范向前, 劉決丁

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室, 江蘇 南京 210098)

纖維增強復(fù)合材料(FRP)增強混凝土,是利用FRP的高強度、耐疲勞、防腐蝕以及良好的黏結(jié)性能等優(yōu)點,通過環(huán)氧樹脂強力膠將其粘貼于混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的表面,使FRP與混凝土共同作用,從而達到對混凝土結(jié)構(gòu)增強加固的目的[1-2].

常見的FRP有芳綸纖維增強復(fù)合材料(AFRP)、碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)和玻璃纖維增強復(fù)合材料(GFRP),相關(guān)學(xué)者對這3種類型的FRP增強混凝土做了大量理論分析和試驗研究.王興國等[3]通過試驗研究了外貼AFRP增強混凝土梁的彎曲性能,結(jié)果表明AFRP加固法能夠有效改善混凝土梁的彎曲性能;鄧宗才等[4]研究了AFRP加固腐蝕鋼筋混凝土梁的疲勞性能,探討了預(yù)應(yīng)力水平和鋼筋銹蝕程度對混凝土加固梁疲勞破壞機制、疲勞壽命以及撓度的影響,為橋梁的加固設(shè)計提供了參考依據(jù);Wroblewski等[5]研究了FRP與混凝土梁的外黏結(jié)耐久性,定量分析了熱、濕、凍融循環(huán)對FRP增強混凝土峰值荷載及延性的影響;孫延華等[6]開展了CFRP-混凝土界面黏結(jié)-滑移試驗,改進了過去的雙拉試件方案,設(shè)計了水平加載方案,測得了CFRP-混凝土界面黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系的下降段;Benzarti等[7]研究了混凝土與CFRP增強體系在相對濕度加速老化條件下的黏結(jié)耐久性,并對CFRP增強混凝土試件進行了力學(xué)性能表征;Silva等[8]通過試驗研究了鹽濕環(huán)境對GFRP增強混凝土黏結(jié)性能的影響,并將界面附近形成剪切斷裂的Mohr-Outomb包絡(luò)線作為破裂準則;薛偉辰等[9]開展了GFRP-混凝土組合梁在長期持續(xù)荷載下的試驗研究,探討了混凝土收縮徐變對GFRP片材蠕變耦合的影響,并提出了組合梁長期撓度的計算方法.

上述研究均只考慮了單一類型FRP增強混凝土的力學(xué)性能,對于不同種類FRP增強混凝土的對比研究相對較少.鑒于此,本文基于混凝土斷裂力學(xué)理論[10-12],通過三點彎曲試驗對比研究3種FRP增強混凝土的斷裂性能和破壞形式.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

根據(jù)DL/T5332—2005《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》,混凝土三點彎曲梁試件選擇長(L)、寬(b)、高(h)分別為1000、120、200mm的標準試件,設(shè)計預(yù)制裂縫深度a0為80mm(即初始縫高比α0為0.4),跨度S為800mm.FRP選用AFRP、CFRP和GFRP,并通過環(huán)氧樹脂強力膠將FRP分別粘貼在混凝土梁底面缺口兩側(cè),每側(cè)的黏結(jié)長度l為250mm[13],黏結(jié)寬度為120mm,試件編號分別為A-beam、C-beam和G-beam.另外準備1組不粘貼FRP的普通混凝土梁試件(O-beam)作為對比.每組澆筑4根試件,結(jié)果取平均值.FRP增強混凝土梁試件的示意圖如圖1所示,其中2lu(lu=30mm)表示試件缺口兩側(cè)未黏結(jié)長度,主要是為了防止梁體在加載過程中出現(xiàn)斜裂縫.

圖1 FRP增強混凝土梁試件示意圖Fig.1 Schematic of FRP reinforced concrete beam specimens

混凝土試件組成材料為：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;Ⅰ 級粉煤灰;5～25mm級碎石;天然河砂;UC-Ⅱ型外加劑;生活飲用水.其質(zhì)量配合比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石)∶m(粉煤灰)∶m(外加劑)=0.590∶1.000∶2.030∶3.040∶0.210∶0.014.混凝土立方體抗壓強度實測均值為41.5MPa,標準差為3.3MPa.

試驗所用FRP和環(huán)氧樹脂強力膠的力學(xué)性能分別如表1、2所示.

表1 FRP的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of FRP

表2 環(huán)氧樹脂強力膠的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of epoxy resin adhesive

1.2 試驗方法

在5000kN液壓伺服試驗機上進行FRP增強混凝土梁的三點彎曲試驗,采用單一速率加載.數(shù)據(jù)采集設(shè)備為DH-5902動態(tài)采集儀,采集頻率為200Hz.主要采集數(shù)據(jù)包括：荷載(P),裂縫尖端應(yīng)變(ε),裂縫口張開位移(CMOD).加載過程中通過預(yù)先在混凝土梁試件表面黏貼應(yīng)變片(裂縫尖端兩側(cè)的應(yīng)變片用來測量試件的起裂荷載,延裂縫擴展方向布置的應(yīng)變片用來監(jiān)測混凝土裂縫的擴展過程)以及在受壓側(cè)放置荷載傳感器來測量試件的裂縫尖端應(yīng)變和荷載,并采用夾式引伸計(標距為12mm,變形測量范圍為-1～4mm)來測量試件裂縫口張開位移.由所測數(shù)據(jù)計算試件的斷裂韌度[14].

