铝合金板-混凝土界面的粘结滑移性能及其本构关系

姜德文，黄海林，刘光伟，张明亮，黄曙

(1. 湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201；2. 湖南建工集团有限公司，长沙 410004； 3.长沙市人防工程质量监督定额管理站，长沙 410013)

随着时代的发展和时间的推移，有相当一部分建筑物会因为使用功能改变、材料性能劣化、结构或构件损伤造成房屋结构性能下降，因此，混凝土结构修复和加固技术变得越来越重要。外粘金属、复合材料板材或者片材增强混凝土结构或构件是目前常见的加固方法[1-5]。同时，钢材和FRP是使用最广泛的两种加固材料，钢材强度高、延展性好，但耐腐蚀性差；FRP材料具有轻质高强、耐腐蚀性强的优点，但延展性差，明显呈脆性材料特征[6-9]；铝合金材料耐腐蚀性好、延展性好，克服了钢材和FRP的材料缺点，是工程结构加固材料领域很有前景的材料。学者围绕铝合金加固混凝土结构的受力性能做了大量研究[10-11]，文献[12]采用外部粘贴铝合金条带的方式来增强混凝土梁的抗剪能力，提出了外粘铝合金条带混凝土梁的抗剪加固计算公式；文献[13]提出了铝-混凝土组合梁承载力和刚度的数值分析模型；文献[14]为了研究铝合金和碳-环氧树脂复合材料的粘结界面行为，使用有限元方法模拟了界面粘结破坏过程，结果表明，界面粘结强度和失效模式很大程度上取决于粘结剂。文献[15-16]通过单剪试验研究了混凝土强度、铝合金板宽度和厚度、粘结长度等因素对铝合金板与混凝土界面性能的影响，得到了铝合金板与混凝土的有效粘结长度和粘结强度的理论计算公式。铝合金板与混凝土界面性能的影响因素较多，由物理与化学反应过程共同控制，因此，有关界面粘结滑移行为尚未形成统一的认识[17]。笔者通过不同参数下的双剪试验，研究铝合金板-混凝土界面的粘结破坏机理、界面的应力传递、界面粘结-滑移规律。

1 试验概况

1.1 试件设计及制作

试件设计过程中主要考虑混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板粘结长度和粘结宽度对界面粘结强度的影响，具体参数见表1。每个试件由混凝土试块、结构胶、铝合金板材3部分组成，混凝土试块设计强度等级为C30、C40，其组成成分为水、水泥、中砂及碎石。C30质量配合比为m水泥∶m砂∶m石∶m水=1∶1.90∶3.52∶0.60，C40质量配合比分别为m水泥∶m砂∶m石∶m水= 1∶1.36∶2.89∶0.49。试验时C30、C40试件实测混凝土立方体抗压强度平均值分别为33.4、42.2 MPa。双剪试件具体构造及几何尺寸见图1。

表1 试件设计Table 1 Specimen design

续表1

注：G表示沟槽表面，B表示钻孔表面，N表示自然表面；G-75-120-C30表示沟槽表面，粘结宽度为75 mm，粘结长度为120 mm，混凝土强度等级为C30。

图1 双剪试件示意图Fig.1 Schematic diagram of twin-shear specimen

结构胶采用广州西卡建筑材料有限公司生产的sika-30CN双组份、无溶剂、触变型环氧树脂结构胶。根据《树脂浇铸体性能试验方法》(GB/T 2567—2008)采用MTS材料试验机进行了结构胶的拉伸试验，结构胶拉伸弹性模量为7.6 GPa，抗拉强度为39.9 MPa。根据《硫化橡胶与金属粘接拉伸剪切强度测定方法》(GB/T 13936—1992)采用MTS材料试验机进行了结构胶-铝合金板的粘结性能试验，结构胶-铝合金板界面粘结剪切强度为9.8 MPa。

铝合金板材型号为6061-T6。为了考察铝合金板表面粗糙度对粘结性能的影响，铝合金板表面做了两种不同机械加工刻痕处理，并与自然光滑表面做对比。沟槽采用的构造方式为：沟槽深度与宽度分别为1、3 mm，相邻中心距为20 mm。钻孔方法为：钻孔的直径与深度分别为3、1 mm，竖向中心距为20 mm，横向中心距为10 mm，具体做法见图2。

