FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究

张 普,朱 虹,陈 泉,孟少平,刘晓艳

(东南大学a.混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室;b.城市工程科学技术研究院南京 210096)

FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究

张 普a,b,朱 虹a,b,陈 泉a,b,孟少平a,b,刘晓艳a,b

(东南大学a.混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室;b.城市工程科学技术研究院南京 210096)

采用7种不同的粘结树脂,通过2批双剪试件的拉伸剪切试验研究了拉挤成型玄武岩纤维复合板与后浇混凝土湿粘结界面的力学性能,并将其与在既有混凝土表面外贴FRP形成的干粘结界面进行了比较,通过对比两者的破坏特征、荷载位移曲线、有效粘结长度、粘结滑移关系、界面断裂能以及粘结破坏机理,深入地研究了湿粘结界面的性能。结果表明：湿粘结的粘结强度仅为干粘结的1/2～2/3,但2种界面的有效粘结长度相差不大。最后,基于试验数据提出了适用于湿粘结界面的剪切滑移本构模型。

湿粘结;界面;粘结;有效粘结长度;断裂能

湿粘结界面以及湿粘结与剪力键的综合界面是FRP-混凝土组合梁中经常采用的界面形式,它是指先在FRP模板表面上刷一层粘结剂,在粘结剂开始发粘但是尚未固化时浇筑混凝土形成界面的一种方法[1-6]。干粘结是相对于湿粘结而言的,是指FRP板材与预制混凝土之间通过树脂粘结形成界面的方式。与干粘结相比,湿粘结具有施工方便快速的优点。该文拟对湿粘结界面的性能进行研究,并和干粘结界面进行比较。

目前已有不少学者对湿粘结进行了研究。1995年,Deskovic创新设计的FRP型材-混凝土组合梁中率先使用了这种界面方式,然而湿粘结界面的组合梁发生了剥离破坏[7]。1998年,Canning等人通过FRP组合梁的受弯试验比较了6种界面方式的效果,结果表明采用环氧树脂的湿粘结界面效果略差于干粘结,但是考虑到新建组合结构的实际施工,湿粘结却是最实用的界面方式[8]。接着,J. Hulatt[9]、邵一心、吴智深、朱海棠等人[1-4]对湿粘结界面承载力进行了试验研究。然而,不同研究者的研究结果仍然存在较大差异,其主要原因是不同的研究者采用的树脂不同;其次,不同的混凝土强度、FRP板材以及施工方法也会对结果产生影响。

为了减少FRP板的制作工艺和混凝土强度对界面性能的影响,该文统一采用拉挤成型的玄武岩纤维(Basalt fiber reinforced polymer,BFRP)复合板,并在同一批次中采用相同的混凝土等级。通过2批BFRP板-混凝土湿粘结界面的双剪试验研究,比较了7种不同的粘结树脂的湿粘结性能,并与干粘结进行了对比。研究结果表明,湿粘结界面的粘结效果不如干粘结界面,前者的粘结强度仅为后者的1/2～2/3,但2种界面的有效粘结长度相差不多。与干粘结相比,湿粘结具有施工方便快速的优点,可以灵活的配合使用剪力键以获得超过干粘结的粘结性能[6],因而仍然具有大规模应用的潜力。

1 试验研究

试验试件的制作方法及尺寸参数遵照此类试验常采用的日本相关规程[10]的规定。采用的双剪试件尺寸以及BFRP板上的应变片布置见图1。从加载端到自由端的应变片编号依次为0、1、…、7。双剪试件为100 mm×100mm×500 mm的混凝土棱柱体,中间用木块隔开,棱柱体中心的螺栓在木块处断开。试件侧面布置位移计以测量2块混凝土间的相对位移。双剪试件的2个面分别记为A面和B面。

图1 双剪试件尺寸及应变片位置示意图

所有双剪试件均采用钢模制作。湿粘结试件的制作方法为：先将BFRP板材放入钢模中,固定BFRP板位置,在BFRP板上刷粘结树脂,然后放置预埋螺栓,浇筑混凝土,振捣并养护成型。干粘结试件的制作方法为先将混凝土试件养护成型,然后基面处理,刷底涂树脂、找平树脂和粘结树脂,最后粘贴BFRP板。

设计了2批次BFRP板材-混凝土湿粘结界面的双剪试验来研究湿粘结界面性能。第1批试验测试承载力初步比较6种不同粘结树脂的湿粘结性能。在此基础上,限定3种类型的胶,其中1种类型为新增,通过测试极限承载力、应变和变形,完成了第2批12个试件的双剪试验,并深入分析了湿粘结界面的性能。BFRP板的材性见表1。2批次双剪试件的试验参数见表2、表3。第1批混凝土强度46.4 MPa;第2批混凝土强度40.9 MPa。试验装置以及数据采集系统见图2;试验加载制度采用按位移加载控制,加载速度为2mm/m in。

