碳纤维布与高温后混凝土界面粘结强度分析

林燕卿

(厦门城市职业学院)

碳纤维布加固高温后混凝土结构技术的基础研究和工程应用[1-3]已取得一定成果，研究结果表明，采用碳纤维布加固高温后混凝土结构的方法是可行且有效的。碳纤维布与高温后混凝土之间的可靠粘结是两种材料共同工作的基础，是保证火灾后加固修复效果的前提。碳纤维布与高温后混凝土界面粘结性能研究是加固技术的基础课题，不同受力状态下，碳纤维布与高温后混凝土界面的受力模式不同，界面粘结强度也不同。林燕卿[4]完成碳纤维布与高温后混凝土界面处于正拉(垂直于粘结界面施加拉力)和单剪(平行于粘结界面施加拉力)两种基本受力状态下的粘结性能试验，分析过火温度、碳纤维布宽度及长度对粘结强度的影响。试验表明，当施工工艺相同、施工质量有保证时，这两种受力状态下的粘结强度之间存在一定的相关性。因此，碳纤维布与高温后混凝土界面粘结强度研究对碳纤维布加固火灾后混凝土结构的工程设计意义重大。

1 混凝土强度

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB50081-2002)》[5]的规定对混凝土立方体抗压强度fcu和抗拉强度ft进行测试，具体结果见表1。

表1 混凝土力学性能及正拉粘结强度

图1(a)给出了高温后混凝土立方体抗拉强度与未受火的相对比值fcu(T)/fcu随过火温度T的变化情况。混凝土试块经高温加热后，随着过火温度提高，混凝土立方体抗压强度有所降低，高温300℃、500℃后混凝土立方体抗压强度分别降低了22.3%、39.1%。通过回归拟合，可以得到高温后混凝土立方体抗压强度相对值与过火温度的关系式可表达为：

图1 过火温度对混凝土力学性能的影响

图1(b)给出了高温后混凝土立方体抗拉强度与未受火的相对比值ft(T)/ft随过火温度T的变化情况。混凝土试块经高温加热后，随着过火温度提高，混凝土立方体抗拉强度有所降低，高温300℃、500℃后混凝土立方体抗拉强度分别降低了28.0%、43.3%。通过回归拟合，可以得到高温后混凝土立方体抗拉强度相对值与过火温度的关系式可表达为：

从表1中可以看出，未受火、高温300℃、500℃后混凝土立方体抗拉强度分别为混凝土立方体抗压强度的10.34%、9.71%、9.63%。通过回归拟合，可以得到高温后混凝土立方体抗拉强度与抗压强度的比值与过火温度的关系式可表达为：

2 正拉粘结强度

通过碳纤维布与高温后混凝土的正拉粘结强度试验，研究过火温度对正拉粘结强度的影响。试件尺寸及加载装置如图2 所示。碳纤维布与混凝土的正拉粘结性能试验是垂直于粘结界面施加拉力，因此，粘结界面受到的是法向拉应力的作用。表1 给出了每组试件的正拉粘结强度平均值σ，该值是根据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程(CECS146-2003)》[6]附录规定的数据处理方法得到，正拉粘结强度等于正拉试件破坏时的荷载值P与碳纤维布粘贴面积的比值。从表1中可以看出，随着受火温度提高，正拉粘结强度降低。

图2 试件及加载装置

正拉试件破坏形式为基材混凝土内聚破坏，如图3所示，发生在混凝土的浅层，呈“碗状”，未受火试件破坏时碳纤维布下粘附的混凝土层较薄较均匀，混凝土呈青灰色；混凝土试块经高温作用，随着过火温度的提高，混凝土的颜色从青灰色向灰白色、灰红色变化，破坏时碳纤维布粘附的混凝土层较厚，破坏面边缘不规则。当碳纤维布粘贴质量有保证时，正拉试件的破坏形态属于正常破坏，正拉试件的粘结界面受到的是法向拉应力的作用，因此，正拉粘结强度主要取决于混凝土的抗拉强度，这也说明当混凝土的抗拉强度不足以抵抗界面的粘结正应力时，正拉试件才发生破坏，因此，从表1 中可以看出，正拉粘结强度近似于混凝土抗拉强度。

