凍融循環作用下CFRP-C60高強混凝土的劣化特征點

洪雷，張雨劍，王蘇巖

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

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凍融循環作用下CFRP-C60高強混凝土的劣化特征點

洪雷，張雨劍，王蘇巖

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

摘要:采用P值檢驗法和最大曲率法對碳纖維增強復合材料(CFRP)片材-C60高強混凝土黏結界面的凍融損傷進行定量化評估，分析CFRP-C60高強混凝土凍融損傷的劣化特征點及其相關規律。結果表明：初劣點、陡劣點及最大曲率等指標可以準確地反映CFRP-C60高強混凝土凍融劣化過程的特征，CFRP-C60高強混凝土的各項剪切試驗參數在凍融循環次數N=113左右時開始初步劣化，在N=152左右時開始顯著劣化，并且黏結本構參數Sspan和Gspan的劣化要早于承載力參數F0和F1；凍融循環對CRFP-C60高強混凝土界面最大剪應力所對應的應變無明顯影響。

關鍵詞：凍融循環；CFRP；高強混凝土；劣化特征點

在寒冷地區，凍融循環是對FRP-混凝土結構耐久性的最主要的環境影響之一[1]，凍融循環對FRP-混凝土的粘結強度等性能會造成不同程度的損傷[2-3]。目前，國內外對于FRP加固高強混凝土的耐久性研究還不是很充分，尤其缺乏對于高凍融次數下FRP-高強混凝土的粘結性能劣化規律的了解。通過借鑒已有的研究成果[4]以及混凝土耐久性的劣化特征[5-6]，FRP與高強混凝土之間的粘結性能在凍融循環條件下的劣化過程可分為3個階段：劣化初始階段、劣化發展階段和劣化加速階段，此過程中的兩個特征點為劣化初步開始的點即初劣點，以及劣化速度顯著加快的點即陡劣點，如圖1所示。

本文運用P值檢驗法[7]和最大曲率法，確定該劣化過程的特征點。通過雙面剪切試驗得到的試驗結果，對CFRP加固C60高強混凝土的各個試驗參數的劣化特征點分布進行了分析，提出了用初劣點、陡劣點和最大曲率3項指標對加固效果進行耐久性評定的方法。

圖1　FRP-混凝土一般劣化過程Fig.1 General deterioration process of FRP-concrete

圖2　CFRP-混凝土雙面剪切試件Fig.2 CFRP-to-concrete double shear specimen

1原材料與試驗方案

1.1試件設計

將一條50 mm寬的CFRP布黏貼在棱柱體混凝土試塊相對的兩側表面(如圖2所示)，并預先選擇其中一個面作為測試面。為了防止非測試面在剪切試驗中先于測試面破壞，在非測試面上加長CFRP的黏結長度并進行了額外加固。測試面的黏結長度為L1=100 mm，加載端邊界上方預留L2=30 mm的非黏結區，沿纖維方向布置應變片。混凝土試塊設計強度等級為C60，尺寸為100 mm×100 mm×150 mm，其配合比見表1。CFRP的主要性能指標見表2。

表1　C60混凝土配合比

表2　CFRP布性能指標

1.2試驗方案與結果

本文參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[8]中抗凍性能試驗的快凍法進行凍融循環試驗，每次凍融循環的周期是3h，控制試件中心溫度變化范圍為(-17±2) ℃至(8±2)℃，循環次數為0次至250次，以25次為間隔。每個試驗組6個試件，試驗結果取平均值。采用自行設計的加載裝置[9]，對經歷凍融后的試件進行雙面剪切試驗，如圖3所示。試驗采用1 000 kN電液伺服試驗機進行加載，加載速率約為0.005 mm/s; 采用德國制造IMC動態數據采集器采集數據; 采用5 kN荷載傳感器測量荷載; 采用弓形應變計測量端部滑移; 采用應變片測量CFRP的應變分布。分別統計每組破壞試驗的初始剝離荷載F0(荷載由線性增長轉變為非線性增長的臨界值)，破壞荷載F1(荷載的最大值)，如圖4所示；并且計算靠近加載端的兩個應變片之間的CFRP-C60高強混凝土界面的局部剪應力峰值τmax，τmax所對應的應變sm，剪應力減小為0時對應的應變sf和界面破壞能Gf。試驗結果見表3。

圖3　加載裝置示意圖Fig.3 Loading device

圖4　荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve

凍融次數F0/kNF1/kNτmax/MPasm/μmsf/μmGf/(N·mm-1)026.5333.6511.6246.0123.00.682526.5533.5211.3345.2121.40.665026.3833.4211.3743.4122.40.667526.4233.5511.2345.1121.90.6510025.9533.5311.0746.9120.80.6312525.7332.9310.7143.6113.00.5715025.0232.0510.2741.6101.90.4917523.7230.869.4941.685.30.3820023.0529.348.3543.883.10.3322521.6826.987.3343.477.60.2725019.5424.966.1241.677.60.25

2模型選用

通過對表3和文獻4的試驗結果分析，發現CFRP-C60高強混凝土在凍融循環作用下，其剪切試驗各參數值呈劣化(下降)趨勢，但在較低的凍融次數(100次以下)劣化不明顯，隨著凍融循環次數增加，其劣化速度開始加快。所以用統計學的方法——P值檢驗法來確定劣化初步開始的點，用最大曲率法來確定劣化速度顯著加快的點。

