單根纖維埋入長度(纖維長度的17%～50%)的增加,拔出力也隨之增大,化學黏結強度與纖維長徑比和水膠比無關。Lukasenoks等[10-11]用微米級直徑的24 000根細碳纖維和800根細玻璃纖維分別涂刷環氧樹脂并覆蓋細砂,制作了直徑2mm的復合纖維,黏結拔出試驗表明表面粗糙度增加的纖維被拉斷而表面光滑的纖維可被拔出。田穩苓等[12]用B型鋼纖維(兩端彎鉤)和J型鋼纖維作對比,采用2塊不黏結的混凝土以0.4mm/min速率對拉的形式研究鋼纖維埋置角度的影響,其中0°時界面黏結強度最大,亂向分布的纖維會削弱增韌效果,所以定向纖維混凝土的增韌效果最好,同時,界面黏結強度隨基體強度的提高而增大。江為國等[13]設計了一種用碳纖維布提高梁柱抗彎能力的加固方法,并試驗驗證了方法的有效性。趙洪凱等[14]采用連續在線熔融浸漬技術和連續拉擠成型工藝,分別制備了熱塑性樹脂基CFRP,AFRP,HFRP片材試件,并對其進行力學性能分析,得出熱塑性復合片材能達到現有加固材料指標。

分析可知,已有試驗研究主要針對FRP筋和FRP纖維開展,但關于FRP管的試驗鮮有報道。本文開展4種規格CFRP管的靜載軸向拉伸試驗,測定CFRP管的基本力學性能。對CFRP管表面采用粘石英砂處理,采用中心拉拔試驗研究CFRP管的形狀、直徑、黏結面積及埋置長度等對黏結滑移的影響規律。

1 碳纖維管力學性能

試驗選取了4種不同規格尺寸的CFRP管,編號規則為“形狀+尺寸”,其中“C”表示圓形管,“S”表示正方形管,尺寸為“外徑+內徑”,正方形外徑即邊長,如“S-2-1”代表外邊長為2mm的正方形管,內部為1mm直徑的圓形管,詳細規格如表1所示,其中“圓-圓”指內外均為圓形的圓管,“方-圓”指外形為方形、內壁為圓形的方管。

表1 CFRP管形狀尺寸參數Table 1 Configurations of the CFRP pipes

參照ASTMD3039《聚合物基復合材料拉伸性能標準試驗方法》和GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》的規定,試件長為250mm,標距為150mm,每組試件加工5個樣品。用粗砂紙將端部打磨粗糙,以增強摩擦力,并在管內部填充與內徑大小相同的50mm長鋼棒增強夾持端強度,再裁剪出50mm×70mm的粗砂紙,用AB膠粘貼在CFRP管兩端,試件樣品制備過程如圖1所示。

圖1 拉伸試件制備過程Fig.1 Manufacturing of the tensile test specimens

將試樣夾持在萬能試驗機夾頭上,采用引伸計測量試樣應變,試驗布置和試樣破壞如圖2所示。CFRP管的彈性模量、抗拉強度和斷裂應變如表2所示,CFRP管應力應變關系如圖3所示。由表2和圖3可知,CFRP管的拉伸應力-應變關系為直線,其中圓形的CFRP管斷裂應變相同,比方形CFRP管的斷裂應變大16.2%～22.8%,C-1.5-0.8的抗拉強度最大。

圖2 CFRP管拉伸試驗布置Fig.2 Layout of the tensile test of the CFRP pipes

圖3 CFRP管拉伸應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain relationship of the CFRP pipes

表2 碳纖維增強復合材料管拉伸性能Table 2 Mechanic properties of the CFRP pipes

2 拉拔試驗設計

為研究CFRP管與混凝土界面的黏結性能,試驗使用普通C40混凝土,對4種規格的CFRP管在3種不同埋深(L)條件下進行中心拉拔試驗,CFRP管垂直嵌入混凝土塊中,設定埋置深度范圍內全部為有效黏結段,不另外設置無黏結段,即黏結長度等于埋深,因拉擠成型工藝制作的CFRP管表面太過光滑,難以與混凝土形成良好黏結,所以對埋深范圍內的CFRP管表面均進行表面粘石英砂處理。所用石英砂為粒徑0.5～1mm的手工黏砂。用于拉拔試驗的CFRP管加載端制作方法和拉伸試驗一致,試件包括4部分,依次為50mm的加載端,30mm的預留段,30/50/70mm的黏砂錨固段及30mm的末端,制備好的試樣如圖4所示。

