冻融循环下CFRP高性能混凝土的粘结性能

冻融循环下CFRP高性能混凝土的粘结性能摘要：通过双面剪切试验，研究了冻融环境下CFRP-高性能混凝土界面粘结性能的发展规律。对比分析了未经冻融和经历25、50、100、150、200及300次冻融循环作用试件的破坏特征、剪应变分布、荷载滑移曲线、粘结承载力以及粘结破坏机理。结果表明，所有试件的界面破坏均发生在混凝土表层内，但随着冻融循环次数的增加，破坏界面有向胶层发展的趋势；经受冻融循环次数较少时（25、50次），界面的粘结强度、刚度及开裂荷载的变化不明显，甚至略微提高；但随着冻融循环次数的进一步增加，界面粘结性能有明显的变化，界面粘结强度、端部滑移量减小，刚度退化，初始开裂荷载水平降低，非线性特征增强。粘结极限承载力与混凝土立方体抗压强度均随冻融循环次数的增长存在先提高后下降的趋势，混凝土强度变化是界面粘结性能变化的最重要因素。关键词：碳纤维增强复合材料（CFRP）；高性能混凝土；冻融循环；粘结性能；耐久性中图分类号：TU528.572文献标志码：A文章编号：1674-4764（2015）02-0085-07近年来，纤维增强聚合物（CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP）在混凝土结构的加固和改造工程中得到了越来越广泛的应用[1]。CFRP与混凝土的粘结界面对传递有效应力、保证加固结构的完整性和可靠性起到重要的作用[2-4]。有关统计表明，FRP加固混凝土梁的破坏约有63%是由于FRP与混凝土界面粘结失效造成的[5]。然而，实际加固工程结构常处于恶劣的环境下，粘结界面的长期性能受到威胁，从而影响加固结构的可靠性。在寒冷地区，冻融破坏是普遍存在的混凝土结构病害，CFRP加固混凝土结构也不可避免地受到冻融循环作用的影响，导致其耐久性劣化进程加快。对外贴FRP加固混凝土结构耐久性的研究开始于20世纪90年代初，但迄今为止针对其在冻融坏境下粘结破坏机理的研究仍不够充分[6-9]。Bisby等[6]研究了3类CFRP混凝土界面的抗冻性能，发现200次或300次冻融循环作用对界面性能没有太大的影响。Ahmad等[7]的研究则表明冻融循环作用大大降低了试件的承载能力。中国在这方面的研究相对较晚，文献[10-12]等的研究发现，冻融循环作用对界面粘结有不利影响。王苏岩[13]的研究则发现，经受过冻融循环作用后的CFRP与高强混凝土的粘结强度有一定的增长。可见，有关冻融循环作用对CFRP混凝土界面粘结性能影响的研究结论存在分歧，而对于高性能混凝土的相关研究很少。这势必在一定程度上制约CFRP材料在寒冷地区高性能混凝土结构中的推广应用。笔者利用双面剪切试验，重点研究冻融循环作用对CFRP与高性能混凝土界面粘结性能的影响。通过分析粘结区CFRP的应变、加载端的端部粘结滑移、极限粘结承载力发展规律，研究冻融循环下碳纤维与高性能混凝土界面粘结的耐久性退化规律和机理。王玉田，等：冻融循环下CFRP高性能混凝土的粘结性能1试验方案1.1试验材料试验所用混凝土为双掺粉煤灰和矿粉的高性能混凝土，设计强度等级为C50。原材料包括P.O42.5级普通硅酸盐水泥，Ⅱ级粉煤灰，S95级矿粉，粒径5～25mm连续级配的碎石作为粗骨料，青岛大沽河河砂作为细骨料（最大粒径5mm，细度模数2.4，中砂），搅拌水为普通自来水。另外，还使用了减水率为25%的HSC-A型聚羧酸高效减水剂。具体配合比见表1。试验采用上海优士康化工有限公司生产的YC-190-300g单向CFRP片材，实测抗拉强度为3356MPa，弹性模量2.16×105MPa，伸长率1.62%，名义厚度0.167mm。浸渍胶为该厂生产的YC-189-A胶（由甲、乙两组份按2∶1质量比混合而成）。抗拉强度40MPa，弹性模量2500MPa，伸长率1.5%。1.2试件设计混凝土立方体抗压强度采用100mm×100mm×100mm试件。粘结性能采用双面剪切试件[3，14]，混凝土的试件尺寸为100mm×100mm×150mm，CFRP布总长度为540mm，宽度为50mm，粘结区的长度为100mm，加载端边界上留有30mm的非粘结区。将CFRP布按U型粘贴在混凝土试件的两个相对侧面上，粘贴层数为一层，如图1所示。碳纤维布的具体粘贴方法按《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS146∶2003）的要求进行。立方体试件和粘结试件每组均为3个试件。1.3冻融试验方案立方体试件拆模后，标准养护（温度20±2℃，相对湿度95%以上）24d后从养护室取出，放在20±2℃水中浸泡4d，在28d龄期时开始进行冻融试验。粘结试件标准养护28d，置于常温环境中3d达到面干后，粘贴CFRP布，继续在室温下养护7d，饱水4d，再进行快速冻融试验。冻融试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082―2009）建议的快速冻融法，采用KDR-V9型混凝土快速冻融试验机进行。每个冻融循环周期约为3h，试件中心最低和最高温度分别控制在-18±2℃和5±2℃。待冻融循环次数达到25、50、100、150、200、300次后，分别从冻融箱中取出立方体试件和粘结试件，自然晾干后进行立方体抗压强度试验和双面剪切试验。1.4加载装置及测试内容冻融循环达到预定次数后，将立方体试件从冻融箱中取出，进行抗压强度测试。粘结试件则待其自然晾干后，沿CFRP中心方向依次粘贴应变片，用于加载过程中测定粘结区域内CFRP的应变值，具体粘贴位置见图1。采用引伸计（见图2）测量CFRP自由端部与混凝土的相对滑移（端部滑移量），数据通过电脑自动采集，取用两侧的平均值作为最终值。