鋁合金板-混凝土界面粘結-滑移性能雙面剪切試驗研究

陳鈺 黃海林 姜德文 張明亮

DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2021.153

收稿日期：2021?06?16

基金項目：湖南省教育廳優秀青年項目（19B188）；湖南省自然科學基金（2018JJ3161）；湖南建工集團基礎研究項目（JGJTK-2018003）

作者簡介：陳鈺（1997- ），女，主要從事基于新材料的既有結構修復與加固研究，E-mail：chenyulye@163.com。

通信作者：黃海林（通信作者），男，副教授，博士，E-mail：hhlvsgenius@163.com。

Received： 2021?06?16

Foundation items： Outstanding Young Foundation of Education Bureau of Hunan （No. 19B188）; Natural Science Foundation of Hunan （No. 2018JJ3161）; Basic Research Project of Hunan Construction Industry Group （No. JGJTK-2018003）

Author brief： CHEN Yu （1997- ）， main research interests： repair and reinforcement of existing structures based on new materials， E-mail： chenyulye@163.com.

corresponding author：HUANG Hailin （corresponding author）， associate professor， PhD， E-mail： hhlvsgenius@163.com.

摘要：鋁合金板具有強度高、耐蝕性及延性好等優點，可用于潮濕、高寒等復雜惡劣環境中混凝土結構的加固，但鋁合金板-混凝土的界面性能是影響鋁合金板加固混凝土結構效果的關鍵。進行48個鋁合金板-混凝土試件的界面雙剪試驗，分析鋁合金板厚度、鋁合金板粘結長度及結構膠種類對界面破壞機理、剝離承載力、粘結剪應力及滑移演化規律的影響。結果表明：增加鋁合金板厚度、鋁合金板粘結長度以及采用低彈性模量的結構膠能有效提高界面的剝離承載力，但鋁合金板粘結長度應控制在有效粘結長度范圍內；試件的滑移量隨著粘結長度的增加而增大，且鋁合金板越厚，試件的滑移量越小。將雙直線模型、雙曲線模型、Nakaba模型計算結果與試驗結果進行對比分析，Nakaba模型與鋁合金板-混凝土粘結滑移曲線整體吻合較好。

關鍵詞：鋁合金板；雙剪試驗；界面性能；粘結滑移；本構關系

中圖分類號：TU317.1 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：2096-6717（2023）05-0181-10

Double-sided shear experimental study of bond-slip performance of aluminum alloy plate-concrete interface

CHEN Yu1a， HUANG Hailin1a，1b， JIANG Dewen1a， ZHANG Mingliang2

（1a. College of Civil Engineering; 1b. Hunan Engineering Research Center for Intelligently Prefabricated Passive House， Hunan University of Science and Technology， Xiangtan 411201， Hunan， P. R. China; 2. Hunan Construction Engineering Group Co.， Ltd.， Changsha 410004， P. R. China）

Abstract： Aluminum alloy plate has the advantages of high strength， good ductility， good corrosion resistance， which can be used to strengthen concrete structures in damp， cold and harsh environments. However， the interface performance of aluminum alloy plate-concrete is the key factor which affect the effect of concrete reinforced by aluminum alloy plate. Based on this， the interfacial double shear tests of 48 aluminum alloy plate-concrete specimens were completed. The influence of bond thickness of aluminum alloy plate， bond length of aluminum alloy plate and structural adhesive type on the interface failure mechanism， interfacial peeling bearing capacity， bond shear stress and the slip evolution were analyzed. The results show that the peeling capacity of the interface can be effectively improved by increasing the thickness of the aluminum alloy plate， the bonding length of the aluminum alloy plate and using the structural adhesive with low elastic modulus， but the bonding length of the aluminum alloy plate should be controlled within the range of the limited bonding length. At the same time， with the increase of bond length， the slip of specimen increases， and the thicker the bond thickness of aluminum plate， the lower the slip of the specimen. Use double-line model， hyperbolic model， Nakaba model and test results for comparative analysis. The results show that the aluminum alloy plate-concrete bond slip is in good agreement with the curve of the Nakaba model.