圖4 拉拔試件制備Fig.4 Specimens for the pullout test

混凝土試件尺寸均為100mm×100mm,高度和CFRP管的埋深一致,混凝土試塊澆筑和成型后的試件如圖5所示。試件編號規則為“形狀+尺寸+埋深”,共制作了12組48個試件。

圖5 拉拔試驗試塊制作Fig.5 Manufacturing of the specimens of pullout test

試驗布置如圖6所示,混凝土試塊通過自制的夾具固定,在CFRP管另一端施加荷載,試驗采用連續位移加載,加載速率設定為1mm/min。

圖6 拉拔試驗布置Fig.6 Set-up of the pullout test

3 試驗結果分析

3.1 破壞模式

黏砂CFRP管與混凝土的黏結應力由化學膠著力、摩擦力和機械咬合力組成。48個拉拔試件在加載初始階段拉拔力迅速上升,荷載-位移曲線基本為直線上升狀態,CFRP管幾乎沒有發生滑動,此時黏結力主要為界面間的化學膠著力;隨著荷載增大,產生一定的滑移,此時化學膠著力消失,黏結力主要是摩擦力和機械咬合力;繼續加載至接近極限荷載時,CFRP管與混凝土之間的滑移加快,在達到最大荷載時,伴隨一聲悶響,荷載驟降,CFRP管從混凝土中拔出。管端部周圍混凝土表面砂漿破碎,CFRP管表層石英砂全部剝離,剩下少量環氧樹脂。如圖7所示,CFRP管拔出后在混凝土試塊中心留下孔洞,CFRP管上沒有殘留的石英砂,黏結強度由樹脂砂層與CFRP管黏結剪切強度控制。所有試件CFRP管均未出現斷裂,混凝土未出現劈裂破壞。

3.2 CFRP尺寸的影響

黏砂CFRP管與混凝土界面處沿著埋置方向的剪應力為黏結應力。用強度利用率評測CFRP管的使用效率,強度利用率越接近1,錨固效率越高,強度利用率按下式計算。

(1)

式中:r為強度利用率;Fmax為黏結力;A為CFRP管的截面積;ft為CFRP管的抗拉強度。

不同埋深時,不同CFRP管拉拔力-位移曲線和平均黏結應力-位移曲線如圖8,9所示。由圖可知,所有試樣均表現為黏結力直線增大到最大值后迅速下降,此后黏結力隨位移逐漸減小到0。荷載在突然驟降后出現回升,這是因為CFRP管的表面砂層瞬間剝落,黏砂層與混凝土之間的機械咬合力瞬間喪失,黏結力僅由摩擦力提供,在摩擦力握裹作用下,CFRP管出現回彈。個別試件的石英砂層不是一次剝離,此時荷載-位移曲線有多個升降段。石英砂層完全剝離后,隨著CFRP管逐漸從混凝土中拔出,CFRP管與混凝土之間的摩擦力越來越小,黏結力-位移曲線進入穩定下降段。試驗得到的拉拔峰值力、峰值點位移、黏結強度及強度利用率如表3所示。

表3 試驗結果Table 3 Testing results

圖8和圖9比較了相同埋置深度條件下,不同尺寸規格CFRP管的拉拔試驗結果。相同埋置深度下,4種試件在彈性上升段的黏結應力隨滑移量的增加基本維持恒定,黏結應力初始增長速率基本一致,但50mm埋深的C-1.5-0.8相較其他3種試件增長速率略大,可能是由于試件在制作時,黏砂CFRP管沒有垂直于混凝土正中心,出現輕微的角度偏移使得試驗過程中CFRP管未處于中心拉拔的狀態,因此黏結應力增長速率有略微區別。

