低龄期下CFRP-钢界面黏结性能试验研究

薛 耀 张 龙 曹双寅 于 宙

(东南大学土木工程学院, 南京 210096)

低龄期下CFRP-钢界面黏结性能试验研究

薛 耀 张 龙 曹双寅 于 宙

(东南大学土木工程学院, 南京 210096)

对低龄期下CFRP-钢双剪试件进行了轴向拉伸试验,研究了不同养护时间下CFRP-钢黏结界面峰值滑移量、黏结刚度、有效传力长度及极限承载力的变化规律.试验结果表明:CFRP-钢界面峰值滑移量随养护时间的增加而减小;养护1 d时界面具有比较稳定的承载力和维持自身稳定的刚度;养护3 d内强度和刚度迅速增加,有效传力长度迅速减小,5～7 d内各参数趋于稳定,由此认为合理养护时间应不少于3 d.基于此,推算出CFRP-钢界面的养护时间建议值及不同低龄期下CFRP-钢黏结承载力计算公式,为CFRP在钢结构中的加固设计提供依据.

CFRP-钢;养护龄期;黏结性能

保证碳纤维布与钢构件之间的有效黏结是决定CFRP加固修复钢结构效果的关键因素.近年来,国内外学者对CFRP-钢界面的黏结性能进行了大量研究.文献[1-3]指出,CFRP-钢界面破坏主要发生在胶层-钢板界面,且有效黏结长度为40～100 mm,采用应变片测试的方法可以得出界面本构关系;文献[4]提出了简易的CFRP-钢界面承载力理论公式;文献[5-6]通过试验、理论和有限元分析方法研究了CFRP-钢界面承载力;文献[7]结合已有试验提出了CFRP-钢黏结滑移双线型本构模型.

在实际工程(如抢险加固工程等)中,常存在由于时间紧迫,结构在加固后较短时间内便需要受力的情况.目前,关于低龄期(小于7 d)养护条件下CFRP加固钢结构界面性能的研究还较少,从而制约了CFRP在低龄期情况下的加固应用.为此,本文对低龄期养护条件下的CFRP-钢界面黏结性能进行了试验研究和探讨.

1 试验

1.1 试件设计

为研究低龄期不同养护时间下CFRP-钢界面的黏结性能,试件的养护时间分别取为1,2,3,5,7 d.试件编号为Dt-v，其中t为养护时间，v为平行样本测试序号.

本试验采用CFRP-钢双剪试件,粘贴单层碳纤维布.如图1所示,试件测试端CFRP粘贴长度为200 mm,在测试区域按照15 mm的间隔等距粘贴应变片,用以观测CFRP应变的变化;锚固端CFRP粘贴长度为230 mm.

(a) 正视图(单位:mm)

(b) 侧视图

1.2 材料性能及试件制作

试验用钢板采用4.8 mm厚的Q235钢材.CFRP布采用0.167 mm厚碳纤维布,抗拉强度为3 750 MPa,弹性模量为210 GPa.浸渍胶采用配套的环氧树脂浸渍胶,钢-钢拉伸抗剪强度为16.2 MPa.

根据图1进行试件加工,按照文献[8]的规定对试件表面进行处理.成型试件放入养护箱中养护,温度为20 ℃,相对湿度为60%.

2 试验结果及分析

2.1 黏结滑移曲线

黏结滑移曲线能够反映界面的局部黏结性能,并受多种因素影响.其中,峰值滑移量和黏结刚度是表征该曲线特征的重要参数.

由差分法原理计算得胶层各点处的界面剪应力τi,即

(1)

式中,εi为测点i处的CFRP应变;m,E分别为CFRP的厚度和弹性模量;Δli为测点i+1和测点i之间的距离.

从CFRP末端开始对其应变进行数值积分,可得到测点i处的局部滑移si,即

(2)

由式(1)和(2)可得同一测点在不同荷载下的剪应力和滑移量,进而得到该测点处的实测黏结滑移曲线.选取典型试件D5-1绘制实测黏结滑移曲线,结果见图2.图中,d为测点到中部缝隙的距离.

图2 试件D5-1的黏结滑移曲线

对实测黏结滑移曲线进行简化,可得界面黏结滑移本构关系曲线(见图3).图中,s0为峰值滑移量;smax为最大滑移量;τmax为最大剪应力.