图2 铝合金不同表面处理方式Fig.2 Different surface treatment of aluminum alloy

1.2 试验加载装置及测点布置

装置由钢立柱框架、穿心千斤顶、刚性连杆、六边形连接件、钢套筒、螺帽、万向转铰、拉力传感器、铝合金板上下夹具、加劲肋支撑钢板等组成，见图3。

试验时，上、下夹具固定上下两块混凝土试块，通过顶升穿心千斤顶对试件施加拉力，完成双剪试验。为简化试验测点布置，铝合金板的上、下两部分按非对称布置粘贴，以保证界面粘结失效破坏始于试件上半部分。其中，试件下半部为非试验区，粘结长度为250 mm；试件上半部分为试验区，布置位移计与应变片，粘结长度分别为120、170、220 mm。为了防止试验过程中加载端混凝土发生局部三角形拉裂破坏，在混凝土端部留有20 mm的非粘结区。通过设置上下两个球铰，可在最大程度减少偏心的影响，保证铝合金板与混凝土界面处于纯剪受力状态。试验加载前首先进行预加载，加载速率控制在2 kN/min，预加载至8 kN结束。正式加载速率控制在2 kN/min，直至试件破坏。

试验过程中，通过设置拉力传感器来测量拉力大小；为测量铝合金板沿粘结长度的应变变化规律，在试验区铝合金板中部以20 mm间距均匀布置应变片，同时，为了测量铝合金板悬空段的拉力水平，在悬空段铝合金板中部也粘贴了一个应变片，应变测点布置见图4。为测量铝合金板与混凝土的相对滑移大小，分别在加载端与自由端布置一个位移计。

图3 双剪试验加载装置Fig.3 Double shear test loading device

图4 铝合金板上应变测点布置示意图Fig.4 Diagram of strain measurement points on aluminum alloy

2 试验结果及其分析

2.1 试验过程与破坏形态

试验加载初期，铝合金板应变随着荷载的增加而逐渐增大，但只有靠近加载端的应变片有明显变化，随着荷载的进一步增大，加载端附近的铝合金板开始出现滑移，可以听到轻微的铝合金板从混凝土表面剥离的声音，界面应力开始由加载端向自由端逐渐传递；随着荷载的继续增大，铝合金板与混凝土在加载端的相对滑移增大比较明显；当荷载增加到接近极限荷载时，此时铝合金板加载端附近出现端部的局部剥离，铝合金板与混凝土界面产生裂缝，相对滑移明显增加；当荷载达到极限荷载时，滑移急剧增大，伴随着一声巨响，铝合金板从混凝土表面完全剥离，试件破坏无法继续承载。

表2列出了各试件的极限承载力、粘结强度、加载端滑移试验结果。整个试验过程中无铝合金板被拉断的现象，其试验有两种破坏模式：1)铝合金板与混凝土界面的剥离；2)结构胶与铝合金板的分层破坏。试件B-75-170-C40-a为铝合金板与结构胶层的分层破坏形式，其铝合金板表面没有粘附混凝土，出现这种分层破坏的原因是结构胶的粘结作用不足或者结构胶层太厚。试件G-100-220-C40-a为混凝土层剥离破坏，剥离下来的混凝土面积大于铝合金的面积，并发现混凝土界面有一连串十分细小的悬臂柱。少部分试件铝合金板剥离时在混凝土端部15 mm×15 mm的三角柱状混凝土被拉扯下来。试件的典型破坏形态见图5。