圖9 平均黏結應力-位移關系曲線Fig.9 Average bond stress-displacement relationship curve

相同埋深下,峰值荷載及黏結強度的變化規律均表現為S-2-1>C-2-1>C-1.5-0.8>S-1.4-0.8,埋深、形狀相同情況下,平均黏結強度和峰值荷載隨直徑的增大而增大。峰值點后的下降段,相同埋深下,表面黏結面積越大,摩擦力越大,截面形狀對摩擦力無明顯影響。相同埋深下,S-1.4-0.8的黏結面積略大于C-1.5-0.8,但在埋深為50mm和70mm工況下,C-1.5-0.8具有更高的黏結強度,表明黏砂方形管的黏結強度小于相同條件的圓形管,原因是方形輪廓直角邊處的樹脂不能有效與砂層黏結,機械咬合作用降低,圓形管黏砂更為均勻,黏結強度高。

對比黏結面積最大的S-2-1和最小的C-1.5-0.8,在埋深30mm時,S-2-1相比C-1.5-0.8平均黏結強度大47%,峰值荷載是其2.51倍;埋深50mm時平均黏結強度大41%,峰值荷載是其2.4倍;70mm埋深時平均黏結強度大28%,峰值荷載是其2.17倍,說明與小直徑CFRP管相比,大直徑管具有更高的黏結強度,但隨埋深增加,大直徑管的黏結峰值荷載和平均黏結強度的提升幅度逐漸下降。試樣C-2-1的黏結力呈現相似規律,原因是CFRP管外層纖維和內層纖維間存在變形差,導致縱向應力沿著管壁厚度方向分布不均勻,外層縱向應力最大,內層剪切應力為0,因此計算得到的平均黏結強度降低,并且直徑和埋深越大,降低越明顯。

相同埋深下,4種試件的強度利用率相差不大。隨埋深的增加,強度利用率提高,在埋深為70mm時,4種CFRP管的強度利用率均達到80%以上,表明表面經黏砂處理能顯著加強纖維管與混凝土之間的黏結性能。

3.3 埋置長度的影響

相同截面形式不同埋深的CFRP管拔出荷載-位移關系曲線如圖10,11所示。從圖中可以看出,相同的CFRP管摩擦力隨著埋置深度的增大而增大,拔出階段摩擦力下降速率相近。隨埋置深度增加,CFRP管與混凝土之間的平均黏結應力降低,主要原因是黏結應力沿埋置長度分布不均,相同的CFRP管,埋深越大不均勻系數越大,黏結應力分布越不均勻,這與周柯第[5]獲得的結論相同。

圖10 荷載-位移關系曲線Fig.10 Load-displacement relationship curve

圖11 平均黏結應力-位移關系曲線Fig.11 Average bond stress-displacement relationship curve

埋置長度由30mm增加至50mm和70mm時,埋置長度分別增加66.6%和133.3%,試樣C-2-1的平均黏結強度分別降低20%和30%;試樣S-2-1的平均黏結強度分別降低17%和33%;試樣C-1.5-0.8的平均黏結強度分別降低13%和22%;試樣S-1.4-0.8的平均黏結強度分別降低22%和32%。試樣C-2-1和S-2-1的黏結表面積分別比C-1.5-0.8增大33%和70%,埋置長度30mm時,平均黏結應力分別增大33%和47%,在埋置長度為50mm時增大22%和41%,在埋置長度為70mm時增大20%和28%,即增大黏結面積能提高CFRP管與混凝土之間的黏結強度,但提高的速率與黏結面積不成正比。

