循環(huán)荷載作用下CFRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移關(guān)系研究

王富羚，王玉田，姜福香,2，趙瑩瑩

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266033；3.東營市公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山東 東營 257091)

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、良好的耐久性和抗疲勞性等優(yōu)點(diǎn)，因此，在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2].CFRP加固技術(shù)是通過界面粘結(jié)應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)混凝土與CFRP之間荷載的傳遞，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力.界面的粘結(jié)性能直接影響CFRP與混凝土之間應(yīng)力傳遞的有效性.

為了描述界面破壞的機(jī)理，各國的研究者基于試驗(yàn)研究、斷裂力學(xué)及損傷力學(xué)和半經(jīng)驗(yàn)等方法，提出了靜載作用下CFRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型[3-8]，典型的包括單線性模型[4]、雙曲線模型[5]、雙線性模型[6-7]和Popovics模型[8]等.但是，許多實(shí)際的CFRP加固結(jié)構(gòu)，如公路和鐵路橋梁，在其服役期間除了承受靜載外，還長期處于循環(huán)荷載作用下.加固結(jié)構(gòu)破壞形式通常不是CFRP片材被拉斷，而是沿界面發(fā)生剝離破壞，破壞前無明顯征兆，且疲勞破壞時的荷載往往低于靜載下的極限荷載，屬于脆性破壞，難以察覺，具有更大的危害性[9].因此，國內(nèi)外許多學(xué)者對循環(huán)荷載下CFRP-混凝土界面性能開展了研究，主要集中在疲勞壽命[10-11]、疲勞裂紋擴(kuò)展行為[12-13]以及疲勞粘結(jié)-滑移關(guān)系[14-15]等方面.循環(huán)荷載應(yīng)力水平的不同對界面粘結(jié)-滑移性能的影響顯著.但關(guān)于應(yīng)力水平對粘結(jié)-滑移曲線影響的研究不多.

本文對6組(18個)雙剪試件進(jìn)行了靜載及不同應(yīng)力水平下的疲勞試驗(yàn)，研究界面的應(yīng)變和端部滑移變化規(guī)律，以及不同應(yīng)力水平對粘結(jié)-滑移關(guān)系曲線的影響.

1 雙剪試驗(yàn)方案

1.1 材料

(1)混凝土原材料及配合比

試驗(yàn)采用混凝土的配合比見表1，試驗(yàn)結(jié)果顯示混凝土28 d立方體抗壓強(qiáng)度為55.09 MPa，滿足所需混凝土強(qiáng)度等級的要求.

表1 混凝土配合比

(2)CFRP材料和浸漬膠及其性能指標(biāo)

表2給出了CFRP材料和浸漬膠的主要性能指標(biāo).

表2 CFRP性能指標(biāo)

1.2 試件設(shè)計(jì)

混凝土試件尺寸為200 mm×100 mm×100 mm，在混凝土試塊兩側(cè)粘貼CFRP片材如圖1所示，CFRP尺寸為50 mm×660 mm×0.167 mm，粘貼層數(shù)為一層，CFRP片材的粘貼范圍為150 mm×50 mm，加載端留有30 mm的非粘結(jié)長度，以避免試件邊緣破壞.

圖1 雙面剪切試件(單位mm)

為了研究CFRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移關(guān)系，在CFRP片材表面沿中心方向粘貼電阻應(yīng)變片，測點(diǎn)(ε1～ε6)布置如圖2所示.

圖2 應(yīng)變片布置圖(單位:mm)

1.3 試驗(yàn)設(shè)置及加載裝置

CFRP-混凝土界面粘結(jié)靜力試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)均在圖3所示的MTS電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，采用量程為50 kN的作動器進(jìn)行加載.靜力試驗(yàn)加載的前10 kN采用1 kN/min的力控制，10 kN以后采用0.3 mm/min的位移控制；疲勞加載過程采用力控制模式，等幅循環(huán)加載，采用10 Hz的加載頻率，應(yīng)力比(Pmax/Pmin)取0.1.