[6]BisbyLA，GreenMF.Resistancetofreezingandthawingoffiber-reinforcedpolymer-concretebond[J].ACIStructureJournal，2002，99（2）：215-223.[7]AhmadMA.De-bondingofFRPfromconcreteinstrengtheningapplicationsexperimentalinvestigationandtheoreticalvalidation[D].NewYork：TheCityUniversityofNewYork，2005.[8]MukhopadhyayaUP，SwamyRN，LynsdaleCJ.Influenceofaggressiveexposureconditionsonthebehaviourofadhesivebondedconcrete-GFRPjoints[J].ConstructionandBuildingMaterials，1998，12（8）：427-446.[9]SubramaniamKV，Ali-AhmadM，GhosnM.Freeze-thawdegradationofFRP-concreteinterface：Impactoncohesivefractureresponse[J].EngineeringFractureMechanics，2008，75：3924-3940.[10]管巧艳，高丹盈，李杉.冻融循环作用后CFRP与混凝土粘结性能研究[J].工业建筑，2010，40（6）：9-11.GuanQY，GaoDY，LiS.StudyonCFRP-concretebondbehaviorsubjecttofreeze-thawcycles[J].IndustrialConstruction，2010，40（6）：9-11.（inChinese）[11]张悦悦，黄登科.冻融环境对CFRP-混凝土界面粘结性能影响试验研究[J].公路交通科技，2014（5）：185-187.ZhangYY，HuangDK.ExperimentalstudyonCFRP-concretebondbehaviorunderfreeze-thawenvironment[J].HighwayTrafficScienceandTechnology，2014（5）：185-187.（inChinese）[12]张勇，卜娜蕊，马国庆.CFRP加固混凝土梁的冻融试验研究[J].河北建筑工程学院学报，2012，30（1）：15-17.ZhangY，BuNR，MaGQ.Experimentwiththefreeze-thawoftheconcretebeamsreinforcedbyCFRP[J].JournalofHebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering，2012，30（1）：15-17.（inChinese）[13]王苏岩，尹晓明，刘林.持载作用下CFRP-高强混凝土界面的抗冻性能[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2009，25（5）：834-841.WangSY，YinXM，LiuL.Researchonfreeze-thawresistancebehaviorofbondedjointsbetweenCFRPandhighstrengthconcreteundersustainedload[J].JournalofShenyangJianzhuUniversity：NaturalScience，2009，25（5）：834-841.（inChinese）[14]TuaktaC，BuyukozturkO.DeteriorationofFRP/concretebondsystemundervariablemoistureconditionsquantifiedbyfracturemechanics[J].CompositesPartB：Engineering，2011，42（2）：145-154.[15]艾毅然，杨玉启，胡耀林.高性能混凝土的抗冻性研究及其工程应用[J].建筑技术，2005，36（1）：54-56.AiYR，YangYQ，HuYL.Researchonprojectapplicationonfrostresistanceofhighperformanceconcrete[J].ArchitectureTechnology，2005，36（1）：54-56.（inChinese）[16]尹晓明.荷载和冻融循环双重作用下CFRP-高强混凝土界面性能研究[D].辽宁大连：大连理工大学，2009.[17]WuYF，YunYC.DurabilityofCFRP-concretejointsunderfreeze-thawcycling[J].ColdRegionsScienceandTechnology，2011，65（3）：401-412.[18]杨勇新，叶列平，岳清瑞.碳纤维布与混凝土的粘结强度指标[J].工业建筑，2003，33（2），5-8.YangYX，YeLP，YueQR.ThebondstrengthindexofCFRPandconcrete[J].IndustrialConstruction，2003，33（2）：5-8.（inChinese）[19]朱晓玲.CFRP-混凝土界面粘结性能试验研究[D].长沙：中南大学，2008.（编辑胡英奎）