2纤维与粘土砖界面剥离破坏的试验研究

玻璃纤维与粘土砖界面剥离破坏的试验研究 王全凤 陈 莹黄奕辉杨勇新 (华侨大学土木工程学院。泉州362021) 摘要：纤维复合材料(nberReinforcedPolymer，FRP)与砌体结构的剥离破坏与常见的砖砌体破坏形态有较 大的区别，是一种特有的破坏形态。发生剥离时，玻璃纤维复合材料(GlassFiberReinforcedPolymer，GFRP)中 的应力水平都比较低，GFRP的高强度特点没有充分体现出来。因此，深入研究GFILO与砖砌体界面剥离破坏 特征及其粘结机理，对进一步了解加固结构的剥离破坏形态、指导FRP抗震加固砌体结构设计、提高加固效 果具有积极的作用。本文基于试验研究和统计，给出GFRP与粘土砖极限粘结荷载的计算公式，并初步分析 了GFRP与砖粘结界面的剥离破坏机理。 关键词：玻璃纤维复合材料(GFRP)粘土砖极限粘结荷载剥离破坏机理 EXPER卫ⅥENrAI，5m】I，YONB0匣田FAⅡ疋】llEBE冱-、7明团E】N GFRPANDa咄BRICK WangQuanfeng，Chelaring，HuartgYihui，YangYongxin (CollegeofCivil＆giI峨，I-luaqiaoUniversity，362021) Ah出耐：BondiIlgfailurebetweenGFRPandmasonrystructul瑚isa8pecialfailuremode．Generally，theFRPstressi8little whenbonding．Itisfavorabletounderstandthebondingfailuremode0f曲瑚噼Ile疽Ilgstructuresandinstructthe陀．删h℃il垮 designffthebondingfailuremechanismbetweentheinterfaceofGFRPandmasonrystructuresisstudied．Basedon唧面- mentalstudyandtesdngdata，ulmostbond曲哪formLthofGFRPandclay硒ckwasobtained．Andthebondmechanism betweentheinterfaceofGFRPandclaybrickwas戤m恻． Keywords：GFRP，claybrick，m悯tbond8t∞IlgIll，bondmechanism 1前言 试验研究和实际工程经验均表明，FRP抗震加固砌体结构技术中最关键的基础理论问题之一是FRP与 结构的粘结性能是否能保证两者共同工作，充分发挥纤维材料良好的力学性能。为此，国内外在关于FRP 加固砌体结构的研究中，粘结性能的研究一直是大家关注的一个重要内秽卜劓。本文以GFRP与粘土砖之 间的界面为研究对象，探讨其极限粘结荷载的影响因素及剥离破坏机理，为进一步深入研究FRP加固砌体 结构技术奠定基础。 2试验设计 综合考虑前人设计的试验装置【5q】的优缺点，并在此基础上作一定的改进，研制出一套操作简便、传力 合理、通用性较强的单剪粘结试验装置。GFRP与砖粘结荷载通过荷载传感器输出，(gaP的应变通过箔式 应变片测量，所有数据均由计算机系统自动采集。 试验中采用的玻璃纤维片材选用南京生产的单向玻璃纤维布，其抗拉强度为1507MPa，弹性模量为 93750MPa，延伸率为1．5％，计算厚度0．169mm。 粘结树脂采用南京德谦科技实业有限公司生产的“Liea”系列建筑结构胶，其拉伸剪切强度为24．29 MPao ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．—— *国家高技术研究发展计划(863)项目(2001AA336010) 第一作者：王全凤(1945)男博士教授、博士生导师主要从事土木工程研究 工业建筑2006年增刊 255 试验中砖采用NUIO普通粘土砖，尺寸为240×115X53mm。 