圖3 加載試驗(yàn)裝置

通過靜載試驗(yàn)(3個靜力加載試件)，得到界面粘結(jié)極限承載力(Pu)為19.19 kN，那么，對應(yīng)最大應(yīng)力水平R(Pmax/Pu)為0.45、0.55、0.65、0.75和0.85的5組(每組3個試件)循環(huán)荷載試驗(yàn)的荷載最大值分別為8.55 kN、10.45 kN、12.35 kN、14.25 kN和16.15 kN.

在疲勞試驗(yàn)過程中，如果試件破壞時的循環(huán)次數(shù)低于200萬次，則相應(yīng)地加大數(shù)據(jù)采集密度.對經(jīng)過200萬次循環(huán)荷載作用后尚未破壞的試件，分級施加靜力荷載直至破壞，以獲得界面剩余粘結(jié)承載力.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 界面破壞過程

2.1.1 CFRP應(yīng)變變化規(guī)律

圖4給出CFRP應(yīng)變值εf在不同應(yīng)力水平下隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律：

(1)ε1處的應(yīng)變在不同應(yīng)力水平下初始加載過程中均快速增長達(dá)到峰值，說明此時加載端界面微裂紋開始萌生，直至出現(xiàn)裂縫，界面發(fā)生完全脫粘；

(2)ε2處應(yīng)變峰值在不同應(yīng)力水平下隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，R分別為0.45、0.55、0.65、0.75和0.85，應(yīng)變峰值分別達(dá)到1 170 με、2 099 με、2 450 με、722 με和3 272 με(圖中可看出R為0.65和0.75時，此處的應(yīng)變片在經(jīng)歷20萬次循環(huán)次數(shù)后破壞失效)，不同應(yīng)力水平下的ε2處均處于完全脫粘區(qū)域；

(3)ε3處應(yīng)變在R=0.45時，無明顯起伏，說明應(yīng)力傳遞區(qū)域到ε3處結(jié)束，而R為0.55、0.65和0.75時的ε3有隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加而上升的趨勢，結(jié)合表3的剝離長度可以說明ε3處在R=0.55時處于應(yīng)力傳遞區(qū)域，R為0.65和0.75時ε3處于完全脫粘區(qū)域，R=0.85時應(yīng)變值一直維持在3 600με左右，處于一個平臺，說明此時界面已經(jīng)脫粘，應(yīng)變值已經(jīng)達(dá)到峰值，不隨循環(huán)次數(shù)增長而變化；

(4)ε4處應(yīng)變在R為0.45與0.55時沒有明顯波動，說明在這2個應(yīng)力水平下ε4處于無應(yīng)力區(qū)域，R=0.65時ε4處于應(yīng)力傳遞區(qū)域，R為0.75和0.85時ε4處于完全脫粘區(qū)域；

(5)ε5處應(yīng)變在R為0.45、0.55和0.65時沒有起伏，說明在這三個應(yīng)力水平下，ε5處于無應(yīng)力區(qū)域，R=0.75時有明顯起伏，說明ε5處于應(yīng)力傳遞區(qū)域，R=0.85時應(yīng)變增長到一個平臺，說明ε5處于完全脫粘區(qū)域；

(6)ε6處應(yīng)變在前四個應(yīng)力水平下均無明顯變化，處于無應(yīng)力區(qū)域，只有在R=0.85時應(yīng)變會有增長，說明此時應(yīng)力傳遞區(qū)域已經(jīng)趨近于自由端.

對比圖4(a)～(e)可以看出，R為0.45、0.55、0.65、0.75和0.85時，應(yīng)力分別傳遞到ε3、ε4、ε5、ε6和自由端處，應(yīng)力水平的提高，導(dǎo)致應(yīng)力傳遞區(qū)域結(jié)束端點(diǎn)越靠近自由端.

圖4 循環(huán)荷載下CFRP應(yīng)變變化

表3給出200萬次循環(huán)荷載作用后的界面剝離長度，其隨著應(yīng)力水平的提高呈線性增長，通過擬合得到界面剝離長度l與應(yīng)力水平R之間的關(guān)系如式(1)所示，相關(guān)系數(shù)為0.992 8.