2 試驗結(jié)果

2.1 起裂荷載和失穩(wěn)荷載的對比

FRP增強混凝土梁的三點彎曲試驗結(jié)果列于表3,其中：Pini為試件的起裂荷載,Pun為試件的失穩(wěn)荷載,提高幅度為相對于普通混凝土梁的增量.從表3可以看出:FRP具有明顯的阻裂和增強效果,可使普通混凝土梁的起裂荷載提高54.61%及以上,失穩(wěn)荷載提高140.81%及以上;CFRP增強混凝土梁的起裂荷載與失穩(wěn)荷載均遠大于AFRP、GFRP增強混凝土梁,表明CFRP的增強效果優(yōu)于AFRP和GFRP.此外,起裂荷載與失穩(wěn)荷載的比值反映試件從起裂到失穩(wěn)破壞的差距,該比值越大,起裂荷載距離失穩(wěn)荷載越近,試件從起裂到失穩(wěn)的速度越快,試件的脆性越大、延性越差;相反,該比值越小,試件的脆性就越小、延性越好.故由表3還可知,CFRP增強混凝土梁起裂荷載與失穩(wěn)荷載的比值最小,這表明CFRP增強混凝土梁的延性最好,更加適合帶裂縫混凝土梁外貼FRP增強加固.

表3 FRP增強混凝土梁的三點彎曲試驗結(jié)果Table 3 Three -point bending test results of FRP reinforced concrete beams

2.2 破壞形式的對比

試驗過程中發(fā)現(xiàn),普通混凝土梁試件O-beam的裂縫一旦出現(xiàn)便迅速發(fā)展到試件頂部,即裂縫的失穩(wěn)擴展破壞,但是FRP增強混凝土梁的破壞形式大多是由于試件彎曲主裂縫導(dǎo)致混凝土-FRP界面剝離引起的斷裂破壞.3種FRP增強混凝土梁的破壞形式如圖2所示.從圖2(a)、(b)可以看出,AFRP增強混凝土梁和CFRP增強混凝土梁的破壞形式都是梁底部混凝土-FRP界面先發(fā)生剝離,隨后整個試件發(fā)生斷裂破壞.這主要是由于在混凝土梁底部有FRP的存在,FRP會承擔部分外荷載在混凝土中產(chǎn)生的拉應(yīng)力,并且隨著外荷載的不斷增加,FRP拉應(yīng)力的增長速度要比混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力的增長速度要快,從而導(dǎo)致FRP與混凝土開始逐漸剝離,當混凝土-FRP界面的剪切應(yīng)力達到最大值時,FRP與混凝土梁底部發(fā)生完全剝離,試件瞬間失穩(wěn)破壞,但此時FRP的拉應(yīng)力仍未達到其抗拉強度.由圖2(c) 可見,GFRP增強混凝土梁的破壞形式并不同于界面的剝離破壞,而是GFRP的拉斷破壞.這主要是由于GFRP中玻璃纖維的彈性模量較小,耗能能力較差,受力時變形較大,GFRP的拉應(yīng)力先于界面的剪切應(yīng)力達到最大值,從而使GFRP直接被拉斷,這從側(cè)面表明GFRP對帶裂縫混凝土梁的增強加固效果沒有AFRP和CFRP好.

圖2 3種FRP增強混凝土梁的破壞形式Fig.2 Failure modes of three FRP reinforced concrete beams

3 FRP增強混凝土梁的阻裂加固機理

3.1 基本假定

基于線彈性斷裂力學(xué)的基本原理[15],對FRP增強混凝土梁的阻裂加固機理作出如下假定：(1)在整個裂縫擴展過程中,正應(yīng)變沿著構(gòu)件截面呈線性分布;(2)在整個開裂過程中,不考慮未開裂區(qū)域的彈性變形;(3)將FRP對混凝土梁的作用等效為作用在梁受拉區(qū)邊緣的一對集中力;(4)不考慮膠層的拉伸強度.