图2 试验装置以及数据采集系统

表1 BFRP板参数

表2 第1批双剪试验参数与结果

2 试验结果分析

2.1 破坏特征

干粘结与湿粘结界面破坏特征对比见图3、表2和表3。图3a)为干粘结界面破坏特征,图3b)和图3c)为2种不同树脂的湿粘结界面破坏特征。构件上的A表示A面破坏,B表示B面破坏。由图3可见,2种界面的破坏模式有所不同,干粘结能够粘下一层混凝土,加载端部粘下块状混凝土,表现为混凝土层的破坏(特征I);而湿粘结只能粘下一层砂浆,加载端部未能粘下块状混凝土,表现为胶层与混凝土界面的破坏(特征II)。采用不同粘结树脂的湿粘结界面具有相似的破坏特征。

图3 干粘结与湿粘结破坏特征

2.2 荷载位移曲线

各试件的荷载位移曲线见图4,横坐标为侧面2个位移计读数的平均值,纵坐标为整个试件的承载力。从图4和表3可知：第1批中6种不同树脂的湿粘结界面承载力略有差别,其中NG胶的承载力为14.42 kN, CH-1A胶的承载力最小为9.27 kN;第2批中采用3种不同粘结树脂的湿粘结界面承载力略有差别,其中SY胶和NG胶界面的承载力较为接近,分别为18.79 kN和18.69 kN,而FRS-CB胶湿粘结界面的承载力只有15.42 kN。湿粘结界面的承载力和延性不如干粘结。第1批中湿粘结的平均承载力为干粘结的0.36～0.56倍,第2批中湿粘结的平均承载力为干粘结的0.56～0.68倍。这种差异主要是由于2批次所采用的湿粘结树脂和混凝土强度不同而引起的。

图4 荷载位移曲线汇总

2.3 有效粘结长度和平均粘结强度

通过BFRP板上不同位置处的应变片读数可以得到应变分布图。湿粘结和干粘结的应变分布图具有相同的变化规律。荷载较小时,只有加载端附近的FRP承受荷载,而加载端附近的应变分布基本呈现线性分布;随着荷载的增大,参与受力的FRP长度增加,靠近加载端的应变增长。当参与受力的FRP长度达到有效锚固长度的长度后,荷载不再增加,加载点处的应变达到峰值,随后应变峰值点向自由端移动,剥离从加载端向自由端发展。

由于篇幅所限,文中仅列出几个典型的应变分布图(图5)。由图5可知,湿粘结和干粘结2种界面方式的应变分布有一定的相似性,但是峰值应变有较大差别。湿粘结界面的应变峰值在3 500με左右,而干粘结的应变峰值一般在4 700με左右,这也是干粘结界面承载力高于湿粘结界面的原因。

图5 第2批试件的应变分布图

粘结界面的一个重要特点是其存在一个有效粘结长度,当粘结长度超过这个值,界面的承载力将不再提高。目前有效粘结长度的计算方法没有统一的标准;文献[11]中有效粘结长度的定义是应变分布曲线上从加载点到应变趋近于零的点之间的距离;在达到开裂荷载之前,有效粘结长度保持为常数,开裂之后,有效粘结长度线性增大。采用文献[11]中的方法,取初始有效粘结长度为其计算有效粘结长度,其值见表3。由表3知,湿粘结界面的有效粘结长度略大于干粘结界面,约为干粘结的1.03～1.16倍。所有试件的粘结长度在60～81.6 mm之间。得到有效粘结长度以后,平均粘结强度可以按照式(1)计算,计算结果见表3。可见,湿粘结的平均剪切粘结强度约为干粘结的1/2～2/3。

表3 第2批双剪试验参数与结果

2.4 粘结滑移关系

拉伸剪切试验加载的过程中,FRP和混凝土的变形并不同步,FRP上的应变发展较快,而混凝土上的应变发展较慢,这种变形的不协调将在界面层产生剪应力。

应变片各点间的粘结剪应力按下式计算[12]：

按照上式计算得到的最大粘结剪应力和最大的滑移值见表3。由表3可知,干粘结的最大粘结剪应力为5.62 MPa,约为湿粘结最大剪应力的2倍。干粘结的滑移值在0.61mm左右,而湿粘结的滑移值在0.27～0.42 mm之间。图6给出了有代表性的湿粘结与干粘结剪应力-滑移(τ-s)关系曲线,并和2个现有的粘结滑移本构模型(Nakaba模型[12]、Lu模型[13-16])进行了对比。由图6可知：Nakaba模型曲线与干粘结界面的试验结果较为接近,误差较小;而与湿粘结界面的试验曲线相差较远,因此不能适用于湿粘结界面。而Lu模型曲线则与湿粘结试验的剪切滑移曲线相对比较接近,而且两者的形状非常相似,但该模型过高估计了湿粘结的最大剪应力。Lu模型的表达式如下：

式中,为FRP板宽度;为混凝土棱柱体的宽度。

式中,为FRP板与混凝土粘结界面的断裂能理论值。

图6 剪应力-滑移关系曲线

采用试验得到的湿粘结界面最大剪应力平均值对Lu模型中的最大剪应力折减,即最大剪应力按照式(12)进行计算;其最大断裂能按照式(13)计算,而其余参数计算仍然采用Lu模型的计算方法。为了便于对比,将上述修正后的计算方法称为修正Lu模型。