4 理論模型

從黏砂CFRP管的荷載-位移曲線和平均黏結應力-位移曲線可知,拉拔試驗的黏結滑移過程可簡化成圖12所示的三段線模式,即上升、下降和摩擦三段,模型的關鍵受力點包括上升段的峰值點(sp,τp)和下降段與摩擦段的拐點(sf,τf),sp表示峰值應力對應的黏結滑移,τp表示平均黏結強度,sf表示摩擦滑移開始時的滑移值,τf表示摩擦滑移初始黏結應力,其中sp與sf之間是砂層剝離至摩擦力穩定的滑移量,試驗過程中砂層剝離幾乎是瞬間完成的,該段滑移量很小,在模型中忽略不計,近似認為sp=sf,簡化后模型僅需確定sp,τp和τf。

圖12 黏結滑移理論模型Fig.12 Theoretical bonding model

通過試驗數據擬合確定sp,τp和τf3個參數。以埋置長度、直徑和黏結表面積為主要影響因素,試件sp值如圖13所示,可見試件C-2-1,S-2-1,C-1.5-0.8和S-1.4-0.8的sp值相關度較高。由前述分析可知,CFRP管徑對黏砂可靠性和平均黏結強度影響很大,因此將4種試件直徑分成大(2mm)、小(1.4mm/1.5mm)進行sp值的理論公式擬合。CFRP管的sp值隨埋置長度的增加近似呈線性增加,采用線性擬合的方式可得到大直徑管的擬合公式為:

圖13 sp理論公式擬合Fig.13 Fitting value of sp

sp1=0.046 88L-0.209

(2)

小直徑的擬合公式為:

sp2=0.032 5L-0.3

(3)

同理,試驗測得的τp值如圖14所示,τp值隨著埋置長度的增加近似呈線性降低,仍可按照sp同樣的分組進行擬合,得到大直徑的擬合公式為:

圖14 τp理論公式擬合Fig.14 Fitting value of τp

τp1=-0.090 1L+14.896

(4)

小直徑擬合公式為:

τp2=-0.063L+10.82

(5)

式(2)～(4)擬合相關系數R2分別為0.921,0.97和0.904 8。上述sp和τp隨埋置長度變化的關系未考慮直徑的影響,觀察sp和τp擬合公式可以發現,曲線的斜率和截距與直徑的倍數剛好接近,比值約為1.4倍,得到與直徑和埋置長度相關的sp和τp公式。

(6)

(7)

式中:D為CFRP管直徑;L為CFRP管與混凝土的實際黏結長度。

τf的變化受直徑尺寸影響不大,τf隨埋置長度增加而增大,在圖15中同樣以線性方式擬合得到與埋置長度相關的τf理論公式如下。

圖15 τf 理論公式擬合Fig.15 Fitting value of τf

τf=0.036 4L+4.029

(8)

5 結語

本文研究了4種規格的CFRP管拉伸力學性能,開展了表面黏砂CFRP管拉拔試驗,研究了管型、黏結長度、表面積等對黏結性能的影響規律,建立了黏結滑移理論模型,主要得到如下主要結論。

1)拉擠成型工藝制作的CFRP管拉伸破壞為脆性破壞,破壞形態有斷裂和炸裂2種,圓形管的斷裂應變基本一致,圓形管比方形管的極限抗拉強度略大,斷裂應變大16.2%～22.8%,圓形管的力學性能更優異。

2)埋深30,50和70mm表面黏砂的CFRP管均發生拔出破壞,平均黏結強度受環氧樹脂砂層與CFRP管黏砂強度控制,所有CFRP均發生樹脂砂層脫粘破壞,黏結力主要是黏砂層與混凝土之間的機械咬合力。

3)隨著埋深增加,平均黏結強度降低,CFRP管強度利用率增加,平均黏結應力的增加速率降低,采用表面黏砂處理對同埋深下不同規格的CFRP管強度利用率影響不大。黏結長度為70mm時CFRP管的強度利用率能達到抗拉強度的80%～90%。

4)黏結面積越大,平均黏結力越大,平均黏結應力越低,CFRP管表層與內部纖維層存在變形差,縱向應力沿CFRP管厚度存在剪切滯后效應,直徑、黏結面積和埋深越大,滯后效應越明顯;黏結應力沿著埋置長度方向分布不均勻,相同直徑下圓形CFRP管比方形CFRP管黏結性能更好。