粘结长度对CFRP-C60混凝土界面性能的影响*

洪雷　朵润民　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)



粘结长度对CFRP-C60混凝土界面性能的影响*

洪雷朵润民王苏岩

(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:通过自行设计的加载装置，采用双面剪切试验法研究了粘结长度对碳纤维增强复合材料(CFRP)-C60高强混凝土界面性能的影响，并提出了最小粘结长度的概念和有效粘结长度模型.结果表明：随粘结长度的增大，试件破坏时的极限荷载和极限位移均显著增加，但初始剥离荷载和初始剥离位移都没有明显的变化；随着荷载的增加，应力的传递区域不断向前推进，同时应力传递区域的长度也不断增加，即应力传递区域呈现动态变化；C60混凝土的最小粘结长度大约为有效粘结长度的2倍，只有当粘结长度大于最小粘结长度时才可充分发挥粘结界面的承载力，提高界面延性.

关键词：碳纤维增强复合材料；高强混凝土；界面性能；粘结长度；双面剪切试验

碳纤维增强复合材料(CFRP)由于其轻质高强、良好的耐腐蚀性，广泛应用于结构修复补强领域[1- 3].CFRP与混凝土结构共同工作的基础是两者之间良好的粘结性能，因此国内外对CFRP布与混凝土的界面粘结性能进行了大量的研究[4- 6].任何两种不同材料共同工作受力都会有一个临界粘结长度，超过这个临界长度界面承载力就不会增加，如钢筋与混凝土的受拉锚固长度.CFRP与混凝土基体的界面同样具有有效粘结长度，有效粘结长度可以根据有关的经验公式推出[7- 9]，也可以根据CFRP片材的应变分布直接获得[10- 11].在相关的经验公式中，Chen等[9]的有效粘结长度计算模型是目前最被认可的，如式(1)所示：

(1)

其中，E为CFRP布的弹性模量，t为CFRP布的厚度，fc为混凝土圆柱体的抗压强度.

在CFRP-混凝土界面承载力试验中，界面未达到最大承载力(CFRP未达到有效粘结长度)前，加载端(受力端)CFRP与混凝土已经开始剥离；直到达到有效粘结长度其端部剥离持续进行，表现为应力传递区域在加载过程中呈动态移动.因此，有效粘结长度的本质是应力传递区域的最大长度.笔者提出了最小粘结长度的概念，即应力传递区域长度达到有效粘结长度时有效粘结长度和剥离区长度之和.可以预见，只有当CFRP-混凝土界面的粘结长度超过最小粘结长度时，界面的承载力才能充分发挥.

为了验证上述假设，并且初步研究最小粘结长度与有效粘结长度的关系.文中通过自行设计的加载装置[12]，结合相关规范[13]对粘结长度为120和300 mm的CFRP-混凝土界面性能进行研究.

1实验

1.1实验材料

由式(1)可知，混凝土的强度越高，有效粘结长度越小.为了使试验效果明显，有效粘结长度越小越好.故本次试验采用C60高强混凝土.混凝土拌合物的含气量为4%，标准养护28 d的立方体抗压强度为70.08 MPa，混凝土的抗冻性为F250.其配合比见表1.CFRP布物理力学性能与树脂胶的性能见表2和3.

表1　C60高强混凝土配合比1)

1)水泥为PO42.5R普通硅酸盐水泥，减水剂为聚羧酸减水剂，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，混凝土水灰比0.29.

表2　CFRP布物理力学性能

表3　环氧树脂胶性能

1.2实验概况

1.2.1试件设计

本次试验采用两组不同尺寸的棱柱体混凝土试块，如表4所示.第一组制作18个试件，分3批进行试验，每批6个试件，结果取平均值.第二组12个试件，分两批，每批取6个试件的平均值.

表4　试件分组

由于双剪试验试件制作简单、有利于对中、试验精度高，故采取此种方法.试件的制作过程如下：先将试件的两个相对侧面打磨平整.将一整条CFRP布的两端分别粘贴在混凝土试块的相对两侧表面，从而形成双面剪切试件，如图1所示.在两个结合面上，预先选择一个作为测试面，为了避免在另一个面上首先破坏，加长其粘贴长度并粘贴CFRP进行U形箍加固.采用的CFRP宽度为50 mm，粘贴层数为一层，两组试件的测试面粘结长度分别为120和300 mm，加载端边界上预留25 mm的非粘结区.

图1　双面剪切试件

1.2.2实验方法

试验采用1 000 kN的电液伺服机，利用自行设计的加载装置实现双面剪切试验，此装置可减少受力时产生的偏心，具有较好的可靠性.加载时用0.3 mm/min的位移加载控制，加载装置如图2所示.