Keywords： aluminum alloy plate； double shear test； interface properties； bond-slip； constitutive relationship

鋼材和纖維復合材（FRP）是混凝土結構加固中常用的兩種材料，已得到廣泛應用[1-4]，但用鋼材和FRP加固混凝土結構仍有一些缺點需要克服。鋼材耐蝕性差、維護成本高；FRP熱阻低、延性差。鋁合金作為一種新型加固材料，可以克服以上兩種材料的缺陷，耐腐蝕性比鋼材更好，延展性比FRP更好，且在低溫環境中強度和延性不會降低，因此在潮濕、高寒等復雜惡劣環境下具有廣闊的應用前景[5-8]。文獻[9-10]采用四點彎曲試驗研究了不同方向粘貼鋁合金板的混凝土梁抗剪性能，結果表明：鋁合金板可以作為混凝土抗剪加固材料，其中側面45°粘貼鋁合金板對混凝土梁的抗剪加固效果最好。文獻[11-12]基于面內單剪試驗研究了鋁合金板與混凝土的粘結性能，提出了界面粘結強度的修正Niedermeier模型，得到了有效粘結長度計算式。文獻[13-15]運用有限元方法對鋁合金板-混凝土的界面粘結性能進行了研究，論證了有限元分析方法的可行性。文獻[16]通過單剪試驗研究了鋁合金板與混凝土的界面粘結-滑移性能，分析了表面粗糙度和粘結長度兩個參數對界面性能的影響，試驗表明：現有的FRP-混凝土粘結-滑移模型（Nakaba模型和Savioa模型）可以用來預測鋁合金板加固混凝土的界面粘結-滑移行為。姜德文等[17]通過面內雙剪試驗研究了混凝土強度等級和鋁合金板等4個參數對界面粘結性能的影響。由于加固結構中鋁合金板與混凝土的界面受力狀態復雜，影響鋁合金板與混凝土界面粘結性能的參數較多，且文獻[17]的研究參數尚不完善。在文獻[17]研究基礎上，通過改變試驗參數進一步分析鋁合金板粘結長度、鋁合金板厚度、結構膠種類3個參數對鋁合金板-混凝土界面粘結性能的影響，并對比試驗結果，得出適合理論計算的本構模型。

1 試件概況

1.1 試件設計

共設計了16組（每組3個）48個試件，試件參數設計見表1，雙剪試驗試件構造設計如圖1所示。其中混凝土的設計尺寸為300 mm×150 mm×150 mm，設計強度等級為C40，配合比為m水泥：m砂：m石：m水=1：1.74：3.53：0.49。鋁合金板采用西南鋁業有限責任公司生產的6061-T6，厚度分別為1、2、3 mm。試驗用結構膠粘劑有3種：瑞士西卡公司生產的sika-30CN、湖南固特邦公司生產的JN、上海悍馬公司生產的HM-120。

1.2 試驗加載裝置

雙剪試驗加載裝置為自行設計制作，如圖2所示。試件非試驗區粘結長度為270 mm，試驗區粘結長度比非試驗區短，所以理想破壞模式為試驗區界面發生粘結失效破壞。試驗正常加載時速率控制在2 kN/min。為測量鋁合金板沿粘結長度方向的應變分布，在鋁合金板上等間距布置應變片，應變測點布置如圖3所示。

alloy plate

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態

典型破壞形態有兩種：1）鋁合金板-結構膠界面分層破壞。破壞發生在鋁合金板與結構膠的界面，如圖4（a）所示，這是因為鋁合金板表面過于光滑，因此，在進行結構加固時宜對鋁合金板的表面進行有效的粗糙處理。2）混凝土-結構膠界面剝離破壞。破壞發生在混凝土和結構膠的界面，混凝土界面露出粗骨料，如圖4（b）所示，這是因為混凝土表層發生受拉破壞，加固混凝土較為常見的破壞形式是混凝土界面的剝離，進一步說明鋁合金板加固混凝土結構的可行性。主要試驗結果見表2。

2.2 界面極限承載力分析

圖5給出了鋁合金板粘結長度、厚度以及結構膠種類對試件界面極限承載力影響的柱狀圖。由圖5（a）可知：當鋁合金板厚度均為3 mm時，試件界面極限承載力隨鋁合金板粘結長度的增加而增大。由圖5（b）可知：當粘結長度為150 mm時，相比厚度為2、1 mm的試件，鋁合金板厚度為3 mm的試件極限承載力分別提高了11.5%和84.5%；粘結長度為100 mm的試件也呈現出相同的規律。可見，當結構膠均采用Sikadur-30CN時，試件界面極限承載力隨鋁合金板粘結厚度的增加而明顯增大。由圖5（c）可知：當粘結長度為100 mm時，相比采用JN和HM-120結構膠的試件，采用Sikadur-30CN結構膠的試件極限承載力分別提高了15.8%、62.0%；當粘結長度為150 mm時，相比采用JN和HM-120結構膠的試件，采用Sikadur-30CN結構膠的試件極限承載力分別提高了20.1%、54.0%；當粘結長度為200 mm時，相比采用JN和HM-120結構膠的試件，采用Sikadur-30CN結構膠的試件極限承載力分別提高了8.7%、17.0%。可見，當粘結長度相同時，結構膠的種類會明顯影響界面粘結強度。