表2 试验结果Table 2 Experimental results

图5 试件典型破坏形态Fig.5 Typical failure mode of specimens

2.2 荷载-应变关系曲线

通过在铝合金板表面中心线上连续布置应变片，可精确测量出沿长度方向的铝合金板应变分布规律。应变片编号规则为：自由端附近为1#截面，至铝合金板悬空段中部依次增大。

图6给出了4种不同参数下的铝合金板荷载-应变分布曲线。尽管由于应变测试误差导致试件G-75-120-C40-a的6#截面应力大于7#截面应力，但总体上看，试件基本呈现出相同的应变变化规律：在初始加载阶段，只有加载端附近的应变测点读数有明显变化，此时铝合金板、胶粘剂和混凝土共同参与工作，荷载-应变曲线呈线性变化；随着荷载的增加，铝合金板与混凝土之间开始产生滑移，界面刚度减弱，荷载-应变变化规律呈现出非线性；在整个加载过程中，粘结长度不同的试件自由端附近应变读数都很小，可见这部分区域并没有出现有效应力传递现象，说明各试件都存在一个有效应力传递的粘结长度，超过这个有效粘结长度，应力将不再传递，从不同参数影响下的应变传递区域来看，可以得到有效粘结长度在80～120 mm。并且从表2和图6可知，随着混凝土强度等级以及铝合金板粘结宽度的增加，剥离承载力也有所增加，而铝合金表面的粗糙度对界面粘结性能的影响不大。在荷载-应变曲线的线性阶段，从加载端至自由端的曲线斜率依次降低，说明应力从加载端逐步向自由端传递；在达到极限荷载时，铝合金板都有一个应变突变急剧增大的过程，最终铝合金板从混凝土表面剥离导致试件破坏。

图6 各级荷载下铝合金板上的应变分布Fig.6 Strain distribution of aluminum plate under various loads

2.3 粘结界面剪应力分析

根据铝合金板上应变片的布置方案，可选取相邻两个应变片之间的铝合金板作为单元体，通过分析该单元体力的平衡方程，可以得到：铝合金板拉力差由粘结界面剪应力的合力来平衡。其中，铝合金板粘结界面剪应力可通过相邻测点的应变进行计算。根据以上方法，绘制不同试件界面剪应力的演化规律如图7所示。其中，横坐标表示距混凝土加载端距离，纵坐标表示界面上的剪应力。

图7 各级荷载下界面剪应力分布曲线Fig.7 The shear stress distribution curve of interface under various loads

加载初期，局部粘结剪应力主要分布在加载端附近区域。剪应力分布曲线大致为抛物线，且抛物线的最高点随着荷载的增加，不断向自由端转移，说明随着荷载的增加，加载端界面剪应力快速增长，并不断向自由端转移，当加载端附近剪应力减少至0时，表明界面开始剥离，直到界面完全剥离失效。在极限状态时，最大粘结剪应力一般情况下均出现在距离加载端60～80 mm的位置，其值一般约为5～10 MPa。而图7(b)对应的极限剥离承载力较小且峰值剪应力值没有传递过程就发生剥离破坏，这是因为在调制结构胶的过程中会产生气泡和缺陷，导致界面出现应力集中，使得铝合金提前发生剥离。试验数据表明；粘结长度越长，其峰值剪应力越高，剪应力开始由加载端向自由端传递的速度越慢；混凝土强度等级越高，峰值剪应力值越高，剪应力开始由加载端向自由端传递的速度越快；粘结宽度越宽，其对峰值剪应力没有太大影响，剪应力开始由加载端向自由端传递的速度越快；同时G、B类试件的峰值剪应力比N类试件要高，分析其原因，可能是在截面削弱处产生应力集中，剪应力开始由加载端向自由端传递的速度要慢。

2.4 荷载-滑移关系曲线

试验通过在铝合金板加载端与自由端设置WY系列位移传感器的方法来测量相对滑移。相对滑移值反映了在加载过程中铝合金板与混凝土之间的位移差值，也间接反映了界面的粘结刚度。由试验结果可知，在整个加载过程中，各试件的铝合金板/混凝土界面自由端相对滑移几乎为0，可以忽略不计，因此，仅考虑铝合金板/混凝土在加载端的相对滑移。典型试件在加载端铝合金板与混凝土之间的荷载-滑移曲线如图8所示。由图8可以看出，荷载-滑移曲线大致呈现出相同的规律：1)线性增长阶段，滑移随荷载的增长呈线性增长，此时界面3种材料共同工作、协同变形；2)快速增长阶段，滑移随着荷载的增加出现非线性增长，界面开始出现损伤，界面刚度变弱；3)失稳增长阶段，加载端界面开始剥离，此时，荷载不增加但滑移会迅速增长。

图8 铝合金板/混凝土在加载端的相对滑移曲线Fig.8 Relative slip curve of aluminum alloy plate/concrete at the loading end