图3 正拉试件破坏特征

杨勇新研究[7]表明，在常温下，正拉粘结强度与混凝土抗压强度的平方根基本呈线性关系。图4(a)给出了正拉粘结强度与高温后混凝土抗压强度平方根的回归曲线，回归方程见公式4，相关系数为0.791。

图4 粘结强度与混凝土抗压强度平方根关系

3 剪切粘结强度

通过碳纤维布与高温后混凝土的剪切粘结强度试验，研究过火温度、碳纤维布粘结长度、粘结宽度对剪切粘结强度的影响。剪切粘结强度试件如图5 所示，是在混凝土一侧粘贴碳纤维布，通过施加平行于粘结界面的拉力P，使粘结界面受到面内纯剪应力的作用。典型破坏形态如图6 所示，表现为碳纤维布剥离，并粘附一层混凝土，混凝土破坏面与原始界面基本平行的形状，部分试件还伴随着非加载端被拉下一个不规格的三角区域或碳纤维布断裂。

图5 剪切试件

图6 剪切试件破坏特征

剪切粘结强度是单剪试件的极限粘结荷载P 与碳纤维布粘结面积的比值[4]，从试验结果中可知，随着过火温度提高，极限粘结荷载降低。表2 中给出了未受火、过火温度300℃、过火温度500℃自然冷却后的混凝土试块表面粘贴一层碳纤维布、碳纤维布宽度为50mm、碳纤维布长度为50～160mm 的单剪试件的平均剪切粘结强度τ，从表中可以看出，随着过火温度提高，平均剪切粘结强度降低，但降低幅度不大，过火温度300℃的试件较常温试件降低了2.7%，过火温度500℃的试件较常温试件降低了8.1%，所有试件剪切粘结强度的平均值为2.51MPa，标准差为0.0873。图4(b)给出了剪切粘结强度与混凝土抗压强度平方根的关系图，从图中可看出，两者具有相关关系，可表达为公式⑸，相关系数为0.945。

表2 剪切粘结强度

在粘结界面内剪应力作用下，剪切粘结强度主要取决于混凝土的抗剪强度。局部粘结剪应力在碳纤维布粘结长度方向上分布不均匀，最大值先出现在加载端端部，随着荷载的增加，峰值剪应力向自由端方向传递，如图4(b)所示，当混凝土剪应力大于混凝土的抗剪强度时就会发生剪切粘结破坏。由于混凝土的抗剪强度小于抗拉强度，所以剪切粘结强度小于正拉粘结强度，表2中数据也反映了该规律。

剪切粘结强度与相同温度作用下的正拉粘结强度的比值在0.71～0.95 的范围内，比值的平均值为0.7950，标准差为0.1079。杨勇新[7]试验研究表明拉剪粘结强度与正拉粘结强度比值的平均值为0.74。当混凝土过火温度不超过300℃时，该比值规律一致。单剪试件的粘结界面受到的是纯剪应力作用，破坏面发生在混凝土内，而正拉试件的粘结界面受到的是纯拉应力作用，破坏面也发生在混凝土内，两者的相关性较好。正拉粘结性能试验操作方便、试验结果具有稳定性，正拉粘结强度与混凝土抗压强度平方根有相关关系，且与剪切粘结强度也有相关关系，因此，选择正拉粘结强度作为界面粘结强度指标。基于正拉粘结强度，剪切粘结强度可表达为：

4 结论

基于碳纤维布与高温后混凝土界面的正拉粘结性能试验和剪切粘结性能试验，对两种受力状态下碳纤维布与高温后混凝土界面粘结强度进行分析，得到以下主要结论：

⑴经高温作用，混凝土力学性能有所降低，建立了高温作用后混凝土立方体抗压强度、抗拉强度与过火温度之间的关系式，抗压强度与抗拉强度之间的关系式。

⑵碳纤维布与高温后混凝土界面的正拉粘结强度近似于混凝土抗拉强度。相同过火温度时，剪切粘结强度小于正拉粘结强度。正拉粘结强度、剪切粘结强度与高温后混凝土抗压强度平方根具有线性相关。

⑶正拉粘结性能试验操作方便、试验结果具有稳定性，基于正拉粘结强度，建立剪切粘结强度的表达式。