图3 CFRP-钢界面黏结滑移本构关系曲线

定义曲线中线性上升段的峰值和原点之间的割线斜率(τmax/s0)为名义黏结刚度.各试件的峰值滑移量和名义黏结刚度计算结果见表1.

表1 各试件黏结滑移曲线控制参数

为研究龄期对黏结滑移曲线的影响,将各试件上典型测点的实测黏结滑移曲线进行对比,结果见图4.由图可知,曲线上升段和下降段的斜率随着养护龄期的增加而明显增大.龄期为1～2 d的曲线上升段斜率较小,峰值点不明显;3 d后黏结滑移曲线的上升段和下降段呈明显的双线形.养护龄期较短(1～2 d) 时试件的峰值滑移量较大,峰值剪应力较小;随着养护龄期的增加,峰值滑移量明显减小,峰值剪应力则明显增大,并逐渐趋于稳定.当养护龄期不超过3 d时,试件的名义黏结刚度较小,约为50～90 MPa/mm.然而,随着龄期的增加,名义黏结刚度明显增长,增幅约为75%～100%.当养护龄期为5,7 d时,试件的名义黏结刚度趋于稳定.

图4 不同试件的黏结滑移曲线

参照CFRP-混凝土界面本构模型,采用Popovics公式对CFRP-钢本构模型进行描述,即

(3)

式中,s为滑移量;τ为界面剪切应力;n为与曲线形式有关的参数.

根据式(3)所得的拟合结果与部分试验结果对比见图5.

图5 部分试验结果与拟合结果对比

在分析Popovics模型曲线形式时,可以用峰值处的曲率作为评判曲线陡缓的指标.由式(3)可得峰值处的曲率为

(4)

拟合曲线中的相关系数、n值和K值等参数见表2.

表2 拟合曲线中相关参数

由图5及表2可以看出,采用Popovics模型对实测黏结滑移曲线进行描述时拟合度较高,并且随着养护龄期的增加,黏结滑移曲线逐渐捏缩,K值明显增大.

2.2 界面受力性能

2.2.1 有效传力长度

CFRP与钢板之间的作用力是通过胶层的变形协调进行传递的.对于低龄期养护条件下的CFRP-钢界面,其传递长度即为有效传力长度.

养护龄期为1～2 d时典型试件D2-2的CFRP应变分布见图6.图中,P为荷载.由图可知,低龄期养护条件下试件的有效传力长度较长,且没有出现逐次剥离现象,试件达到极限承载力后迅速破坏.

图6 试件D2-2的CFRP应变分布图

养护龄期为3～7 d时典型试件D3-1的CFRP应变分布见图7.由图可见,养护充分后,有效传力长度显著减小.当荷载达到剥离荷载时,试件出现明显的逐次剥离.

图7 试件D3-1的CFRP应变分布图

养护1 d后试件的表面略显潮湿,胶未固化完全,界面存在一定的黏滞滑移,但试件已具有初步的强度和刚度,因此破坏时CFRP应变较小,约为3×10-3;而养护2 d后试件表面已无潮湿感,胶已固化完全,此时CFRP最大应变为5×10-3.

各试件的有效传力长度见表3.由表可知,随着养护龄期的增加,有效传力长度逐渐减小,3 d后则基本稳定不变.

表3 各试件的有效传力长度和极限承载力

2.2.2 极限承载力

对于粘贴长度大于有效传力长度的单剪界面,极限承载力的计算公式为[4]

Pu=βPβafvbcfLe

(5)

为避免剥离时震颤对应变片的影响,进行数据分析时,最大剪应力由剥离前一级荷载时的应变得到.此外,由于试件制作中可能存在制作偏心,导致两面碳纤维布不能同时剥离,故实测的双剪试件极限承载力较理论值小.

试件D3-2和试件D7-2在制作过程中存在缺陷,胶层厚度分布不均匀且界面存在气泡,导致这2个试件的极限承载力试验值偏小.

在式(5)的基础上考虑以下3个系数:有效传力长度时效系数βL、最大剪应力时效系数βτ和安全折减系数φ,其中βL,βτ可通过对试验数据进行回归分析得到.则低龄期养护条件下界面极限承载力的计算公式为

Pu=φβPβafv,tbcfLe,t

(6)

式中,Le,t,fv,t分别为养护td时试件的有效传力长度和胶结剂抗剪强度，且

Le,t=βLLe=exp(0.036t2-0.484t+1.624)Le

fv,t=βτfv,7=exp(-0.033t2+0.428t-1.379)fv,7

代入实测的最大剪应力,即可得到fv,7≈0.85fv.

