冻融循环作用下CFRP-C60高强混凝土的劣化特征点

洪雷，张雨剑，王苏岩

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)



冻融循环作用下CFRP-C60高强混凝土的劣化特征点

洪雷，张雨剑，王苏岩

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

摘要:采用P值检验法和最大曲率法对碳纤维增强复合材料(CFRP)片材-C60高强混凝土黏结界面的冻融损伤进行定量化评估，分析CFRP-C60高强混凝土冻融损伤的劣化特征点及其相关规律。结果表明：初劣点、陡劣点及最大曲率等指标可以准确地反映CFRP-C60高强混凝土冻融劣化过程的特征，CFRP-C60高强混凝土的各项剪切试验参数在冻融循环次数N=113左右时开始初步劣化，在N=152左右时开始显著劣化，并且黏结本构参数Sspan和Gspan的劣化要早于承载力参数F0和F1；冻融循环对CRFP-C60高强混凝土界面最大剪应力所对应的应变无明显影响。

关键词：冻融循环；CFRP；高强混凝土；劣化特征点

在寒冷地区，冻融循环是对FRP-混凝土结构耐久性的最主要的环境影响之一[1]，冻融循环对FRP-混凝土的粘结强度等性能会造成不同程度的损伤[2-3]。目前，国内外对于FRP加固高强混凝土的耐久性研究还不是很充分，尤其缺乏对于高冻融次数下FRP-高强混凝土的粘结性能劣化规律的了解。通过借鉴已有的研究成果[4]以及混凝土耐久性的劣化特征[5-6]，FRP与高强混凝土之间的粘结性能在冻融循环条件下的劣化过程可分为3个阶段：劣化初始阶段、劣化发展阶段和劣化加速阶段，此过程中的两个特征点为劣化初步开始的点即初劣点，以及劣化速度显著加快的点即陡劣点，如图1所示。

本文运用P值检验法[7]和最大曲率法，确定该劣化过程的特征点。通过双面剪切试验得到的试验结果，对CFRP加固C60高强混凝土的各个试验参数的劣化特征点分布进行了分析，提出了用初劣点、陡劣点和最大曲率3项指标对加固效果进行耐久性评定的方法。

图1　FRP-混凝土一般劣化过程Fig.1 General deterioration process of FRP-concrete

图2　CFRP-混凝土双面剪切试件Fig.2 CFRP-to-concrete double shear specimen

1原材料与试验方案

1.1试件设计

将一条50 mm宽的CFRP布黏贴在棱柱体混凝土试块相对的两侧表面(如图2所示)，并预先选择其中一个面作为测试面。为了防止非测试面在剪切试验中先于测试面破坏，在非测试面上加长CFRP的黏结长度并进行了额外加固。测试面的黏结长度为L1=100 mm，加载端边界上方预留L2=30 mm的非黏结区，沿纤维方向布置应变片。混凝土试块设计强度等级为C60，尺寸为100 mm×100 mm×150 mm，其配合比见表1。CFRP的主要性能指标见表2。

表1　C60混凝土配合比

表2　CFRP布性能指标

1.2试验方案与结果

本文参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》[8]中抗冻性能试验的快冻法进行冻融循环试验，每次冻融循环的周期是3h，控制试件中心温度变化范围为(-17±2) ℃至(8±2)℃，循环次数为0次至250次，以25次为间隔。每个试验组6个试件，试验结果取平均值。采用自行设计的加载装置[9]，对经历冻融后的试件进行双面剪切试验，如图3所示。试验采用1 000 kN电液伺服试验机进行加载，加载速率约为0.005 mm/s; 采用德国制造IMC动态数据采集器采集数据; 采用5 kN荷载传感器测量荷载; 采用弓形应变计测量端部滑移; 采用应变片测量CFRP的应变分布。分别统计每组破坏试验的初始剥离荷载F0(荷载由线性增长转变为非线性增长的临界值)，破坏荷载F1(荷载的最大值)，如图4所示；并且计算靠近加载端的两个应变片之间的CFRP-C60高强混凝土界面的局部剪应力峰值τmax，τmax所对应的应变sm，剪应力减小为0时对应的应变sf和界面破坏能Gf。试验结果见表3。

图3　加载装置示意图Fig.3 Loading device

图4　荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curve

冻融次数F0/kNF1/kNτmax/MPasm/μmsf/μmGf/(N·mm-1)026.5333.6511.6246.0123.00.682526.5533.5211.3345.2121.40.665026.3833.4211.3743.4122.40.667526.4233.5511.2345.1121.90.6510025.9533.5311.0746.9120.80.6312525.7332.9310.7143.6113.00.5715025.0232.0510.2741.6101.90.4917523.7230.869.4941.685.30.3820023.0529.348.3543.883.10.3322521.6826.987.3343.477.60.2725019.5424.966.1241.677.60.25