2.3 鋁合金板-混凝土界面應變規律

典型試件的鋁合金板應變分布規律如圖6所示。由圖6可知，鋁合金板的應變發展呈現出相似的規律，荷載加載初期，界面的荷載-應變呈線性變化，隨著荷載的增加，加載端附近的應變增大，但自由端附近的應變幾乎沒有變化，說明界面的應力傳遞只發生在加載端附近。加載端的應變隨荷載的增加而不斷增長，且有效粘結長度（界面的有效傳力區域）也在增大，此階段自由端應變的增長速率先增大后減小，而加載端應變的增長速率開始減小。當荷載達到一定值后，鋁合金板界面的有效粘結長度不再增加，在此傳力區域內鋁合金板的應變隨荷載的增加而增大，直至試件徹底發生剝離破壞。

考慮到試驗過程中一些偶然因素的影響，將試驗區鋁合金板的拉應變作為判定條件，定義應變大于鋁合金板極限拉應變的5%作為有效發展測點，因此，由界面應變的有效發展長度可以確定出界面的有效粘結長度，各試件有效粘結長度見表3。由表3可知：1）有效粘結長度隨鋁合金板粘結長度的增加而增加，但界面極限承載力不會隨粘結長度的增加而不斷增大，且不同參數的試件都存在一個有效粘結長度。2）大部分試件的有效粘結長度分布在80～120 mm之間，但鋁合金板的厚度會影響試件界面粘結剛度，過薄的鋁合金板會使界面裂縫提前出現，從而影響有效粘結長度，因此，厚度為1 mm的鋁合金板試件有效粘結長度小于80 mm。3）在鋁合金板厚度和粘結長度一定的情況下，結構膠的種類會影響有效粘結長度，主要受結構膠彈性模量的影響，有效粘結長度隨結構膠彈性模量的減小而增大。建議在工程加固時，選擇彈性模量較低的結構膠和厚度較大的鋁合金板。

2.4 不同參數下鋁合金板的應變規律

2.4.1 不同粘結長度下鋁合金板的應變規律

圖7給出了粘結長度分別為100、150、200、250 mm時鋁合金板的應變規律。由圖7可知：在相同荷載下，應變的增長速率隨粘結長度的增大而減慢，表明粘結長度越長的試件應力傳遞速度越慢。雖然各試件粘結長度不同，但有效粘結長度與上文提到的一致，有效傳力區域在80～120 mm之間。

2.4.2 不同厚度下鋁合金板的應變規律

圖8給出了厚度分別為1、2、3 mm時鋁合金板的應變規律。由圖8可知：在相同荷載下，應變增長速率隨鋁合金板厚度的減小而加快，主要原因是鋁合金板的剛度隨厚度的減小而減小，界面的應力傳遞速度隨厚度的減小而加快。

2.4.3 不同結構膠種類下鋁合金板的應變規律

圖9給出了不同結構膠種類下鋁合金板的應變規律。由圖9可知：采用Sikadur-30CN結構膠的試件界面應力傳遞最快，且試件的界面剝離承載力會高于另外兩種結構膠，這是因為Sikadur-30CN結構膠的彈性模量最低，有效粘結長度隨結構膠彈性模量的減小而增大，最終界面剪應力重分布提高了界面承載力。

2.5 不同參數下粘結界面剪應力分析

試件界面的平均粘結剪應力可由公式τi=tf·（dσ_fi）/dx=tf·Ef·（dε_fi）/dx計算得到（其中Ef為鋁合金彈性模量，tf為鋁合金板厚度），根據計算結果，繪出各級荷載下界面剪應力分布規律，如圖10所示。由圖10可知：加載過程中界面的剪應力從加載端向自由端傳遞，且每個試件都存在一個有效粘結長度，當超過有效粘結長度，應力將不會向自由端傳遞。

2.6 荷載-滑移演化規律

圖11為典型的荷載-滑移演變規律。界面的相對滑移可由固定在試件加載端和自由端的位移計測得，荷載-滑移曲線可反映界面的滑移總量，也可間接反映界面的粘結-滑移剛度。在加載過程中，相比加載端的滑移，試件自由端的相對滑移可以忽略不計。