将式(6)中的指数项简化为时效系数φt,则

由此可知，低龄期养护条件下的CFRP-钢界面承载力为

Pu=0.85φφtβPβafvbcfLe

(8)

考虑到低龄期养护条件下CFRP-钢界面的黏滞性较强,过早承受荷载对界面会产生不利影响,因此在计算CFRP-钢界面极限承载力时,建议采用安全折减系数φ,其取值为0.6～0.8.此外,对于t=1～3 d时的CFRP-钢界面,采用端部锚固或者增加粘贴长度等构造措施.

本试验中没有观察到低龄期养护条件下极限承载力随养护时间的明显变化.其原因可能在于:在养护初期胶层存在黏滞滑移,导致有效传力长度较大,抵消了胶层剪应力较小的影响;随着养护时间的增加,虽然胶层剪应力增大,但有效传力长度下降,故极限承载力没有发生显著变化.

3 结论

1) 低龄期养护条件下CFRP-钢界面性能硬化规律如下:养护1 d时的试件界面存在黏滞性,但具有维持自身稳定的强度和刚度;养护3 d时的试件界面参数指标逐渐趋于稳定;随着养护时间进一步的增加,界面力学性能略有提升,养护5～7 d时试件的力学性能基本不变.因此,推荐养护时间至少为3 d.

2) 基于各参数指标的分析,提出了低龄期下CFRP-钢抗剪黏结承载力计算公式,可供相关加固设计参考.

References)

[1]Yu T, Fernando D, Teng J G, et al. Experimental study on CFRP-to-steel bonded interfaces[J].CompositesPartB:Engineering, 2012, 43(5): 2279-2289.

[2]Zhao X L, Zhang L. State-of-the-art review on FRP strengthened steel structures[J].EngineeringStructures, 2007, 29(8): 1808-1823.

[3]Teng J G, Yu T, Fernando D. Strengthening of steel structures with fiber-reinforced polymer composites[J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2012, 78: 131-143.

[4]刘素丽.碳纤维布与钢板的黏结机理研究[D].武汉:武汉大学土木建筑工程学院,2004.

[5]彭福明.纤维增强复合材料加固修复金属结构界面性能研究[D].西安:西安建筑科技大学土木工程学院,2005.

[6]马阳春.端锚碳纤维布-型钢黏结界面受力性能研究[D].长沙:中南大学土木工程学院,2013.

[7]Xia S H, Teng J G. Behaviour of FRP-to-steel bonded joints [C]//ProceedingsoftheInternationalSymposiumonBondBehaviourofFRPinStructures. Hongkong, China, 2005: 411-418.

[8]中华人民共和国质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 21526—2008结构胶黏剂:粘接前金属和塑料表面处理导则[S].北京:中国标准出版社，2008.

Experimental study on bonding behavior of CFRP-to-steel interface under early curing age

Xue Yao Zhang Long Cao Shuangyin Yu Zhou

(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The axial tensile tests of carbon fiber reinforced polymer(CFRP)-to-steel double shear specimen under early curing age were carried out. The variation laws of the peak slip value, the bonding rigidity, the effective force transmission length and the ultimate bearing capacity of the bonding interface of CFRP-to-steel under early curing age were ivestigated.The experimental results show that the peak slip values of the bonding interface of CFRP-to-steel decrease with the curing time passing by, and the interface has a stable bearing capacity and rigidity for self-stability with the curing age of 1 d. The strength and rigidity increase rapidly and the length of the effective force transmission decreases rapidly in 3 d. Meanwhile, these parameters tend to be stable in 5 to 7 d. Therefore, the reasonable curing age should be no less than 3 d. Based on these results, the recommended value of the curing age of CFRP-to-steel interface and the formulae of the bonding bearing capacity of CFRP-to-steel under different curing ages are put forward, providing a basis for strengthening design of CFRP in steel structures.

CFRP (carbon fiber reinforced polymer)-to-steel; curing age; bonding behavior

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.028

2014-07-22. 作者简介: 薛耀(1990—)，男，硕士生；曹双寅(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，101000873@seu.edu.cn.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB026200).

薛耀,张龙,曹双寅,等.低龄期下CFRP-钢界面黏结性能试验研究[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(2):360-363.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.028

TU391

A

1001-0505(2015)02-0360-04