图2　加载装置示意图

试验中的数据采集主要有3种形式：通过夹式应变计测量CFRP端部滑移；通过量程5 t的荷载传感器进行荷载测量；通过粘贴在CFRP布上的应变片对CFRP各分部的应变进行测量，两组试件的应变片粘贴位置如图3所示.

图3　CFPR布应变片分布图

2实验结果与讨论

2.1荷载-端部滑移曲线

荷载-端部滑移曲线是界面分析必不可少的工具[14- 15]，两组不同粘结长度下的荷载-端部滑移曲线如图4所示.荷载1-1表示第一组第一批次6个试件的平均值，其他以此类推.从图中可以看出，在加载的初始阶段，荷载与端部滑移呈线性关系，可以近似地认为处于弹性阶段.在这一阶段粘结长度对荷载和端部滑移影响不大，斜率基本上相等；随着荷载的进一步增加，端部粘结界面开始剥离，曲线斜率明显减小，随着荷载的增大位移迅速增大，一般将此时的荷载定义为初始剥离荷载，它是界面弹性和非弹性阶段的分界点.

图4　不同粘结长度下的荷载-端部滑移曲线

Fig.4Curves of load versus global slip under different bond lengths

不同批次试件的重要参数如表5所示.粘结长度由120 mm增加到300 mm时，初始剥离荷载和初始剥离位移(即达到初始剥离荷载时的端部变形位移)都没有明显的变化，但其破坏时的极限荷载和极限位移均有显著增加.分析认为，当荷载较小时应力传递区域较小，此时粘结长度对其影响较小，所以两组试件的初始剥离荷载与位移相差较小；随着荷载的进一步增加，应力传递区域不断向前推进，此时粘结长度的大小对应力传递区域的推进有很大影响，所以两组的极限位移和极限荷载相差很大.可以肯定，第一组试件在破坏前的应力传递区域长度并未达到有效粘结长度.

表5　荷载-端部滑移曲线中的各种参数

2.2应变分布曲线

文献[5,10,16- 17]中都对有效粘结长度做了详细分析，这些分析都是基于过去提出的有效粘结长度模型.但是前提都是采用了足够的粘结长度，使得界面达到了有效粘结长度，从而认为只要界面的粘结长度达到有效粘结长度就可以保证材料的充分使用.然而，通过对这些文献的应变分布曲线分析可以看到，应力传递区域的边界已经到达距离加载端长度为有效粘结长度的位置，但应力传递区域本身的长度还没有达到有效粘结长度.可见，粘结长度只是等于有效粘结长度而并不一定能够保证材料的充分发挥.为此，笔者通过试验进行了深入的分析，具体如下.

以初始剥离荷载为分界点，Taljsten[18]和Ali-Ahmad[10]分别提出了线弹性应变分布模型和非线性应变分布模型，一直沿用到现在.两者共同的特点是，应变分布曲线是由剥离区域和未剥离区域组成的，如图5所示.剥离区域内应变分布出现较大的波动，Yun等[11]对此做出了解释，这是由于CFRP布的不均匀性而产生的.未剥离区域分为应力传递区域与无应力区域.应力传递区域长度随着荷载的增大不断增大，并且向前推进，当荷载增大到一定值后，应力传递区域长度不再增加，此时的长度即为有效粘结长度.

图5　典型的应变分布曲线

将每组的荷载用最大荷载Pu标准化，得到不同荷载等级下CFRP布的应变分布曲线，如图6所示.

图6　不同荷载等级下的应变分布曲线

当P<0.64Pu时，应变变化区域范围很小，即应力传递区域很小，此时粘结长度对加载没有影响，验证了2.1节的结论.粘结长度为120 mm的分组中(如图6(a))，当P=0.84Pu时，应力传递区域的长度约为30 mm；当P=0.89Pu时，应力传递区域的长度约为50 mm.粘结长度为300 mm的分组中(如图6(b))，当P=0.84Pu时，应力传递区域的长度约为80 mm；当P=0.95Pu时，应力传递区域的长度也约为80 mm，CFRP布末端应变几乎为0.此时应力传递区域的长度已经是加载过程中的最大值，保持在80 mm左右.

