CFRP和GFRP混雜后與混凝土界面性能試驗(yàn)研究
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袁嬌嬌，火映霞，侯新宇
(江蘇城市職業(yè)學(xué)院，江蘇南京210036)
[摘要]為了研究GFRP（玻璃纖維）與CFRP(碳纖維)混雜后的界面性能，采用雙面剪切的試驗(yàn)方式，進(jìn)行了C/CFRP（混雜后纖維）與混凝土剝離承載力分析、應(yīng)變分析以及粘結(jié)剪應(yīng)力分析。試驗(yàn)表明：CFRP經(jīng)過(guò)CFRP混雜后，可以有效地提高界面剝離承載力。C/CFRP -混凝土界面剝離有效粘貼長(zhǎng)度在60mm左右，GFRP -混凝土界面剝離有效粘貼長(zhǎng)度在80mm左右。
[關(guān)鍵詞]界面性能；雙剪試驗(yàn)；混雜纖維；剝離承載力
[中圖分類(lèi)號(hào)] TU377. 9+1 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A
Anlysis of Interfacial Performance between FRP and Concrete
Yuan Jiaojiao,Huo Yingxia,Hou Xinyu.
(City Vocational Cottege of Jiangsu,Nanjing 210036,China)
Abstract: In order to study the interfacial performance between hybrid fiber and concrete, the testing method of double shear is applied, and the analyses of the stripping bearing capacity, the strain and the interfacial bonding shear stress of hybrid fiber are carried out. The experimental results show that the stripping bearing capacity of hybrid fibers is better than GFRP. The effective pasting length of interfacial performance between hybrid fiber and concrete is about 60 mm, and as for GFRP, the effective pasting length is about 80mm.
Keywords: interfacial performance; testing method of double shear; hybrid fiber; stripping bearing capacity
O 引言
混凝土由于原料豐富，成本低廉，抗壓強(qiáng)度高．耐久性好，施工工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為當(dāng)前最主要的土木工程材料之一。但是很多建筑物和構(gòu)筑物，由于環(huán)境侵蝕、材料老化、使用功能改變、設(shè)計(jì)與施工缺陷、安全儲(chǔ)備提高等原因，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力或正常使用滿(mǎn)足不了要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)。目前，我國(guó)平均每年投入大量資金對(duì)建筑物進(jìn)行加固維修，國(guó)家對(duì)建筑物加固維修的資金投入占整個(gè)建筑行業(yè)投入的比重越來(lái)越高。
外粘纖維增強(qiáng)復(fù)合聚合物( Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱(chēng)FRP)加固修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是一種新的加固修復(fù)方式，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前應(yīng)用最多的纖維片材有CFRP（碳纖維）、CFRP（玻璃纖維）以及AFRP（芳綸纖維）。其中力學(xué)性能和耐久性能最好的是CFRP，但是價(jià)格昂貴，GFRP和AFRP力學(xué)性能和耐久性能不如CFRP，但是價(jià)格低廉，具有非常好的成本優(yōu)勢(shì)。
本文通過(guò)對(duì)GFRP與CFRP進(jìn)行混雜，采用雙面剪切的試驗(yàn)方式，研究混雜纖維布( G/CFRP)外貼加固混凝土結(jié)構(gòu)的界面性能，得到C/CFRP -混凝土剝離承載力分析、應(yīng)變分析以及界面有效粘結(jié)長(zhǎng)度分析。