由圖11可知，不同參數下鋁合金板-混凝土加載端荷載-滑移曲線可分為3個階段：1）線性增長階段：該階段荷載較小，荷載-滑移曲線呈線性增長。2）快速增長階段：隨著荷載的增加，荷載-滑移曲線呈非線性增長，加載端界面出現滑移。3）失穩增長階段：該階段荷載增加不大，但界面滑移急劇增加，加載端界面首先剝離，最終自由端剝離導致試件破壞。由圖11（a）可知，滑移量隨粘結長度的增加而增大。由圖11（b）可知，相比JN和HM-120結構膠的試件，采用Sikadur-30CN結構膠的試件極限滑移值最大，這是因為Sikadur-30CN結構膠的彈性模量較低，有利于增強結構的延性。由圖11（c）可知，滑移量隨鋁合金板厚度的增大而明顯降低，并且鋁合金板的厚度對試件的剛度有非常顯著的提高。

3 粘結-滑移模型討論

3.1 粘結剪應力-滑移量散點圖

局部粘結剪應力可通過試件沿粘結長度方向的微段單元受力平衡求得[17]。

τ_x=E_a t_a ?（dε_a）/dx （1）

式中：E_a為鋁合金板的彈性模量；t_a為鋁合金板的厚度；εa為鋁合金板的應變。

界面i處的滑移值si可按式（2）進行計算[17]。

s_i=[（ε_（x=0）+ε_i）/2+∑_（j=1）^（i-1）?ε_j ]Δx （2）

式中：ε_（x=0）為自由端x=0處的應變值；εi為i點應變；ε_j為j點應變；Δx為相鄰應變片之間的距離。

結合試驗測得的應變數據，采用式（1）和式（2）可以得到截面i處的局部剪應力和滑移值。圖12為按照上述公式得到的粘結剪應力-滑移量散點圖。

由圖12可知：各試件的粘結-滑移曲線都具有上升段和下降段，且下降段的滑移值比上升段大；上升段曲線的斜率不斷減小，這是因為粘結剪應力從原點增加到峰值的過程中，粘結界面的損傷不斷發展，界面剛度隨之減弱。在相同的粘結長度下，由于3種結構膠的彈性模量不同，對界面的受力性能有一定影響，因此，采用不同結構膠的試件會出現不同的峰值剪應力。試件界面的峰值剪應力、極限滑移值隨著粘結長度的增加有所增大。試驗得出的粘結-滑移曲線呈明顯的上升段非線性特征和下降段塑性軟化行為，可采用分段曲線模式進行模擬。

3.2 試驗結果與不同粘結-滑移本構模型對比

粘結-滑移本構關系是分析鋁合金板-混凝土界面受力的基礎。而現有的雙直線模型[18]、雙曲線模型[19]、Nakaba模型[20]是FRP加固混凝土結構中最具有代表性的粘結-滑移本構模型，采用這3種模型與本文及文獻[21]的散點圖進行擬合，擬合曲線如圖13所示。

式中：n為回歸系數。

由圖13可知，在上升段，雙直線與雙曲線模型均與試驗結果吻合較好，但在下降段，雙直線模型無法模擬界面塑性軟化行為，盡管雙曲線模型能夠體現界面塑性軟化行為，但與試驗散點偏離較大。而Nakaba模型能很好地擬合試驗散點，建議采用Nakaba模型進行鋁合金板加固混凝土結構的理論計算分析。

4 結論

1）界面分層破壞是因為鋁合金板界面光滑，采用該方法加固混凝土結構時，建議對其表面進行糙化處理。

2）界面剝離承載力隨鋁合金板厚度的增加而提高，工程結構加固時建議選用厚度不低于1 mm的鋁合金板，有效粘結長度控制在80～120 mm之間。JN和HM-120結構膠的界面剝離承載力低于Sikadur-30CN結構膠，工程結構加固時建議選用彈性模量較低的結構膠。

3）剝離承載力并不隨鋁合金板粘結長度的增大而無限提高，工程結構加固時建議將鋁合金板粘結長度控制在有效粘結長度范圍。

4）低彈性模量的結構膠有利于增強結構的延性，試件的滑移量隨粘結長度的增加而增大，隨鋁合金板厚度的增加而降低，并且鋁合金板厚度對試件的剛度有非常顯著的提高。

5）Nakaba模型能很好地擬合試驗散點，建議采用Nakaba模型進行鋁合金板加固混凝土結構的理論計算分析。

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（編輯 ?王秀玲）