碳纤维布与混凝土间粘结性能试验研究

第 24卷第 4期 2008年 8月 结 　构 　工 　程 　师 Structural Engineers Vol. 24, No. 4 Aug. 2008 收稿日期 : 2008 - 04 - 12 基金项目 : 上海市科学技术委员会科研攻关项目 (032112060) 碳纤维布与混凝土间粘结性能试验研究 冯展磊　顾祥林　张伟平　刘丽梅 (同济大学建筑 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系 ,上海 200092) 摘 　要 　为研究碳纤维布与混凝土间粘结性能 ,通过 15个变换研究参数的碳纤维布 - 混凝土单剪试 验 , 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了试验现象和受力机理 ;建立了局部粘结强度及粘结 -滑移本构关系的理论计算公式。试验结 果表明 :局部粘结强度及达到局部粘结强度时的相对滑移均随混凝土强度的提高而增大 ,且两者均受碳 纤维布与混凝土间宽度比的影响 ;粘结 -滑移曲线形状亦随混凝土强度不同而变化。 关键词 　碳纤维布 , 混凝土 , 粘结 Exper imenta l Study on Bond Behavior Between Carbon Fiber Composite Sheets and Concrete FENG Zhanlei　GU Xianglin　ZHANG W eip ing　L IU L imei (Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract　To investigate the bond behavior between carbon fiber composite sheets and concrete substrate, testing phenomena and mechanism of 15 carbon fiber composite sheet2concrete single shear joints with variable parameters were compared and analyzed, and formulas to calculate the local bond strength and the bond2slip relationship were established. The test results show that both the local bond strength and the corresponding slip increase with the increase of the concrete strength, meanwhile are influenced by the width ratio of carbon fiber composite sheet and concrete, also the bond2slip curve shape alters with the change of the concrete strength. Keywords　carbon fiber composite sheet, concrete, bond 1　引 　言 近年来 ,碳纤维增强复合 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 凭借其优良的 力学性能及耐久性能在土木工程领域得到了广泛 的应用 ;外贴碳纤维布加固混凝土技术也由于其 特有的优越性正逐步为工程界所认可 ,显示出了 巨大的潜力和良好的发展前景。碳纤维布与混凝 土的界面粘结是保证两种材料共同工作的基础。 国内外的试验研究及工程实践均表明 ,大多数碳 纤维布加固混凝土构件的破坏均是由界面剥离而 导致的破坏 [ 1 ]。因此 ,研究碳纤维布与混凝土界 面的粘结性能具有非常重要的现实意义。 一般认为 ,纤维布与混凝土之间的粘结应力 主要为剪应力 ,从而使纤维布受拉以提高构件的 承载力及刚度 ,例如钢筋混凝土梁的抗弯及抗剪 加固。因此 ,国内外很多学者就纤维布与混凝土 界面的受剪性能进行了很多理论及试验研究 ,提 出了各自的承载力及粘结滑移模型 [ 2, 3 ]。 作为“碳纤维布 - 混凝土界面粘结及耐久性 能 ”课题的一部分 ,本文设计了碳纤维布与混凝 土面内剪切试验装置 ,完成了系列试验中 0天时 间点的加载 ,提出了局部粘结强度的计算公式及 粘结 -滑移本构模型。 2　试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 2. 