关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究.pdf

FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究.pdf

FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究.pdf

上传者: 做梦的人2000 2012-06-28 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究pdf》,可适用于经济金融领域,主题内容包含http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectur符等。

http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectural&EnvironmentalEngineeringJun.2011犉犚犘板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究张 普ab朱 虹ab陈 泉ab孟少平ab刘晓艳ab(东南大学a.混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室b.城市工程科学技术研究院南京210096)收稿日期:20101124基金项目:国家十一五支撑计划项目(2006BAJ03B07)国家自然科学基金资助项目(50908045)作者简介:张 普(1982)男博士生主要从事FRP材料在土木工程中的应用研究(Email)zhp1243@163.com。朱 虹(通讯作者)女博士副教授(Email)seuzhuhong@gmail.com。摘 要:采用7种不同的粘结树脂通过2批双剪试件的拉伸剪切试验研究了拉挤成型玄武岩纤维复合板与后浇混凝土湿粘结界面的力学性能并将其与在既有混凝土表面外贴FRP形成的干粘结界面进行了比较通过对比两者的破坏特征、荷载位移曲线、有效粘结长度、粘结滑移关系、界面断裂能以及粘结破坏机理深入地研究了湿粘结界面的性能。结果表明:湿粘结的粘结强度仅为干粘结的1/2~2/3但2种界面的有效粘结长度相差不大。最后基于试验数据提出了适用于湿粘结界面的剪切滑移本构模型。关键词:湿粘结界面粘结有效粘结长度断裂能中图分类号:TU398.9  文献标志码:A  文章编号:16744764(2011)03007406犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犛犺犲犪狉犘犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲狅犳犠犲狋犫狅狀犱犻狀犵犐狀狋犲狉犳犪犮犲犫犲狋狑犲犲狀犉犚犘犘犾犪狋犲犪狀犱犆狅狀犮狉犲狋犲犣犎犃犖犌犘狌犣犎犝犎狅狀犵犆犎犈犖犙狌犪狀犕犈犖犌犛犺犪狅狆犻狀犵犔犐犝犡犻犪狅狔犪狀(a.KeyLaboratoryofConcreteandPrestressedConcreteStructuresofMinistryofEducationb.InternationalInstituteforUrbanSystemsEngineeringSoutheastUniversityNanjing210096P.R.China)犃犫狊狋狉犪犮狋:ByadoptingsevenkindsofadhesiveresinsthemechanicalpropertiesoftheinterfacebetweenpultrudedBasaltfiberreinforcedpolymerplatesandcastinplaceconcreteisstudiedaccordingtotwogroupsofstretchingdoublesheartest.AnditiscomparedwiththedrybondinginterfacebetweenBFRPplatesandtheprecastconcrete.Furtherstudyisconductedbycomparingthedamagefeaturesloaddisplacementcurveseffectivebondlengthbondsliprelationshipandinterfacefractureenergybetweenthetwointerfaces.Itisfoundthattheeffectivebondlengthofthetwointerfacesaresimilarbutthebondstrengthofthewetbondingisabouthalfofthedrybonding.Finallytheshearstressslipmodelisproposedforthewetbondinginterfacebasedontheexperimentaldata.