1 試件設(shè)計(jì)與制作
1.1 試件設(shè)計(jì)
本試驗(yàn)混凝土采用C30商品混凝土，坍落度為160mm±20mm。依據(jù)日本混凝土結(jié)構(gòu)加固用FRP片材試驗(yàn)規(guī)程JSCE2001，本文設(shè)計(jì)制作的混凝土試件尺寸為100mm×100mm x 500mm，用木隔板隔成兩部分，一部分為試驗(yàn)端，一部分為錨固端，將2根直徑為20mm的鋼筋分別插入木隔板的中部。分隔木板在澆筑時(shí)將加載端混凝土和錨固端混凝土隔開(kāi)，并起到固定鋼筋保證鋼筋對(duì)中的作用。直徑為20mm的鋼筋，用于試驗(yàn)機(jī)夾持加載并方便試驗(yàn)時(shí)試件對(duì)中。加載試驗(yàn)時(shí)試件一端用做錨固，以保證剝離破壞發(fā)生于指定測(cè)量區(qū)域，試樣組成示意圖如圖1所示。
修復(fù)材料在混凝土兩側(cè)表面居中對(duì)稱(chēng)粘結(jié)，試驗(yàn)端粘貼長(zhǎng)度為200mm，如圖2所示。纖維織物粘貼在試件兩側(cè)面時(shí)，其施工應(yīng)按表l的程序從左到右進(jìn)行操作。具體施工按照《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( CECS 146：2003)的要求進(jìn)行。
1.2 材料性能
將混凝土試塊與雙剪試件同條件澆筑、養(yǎng)護(hù)。對(duì)邊長(zhǎng)150mm混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和對(duì)100mm x100mm ><550mm棱柱體進(jìn)行混凝土試件的軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。材料試驗(yàn)得到：混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為36. 34N/mmz，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度為2. 23 N/mm2。試驗(yàn)所用纖維布力學(xué)性能如表2所示。
本試驗(yàn)共3組，每組3個(gè)試件。1個(gè)試件上布置應(yīng)變片用來(lái)研究纖維片材界面承載力以及纖維布上的應(yīng)變，進(jìn)行纖維應(yīng)變發(fā)展及分布規(guī)律，粘結(jié)剪應(yīng)力發(fā)展及分布規(guī)律分析。另2個(gè)試件沒(méi)有布置應(yīng)變片，用來(lái)獲得試件的剝離承載力。本文進(jìn)行了GFRP、CFRP及二者混雜形成的G/CFRP單向拉伸試驗(yàn)，其中IG表示一層玻璃纖維；1C表示一層碳纖維；
表示混雜纖維中碳纖維和玻璃纖維的厚度為單一粘貼纖維厚度的一半，試件混雜粘貼順序?yàn)橄聦犹祭w維上層玻璃纖維。
1.3 裝置和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
試驗(yàn)中需要得到的數(shù)據(jù)有剝離承載力、纖維布上的應(yīng)變。應(yīng)變片的布置示意圖如圖3所示，位移計(jì)布置如圖4所示。通過(guò)纖維布上的應(yīng)變，進(jìn)行纖維應(yīng)變發(fā)展及分布規(guī)律、粘結(jié)剪應(yīng)力發(fā)展及分布規(guī)律分析。以上應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行采集，剝離承載力由試驗(yàn)機(jī)自帶計(jì)算機(jī)采集。
試驗(yàn)采用靜力加載和往復(fù)加載兩種加載方式，試件加載在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)加載裝置示意圖如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)加載裝置如圖6所示。試件加載先按力控制，再按位移控制，加載速度前期采用lkN/min，后期采用位移控制，加載速度為0.2mm/min。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 混雜纖維一混凝土界面剝離承載力分析
FRP與混凝土之間有效的應(yīng)力傳遞，是保證FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)正常工作的基礎(chǔ)。大量的試驗(yàn)研究表明，纖維布加固混凝土構(gòu)件的破壞形式往往不是纖維布被拉斷，而是纖維布與混凝土界面強(qiáng)度不足導(dǎo)致的剝離破壞。