1　试件设计 粘结试验采用碳纤维布与混凝土的单面剪切 粘结试验 ,试件如图 1所示。碳纤维布与混凝土 标准试块形成两个粘结面 ,一面为锚固面 ,另一面 为测试面。为保证锚固面不先于测试面发生破 坏 ,通过 U形箍进行加固。碳纤维布的粘贴 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 参照 CECS 146: 2003《碳纤维片材加固修复混凝 土结构技术规程 》,粘结胶选用厂家配套环氧 树脂。 图 1　试件装置图 Fig. 1　Specimen setup 　　试验选用三种强度等级的混凝土 : C10, C20, C45,其中 C45分两批浇注 ;各级别混凝土配合比 及 28 d所测弹性模量见表 1。碳纤维布选用两个 厂家生产的片材 ,共三个型号 ,厚度均为 0. 111 mm ,其力学参数见表 2。为充分研究碳纤维布与 混凝土的粘结性能 ,试验中变换粘结长度与宽度。 设计试件共计 15个 ,分两批浇注 ,列于表 3。 表 3中试件编号规则为“批次 - (混凝土强度等 级 ) (碳纤维布种类 ) (序号 ) ”。 　表 1 混凝土配合比及弹性模量 　Table 1 Proportion and ela stic m odule of concrete 强度 等级 水 / (kg·m - 3 ) 水泥 / (kg·m - 3 ) 砂 / (kg·m - 3 ) 石子 / (kg·m - 3 ) Ec /MPa C10 205 180 823 1 137 16 400 C20 185 264 735 1 150 30 100 C45Ⅰ 185 474 597 1 109 33 200 C45Ⅱ 185 474 597 1 109 34 500 　表 2 碳纤维布力学参数 　Table 2 Properties of carbon f iber com posite sheets 碳纤维 布种类 抗拉强 度 /MPa 弹性模 量 /GPa 断裂延伸 率 /% 名义厚 度 /mm A 5 095. 05 344. 50 1. 46 0. 111 B 6 399. 77 356. 75 1. 76 0. 111 C 2 323. 57 240. 72 1. 06 0. 111 　表 3 试件几何特性 　Table 3 Spec im en d im en sion s 试件编号 粘结长度 L /mm 粘结宽度 b /mm 粘结宽度 比 b /150 第 Ⅰ 批 Ⅰ2C10A1 120 100 2 /3 Ⅰ2C10A2 120 100 2 /3 Ⅰ2C10A3 120 100 2 /3 Ⅰ2C20A1 120 100 2 /3 Ⅰ2C20A2 120 100 2 /3 Ⅰ2C20A3 120 100 2 /3 Ⅰ2C45A1 120 100 2 /3 Ⅰ2C45A2 120 100 2 /3 Ⅰ2C45A3 120 100 2 /3 第 Ⅱ 批 Ⅱ2C45B1 90 50 1 /3 Ⅱ2C45B2 100 50 1 /3 Ⅱ2C45B3 90 75 1 /2 Ⅱ2C45C1 60 50 1 /3 Ⅱ2C45C2 90 50 1 /3 Ⅱ2C45C3 50 75 1 /2 2. 2　加载装置 全部试验的加载均是在长春试验机研究所研 制的 CSS255050电子万能试验机上完成的 ,配以 作者设计制作的专用夹具 ,可解决单剪试验难以 对中、破坏过程难以捕捉等难题。试验时 ,混凝土 试块放置于上夹具中 ,碳纤维布绕过半圆形加载 钢块与下部夹头相连 ;加载时 ,移动横梁向下移 动 ,从而通过下部夹头将力传给碳纤维布。试验 采用位移控制连续加载 ,加载控制速度为 0. 5 mm /m in。试验加载装置如图 2,专用夹具如图 3。 2. 3　量测系统 量测系统仪表布置如图 3所示。碳纤维布应 变由电阻应变片测量 ,应变片按 15 mm等间距居 中布置于测试面 ;碳纤维布与混凝土在加载端与自 由端的相对滑移分别由对应布置的引伸计测量 ;碳 纤维布上的拉力由设置在上夹头持荷柄处的力传 感器测量。所有数据均由数据采集仪自动采集。 图 2　加载装置图 Fig. 2　Test setup ·111··试验研究 · 结构工程师第 24卷第 4期　 图 3　量测系统仪表布置 Fig. 3　Lay out of the sensors and strain gallges 3　破坏过程和破坏形态 所有试件的极限荷载、破坏形态见表 4。由 于施工中不可避免地存在各种缺陷 ,导致试件最 终出现了诸如锚固面破坏等非理想破坏模式。 　表 4 试验结果汇总 　Table 4 Test results 试件编号 Pu / kN fcu /MPa τmax /MPa s0 /mm 破坏模式 Ⅰ2C10A1 12. 