犓犲狔狑狅狉犱狊:wetbondinginterfacesbondeffectivebondlengthfractureenergy  湿粘结界面以及湿粘结与剪力键的综合界面是FRP混凝土组合梁中经常采用的界面形式它是指先在FRP模板表面上刷一层粘结剂在粘结剂开始发粘但是尚未固化时浇筑混凝土形成界面的一种方法[16]。干粘结是相对于湿粘结而言的是指FRP板材与预制混凝土之间通过树脂粘结形成界面的方式。与干粘结相比湿粘结具有施工方便快速的优点。该文拟对湿粘结界面的性能进行研究并和干粘结界面进行比较。目前已有不少学者对湿粘结进行了研究。1995年Deskovic创新设计的FRP型材混凝土组合梁中率先使用了这种界面方式然而湿粘结界面的组合梁发生了剥离破坏[7]。1998年Canning等人通过FRP组合梁的受弯试验比较了6种界面方式的http:qkscqueducn效果结果表明采用环氧树脂的湿粘结界面效果略差于干粘结但是考虑到新建组合结构的实际施工湿粘结却是最实用的界面方式[8]。接着J.Hulatt[9]、邵一心、吴智深、朱海棠等人[14]对湿粘结界面承载力进行了试验研究。然而不同研究者的研究结果仍然存在较大差异其主要原因是不同的研究者采用的树脂不同其次不同的混凝土强度、FRP板材以及施工方法也会对结果产生影响。为了减少FRP板的制作工艺和混凝土强度对界面性能的影响该文统一采用拉挤成型的玄武岩纤维(BasaltfiberreinforcedpolymerBFRP)复合板并在同一批次中采用相同的混凝土等级。通过2批BFRP板混凝土湿粘结界面的双剪试验研究比较了7种不同的粘结树脂的湿粘结性能并与干粘结进行了对比。研究结果表明湿粘结界面的粘结效果不如干粘结界面前者的粘结强度仅为后者的1/2~2/3但2种界面的有效粘结长度相差不多。与干粘结相比湿粘结具有施工方便快速的优点可以灵活的配合使用剪力键以获得超过干粘结的粘结性能[6]因而仍然具有大规模应用的潜力。1 试验研究试验试件的制作方法及尺寸参数遵照此类试验常采用的日本相关规程[10]的规定。采用的双剪试件尺寸以及BFRP板上的应变片布置见图1。从加载端到自由端的应变片编号依次为0、1、…、7。双剪试件为100mm100mm500mm的混凝土棱柱体中间用木块隔开棱柱体中心的螺栓在木块处断开。试件侧面布置位移计以测量2块混凝土间的相对位移。双剪试件的2个面分别记为犃面和犅面。图1 双剪试件尺寸及应变片位置示意图所有双剪试件均采用钢模制作。湿粘结试件的制作方法为:先将BFRP板材放入钢模中固定BFRP板位置在BFRP板上刷粘结树脂然后放置预埋螺栓浇筑混凝土振捣并养护成型。干粘结试件的制作方法为先将混凝土试件养护成型然后基面处理刷底涂树脂、找平树脂和粘结树脂最后粘贴BFRP板。设计了2批次BFRP板材混凝土湿粘结界面的双剪试验来研究湿粘结界面性能。第1批试验测试承载力初步比较6种不同粘结树脂的湿粘结性能。在此基础上限定3种类型的胶其中1种类型为新增通过测试极限承载力、应变和变形完成了第2批12个试件的双剪试验并深入分析了湿粘结界面的性能。BFRP板的材性见表1。2批次双剪试件的试验参数见表2、表3。第1批混凝土强度46.4MPa第2批混凝土强度40.9MPa。试验装置以及数据采集系统见图2试验加载制度采用按位移加载控制加载速度为2mm/min。图2 试验装置以及数据采集系统表1 犅犉犚犘板参数宽度/mm厚度/mm犳u/MPa犈f/GPaεfu/με501.511048.839.526550表2 第1批双剪试验参数与结果试件编号粘结方式粘纤维板用胶试件数量破坏特征极限承载力/kNDB干粘结NG1I26.10LK湿粘结Lica1301II11.56CH湿粘结CH1A1II9.27FRS湿粘结FRSCB1II11.42FCS湿粘结FCS1II11.29NG湿粘结NG1II14.42Sika湿粘结Sikadur302II12.272 试验结果分析21 破坏特征  干粘结与湿粘结界面破坏特征对比见图3、表2和表3。