表3 應(yīng)力傳遞段及剝離長度

l=286R-114.7

(1)

依據(jù)表3繪制不同應(yīng)力水平下CFRP長度方向上的應(yīng)變分布示意圖如圖5.可以看出，在CFRP長度方向上的應(yīng)變分布，分為三個區(qū)域：①完全脫粘區(qū)域、②應(yīng)力傳遞區(qū)域、③無應(yīng)力區(qū)域.隨著循環(huán)荷載應(yīng)力水平的增加，完全脫粘區(qū)域變長，且應(yīng)力傳遞區(qū)域逐漸靠近自由端，說明應(yīng)力水平越高，界面損傷退化越明顯.

圖5 CFRP長度方向上應(yīng)變分布示意圖

2.1.2 界面端部滑移變化規(guī)律

由于前4個應(yīng)力水平下的試件經(jīng)過200萬次循環(huán)荷載作用后未破壞，而R=0.85試件的疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于200萬次，考慮到疲勞壽命差距過大不利于滑移演化規(guī)律的比較，故將R=0.85試件的端部滑移量單獨(dú)畫出.圖6給出了不同應(yīng)力水平下的端部滑移量隨加載次數(shù)的變化規(guī)律.由圖6可知，CFRP-混凝土界面的端部滑移量隨著循環(huán)次數(shù)增加呈上升趨勢，并且變化過程可以明顯分為兩個階段[16]：

圖6 端部滑移隨加載次數(shù)的變化

(1)端部滑移量在初期加載過程中顯著增加，為滑移的快速增長階段，界面層中最薄弱的“軟弱區(qū)”微裂紋或微孔隙逐漸開始失穩(wěn)擴(kuò)張，界面的粘結(jié)剪應(yīng)力逐漸減小，界面裂紋開始萌生.

(2)隨后是穩(wěn)定增長階段，端部滑移量緩慢增長并逐漸達(dá)到穩(wěn)定，界面裂紋逐漸由加載端向自由端擴(kuò)展，界面裂紋穩(wěn)定發(fā)展.

可以看出，兩個階段的曲線斜率均隨應(yīng)力水平的提高而增大，這是因?yàn)閼?yīng)力水平越高，界面疲勞損傷越快，滑移量增長速率也隨之逐漸增大，說明提高應(yīng)力水平會加快界面剝離速率，降低界面疲勞壽命.

2.2 界面粘結(jié)退化

2.2.1 界面粘結(jié)承載力

前4個應(yīng)力水平下的試件經(jīng)過200萬次循環(huán)荷載作用后未破壞，故對試件又繼續(xù)施加靜力荷載直至剝離破壞，以研究疲勞后界面的剩余承載力.表4可以看到R為0.65和0.75的試件在經(jīng)過200萬次循環(huán)荷載作用后極限承載力分別下降了20.32%和35.49%，這表示循環(huán)荷載使得界面裂紋向自由端延伸，剩余粘結(jié)長度變短，導(dǎo)致剩余界面粘結(jié)承載力降低，并且應(yīng)力水平越高，界面剩余粘結(jié)長度就越短，界面疲勞損傷越嚴(yán)重，承載力下降幅度也越大.而R為0.45和0.55的試件的剩余承載力與靜載下的極限承載力相差無幾，是由于應(yīng)力水平較低，疲勞后剩余粘結(jié)長度依然大于試件的有效粘結(jié)長度，而疲勞后的剩余承載力略大于靜載下極限承載力是由于離散性導(dǎo)致.

表4 試件剩余粘結(jié)長度及承載力

2.2.2 界面粘結(jié)-滑移

通過分析不同應(yīng)力水平下CFRP-混凝土界面粘結(jié)滑移關(guān)系曲線，可以進(jìn)一步分析應(yīng)力水平對界面的剝離破壞的影響規(guī)律.