540 7. 330 3. 940 0. 072 CR Ⅰ2C10A2 11. 460 6. 924 3. 856 0. 040 UR Ⅰ2C10A3 12. 750 7. 977 6. 200 0. 050 CR Ⅰ2C20A1 16. 940 25. 230 6. 317 0. 067 FR Ⅰ2C20A2 19. 160 29. 408 6. 271 0. 055 BR Ⅰ2C20A3 17. 335 31. 854 7. 396 0. 047 BR Ⅰ2C45A1 12. 740 49. 710 9. 083 0. 067 BR Ⅰ2C45A2 15. 000 67. 964 8. 170 0. 036 BR Ⅰ2C45A3 20. 810 73. 502 9. 443 0. 054 FR Ⅱ2C45B1 8. 405 44. 750 10. 314 0. 042 BR Ⅱ2C45B2 8. 305 44. 750 7. 302 0. 058 BR Ⅱ2C45B3 12. 650 44. 750 8. 635 0. 039 UR Ⅱ2C45C1 7. 130 44. 750 7. 893 0. 064 UR Ⅱ2C45C2 7. 785 44. 750 9. 932 0. 069 BR Ⅱ2C45C3 10. 630 44. 750 9. 840 0. 073 UR 　　注 :破坏模式说明 , BR - 测试面粘结破坏 , CR - 混凝土强度 破坏 , FR - 纤维布破坏 , UR - 锚固面破坏。 　　总体而言 ,所有试件的破坏过程是相近的 ,现 以 Ⅰ2C20A2试件为例说明。当荷载水平较低时 , 碳纤维布的应变值较小 ,如图 4所示 ;偶尔会有轻 微的“噼啪”断裂声 ,经分析多为加载端附近局部 粘结胶开裂所引起的 ;随着荷载的增加 ,靠近加载 端的碳纤维布应变显著增长 ;荷载继续增加 ,在有 效粘结长度范围内 ,应变分布逐渐趋于饱满 ,靠近 加载端附近应变梯度开始逐步减小 ,预示着此区 域粘结应力正逐渐降低 ;剥离破坏发生前没有明 显预兆 ,当荷载加至极限荷载时 ,伴随着一声巨响 碳纤维布粘带着约 1～2 mm厚的混凝土薄层从 试件上剥离 ,如图 5所示。剥离区附近未观察到 明显裂缝。 图 4　Ⅰ2C20A2应变发展 Fig. 4　Strain p ropagation in specimen Ⅰ2C20A2 图 5　Ⅰ2C20A2粘结破坏形态 Fig. 5　Failure mode of Ⅰ2C20A2 4　局部粘结强度及粘结 -滑移本构关系 为获得局部粘结强度及粘结 - 滑移本构关 系 ,将测试面 (粘结面 )按应变片间距分为若干个 微段 ,如图 6 ( a)所示 ;任一微段的应力分布情况 如图 6 ( b)所示。利用试验测得的纤维布应变 ,由 物理关系可得到纤维布的正应力。若假设微段宽 度方向受力均匀 ,则由微段的受力平衡可得 : 图 6　粘结 -滑移计算模型 Fig. 6　Caculation model for bond2slip relationship τiΔL bf +σi tf bf =σi+1 tf bf (1) τiΔL = (σi+1 - σi ) tf (2) ·211·Structural Engineers Vol. 24, No. 4 Experiment Study　 τi = σi+1 - σi ΔL tf = Ef εi+1 - εi ΔL tf (3) 式中 ,ΔL 为应变片间距 ;τi 为 ΔL 微段上平均粘 结剪应力 ; tf 为碳纤维布厚度 ; bf 为碳纤维布宽 度 ; Ef 为碳纤维布弹性模量 ;εi ,εi + 1分别为 i, i + 1 位置处碳纤维布应变。 任意位置 i处碳纤维布与混凝土的相对滑移 si 是由纤维布与混凝土变形不协调所引起的 ,由 于试验的极限荷载均在 20 kN左右 ,故可忽略混 凝土的变形 ;通过纤维布应变从自由端向 i点做 积分 ,考虑自由端发生的相对滑移 ,同时假设相邻 两应变片之间应变成线性变化 ,则 i点处的相对 滑移 si 可由式 (4)求得 : si = s2 + ∫εdx = s2 +ΔL2 ε0 + 6i - 1j =1εj +εi (4) 式中 ,ε0 为自由端碳纤维布的应变 ; s2 为自由端 相对滑移 ;其余符号意义同前。 利用上述分析 ,理论上可得到测试面上任意 一点的粘结 -滑移曲线。不过由于本试验中部分 试块测试面未发生最终的粘结破坏 ,因而远离加 载端的粘结区域在破坏时大多尚处于弹性受力阶 段 ,粘结 -滑移曲线也均处于上升段 ;而加载端由 于传力充分 ,基本都能出现局部剥离。