试验中通过变化玻璃纤维粘结长度、粘结宽度、粘结树脂类型及粘贴层数等参数，研究玻璃纤维布与砖 构件之间在改变不同参数情况下的粘结性能。玻璃纤维布与砖的单面剪切试件是将玻璃纤维布粘贴在砖 一侧表面形成的，具体试件情况见表1。 表1试验试件汇总表 3试验结果分析 3．1 粘结长度及粘贴层数对极限粘结荷栽的影响 为研究玻璃纤维布与粘土砖之间不同粘结长度和粘贴层数对极限粘结荷载的影响，进行了表1中第1、 2组试件的试验研究，试验结果见图。 奄 X 20 40 60 80 100120 L(mm) 图1极限粘结荷载与粘结长度的关系 由试验结果可知： (1)随着玻璃纤维布与砖粘结长度的增加，其极限粘结荷载不呈线性增长关系，粘结长度增加到一定长 度，极限粘结荷载的增幅不大，GFRP与砖之间产生粘结应力的范围只局限在一定长度内，在此长度之外， GFRP与砖之间的粘结应力接近于零，此长度即为GFRP与砖之间的有效粘结长度。超过有效粘结长度虽然 不能增加粘结力，但可以提高GFRP与砖之间粘结破坏的延性，这主要是由于已经剥离的GFRP与砖之间还 存在较弱的剪力传递。 (2)随着粘贴层数的增加，极限粘结荷载得到提高。粘贴不同GFRP层数的试件，其有效粘结长度并不 相同。在本文所进行的单面剪切粘结试验中，粘贴一层GFRP的试件，粘结长度超过50mm后，试件的极限粘 结荷载增长不多，说明50mm已基本满足有效粘结长度的要求；粘贴两层GFRP的试件，粘结长度超过100mm 后，试件的极限粘结荷载增长很小，取其有效粘结长度等于100nma。 3．2粘结长度对极限粘结荷载的影响 本文对玻璃纤维粘结长度对极限粘结荷载的影响进行了试验研究，试验结果见图2。可以看出，随着 (；FLIP粘结长度的增加，极限粘结荷载明显提高，而粘结强度稍有降低，GFRP粘结长度等于30ram的试件的 粘结强度比长度等于40mm和50ram的试件分别高0．35％和7．4％左右，这主要是由于周围砖对局部受剪砖 256 玻璃纤维与粘土砖界面剥离破坏的试验研究一王全凤，等 的承载力存在提高作用，砖表面实际破坏面大于玻璃纤维布粘结长度，这种玻璃纤维布两侧的砖对GFRP提 供的有利约束作用随着GFRP粘结长度的增加而减小。 ，、9 圣s 7 6 5 4 3 20 30 40 50 60 W(mm) 图2极限粘结荷载随粘结 宽度的变化规律 3．3砖抗压强度对粘结强度的影响 ’ 砖的抗压强度对粘结强度的影响不容忽视，已有研究表明，对于不同的砖，由于其孑L隙度和与环氧树脂 的粘度不同，加固后的破坏形式也不同旧J。本次试验中采用的砖强度等级均为MUl0，但是由于砖的离散性 相当大，因此为了更好的研究砖强度与粘结强度之间的相关关系，我们对每块做完单面剪切粘结试验的砖， 均根据《砌墙砖试验方法》(GB，他542—92)规定的方法进行砖的抗压强度试验，对砖抗压强度与粘结强度的 关系进行初步的了解。具体试验结果如图3所示。 3 6 9 12 15 18 2l 24 砖抗压强度fMl'a) 莹 鏊 羹 图3砖抗压强度与粘结强度的关系曲线 砖抗压强度(MP口) 从图3中可以看出，粘结强度与砖的抗压强度表现出较好的线性相关性。但是，必须指出，进行抗压强 度测定的砖都是发生GFRP剥离破坏后的试件，砖表面均有一定程度的剥落，强度已经有所损伤。因此，对 于砖强度对粘结强度的影响规律还有待进行进一步的试验研究。 4 GFRP与粘土砖之间极限粘结荷载的计算 根据上述一系列玻璃纤维布与粘土砖的单面剪切粘结试验结果，总结出与极限粘结荷载和粘结强度有 关的参数及影响剥离破坏的因素主要有以下几个方面： (1)玻璃纤维布的粘结长度：随着玻璃纤维布与砖粘结长度的增加，极限粘结荷载不呈线性增长关系，当 粘结长度超过有效粘结长度后，随着粘结长度的增加，极限粘结荷载的增幅不大。 (2)砖抗压强度：砖抗压强度对粘结强度有一定影响，粘结强度和砖抗压强度近似成正比，砖强度越低， 越易发生剥离破坏。 (3)玻璃纤维布的粘结宽度：随着GFRP粘结宽度的增加，极限粘结荷载明显提高，粘结强度则和GFRP 粘结宽度成反比。 工业建筑2006年增刊 257 8 7 6 5 4 3 2 l 喜瑙瞬姆桨 (4)粘结材料的性质及加固量：粘贴层数越大(即加固量越大)，玻璃纤维布的厚度、刚度越大，将导致剥 离应力增大，易于剥离。 (5)施工质量：施工时玻璃纤维布的粘贴平整、质量好，可以保证玻璃纤维布在横向上受力均匀，减少局 部分离造成的剥离破坏，粘结树脂饱满均匀也有利于防止剥离破坏的发生及发展。 根据上述试验结论，并结合前人的成果，本文提出如下计算GFRP与砖极限粘结荷载的计算公式： R=玉。k岛I~／毋嘶 (1) 式中：五。——与玻璃纤维布粘贴层数相关的系数，一层取0．9，两层取O．5； k——Gn口宽度和砖宽度之比； ‘ kt——与有效粘结长度le相关的系数，当粘结长度0≤乙时，ks=1．0，当粘结长度以>乞时，kl= 2．o一毒； Z，——CFRP的粘结长度(糯)； E广GFRP的弹性模量(MPa)； t广GFRP的厚度(栅)； ．五——砖的抗压强度(胁)。 采用公式(1)计算的极限粘结荷载与试验中得到的极限粘结荷载的对比见图4，计算值与试验值基本吻 合。需要指出的是，公式(1)是根据本文试验结果得出的，但是本文试验的条件是单一的，没有各种不同类型 的试验资料比较、验证；试验数据总量还比较少，有一定程度的离散性，其统计分布规律的研究尚不十分成 熟。此外，本次试验中仅采用了MI．J10一种强度等级的实心粘土砖进行试验，因此砖的抗压强度对玻璃纤维 与砖之间的极限粘结荷载的影响规律还有待于进行进一步的试验研究。 ￡12 厶 lO 8 6 4 2 O ■ _口日 _- 口 一口 暑13 -_8 - l_公式计算值I l口试验值 l 图4公式计算值与试验值对比图 5剥离破坏机理分析 5．1粘结界面 玻璃纤维布和砖构件之间的粘结界面是被粘物(GFRP和砖)表面及其吸附层(空气、杂质)和靠近被粘 物表面的粘结剂(底层树脂和浸渍树脂)依靠粘附作用形成的【9】。当玻璃纤维布与砖粘贴在一起时，粘结剂 渗入到砖构件表面的微空穴和微裂缝中，抑制了砖构件表层微裂缝的继续扩展，改善了砖表面的界面性能。 等粘结剂受压固化后，粘结剂就把砖构件表面与玻璃纤维布表面两者紧紧“铆”在一起结合为一个整体共同 工作。正是由于界面微观结构的变化，带来了界面宏观力学性能的改变，从而充分发挥玻璃纤维布抗拉强 度高的特性，使修补后的砖承载能力得到较大的提高。 GFRP加固砖构件后形成如图5所示的界面，粘结界面可看成由六层组成：玻璃纤维布、树脂与纤维布界 面、树脂层、树脂与砖界面、树脂、砖过渡层、砖。其中树脂＼砖过渡层的特性决定着界面粘结的宏观力学 性能，对破坏特征的影响较大u训。 由于受试验条件的限制，本文的试验没有观察到玻璃纤维布修补砖后粘结界面的物理特征，若能进一 258 ，7 玻璃纤维与粘土砖界面剥离破坏的试验研究一王全风，等 树脂与纤维布界面 执髓甚 树脂与砖界面 玻璃纤维布 树脂＼砖过渡层 砖 图5 GFRP加固砖粘结界面分层不惹图 步了解粘结界面的微观结构，则对更全面的认识粘结机理及破坏特征具有积极的意义。 5．2剥离破坏机理 根据所进行的玻璃纤维布与粘土砖的单面剪切粘结试验结果可以发现，玻璃纤维布与砖的剥离特征及 应力应变的变化是随着外荷载的增加而变化的，玻璃纤维布与砖之间的剥离破坏机理可简述如下： 当荷载较小时，玻璃纤维布通过粘结树脂与砖紧密结合在一起共同工作，变形协调一致。界面粘结剪 应力随外荷载的增大而增大，界面粘结剪应力最大值出现在加载端，沿界面长度方向剪应力逐渐变小； 随着荷载的继续增大，界面粘结剪应力的分布和峰值位置逐渐向自由端移动，界面剪应力值不再增大， 而纤维布的应力也逐渐趋于平缓； 当荷载增加到一定值后，砖内部最大剪应力达到砖抗剪强度，砖在界面薄弱处开裂并产生粘结界面微 裂缝，同时引起玻璃纤维布与砖粘结界面上的应力发生重分布，试验中表现为局部实测的应变梯度剧增； 当荷载达到极限粘结荷载时，加载端界面剥离明显产生，并且界面剥离向自由端快速扩展，粘结界面受 到界面法向应力和面内应力的复合作用，在这种复合应力的作用下，玻璃纤维布粘带着浅层的砖从加载端 开始剥离； 当粘结的有效面积减小到一定值时，砖构件就在界面砖一侧表层发生一次性剥离破坏。