2模型选用

通过对表3和文献4的试验结果分析，发现CFRP-C60高强混凝土在冻融循环作用下，其剪切试验各参数值呈劣化(下降)趋势，但在较低的冻融次数(100次以下)劣化不明显，随着冻融循环次数增加，其劣化速度开始加快。所以用统计学的方法——P值检验法来确定劣化初步开始的点，用最大曲率法来确定劣化速度显著加快的点。

2.1用P值检验法确定初劣点

当剪切试验参数相对值D(当前试验点值/试验点最大值)≥1时，可以认为CFRP与混凝土的粘结是可靠的，没有发生劣化；当D≤1时，认为粘结发生了劣化。因此可以通过D对1的偏离量来衡量其劣化程度。考虑各种误差带来的影响，本文利用统计学中的P值检验方法来确定其初劣点，并采用F检验来衡量D对1的偏离程度。这样就可以从统计是否显著的角度来确定CFRP加固C60高强混凝土的冻融循环初劣点。具体步骤如下：

首先确立原假设H0：D=100%；对立假设H1：D≠100%。

通过剪切试验结果发现，其试验点各项参数的变异系数(标准差/均值)并不大，为4%～9%。因此，可以取所有试验点的样本标准差的平均值作为总体的标准差值，计算公式如式(1)所示：

(1)

如此，可以对试验中的每一个数据点均进行总体方差已知的均值假设检验，其检验的F统计量表达式如式(2)所示：

(2)

通过F分布计算可以得到每个试验点的P值，即原假设(D=100%)正确而错误地抛弃原假设的概率。当P值小于公认的显著性水平α(取5%)时，可以认为原假设不成立。通过插值得出P=0.05所对应的冻融循环次数Ni即为所求的初劣点值。

2.2用拟合曲率法确定陡劣点

首先，选取一种方程表达式对试验数据点进行高精度的拟合，使该拟合曲线可以很好的代表试验结果。经过多个方程的尝试和比较，最终选取式(3)进行拟合。

(3)

式中：D和x分别为试验参数值和冻融循环次数；y0，A1和t为待确定的拟合曲线参数。

然后根据拟合曲线的方程，得到该曲线曲率变化并求得其极值，并认为曲率的极值点所对应的冻融次数Ns便是冻融循环陡劣点。即当冻融达到陡劣点时，剪切试验参数变化发生最大弯转，说明加固的劣化过程已经显著加剧。即使陡劣点之后界面还能承受一定次数的冻融，但是无论从理论研究还是实际应用的角度来看，陡劣点无疑都是很重要的一个点。

3结果与分析

3.1初劣点

为了方便统一比较和讨论剪切试验各项参数值的劣化规律，对τmax，sm，sf和Gf等黏结参数进行了无量纲化(无量纲化标准：各参数的最大值量化为10)。图5显示了CFRP-C60高强混凝土剪切试验的承载力参数(破坏荷载F1与初始剥离荷载F0)随冻融次数变化的拟合全曲线5(a)以及无量纲化后的界面黏结本构参数(τmax，sm，sf和Gf)随冻融次数变化的拟合全曲线5(b)。

(a)F0，F1的拟合曲线;(b)τmax，sm，sf和Gf的拟合曲线图5　剪切试验各项参数值及其拟合曲线Fig.5 Parameters of shearing test and fitted curves

通过表3及图5发现，与文献[10]和[11]中CFRP加固普通混凝土在50次冻融循环条件下黏结性能降低30%以上的结果不同，CFRP加固C60高强混凝土在经历100次的冻融循环后，破坏荷载只降低约5%；对于黏结本构参数τmax，sf和Gf，亦在冻融循环100次后才出现明显降低。这是由于加载过程中的破坏集中在混凝土基层与树脂胶作用面，而高强混凝土相比较于普通混凝土有更高的抗冻性能。参数sf和Gf在冻融175次之后几乎达到最低，之后下降速度减慢，所以只对175次之前的数据进行拟合。sm在整个冻融循环过程中变化不大，仅小幅度降低。同时也注意到，破坏荷载F1与初始剥离荷载F0之差随着N增大而不断减小，说明冻融循环使CFRP-C60高强混凝土界面软化(荷载值开始非线性增长)后承载力增长幅度有所减小。

根据式(1)计算可以近似得到每条曲线的总体标准差值，根据式(2)对曲线上指定点进行均值假设检验，即假设各参数在某冻融次数下没有发生劣化，得到接受该假设的概率P值，并做出其样条曲线，结果如图6所示。从图6可以看出，P值的样条曲线均服从负指数的递减规律，P值的下降经历了一个从剧烈变为缓和的过程。当P小于等于0.05时，认为上述假设不成立，即试验参数在冻融循环下已经发生了劣化。P值为0.05所对应的冻融次数Ni即为初劣点，其结果如表4所示。