通过式(1)计算，本试验中CFRP-C60混凝土界面有效粘结长度约为75 mm，与第二组试件结果相当.试验和计算结果都表明第一组试件在破坏前尚未达到有效粘结长度，第二组试件已经达到有效粘结长度.分析原因是由于，随着荷载的增加，应力传递区域不断向前推进，同时应力传递区域的长度也在不断增加.120 mm的粘结长度不能满足应力传递区域长度达到有效粘结长度的需要，即在应力传递区域的长度还没有达到有效粘结长度前，应力传递区域就已经超过120 mm.结合2.1节的结果，当应力传递区域未达到有效粘结长度时，界面的承载力还有很大的增长空间.此时，增加粘结长度不仅可以提高界面承载力，还可以大大增加界面的延性.第二组数据中，当P=0.84Pu时，应力传递区域长度达到有效粘结长度，此时应力传递区域长度与剥离区域长度之和即为CFRP-混凝土最小粘结长度，本试验中约为160 mm，即为有效粘结长度的2倍.

这些结论证明，假设是成立的.当然，不同强度的混凝土最小粘结长度和有效粘结长度之间的关系会有所不同，需要专门研究.最小粘结长度的提出在工程中是非常有意义的.笔者认为，CFRP与混凝土结构的粘结长度超过最小粘结长度，加固结构才偏安全.若由于混凝土结构自身尺寸所限，两端的锚固非常有必要.

3有效粘结长度模型

CFRP布与混凝土基层的作用由3部分组成：CFRP布与树脂胶的相互作用、树脂胶的相互作用、混凝土基层与树脂胶相互作用.加载过程中的破坏都集中在混凝土基层与树脂胶的作用面.而初始剥离的出现，也是由于距离加载端较近处的树脂胶与混凝土基层界面出现了细微的裂缝.随着这些裂缝不断发展，混凝土基层与树脂胶界面不断出现剥离.加载过程中，应力传递区域不断推进.

为了能够进一步描述破坏过程，提出了理想模型.假设加载端的界面剥离速度为V1，应力传递区域的边界发展速度为V2，如图7所示.

图7　CFRP布与混凝土粘结界面

在加载初期,V2>V1，随着荷载的不断增大，V1、V2也不断增大，但V2的增长速度小于V1，在某一时刻，二者速度相同，即V2=V1，应力传递区域的长度不再继续增大，即达到了有效粘结长度.此时已经剥离区域和应力传递区域的长度之和即为最小粘结长度.试验表明，C60混凝土的最小粘结长度约为有效粘结长度的2倍.

4结论

通过对CFRP-C60混凝土界面性能的研究，得出以下主要结论：

(1)粘结长度对初始剥离荷载与初始剥离位移无明显影响，但粘结长度越大，破坏时的极限荷载和极限位移越大.

(2)随着荷载的增加，应力传递区域不断向前推进，同时应力传递区域的长度也在不断增加.当此长度达到有效粘结长度时，应力传递区域长度与剥离区域长度之和即为最小粘结长度.

(3)C60混凝土CFRP最小粘结长度约为有效粘结长度的2倍，粘结长度应大于最小粘结长度才可充分发挥界面的承载力，提高界面延性.若由于混凝土结构尺寸限制无法满足要求，锚固是非常必要的.

参考文献：

[1]王震宇,王代玉,吕大刚，等.CFRP中等约束钢筋混凝土方柱单轴受压应力-应变模型 [J].建筑结构学报,2011,32(4):101- 109.

WANG Zhen-yu,WANG Dai-yu,LÜ Da-gang,et al.Stress-strain model for moderate-confined reinforced concrete square columns [J].Journal of Building Structures，2011,32(4):101- 109.

[2]FIRMO J P,ARRUDA M R T,CORREIA J R.Contribution to the understanding of the mechanical behavior of CFRP-strengthened RC beams subjected to fire:Experimental and numerical assessment [J].Composites Part B Engineering，2014,66(11):14- 24.

[3]董江峰,王清远,朱艳梅，等.外贴纤维布加固钢筋混凝土梁的抗剪试验研究 [J].四川大学学报(工程科学版),2010,42(5):197- 203.DONG Jiang-feng,WANG Qing-yuan,ZHU Yan-mei,et al.Experiment study on RC beams strengthened with externally bonded FRP sheets [J].Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition),2010,42(5):197- 203.

[4]黄培彦,郑小红,周昊，等.CFRP-混凝土界面的疲劳性能 [J].华南理工大学学报(自然科学版),2012,40(10):184- 189.

HUANG Pei-yan,ZHENG Xiao-hong,ZHOU Hao.et al.Fatigue behavior CFRP-concrete interface [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2012,40(10):184- 189.

[5]李杉.环境与荷载共同作用下FRP加固混凝土耐久性 [D].大连:大连理工大学建设工程学部,2009.