試驗(yàn)參數(shù)的具體細(xì)節(jié)和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。
3組共9個(gè)雙面剪切試件的破壞模式均為纖維片材與混凝土界面的剝離破壞，破壞發(fā)生于纖維片材表面以下的淺層混凝土中。由表3可知，雙剪試件的極限剝離荷載值隨纖維片材剛度的增大而提高，單層GFRP剛度比CFRP剛度小，GFRP試件的剝離承載力也與CFRP試件存在差距。通過(guò)CFRP與CFRP的混雜可以提高GFRP的剝離承載力。
國(guó)內(nèi)外研究者先進(jìn)行大量試驗(yàn)，然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合回歸，最后引進(jìn)概率的方法得到多個(gè)FRP與混凝土界面性能的預(yù)測(cè)模型。滕錦光和陳建飛將斷裂力學(xué)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，并經(jīng)過(guò)以往大量試驗(yàn)結(jié)果的校正與檢驗(yàn)，建立了半經(jīng)驗(yàn)半理論的承載力模型，因此能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)界面剝離承載力。本文首先將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與滕錦光和陳建飛建立的模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，以期檢驗(yàn)此模型在混雜纖維一混凝土界面的剝離承載力預(yù)測(cè)時(shí)的適用性。
表4是試驗(yàn)剝離承載力與理論剝離承載力的對(duì)比。由于滕錦光和陳建飛建立的模型研究的是單面剪切試驗(yàn)，而本文采用的是雙面剪切試驗(yàn)，因此該模型的計(jì)算值要乘以2來(lái)與本文試驗(yàn)值進(jìn)行比較。
式中：Pu為剝離承載力；βp為FRP板寬度系數(shù)；β1為粘結(jié)長(zhǎng)度系數(shù)；f ’c為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度；f ’c的取值參考文獻(xiàn)[14]，f ’c=0.8fcu.k；bp為FRP板的寬度；bc為混凝土的寬度；Le為有效粘結(jié)長(zhǎng)度；Ep為FRP板的彈性模量；tP為FRP板的厚度。
參考《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( CECS 146：2003)，在達(dá)到受彎承載能力極限狀態(tài)前，碳纖維片材與混凝土之間不應(yīng)發(fā)生粘結(jié)剝離破壞。只要不發(fā)生剝離破壞，那么就可以按照《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的假定，認(rèn)為碳纖維片材的拉應(yīng)變按平截面確定。÷G三c（碳纖維與玻璃纖維混雜）粘貼試件，施工復(fù)雜程度比1G（單層玻璃纖維）試件明顯增加，只要加固后構(gòu)件使用過(guò)程中不發(fā)生剝離破壞，混雜粘貼后構(gòu)件受彎承載力與單層玻璃纖維相比，提高會(huì)比較明顯。若是剝離承載力不滿(mǎn)足要求，則應(yīng)該采取相應(yīng)的錨固措施。
2.2 各級(jí)荷載作用下混雜纖維片材表面應(yīng)變分析
由于混凝土試件本身具有復(fù)雜性和離散性，所以要精確地測(cè)定纖維片材上應(yīng)力分布和應(yīng)變變化規(guī)律同樣存在一定的復(fù)雜性�；祀s纖維中GFRP應(yīng)變位置分布圖見(jiàn)圖7，GFRP的應(yīng)變位置分布圖見(jiàn)圖8。以下是對(duì)試件的應(yīng)變隨荷載變化規(guī)律的總結(jié)和應(yīng)變變化趨勢(shì)的分析。
由圖7、圖8可見(jiàn)，G/CFRP與GFRP表面的應(yīng)變隨荷載變化規(guī)律一致。剝離過(guò)程中的應(yīng)變可以分為三部分：完全剝離區(qū)域、有效粘結(jié)長(zhǎng)度區(qū)域、粘結(jié)完好區(qū)域。當(dāng)荷載未達(dá)到剝離荷載時(shí)，應(yīng)變從加載端開(kāi)始隨距加載端距離增加迅速下降．下降到某一位置后應(yīng)變?yōu)榱�，表明該位置纖維片材與混凝土界面尚未發(fā)生剝離。當(dāng)荷載達(dá)到剝離荷載時(shí)，靠近加載端的應(yīng)變保持水平，水平段過(guò)后應(yīng)變隨著距加載端距離的增加迅速下降。水平段說(shuō)明此處纖維片材與混凝土界面已經(jīng)發(fā)生剝離，因此纖維片材中的能量不涉及往膠層中傳遞，只能用來(lái)發(fā)生拉伸變形。水平段后的應(yīng)變突變表明該處纖維片材與混凝土即將剝離。粘結(jié)完好區(qū)域，應(yīng)變幾乎沒(méi)有發(fā)展。