图3a)为干粘结界面破坏特征图3b)和图3c)为2种不同树脂的湿粘结界面破坏特征。构件上的犃表示犃面破坏犅表示犅面破坏。由图3可见2种界面的破坏模式有所不同干粘结能够粘下一层混凝土加载端部粘下块状混凝土表现为混凝土层的破坏(特征I)而湿粘结只能粘下一层砂浆57第3期张 普等:FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究http:qkscqueducn加载端部未能粘下块状混凝土表现为胶层与混凝土界面的破坏(特征II)。采用不同粘结树脂的湿粘结界面具有相似的破坏特征。图3 干粘结与湿粘结破坏特征22 荷载位移曲线各试件的荷载位移曲线见图4横坐标为侧面2个位移计读数的平均值纵坐标为整个试件的承载力。从图4和表3可知:第1批中6种不同树脂的湿粘结界面承载力略有差别其中NG胶的承载力为14.42kNCH1A胶的承载力最小为9.27kN第2批中采用3种不同粘结树脂的湿粘结界面承载力略有差别其中SY胶和NG胶界面的承载力较为接近分别为18.79kN和18.69kN而FRSCB胶湿粘结界面的承载力只有15.42kN。湿粘结界面的承载力和延性不如干粘结。第1批中湿粘结的平均承载力为干粘结的0.36~0.56倍第2批中湿粘结的平均承载力为干粘结的0.56~0.68倍。这种差异主要是由于2批次所采用的湿粘结树脂和混凝土强度不同而引起的。图4 荷载位移曲线汇总23 有效粘结长度和平均粘结强度通过BFRP板上不同位置处的应变片读数可以得到应变分布图。湿粘结和干粘结的应变分布图具有相同的变化规律。荷载较小时只有加载端附近的FRP承受荷载而加载端附近的应变分布基本呈现线性分布随着荷载的增大参与受力的FRP长度增加靠近加载端的应变增长。当参与受力的FRP长度达到有效锚固长度的长度后荷载不再增加加载点处的应变达到峰值随后应变峰值点向自由端移动剥离从加载端向自由端发展。由于篇幅所限文中仅列出几个典型的应变分布图(图5)。由图5可知湿粘结和干粘结2种界面方式的应变分布有一定的相似性但是峰值应变有较大差别。湿粘结界面的应变峰值在3500με左右而干粘结的应变峰值一般在4700με左右这也是干粘结界面承载力高于湿粘结界面的原因。图5 第2批试件的应变分布图粘结界面的一个重要特点是其存在一个有效粘结长度当粘结长度超过这个值界面的承载力将不67土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn再提高。目前有效粘结长度的计算方法没有统一的标准文献[11]中有效粘结长度的定义是应变分布曲线上从加载点到应变趋近于零的点之间的距离在达到开裂荷载之前有效粘结长度保持为常数开裂之后有效粘结长度线性增大。采用文献[11]中的方法取初始有效粘结长度为其计算有效粘结长度其值见表3。由表3知湿粘结界面的有效粘结长度略大于干粘结界面约为干粘结的1.03~1.16倍。所有试件的粘结长度在60~81.6mm之间。得到有效粘结长度以后平均粘结强度可以按照式(1)计算计算结果见表3。可见湿粘结的平均剪切粘结强度约为干粘结的1/2~2/3。τm=犉2犫犾e(1)式中τm为平均剪切粘结强度犉为双剪试件的承载力犫为FRP板宽度犾e为FRP板与混凝土界面的有效粘结长度。表3 第2批双剪试验参数与结果粘结方式试件编号纤维板用胶破坏特征极限承载力/kN犛犃犞极限位移/mm犛犃犞有效粘结长度/mm犛犃犞粘结强度/MPa犛犃犞最大剪应力/MPa犛犃犞最大滑移/mm犛犃犞犌f/(Nm-1)犛犃犞干粘结DB1DB2DB3FRSIII26.8927.7428.4027.670.6910.8760.9370.83561.267.264.765.08.788.258.778.604.905.625.265.260.6310.5390.6500.6120.630.660.670.65湿粘结SY1SY2SY3SYIIIIII20.3017.3518.7218.790.4890.3420.5820.47176.581.667.975.35.314.255.525.032.9751.993.1752.710.4090.2520.4040.3550.350