3.2 裂縫尖端閉合力阻裂模型

根據(jù)梁的受力特點,混凝土梁的斷裂可以簡化為平面問題.FRP增強混凝土梁在保證界面正常黏結(jié)的情況下,試件破壞總伴隨著混凝土裂縫的起裂失穩(wěn),因此可以采用線彈性斷裂力學(xué)的原理來分析裂縫的起裂失穩(wěn)規(guī)律以及裂縫閉合措施效果[16-17],裂縫尖端閉合力阻裂模型如圖3所示.由圖3(a)可見,普通混凝土梁一旦開裂,裂縫就迅速擴展至試件頂部,發(fā)生失穩(wěn)破壞,此時裂縫尖端A的應(yīng)力強度因子KIA大于混凝土的斷裂韌度KIC，其中M為外力P作用下產(chǎn)生的彎矩.由圖3(b)可見,FRP增強混凝土梁開裂后,FRP的作用相當于在起裂點施加了1對反向的集中力PFRP(其中MF為PFRP作用下產(chǎn)生的彎矩),故裂縫尖端B的應(yīng)力強度因子為KIB=KIA-KIF(KIF為PFRP產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子).

圖3 裂縫尖端閉合力阻裂模型Fig.3 Crack arrest model of closing force at crack tip

3.3 裂縫擴展狀態(tài)的判定準則

由于FRP對混凝土裂縫的限制作用,因此FRP增強混凝土梁所采用的雙K斷裂準則中的起裂韌度和失穩(wěn)韌度已經(jīng)不同于普通混凝土梁,需要考慮FRP材料的作用力,其具體計算方法可參考文獻[13].

3.4 計算結(jié)果分析

參考文獻[13],計算出AFRP、CFRP、GFRP增強混凝土梁的界面臨界剪切應(yīng)力分別為17.03、18.69、7.47MPa.AFRP、CFRP增強混凝土梁的界面臨界剪切應(yīng)力大于環(huán)氧樹脂強力膠的拉伸抗剪強度(15.5MPa),因此兩者破壞形式都是梁底部混凝土-FRP界面剝離破壞;而GFRP增強混凝土梁的界面臨界剪切應(yīng)力比環(huán)氧樹脂強力膠的拉伸抗剪強度小,因此其破壞形式為GFRP的拉斷破壞.通過FRP增強混凝土梁界面臨界剪切應(yīng)力的計算和分析,很好地驗證了2.2節(jié)的結(jié)論.

參考文獻[13]計算不同F(xiàn)RP增強混凝土梁的斷裂韌度,結(jié)果如圖4所示.從圖4可以看出：相比普通混凝土梁而言,FRP增強混凝土梁的起裂韌度和失穩(wěn)韌度均增大,表明使用FRP對帶裂縫混凝土梁加固具有一定的阻裂和增強效果;對比3種FRP增強混凝土梁的起裂韌度和失穩(wěn)韌度,CFRP增強混凝土梁的起裂韌度和失穩(wěn)韌度最大,表明CFRP增強混凝土梁的效果最佳;盡管AFRP增強混凝土梁與CFRP增強混凝土梁的起裂韌度和失穩(wěn)韌度相近,但考慮到經(jīng)濟成本的問題,AFRP的價格遠高于CFRP,因此使用AFRP對帶裂縫混凝土增強加固的性價比并不高.由表1可知,GFRP彈性模量較小,在相同外力作用下,其變形要大于其他2種纖維;又根據(jù)GFRP本身的性能可知,其抗拉強度比混凝土要大很多,但GFRP只有在混凝土結(jié)構(gòu)二次受力,裂縫進一步發(fā)生擴展時才能發(fā)揮作用,加固效率較低,對帶裂縫混凝土正常使用狀態(tài)下的性能改善不大,這從圖4的起裂韌度和失穩(wěn)韌度對比中也可以驗證.由此可見,使用CFRP材料對帶裂縫混凝土增強加固的性價比最高,其阻裂和增強效果優(yōu)于AFRP和GFRP.

圖4 不同F(xiàn)RP增強混凝土梁的斷裂韌度Fig.4 Fracture toughness of different FRP reinforced concrete beams

4 結(jié)論

(1)通過三點彎曲試驗的起裂荷載和失穩(wěn)荷載對比分析,驗證了FRP對帶裂縫混凝土梁有明顯的阻裂和增強效果,并得出CFRP的阻裂增強效果優(yōu)于AFRP和GFRP,CFRP增強混凝土梁的延性最好.

(2)FRP增強混凝土梁的破壞形式不同于普通混凝土梁,AFRP增強混凝土梁和CFRP增強混凝土梁的破壞形式為試件底部混凝土-FRP界面的剝離破壞,GFRP增強混凝土梁的破壞形式為試件底部GFRP的拉斷破壞.

(3)通過對不同F(xiàn)RP增強混凝土梁阻裂加固機理的分析,計算了不同F(xiàn)RP增強混凝土梁的起裂韌度和失穩(wěn)韌度,得出CFRP增強混凝土梁的起裂韌度和失穩(wěn)韌度均最大,同時考慮了經(jīng)濟成本,使用CFRP對帶裂縫混凝土梁增強加固的性價比最優(yōu).