基于试验数据的分析,湿粘结界面修正 Lu模型的修正系数可按照如下取值：=0.6、=0.8和φ3=1.0。采用NG树脂、SY树脂和FRS树脂的湿粘结典型试件的粘结滑移试验与理论曲线对比见图6;最大剪应力理论与试验比较见图7;由图6和图7可见,修正后的Lu模型能够较好的预测湿粘结界面的剪应力滑移关系。

图7 最大剪应力试验值与理论值比较

2.5 断裂能

随着荷载的增加,最大剪应力和滑移量逐渐增加,因此界面断裂能也在不断增加。当界面断裂能达到其临界值时,界面层剪应力较大处的初始缺陷将产生不稳定扩展,最终发生界面的剥离。最大界面断裂能为界面粘结滑移曲线所包含的面积。已有研究表明,FRP混凝土界面承载力与的平方根成正比,而与粘结滑移曲线的具体形式无关。根据已有的基于断裂力学的理论推导粘结界面的断裂能可按照下式计算[17]：

按照式(15)计算得到的断裂能见表3。由表3可知,湿粘结界面的断裂能的平均值在0.21～0.30 N/m之间;而由经验公式(13)预测得到的第2批湿粘结试件的理论值为0.245 N/m;可见式(13)能够较好的预测湿粘结界面断裂能。由表3可知,湿粘结界面的断裂能仅为干粘结断裂能的1/3左右。

2.6 湿粘结与干粘结剪切性能存在差异机理分析

FRP片材与混凝土之间的粘结作用力在FRP片材、粘结剂和梁下表面混凝土3层材料中有效传递是保证FRP和混凝土共同工作的基础。粘结失效的实质是由于在FRP、混凝土表层以及两者之间的粘结材料层中不可避免地存在细观尺度上的初始缺陷(如裂纹、孔隙、夹层等),在荷载作用下,当断裂能达到其临界值时,这些初始缺陷就将产生不稳定扩展,最终导致粘结失效[18]。对于干粘结,在施工可靠的情况下,由于工程上常用粘结剂的抗剪强度一般高于混凝土,故FRP片材与混凝土之间的界面剥离通常是发生于粘结剂与混凝土界面区靠近混凝土的一侧。剥离破坏主要发生在粘结胶未浸润的混凝土薄层中。界面发生剥离行为主要是因为混凝土的抗拉强度达到极限而产生裂缝[18]。而对于湿粘结界面,粘结剂与新浇混凝土作用,同时固化,混凝土中的水分容易对粘结树脂的固化产生影响,更容易产生初始缺陷,界面发生剥离主要是因为胶层与混凝土表面砂浆面层的粘结失效,因此其界面粘结强度较低。

3 结 论

1)湿粘结界面承载力与混凝土强度、粘结树脂、纤维材性、温度湿度以及施工质量等因素有关。就所采用的7种环氧树脂而言,采用不同树脂的湿粘结界面承载力有所差别,其中SY胶和NG胶的湿粘结性能最优。

2)拉挤成型BFRP板与混凝土湿粘结界面和干粘结界面相比,具有如下特点：湿粘结的极限承载力、最大剪应力和最大滑移量均明显小于干粘结界面;有效粘结长度略大于干粘结;平均粘结强度约为干粘结的1/2～2/3倍;断裂能为干粘结的1/3左右。

3)基于湿粘结界面的试验数据对Lu模型进行了修正,修正后的Lu模型能够较好地预测湿粘结界面的剪切滑移关系。

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(编辑 胡英奎)

Experimental Analysis of Shear Performance of Wet-bonding Interface between FRP Plate and Concrete

ZHANGPu,ZHUHong,CHENQuan,MENGShao-ping,LIUXiao-yan

(a.Key Laboratory of Concrete and Prestressed Conc rete Structures of Ministry of Education; b.International Institute for U rban Systems Engineering,Southeast University,Nan jing 210096,P.R.China)

By adopting seven kinds of adhesive resins,the mechanical properties of the interface between pu ltruded Basalt fiber rein forced polymer p lates and cast-in-p lace concrete is studied according to two groups of stretching double-shear test.And it is com pared w ith the dry-bonding interface between BFRP plates and the p recast concrete.Further study is conducted by comparing the damage features,loaddisp lacement curves,effective bond length,bond slip relationship and interface fractureenergy between the two interfaces.It is found that the effective bond length of the two interfaces are similar,but the bond strength of the w et-bonding is about half of the d ry-bonding.Finally,the shear stress-slip model is proposed for the wet-bonding interface based on the experimental data.

wet-bonding;interfaces;bond;effective bond length;fracture energy

TU398.9

A

1674-4764(2011)03-0074-06

2010-11-24

国家十一五支撑计划项目(2006BAJ03B07);国家自然科学基金资助项目(50908045)

张 普(1982-),男,博士生,主要从事FRP材料在土木工程中的应用研究,(E-mail)zhp1243@163.com。朱 虹(通讯作者),女,博士,副教授,(E-mail)seuzhuhong@gmail.com。