.260.300.30湿粘结FRS1FRS2FRS3FRSIIIIII16.4017.6012.3015.420.5160.2610.3140.36476.871.967.2724.274.893.664.272.381.982.52.280.3580.1760.2670.230.260.130.21湿粘结NG1NG2NG3NGIIIIII19.0021.0016.1018.690.5400.7350.4950.59059.572.869.167.16.375.774.665.602.7552.353.2152.770.4470.4610.3650.4240.310.380.220.30  注:犛代表单个试件的试验值犃犞代表各试件平均值24 粘结滑移关系拉伸剪切试验加载的过程中FRP和混凝土的变形并不同步FRP上的应变发展较快而混凝土上的应变发展较慢这种变形的不协调将在界面层产生剪应力。应变片各点间的粘结剪应力按下式计算[12]:τb犻=-(εf犻-εf犻-1)狋f犈fΔ犾b犻犻=01…7(2)式中τb犻为犻和犻-1点间的平均粘结剪应力εf犻为犻点处的应变值Δ犾b犻为犻和犻-1点的间距狋f、犈f分别为FRP板的厚度和弹模。应变片位置处各点的滑移量按照下式计算:犛犻=犛犻-1-(δf犻-δm犻)犛犻-1-δf犻犻=01…7(3)δf犻=εf犻-εf犻-12Δ犾b犻+εf犻-1Δ犾b犻(4)式中犛犻为犻点处的滑移量犛7=0δf犻为犻点处FRP板的伸长量δm犻为犻点处混凝土块的伸长量。按照上式计算得到的最大粘结剪应力和最大的滑移值见表3。由表3可知干粘结的最大粘结剪应力为5.62MPa约为湿粘结最大剪应力的2倍。干粘结的滑移值在0.61mm左右而湿粘结的滑移值在0.27~0.42mm之间。图6给出了有代表性的湿粘结与干粘结剪应力滑移(τs)关系曲线并和2个现有的粘结滑移本构模型(Nakaba模型[12]、Lu模型[1316])进行了对比。由图6可知:Nakaba模型曲线与干粘结界面的试验结果较为接近误差较小而与湿粘结界面的试验曲线相差较远因此不能适用于湿粘结界面。而Lu模型曲线则与湿粘结试验的剪切滑移曲线相对比较接近而且两者的形状非常相似但该模型过高估计了湿粘结的最大剪应力。Lu模型的表达式如下:τ=τmax狊/狊槡0 狊狊0(5)τ=τmaxe-α(狊/狊0-1) 狊>狊0(6)τmax=1.5βw犳t(7)狊0=0.0195βw犳t(8)α=1犌fτmax狊0-23(9)式中τmax为最大界面剪应力犳t为混凝土抗拉强度βw为FRP板混凝土宽度影响系数。βw=2.25-犫f/犫c1.25+犫f/犫槡c(10)77第3期张 普等:FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究http:qkscqueducn式中犫f为FRP板宽度犫c为混凝土棱柱体的宽度。犌f=0.308βw2犳槡t(11)式中犌f为FRP板与混凝土粘结界面的断裂能理论值。图6 剪应力滑移关系曲线采用试验得到的湿粘结界面最大剪应力平均值对Lu模型中的最大剪应力折减即最大剪应力按照式(12)进行计算其最大断裂能按照式(13)计算而其余参数计算仍然采用Lu模型的计算方法。为了便于对比将上述修正后的计算方法称为修正Lu模型。τmax=1.5φ1βw犳t(12)犌犳=0.308φ2βw2犳槡t(13)狊0=0.0195φ3βw犳t(14)式中φ1为最大剪应力折减系数φ2为断裂能折减系数φ3为峰值滑移量修正系数。基于试验数据的分析湿粘结界面修正Lu模型的修正系数可按照如下取值:φ1=0.6、φ2=0.8和φ3=1.0。采用NG树脂、SY树脂和FRS树脂的湿粘结典型试件的粘结滑移试验与理论曲线对比见图6最大剪应力理论与试验比较见图7由图6和图7可见修正后的Lu模型能够较好的预测湿粘结界面的剪应力滑移关系。图7 最大剪应力试验值与理论值比较25 断裂能随着荷载的增加最大剪应力和滑移量逐渐增加因此界面断裂能也在不断增加。当界面断裂能达到其临界值时界面层剪应力较大处的初始缺陷将产生不稳定扩展最终发生界面的剥离。最大界面断裂能犌f为界面粘结滑移曲线所包含的面积。已有研究表明FRP混凝土界面承载力与犌f的平方根成正比而与粘结滑移曲线的具体形式无关。