[6]何小兵,严波,申强.GFRP/CFRP-混凝土界面剪切性能 [J].建筑材料学报,2013,16(6):1004- 1011.

HE Xiao-bing,YAN Bo,SHEN Qiang.Interface shear performance of interply hybrid GFRP/CFRP composite and concrete [J].Journal of Building Materials,2013,16(6):1004- 1011.

[7]曹双寅,潘建伍,陈建飞，等.外贴纤维与混凝土结合面的粘结滑移关系 [J].建筑结构学报,2006,27(1):99- 105.

CAO Shuang- yin,PAN Jian- wu,CHEN Jian- fei,et al.Bond and slip relationship at the interface of bonded FRP and concrete [J].Journal of Building Structures,2006,27(1):99- 105.

[8]王占桥,高丹盈.碳纤维片材与混凝土有效粘结长度的试验研究 [J].四川建筑科学研究,2009,35(1):36- 39.

WANG Zhan-qiao,GAO Dan-ying.Experiment investigation on the critical bond length between carbon fiber reinforced polymer and concrete [J].Sichuan Building Science,2009,35(1):36- 39.

[9]CHEN J F,TENG J G.Anchorage strength models for FRP and steel plates bonded to concrete [J].Journal of Structural Engineering,2001,127(7):784- 791.

[10]ALI-AHAMED M,SUBRAMANIAM K,GHOSN M.Experimental investigation and fracture analysis of debonding between concrete and FRP sheets [J].Journal of Engineering Mechanics,2006,132(9):914- 923.

[11]YUN Yan-chun,WU Yu-Fei.Durability of CFRP-concrete joints under freeze-thaw cycling [J].Cold Regions Science and Technology,2011,65(3):401- 402.

[12]王苏岩.FRP加固试验持续加载装置:20081029275 [P].2008- 10- 08.

[13]CECS146:2003,碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 [S].

[14]张普,高丹盈,朱虹.FRP板-混凝土湿黏结界面性能的试验研究与数值模拟 [J].土木工程学报,2013,46(2):108- 114.ZHANG Pu,GAO Dan-ying,ZHU Hong.Numerical simulation and experimental study on the performance of wet-bonding interface between FRP plate and concrete [J].China Civil Engineering Journal,2013,46(2):108- 114.

[15]李伟文,邢锋,严志亮，等.硫酸盐腐蚀环境下CFRP-混凝土界面性能研究 [J].深圳大学学报(理工版),2009,26(1):86- 91.

LI Wei-wen,XING Feng,YAN Zhi-liang.Investigation on the mechanical behavior of adhesive bonded CFRP-concrete joints under the sulfate solution [J].Journal of Shenzheng University(Science and Engineering),2009,26(1):86- 91.

[16]万先虎.高温干湿交替环境下FRP-混凝土界面粘结性能的耐久性研究 [D].哈尔滨:哈尔滨工业大学土木工程学院,2013.

[17]李杉.环境与荷载共同作用下FRP加固混凝土耐久性 [D].大连：大连理工大学土木工程学院,2009.

[18]TALJSTEN B.Defining anchor lengths of steel and CFRP plates bonded to concrete [J].International Journal of Adhesion and Adhesives,1997,17(4):319- 327.

Influence of Bond Length on Bonded Interface Performance of CFRP-C60 Concrete

HONGLeiDUORun-minWANGSu-yan

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

Abstract:By using a self-designed loading device, the interface performance of CFRP(Carbon Fiber-Reinforced Polymer)-C60 high-strength concrete under different bond lengths are investigated via double shear tests. Then, the concept of the minimum bond length is proposed and a model of the effective bond length is established. The results indicate that (1) with the increase of the bond length, both the ultimate bond load and the ultimate global slip response increase remarkably , while the initial strip load and the initial strip response have no significant change; (2) with the increase of the load, the stress transfer area moves forward from the loading end and continuously prolongs, which presents a process of dynamic change; (3) the minimum bond length of C60 concrete is about 2 times the effective bond length; and (4) when the bond length is larger than the minimum value, the bearing capacity of the concrete can be fully used and the ductility is improved.

Key words:carbon fiber-reinforced polymer; high-strength concrete; interface performance; bond length; double shear test

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.02.003

中图分类号：TU 528.01

文章编号:1000- 565X(2016)02- 0014- 06

作者简介:洪雷(1964-)，男，博士，副教授，主要从事FRP加固混凝土结构研究．E-mail:honglei_a@163.com

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378089)；海岸与近海工程国家重点实验室开放基金资助项目(SI14-3-2)

收稿日期:2015- 03- 26

Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51378089)