图9给出了4种不同参数影响下的荷载-滑移关系曲线对比图。由图9(a)可知，经过表面粗糙度加工处理后的G、B类试件相比N类试件相对滑移还有一定程度的增加，可能是表面加工处理后试件截面刚度会降低，且界面受力时更容易出现应力集中现象，导致剪应力值较大的截面过早出现损伤软化，因此，界面的粘结刚度会变弱。由图9(b)可知，混凝土强度等级越高，其界面粘结刚度越大，相对滑移值越小，这是因为混凝土强度等级越高，混凝土表面抗拉强度越大，混凝土、结构胶与铝合金板三者之间的共同相互作用增强，导致粘结界面的刚度变大，滑移值变小。由图9(c)可知，粘结宽度越宽的试件，界面粘结刚度越大，相对滑移值越小，达到极限荷载时的滑移值越大。由图9(d)可知，粘结长度对试件的初始粘结刚度并没有太大影响，初始曲线斜率基本保持一致。在加载后期，有效粘结长度范围内，粘结长度越短的试件应力传递速度更快，界面损伤更快发生，界面粘结刚度下降更快，导致在相同荷载作用下滑移值最大。粘结长度越长的试件，破坏时的滑移值越大。

图9 不同参数下铝合金板/混凝土加载端的相对 滑移演化规律Fig.9 Relative slip evolution rule under the influence of different parameters

2.5 界面极限承载力

表2给出了各试件的极限承载力、界面平均粘结强度的具体试验结果，为了能直观观察出不同参数下的极限承载力规律，分别绘出不同参数下的极限承载力柱状图，见图10。由图10可知，当混凝土强度等级为C40，对于N类，当粘结长度为170 mm时，试件的极限承载力较120 mm时提高了10.4%；当粘结长度为220 mm时，试件的极限承载力较170 mm时提高了22.3%。但G、B类铝合金板相对于N类铝合金板，其极限承载力并没有提高。铝合金板的粘结承载力会随着粘结宽度的增加而增加，当试件类型为G类，混凝土强度等级为C40，粘结长度为220 mm时，粘结宽度为75 mm的试件比粘结宽度为50 mm的试件承载力提高了69.8%，粘结宽度为100 mm的试件比粘结宽度为75 mm的试件承载力提高了25.5%。

由图10(c)可知，当试件类型为G类，铝合金板宽为75 mm时，粘结长度为120 mm的C40试件比C30试件极限承载力提高了35.2%，粘结长度为170 mm的C40试件比C30试件极限承载力提高了14.1%，粘结长度为220 mm的C40试件比C30试件极限承载力提高了5.7%，表明随着混凝土的强度等级增加，铝合金板的粘结强度也会增加。

由试验结果可知，试件的极限荷载会随着铝合金板的粘结长度和宽度以及混凝土的强度等级的增加而增加，而增加铝合金板表面粗糙度并未达到试验预期效果，没有随着刻痕而增加界面的极限承载力，分析原因，可能是对铝合金板表面做的处理虽然增加了粘胶面积和化学胶结力，但截面削弱处更容易产生应力集中现象，使应力最大处界面过早软化，在此处首先产生滑移，界面粘结强度降低，使试件承载力降低。

图10 试验基本参数对界面极限承载力及粘结强度影响Fig.10 Effect of basic Test parameters on Interface Ultimate bearing capacity and bonding strength

3 铝合金板-混凝土界面粘结滑移本构关系

铝合金板-混凝土的界面粘结滑移本构曲线是铝合金板加固混凝土结构受力分析的基础，为了得到铝合金-混凝土界面粘结-滑移本构曲线，需要获得铝合金界面某点的剪应力和滑移量。常用的方法是通过沿粘结长度方向在铝合金板上粘贴应变片，根据相邻应变片的读数计算出局部粘结剪应力，再利用应变片的读数采用叠加的方法得到局部滑移量的大小，进而求得界面的粘结-滑移关系试验曲线，图11为铝合金-混凝土界面受力示意图。

图11 双剪试验界面受力示意Fig.11 Interface stress diagram of double shear test

局部粘结剪应力可按照图11微段单元受力平衡得

σabata+τxbadx=(σa+dσa)bata

(1)