根据已有的基于断裂力学的理论推导粘结界面的断裂能可按照下式计算[17]:犌f=犘max22犫f2犈f狋f(15)式中犘max为FRP板与混凝土之间单面剪切的承载力在双剪试件中犘max=犉/2按照式(15)计算得到的断裂能见表3。由表3可知湿粘结界面的断裂能的平均值在0.21~0.30N/m之间而由经验公式(13)预测得到的第2批湿粘结试件的理论值为0.245N/m可见式(13)能够较好的预测湿粘结界面断裂能。由表3可知湿粘结界面的断裂能仅为干粘结断裂能的1/3左右。26 湿粘结与干粘结剪切性能存在差异机理分析FRP片材与混凝土之间的粘结作用力在FRP片材、粘结剂和梁下表面混凝土3层材料中有效传递是保证FRP和混凝土共同工作的基础。粘结失效的实质是由于在FRP、混凝土表层以及两者之间的粘结材料层中不可避免地存在细观尺度上的初始缺陷(如裂纹、孔隙、夹层等)在荷载作用下当断裂能达到其临界值时这些初始缺陷就将产生不稳定扩展最终导致粘结失效[18]。对于干粘结在施工可靠的情况下由于工程上常用粘结剂的抗剪强度一般高于混凝土故FRP片材与混凝土之间的界面剥离通常是发生于粘结剂与混凝土界面区靠近混凝87土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn土的一侧。剥离破坏主要发生在粘结胶未浸润的混凝土薄层中。界面发生剥离行为主要是因为混凝土的抗拉强度达到极限而产生裂缝[18]。而对于湿粘结界面粘结剂与新浇混凝土作用同时固化混凝土中的水分容易对粘结树脂的固化产生影响更容易产生初始缺陷界面发生剥离主要是因为胶层与混凝土表面砂浆面层的粘结失效因此其界面粘结强度较低。3 结 论1)湿粘结界面承载力与混凝土强度、粘结树脂、纤维材性、温度湿度以及施工质量等因素有关。就所采用的7种环氧树脂而言采用不同树脂的湿粘结界面承载力有所差别其中SY胶和NG胶的湿粘结性能最优。2)拉挤成型BFRP板与混凝土湿粘结界面和干粘结界面相比具有如下特点:湿粘结的极限承载力、最大剪应力和最大滑移量均明显小于干粘结界面有效粘结长度略大于干粘结平均粘结强度约为干粘结的1/2~2/3倍断裂能为干粘结的1/3左右。3)基于湿粘结界面的试验数据对Lu模型进行了修正修正后的Lu模型能够较好地预测湿粘结界面的剪切滑移关系。参考文献:[1]ZHISHENWUWENXIAOBINAOKISAKUMA.InnovativeexternallybondedFRPconcretehybridflexuralmembers[J].CompositeStructures200672(3)289300.[2]SHAOYWUZSBIANJ.WetbondingbetweenFRPlaminatesandcastinplaceconcrete[C]//InternationalSymposiumonBondBehaviourofFRPinStructuresHongKongP.R.China2005:9196.[3]LILSHAOYXWUZS.Durabilityofwetbondofhybridlaminatestocastinplaceconcrete[J].JournalofCompositesforConstruction201014(2)209216.[4]田小岩.HFRP及其与现浇混凝土粘结力学性能研究[D].郑州:郑州大学土木工程学院2007.[5]ZHUHTZHANGQMTIANXYetal.Analysisoneffectivebondinglengthbetweenhybridfiberreinforcedplasticsandcastinginplaceconcrete[G]//XUBXIAOYRUJPetal.ProceedingsoftheTenthInternationalSymposiumonStructuralEngineeringforYoungExperts2008:766769.[6]刘晓艳.FRP混凝土组合梁受弯性能试验研究[D].南京:东南大学土木工程学院2010:3035.[7]CANNINGLHOLLAWAYLTHOMEAM.AninvestigationofthecompsiteactionofanFRP/concreteprismaticbeam[J].ConstructionandBuildingMaterials199913(8):417426.