達(dá)到剝離承載力后，剝離過(guò)程穩(wěn)定，粘結(jié)長(zhǎng)度的增加并不能增大剝離承載力，但是可以延長(zhǎng)FRP -混凝土界面剝離時(shí)間。中CFRP片材應(yīng)變的最大值低于1C（單層玻璃纖維），說(shuō)明經(jīng)過(guò)與碳纖維的混雜，混雜纖維中玻璃纖維的拉伸能力利用率降低。
2.3 混雜纖維-混凝土界面剪應(yīng)力分布
測(cè)試面（粘結(jié)面）按應(yīng)變片間距分為若干個(gè)微段，如圖9所示。
假定應(yīng)變片粘貼i，i+1位置處應(yīng)變?yōu)?#949;i，εi+1。利用試驗(yàn)測(cè)得纖維布應(yīng)變，由物理關(guān)系可得到纖維布的正應(yīng)力。假設(shè)微段寬度方向受力均勻，則由微段的受力平衡可得：
式中：△L為應(yīng)變片中點(diǎn)間的距離，mm；τi為△L微段上平均粘結(jié)剪應(yīng)力，MPa；tr為纖維布厚度，mm；bf為纖維布寬度，mm；Ef為纖維布彈性模量；MPa；εi，εi+1分別為i，i+1位置處纖維布應(yīng)變。
由于界面粘結(jié)剪應(yīng)力的分布很不均勻，所以剪應(yīng)力的最大值應(yīng)該高于式(3)估算的平均粘結(jié)剪應(yīng)力。
混雜纖維一混凝土界面剪應(yīng)力分布見(jiàn)圖10，CFRP-混凝土界面剪應(yīng)力分布見(jiàn)圖11。
由前文的應(yīng)變分析可知，當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度越大時(shí)，剝離破壞過(guò)程越容易觀察到，因此本文設(shè)計(jì)粘結(jié)長(zhǎng)度為200mm的試件來(lái)重點(diǎn)分析界面在整個(gè)剝離過(guò)程中FRP-混凝土界面剪應(yīng)力分布情況以及發(fā)展規(guī)律。當(dāng)FRP-混凝土界面未發(fā)生剝離時(shí)，剪應(yīng)力隨著加載端距離的增大而快速降低。隨著荷載的進(jìn)一步加大，端部剪應(yīng)力達(dá)到最大值，之后加載端的剪應(yīng)力持續(xù)下降直至為零，加載端部發(fā)生剝離破壞，并逐步向自由端擴(kuò)展。當(dāng)端部達(dá)到剪應(yīng)力最大值后，剪應(yīng)力分布曲線的形式也發(fā)生改變，最大值位置隨著荷載的增加逐漸向自由端擴(kuò)展。
有效粘結(jié)長(zhǎng)度可以通過(guò)測(cè)量剪應(yīng)力一位置曲線上對(duì)應(yīng)最大粘結(jié)剪應(yīng)力10%的兩點(diǎn)間的距離得到�？梢酝贫–/CFRP-混凝土界面剝離有效粘貼長(zhǎng)度在60mm左右，GFRP-混凝土界面剝離有效粘貼長(zhǎng)度在80mm左右。
試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)界面破壞時(shí)加載端會(huì)出現(xiàn)局部的混凝土破壞。這種破壞意味著加載處的界面沒(méi)有有效發(fā)揮其傳遞剪力的作用，因此這個(gè)地方通過(guò)纖維應(yīng)變而得到的剪應(yīng)力會(huì)明顯小于離加載端較遠(yuǎn)處的剪應(yīng)力。
3 結(jié)論
1) CFRP試件相比，GFRP-混凝土界面剝離承載力較低。CFRP經(jīng)過(guò)CFRP混雜后，可以有效提高界面剝離承載力。本文采用的是粘貼兩層纖維布（層間混雜）的方式來(lái)研究混雜后試件的界面粘結(jié)性能，施工比較復(fù)雜，因此可以進(jìn)一步研究層內(nèi)混雜對(duì)試件界面粘結(jié)性能的影響。
2) G/CFRP、GFRP表面的應(yīng)變隨荷載變化規(guī)律一致，粘結(jié)長(zhǎng)度的增加并不能增大剝離承載力，但是可以延長(zhǎng)FRP-混凝土界面剝離時(shí)間。采用G／CFRP后，C/CFRP中GFRP片材應(yīng)變的最大值低于IC（單層玻璃纖維）GFRP，說(shuō)明經(jīng)過(guò)與碳纖維的混雜，混雜纖維中玻璃纖維的拉伸能力利用率降低。
3) G/CFRP、GFRP界面剪應(yīng)力分布及變化趨勢(shì)隨荷載變化規(guī)律一致。通過(guò)本試驗(yàn)，可以推定C／CFRP-混凝土界面剝離有效粘貼長(zhǎng)度在60mm左右，GFRP-混凝土界面剝離有效粘貼長(zhǎng)度在80mm左右。
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