σa=Eaεa

(2)

(3)

式中：Ea为铝合金板的弹性模量；ta为铝合金板的计算厚度。由分析可知，铝合金表面加工处理对试件的应变分布、承载力几乎没有影响，所以，计算局部粘结剪应力可忽略铝合金板表面刻痕、钻孔对铝合金板厚度的影响。

界面i处的滑移可定义为i处铝合金的滑移量与混凝土滑移量的差值，即

Δs=sa-sc=si

(4)

(5)

从自由端x=0开始计算滑移量si则为

(6)

试验中应变片的布置间距均为20 mm。因此，式(3)～(6)可改写为

(7)

式中：si为i点滑移量；εi为i点处的应变值；εj为j点处的应变；Δx为相邻应变片之间距离。

根据式(3)、式(7)可以得到截面i位置(加载端)处的局部剪应力和滑移值。图12为按上述方法得到的典型试件的粘结剪应力-滑移量散点图。图13为试验中铝合金板-混凝土界面粘结滑移本构图。

图12 典型试件界面粘结滑移散点图Fig.12 Scatter plot of bond-slip on the interface of typical specimens

图13 铝合金-混凝土界面粘结滑移曲线模式Fig.13 Interface bond slip curve mode of aluminum alloy-concrete

根据图13，铝合金-混凝土界面粘结滑移模型应当满足以下条件：

1)当s=0,dτ/ds=k0;

2)当s=s0,τ/τmax=1,dτ/ds=0;

3)当s>su,τ/τmax=μ,dτ/ds→0

式中：k0为界面的初始粘结刚度；μ为界面的摩擦系数。

由试验数据可知，铝合金板-混凝土界面粘结呈现明显的非线性和界面软化行为，其中，0→τcr为直线上升段，此时，界面的粘结主要由结构胶的化学胶结力提供，滑移较小，可认为荷载产生的位移可恢复。τca→τmax段为曲线上升段，粘结界面的初始缺陷在应力集中的作用下开始扩展，削弱了界面粘结刚度。τmax→τΓ段为曲线下降段，当滑移值到s0、界面应力达到峰值，曲线开始进入下降段，此时，界面出现损伤，不能承担粘结区段释放的剪应力，承载力下降，卸载后界面的粘结刚度不可恢复。τΓ→∞段为平稳段，此阶段曲线接近于水平线，界面粘结应力几乎为零，此时，界面发生剥离。

4 结论

1)铝合金板-混凝土双剪试验的破坏位置主要发生在铝合金板和混凝土之间的胶层界面，并且破坏形态分为剥离和分层两种，破坏前构件没有明显征兆，属于脆性破坏。

2)铝合金板-混凝土界面的受力过程是界面应力逐步从加载端向自由端传递的过程，且从应力传递区域来看，各试件均存在一个有效粘结长度值，超过该值应力即不再进行传递。

3)不同参数条件对试件界面应力的影响：粘结长度越短、粘结宽度越小、混凝土强度等级越低的试件界面应力传递速度越快；不同表面粗糙度的试件应变分布曲线规律基本保持一致，且应变大小也基本相同，说明铝合金板表面处理对试件应变分布、承载力的提高并没有实质影响。

4)不同参数条件对试件加载端与自由端相对滑移的影响：提高混凝土强度等级、增加粘结宽度，可以增加界面粘结刚度，从而使得界面相对滑移较小；粘结长度对界面粘结刚度没有太大影响，但可以增加试件的延性；对于表面粗糙度不同的试件，N类表面粘结刚度最大，G类次之，B类最小。

5)不同参数条件对试件剥离承载力和粘结强度的影响：增加粘结长度、粘结宽度、提高混凝土强度等级能够提高试件剥离承载力，尤以粘结宽度影响最为显著，而铝合金表面处理对剥离承载力并没有实质影响；增加粘结长度，粘结强度有所降低，粘结宽度和铝合金板板表面处理对粘结强度影响不大，提高混凝土强度等级，粘结强度增加。

6)通过测量铝合金板的应变得到了不同参数条件下铝合金板-混凝土界面粘结滑移试验曲线，该曲线存在明显的界面软化特征和非线性行为。