[8]NORDINHTALJSTENB.TestingofhybridFRPcompositebeamsinbending[J].CompositesPartBEngineering200435(1):2733.[9]HULATTJHOLLAWAYLTHORNEA.ShorttermtestingofhybridTbeammadeofnewprepregmaterial[J].JournalofCompositesforConstruction20037(2):135144.[10]JSCEWorkingGrouponRetrofitDesignofConcreteStructuresinSpecificationRevisionCommittee.GuidelinesforRetrofitofConcreteStructures[M].Tokyo:JSCEConcreteCommittee1999.[11]BIZINDAVYILNEALEKW.Transferlengthsandbondstrengthsforcompositesbondedtoconcrete[J].JournalofCompositesforConstruction19993(4):153160.[12]NAKABAKKANAKUBOTFURUTATetal.Bondbehaviorbetweenfiberreinforcedpolymerlaminatesandconcrete[J].ACIStructuralJournal200198(3):359367.[13]陆新征谭壮叶列平等.FRP布混凝土界面粘结性能的有限元分析[J].工程力学200421(6):4550.  LUXINZHENGTANZHUANGYIELIEPINGetal.FiniteelementanalysisofdebondingattheinterfacebetweenFRPsheetandconcrete[J].EngineeringMechanics200421(6):4550.[14]陆新征叶列平滕锦光等.FRP片材与混凝土粘结性能的精细有限元分析[J].工程力学200623(5):7482.  LUXINZHENGYELIEPINGTENGJINGUANGetal.MesoscalefiniteelementanalysisofFRPtoconcretebondbehavior[J].EngineeringMechanics200623(5):7482.[15]陆新征叶列平滕锦光等.FRP混凝土界面粘结滑移本构模型[J].建筑结构学报2005(4):1018.  LUXINZHENGYELIEPINGTENGJINGUANGetal.BondslipmodelforFRPtoconcreteinterface[J].JournalofBuildingStructures200526(4):1018.[16]LUXZYELPTENGJGetal.MesoscalefiniteelementmodelforFRPsheets/platesbondedtoconcrete[J].EngineeringStructures200527(4):564575.[17]WUZSYUANHYOSHIZAWAHetal.Experimental/analyticalstudyoninterfacialfractureenergyandfracturepropagationalongFRPconcreteinterface[J].ACISP2001:201208133152.[18]郭樟根孙伟民闵珍.FRP与混凝土界面粘结性能的试验研究[J].南京工业大学学报:自然科学版200628(6):3742.  GUOZHANGGENSUNWEIMINMINZHEN.ExperimentalstudyonbondbehaviorbetweenFRPconcreteinterface[J].JournalofNanjingUniversityofTechnology:NaturalScienceEdition200628(6):3742.(编辑 胡英奎)97第3期张 普等:FRP板与混凝土湿粘结界面剪切性能试验研究

用户评论(0)

0/200

精彩专题

上传我的资料

每篇奖励 +2积分

资料评价:

/6
0下载券 下载 加入VIP, 送下载券

意见
反馈

立即扫码关注

爱问共享资料微信公众号

返回
顶部