因此 ,统一 起见 ,所有试件均取加载端粘结 -滑移曲线 ,汇总 如图 7所示。 图 7　试验粘结 -滑移曲线 Fig. 7　Testing bond2slip curves 　　Nakaba等 [ 2 ]进行了 30个面内剪切试验研 究 ,并测量了纤维布的应变分布情况 ,进而由应变 分布给出了界面的粘结 - 滑移本构模型 ,见式 (5)。由于该模型是基于实测纤维布应变 ,因而 从形状上来说 ,该本构模型是最接近实际情况的。 不过该模型认为局部粘结强度τmax仅与混凝土强 度有关且达到局部粘结强度时的相对滑移 s0 为 定值 ,跟本试验及大多数相关研究不符 [ 3, 4 ]。 τ =τmax s s0 3 2 + ( s / s0 ) 3 (5) τmax = 3. 5f′c 0. 19 (6) s0 = 0. 065 (7) 　　表 3列出了本试验所有试件局部粘结强度及 相应的相对滑移。根据这些数据 ,同时考虑宽度 比的影响 ,引入宽度影响系数βp ,另考虑到粘结 -滑移曲线下降段刚度随混凝土强度不同而不 同 ,引入强度修正系数 n,对式 ( 5) —式 ( 7)进行 修正 [ 5 ]。由表 3中的数据回归得到加载端局部粘 结 -滑移计算公式为 τ =τmax s s0 n n - 1 + ( s / s0 ) n (8) τmax = 2. 12βp f 0. 33cu (9) s0 = 0. 026βp f 0. 22cu (10) βp = ( bp / bc ) - 0. 2 (11) n = 0. 613 ln ( fcu ) + 0. 364 (12) 式中 , fcu为混凝土的立方体抗压强度。 τmax , s0 试验值与计算值比较如表 5及图 8所 示。由表 5及图 8可以看出 ,计算值与试验值吻 合较好。典型试件的试验曲线与理论曲线对比如 图 9所示。由图 9可知 ,理论曲线能较好地描述 ·311··试验研究 · 结构工程师第 24卷第 4期　 碳纤维布与混凝土间的粘结 -滑移本构关系。 图 8　τmax , s0 试验值与计算值比较 Fig. 8　Comparison ofτmax , s0 between testing value and calculation value 图 9　试验曲线与理论曲线对比 Fig. 9　Comparison between testing curve and theoretical curve 　表 5 试验值与计算值对比 　Table 5 Com par ison between testing va lue & ca lcula tion va lue 试件编号 试验值 计算值 τmax /MPa s0 /mm τmax /MPa s0 /mm Ⅰ2C10A1 3. 940 0. 072 4. 435 0. 043 Ⅰ2C10A2 3. 856 0. 040 4. 352 0. 042 Ⅰ2C10A3 6. 200 0. 050 4. 560 0. 044 Ⅰ2C20A1 6. 317 0. 067 6. 668 0. 056 Ⅰ2C20A2 6. 271 0. 055 7. 014 0. 058 Ⅰ2C20A3 7. 396 0. 047 7. 202 0. 059 Ⅰ2C45A1 9. 083 0. 067 8. 341 0. 065 Ⅰ2C45A2 8. 170 0. 036 9. 248 0. 070 Ⅰ2C45A3 9. 443 0. 054 9. 490 0. 071 Ⅱ2C45B1 10. 314 0. 042 9. 254 0. 073 Ⅱ2C45B2 7. 302 0. 058 9. 254 0. 073 Ⅱ2C45B3 8. 635 0. 039 8. 534 0. 068 Ⅱ2C45C1 7. 893 0. 064 9. 254 0. 073 Ⅱ2C45C2 9. 932 0. 069 9. 254 0. 073 Ⅱ2C45C3 9. 840 0. 073 8. 534 0. 068 5　结 　语 (1) 碳纤维布与混凝土间局部粘结强度随混 凝土强度的增长而提高 ,且随碳纤维布与混凝土 宽度比的不同而变化。 (2) 碳纤维布与混凝土间达到最大粘结力时的 相对滑移并非定值 ,其随混凝土强度的提高而增大。 (3) 碳纤维布与混凝土间局部粘结 -滑移本 构关系下降段刚度随混凝土强度不同而变化 ,强 度等级越低 ,刚度变化梯度越小。 (4) 本文提出的碳纤维布与混凝土间的局部 粘结强度的计算方法以及粘结 -滑移本构模型具 有较好的精度。 参考文献 [ 1 ]　滕锦光 ,陈建飞 , S. 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