一次性剥离破 坏是脆性的，即瞬时发生的。 6结语 (一)本文进行了玻璃纤维布与55块实心粘土砖单面剪切粘结试验，研究玻璃纤维粘结长度、粘结宽度、 粘结树脂类型及粘贴层数等参数对极限粘结荷载的影响规律。 (--)根据试验结果，通过对影响极限粘结荷载的各种因素进行分析，并参考前人得到的相关结论，给出 了玻璃纤维布与砖之间极限粘结荷载的计算公式，并和试验结果进行比较，比较结果说明给出的经验公式 是具有一定的合理性。 (三)从粘结界面的角度看，认为玻璃纤维布加固砖构件后，界面的基本结构为层状结构，分为玻璃纤维 布、树脂与纤维布界面、树脂层、树脂与砖界面、树脂、砖过渡层、砖等六层。其中树脂＼砖过渡层的特性决 定着界面粘结的宏观力学性能，对破坏特征的影响较大。 (四)根据所进行的玻璃纤维布与粘土砖的单面剪切粘结试验，对玻璃纤维布与砖之间的剥离破坏机理 作出初步描述，认为当荷载达到极限粘结荷载时，加载端界面剥离明显产生，玻璃纤维布粘带着浅层的砖从 加载端开始剥离；当粘结的有效面积减小到一定值时，砖构件就在界面砖一侧表层发生一次性剥离破坏。 参考文献 MichaelLAlbert，AlaaEElwi，JJR咿rCheng．Smm#hetlingofUmeinforcedMasemyWalls嘣rIgFRP$[J]．JonmalofComlxBiteahConstruction．2001， 5(2)，76～84 谢剑。赵彤，李浩菊．碳纤维布加固修复混凝土小型空心砌块开裂墙体的试验研究[J]．建筑结构学报．2003，24(5)。36—41 翁大根，吕西林，任晓菘，TetsuoKUBO，李康宁．砖砌体墙片抗震修复与加固伪静力试验[J]．世界地震工程．2003，19(1)，1—8 张祥顺。谷倩，彭少民．CTRP对砖墙抗震加固对比试验研究与计算分析[J]．世界地震工程．2003，19(1)，77—82 MichealJc蝎$，WillianWFinch，JrTedFJ珊mdm，Thcod㈣AThomson，Jr．BondandForceTransfer0fc0呷。砒MaterialPlatesBandedtocon口e虹J]． ACIStruetmalJournal．1996，93(2)，208．217 工业建筑2006年增刊 259 6赵海东，张誉。赵鸣．碳纤维片材与混凝土基层粘结性能研究[c]．中国首届纤维增强塑料(}哪·)混凝土结构学术交流会．中国北京。2000年6 月，247—253 7姚谏，滕锦光．FRP复合材料与混凝土的粘结强度试验研究[J]．建筑结构学报．2003，24(5)，10—18 8王孟钟，葛应昌．胶粘剂应用手册[M]．北京：化学工业出版社．1996，541—545 9 MarshalOS，SwvmeySC，TmvillionJC．,Seis痂cReb．abilitationdUrndnforcedM∞0nIyWalls[J]．ACISmJetmalJournal．1999(11)，305—312 lO杨勇新．碳纤维布与混凝土的粘结性能及其加固混凝士受弯构件的破坏机理研究[D]．天津大学博士学位论文．2001 玻璃纤维与粘土砖界面剥离破坏的试验研究一王全凤，等 玻璃纤维与粘土砖界面剥离破坏的试验研究 作者： 王全凤， 陈莹， 黄奕辉， 杨勇新 作者单位： 华侨大学土木工程学院,泉州,362021 相似文献(0条) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6246931.aspx 下载时间：2010年1月13日