利用公式(2)對CFRP應(yīng)變值進(jìn)行差分計(jì)算，得到相鄰兩個應(yīng)變片之間區(qū)域界面平均粘結(jié)剪應(yīng)力τi，利用公式(3)對CFRP片材從自由端到某點(diǎn)(xi)的應(yīng)變值進(jìn)行積分計(jì)算得到滑移值si，這樣計(jì)算得到的結(jié)果可以看作是兩個應(yīng)變片中點(diǎn)處界面粘結(jié)剪應(yīng)力和滑移值的近似值[17].

(2)

(3)

式中，τf為某點(diǎn)粘結(jié)剪應(yīng)力；tf、σf和Ef分別為CFRP片材厚度、橫截面應(yīng)力和彈性模量；εf為CFRP片材上某點(diǎn)應(yīng)變，si為某點(diǎn)的滑移量.

通過公式(2)、(3)分別將靜載和疲勞試件界面粘結(jié)-滑移(τ-s)曲線與式(4)的Popovics模型[8]進(jìn)行繪制，見圖7(d表示該點(diǎn)到加載端的距離).

(4)

式中，τmax為最大剪應(yīng)力；s0為最大剪應(yīng)力對應(yīng)的滑移量；a為曲線特征常數(shù).

從圖7(a)可以看到不同位置的粘結(jié)-滑移曲線相似，并且試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有的Popovics粘結(jié)滑-移模型吻合較好，這說明利用CFRP片材測得的應(yīng)變進(jìn)一步計(jì)算得到的粘結(jié)-滑移曲線是可靠的.圖7(b)中0.45應(yīng)力水平循環(huán)加載的試件，觀察到加載曲線的剛度隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，說明此時在d=36 mm處的界面仍處在彈性階段，沒有發(fā)生損傷，界面剪應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，沒有達(dá)到峰值；而圖7(c)顯示出R=0.55時，曲線剛度先上升，此時界面處于彈性階段，而后在50萬次后剛度下降，對應(yīng)此時界面出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象；在應(yīng)力水平為0.65和0.75的循環(huán)荷載作用下，粘結(jié)-滑移曲線的剛度有逐漸減小的趨勢，剛度的下降表示界面開始有損傷，并且損傷所耗散的能量將無法恢復(fù)；圖7(f)在經(jīng)歷1000次循環(huán)以后，剪應(yīng)力就出現(xiàn)了負(fù)值，這是因?yàn)樵?.85應(yīng)力水平下，此處的界面出現(xiàn)剝離，最大應(yīng)變出現(xiàn)在未剝離的下一個測點(diǎn)處.對比5個應(yīng)力水平的結(jié)果可以看出，應(yīng)力水平的增加導(dǎo)致界面最大剪應(yīng)力顯著增大.

圖7 靜載和疲勞試件的粘結(jié)-滑移曲線的對比

3 結(jié)論

基于雙面剪切試驗(yàn)，研究了循環(huán)荷載下CFRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移關(guān)系，分析得出以下結(jié)論：

(1)CFRP-混凝土界面粘結(jié)-滑移疲勞退化的主要影響因素有循環(huán)加載次數(shù)和循環(huán)荷載的應(yīng)力水平，兩者增大均會導(dǎo)致界面粘結(jié)退化，且粘結(jié)退化在卸載后也不可恢復(fù)；

(2)循環(huán)荷載的應(yīng)力水平越高，界面剝離長度就越長，應(yīng)力傳遞區(qū)域就越靠近自由端，界面損傷就越嚴(yán)重，當(dāng)R分別為0.65和0.75時，界面剩余粘結(jié)長度小于有效粘結(jié)長度，經(jīng)受200萬次循環(huán)荷載作用后的界面剩余承載力較靜載下的界面極限承載力分別下降20.32%和35.49%；

(3)循環(huán)荷載作用下端部滑移的變化過程分為兩個階段即滑移量快速增長階段和滑移量穩(wěn)定增長階段，兩個階段的斜率均隨應(yīng)力水平的增加而增加；

(4)隨著循環(huán)荷載應(yīng)力水平的增加，界面粘結(jié)-滑移曲線的最大剪應(yīng)力也有所增大.