(a)F0和F1的P值曲线；(b)τmax，sf和Gf的P值曲线图6　剪切试验各项参数值的P值曲线Fig.6 P-value curves of shearing test parameters

从表4可以看出CFRP-C60高强混凝土剪切试验各参数的初劣点不尽相同，即从统计学的角度来看，每个参数开始进入劣化阶段所对应的冻融次数有所差别。相比较来说，界面破坏能Gf受冻融循环次数的影响最显著，在N=91时就已经开始劣化；破坏荷载F1在N=133时才开始劣化。这表明不同的试验参数的劣化趋势虽然是一致的，但是它们对于冻融的敏感程度有所差别。

表4剪切试验各参数的初劣点

Table 4 Initial deterioration points of shearing test parameters

试验参数F0F1τmaxsfGfNi12313310311691

3.2陡劣点

选用式(3)对试验数据点进行拟合，用Gauss-Newton法对拟合方程的曲率方程进行极值计算，极值点所对应的冻融次数Ns即为所求的陡劣点。陡劣值、最大曲率值以及拟合结果见表5，相应的曲率变化如图7所示。

表5　陡劣点及拟合曲线参数

(a)F0和F1的曲率曲线；(b)τmax，sf和Gf的曲率曲线图7　剪切试验各项参数值的拟合曲率曲线Fig.7 Curvature of fitted curves of shearing test parameters

从表5及图7可以看出，CFRP-C60高强混凝土各项试验参数的陡劣点值在123～185之间。黏结本构参数sf和Gf的劣化同样要早于承载力参数F0和F1，这可能是与由于黏结本构参数的劣化要累积到一定程度才能表现在承载力上。τmax的陡劣值与F0和F1的陡劣值较为接近。最大曲率值代表劣化过程转变的剧烈程度，τmax的劣化过程在陡劣点附近的剧烈程度较sf以及Gf要更加显著；F0的劣化过程的最大曲率值略高于F1。总体来看，如图8所示，各剪切试验参数初劣点均值Ni=113，陡劣点均值Ns=152，除参数sf外，陡劣点值明显高于初劣点值，并且初劣点值越大，陡劣点值也越大。当F0和F1开始初步劣化时，Gf和sf已经进入加速劣化阶段。无论从劣化的相对值还是从劣化特征点的分布来看，粘结本构参数Gf和sf的劣化都要早于承载力参数F0和F1的劣化；由于Gf和sf等参数会影响到界面的延性，所以在CFRP加固高强混凝土的耐久性评价中，这一点要引起注意。

图8　初劣点与陡劣点对比Fig.8 Difference between initial points and significant points of deterioration

4结论

1)CFRP-C60高强混凝土的粘结性能在冻融循环次数N大于100次后才发生劣化，随着冻融循环次数的增加，破坏荷载与初始剥离荷载之差随着N增大而不断减小，说明冻融循环使界面软化后承载力增长的幅度有所减小；

2)CFRP-C60高强混凝土的各项剪切试验参数在Ni=113左右时经历初劣点，在Ns=152左右时经历陡劣点，并且sf和Gf的劣化要早于F0和F1；

3)冻融循环次数对界面局部剪应力峰值τmax所对应的应变sm影响不大，而对剪应力减小为0时的应变sf影响较大。

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(编辑蒋学东)

Deterioration characteristic points of CFRP -C60 high strength concrete subjected to freeze-thaw cycles

HONG Lei， ZHANG Yujian， WANG Suyan

(The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering， Dalian University of Technology，Dalian 116024， China)

Abstract:P-value test method and curvature-fitting method were used to assess the damage of carbon fiber reinforced polymer(CFRP) sheet-C60 high strength concrete subjected to freeze-thaw cycles quantitatively. Deterioration characteristic points of the damage caused by freeze-thaw cycles (N) and related regular pattern were analyzed. Analytical results show that initial deterioration point, significant deterioration point and maximum curvature can accurately reflect the deterioration of CFRP-C60 high strength concrete under freeze-thaw conditions. The shearing test parameters of CFRP-C60 high strength concrete begin to deteriorate when N=113 and deteriorate significantly after N reaches 152. The deterioration of bonding parameters(Sspan, Gspan) happens earlier than the deterioration of bearing capacity parameters (F0, F1). Freeze-thaw cycles have no significant effect on the slip corresponding to the maximum interfacial shear stress.

Key words:freeze-thaw; CFRP; high strength concrete; characteristic points of deterioration

中图分类号：TU528.01

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)02-0263-06

通讯作者：洪雷(1964-)，男，黑龙江牡丹江人，副教授，博士，从事混凝土结构耐久性研究；E-mail:honglei_a@163.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378089)；海岸和近海工程国家重点实验室基金资助项目(SI14-3-2)

收稿日期：2015-05-25