2.1用P值檢驗法確定初劣點

當剪切試驗參數相對值D(當前試驗點值/試驗點最大值)≥1時，可以認為CFRP與混凝土的粘結是可靠的，沒有發生劣化；當D≤1時，認為粘結發生了劣化。因此可以通過D對1的偏離量來衡量其劣化程度。考慮各種誤差帶來的影響，本文利用統計學中的P值檢驗方法來確定其初劣點，并采用F檢驗來衡量D對1的偏離程度。這樣就可以從統計是否顯著的角度來確定CFRP加固C60高強混凝土的凍融循環初劣點。具體步驟如下：

首先確立原假設H0：D=100%；對立假設H1：D≠100%。

通過剪切試驗結果發現，其試驗點各項參數的變異系數(標準差/均值)并不大，為4%～9%。因此，可以取所有試驗點的樣本標準差的平均值作為總體的標準差值，計算公式如式(1)所示：

(1)

如此，可以對試驗中的每一個數據點均進行總體方差已知的均值假設檢驗，其檢驗的F統計量表達式如式(2)所示：

(2)

通過F分布計算可以得到每個試驗點的P值，即原假設(D=100%)正確而錯誤地拋棄原假設的概率。當P值小于公認的顯著性水平α(取5%)時，可以認為原假設不成立。通過插值得出P=0.05所對應的凍融循環次數Ni即為所求的初劣點值。

2.2用擬合曲率法確定陡劣點

首先，選取一種方程表達式對試驗數據點進行高精度的擬合，使該擬合曲線可以很好的代表試驗結果。經過多個方程的嘗試和比較，最終選取式(3)進行擬合。

(3)

式中：D和x分別為試驗參數值和凍融循環次數；y0，A1和t為待確定的擬合曲線參數。

然后根據擬合曲線的方程，得到該曲線曲率變化并求得其極值，并認為曲率的極值點所對應的凍融次數Ns便是凍融循環陡劣點。即當凍融達到陡劣點時，剪切試驗參數變化發生最大彎轉，說明加固的劣化過程已經顯著加劇。即使陡劣點之后界面還能承受一定次數的凍融，但是無論從理論研究還是實際應用的角度來看，陡劣點無疑都是很重要的一個點。

3結果與分析

3.1初劣點

為了方便統一比較和討論剪切試驗各項參數值的劣化規律，對τmax，sm，sf和Gf等黏結參數進行了無量綱化(無量綱化標準：各參數的最大值量化為10)。圖5顯示了CFRP-C60高強混凝土剪切試驗的承載力參數(破壞荷載F1與初始剝離荷載F0)隨凍融次數變化的擬合全曲線5(a)以及無量綱化后的界面黏結本構參數(τmax，sm，sf和Gf)隨凍融次數變化的擬合全曲線5(b)。

(a)F0，F1的擬合曲線;(b)τmax，sm，sf和Gf的擬合曲線圖5　剪切試驗各項參數值及其擬合曲線Fig.5 Parameters of shearing test and fitted curves

通過表3及圖5發現，與文獻[10]和[11]中CFRP加固普通混凝土在50次凍融循環條件下黏結性能降低30%以上的結果不同，CFRP加固C60高強混凝土在經歷100次的凍融循環后，破壞荷載只降低約5%；對于黏結本構參數τmax，sf和Gf，亦在凍融循環100次后才出現明顯降低。這是由于加載過程中的破壞集中在混凝土基層與樹脂膠作用面，而高強混凝土相比較于普通混凝土有更高的抗凍性能。參數sf和Gf在凍融175次之后幾乎達到最低，之后下降速度減慢，所以只對175次之前的數據進行擬合。sm在整個凍融循環過程中變化不大，僅小幅度降低。同時也注意到，破壞荷載F1與初始剝離荷載F0之差隨著N增大而不斷減小，說明凍融循環使CFRP-C60高強混凝土界面軟化(荷載值開始非線性增長)后承載力增長幅度有所減小。

根據式(1)計算可以近似得到每條曲線的總體標準差值，根據式(2)對曲線上指定點進行均值假設檢驗，即假設各參數在某凍融次數下沒有發生劣化，得到接受該假設的概率P值，并做出其樣條曲線，結果如圖6所示。從圖6可以看出，P值的樣條曲線均服從負指數的遞減規律，P值的下降經歷了一個從劇烈變為緩和的過程。當P小于等于0.05時，認為上述假設不成立，即試驗參數在凍融循環下已經發生了劣化。P值為0.05所對應的凍融次數Ni即為初劣點，其結果如表4所示。

(a)F0和F1的P值曲線；(b)τmax，sf和Gf的P值曲線圖6　剪切試驗各項參數值的P值曲線Fig.6 P-value curves of shearing test parameters

從表4可以看出CFRP-C60高強混凝土剪切試驗各參數的初劣點不盡相同，即從統計學的角度來看，每個參數開始進入劣化階段所對應的凍融次數有所差別。相比較來說，界面破壞能Gf受凍融循環次數的影響最顯著，在N=91時就已經開始劣化；破壞荷載F1在N=133時才開始劣化。這表明不同的試驗參數的劣化趨勢雖然是一致的，但是它們對于凍融的敏感程度有所差別。

表4剪切試驗各參數的初劣點

Table 4 Initial deterioration points of shearing test parameters

試驗參數F0F1τmaxsfGfNi12313310311691

3.2陡劣點

選用式(3)對試驗數據點進行擬合，用Gauss-Newton法對擬合方程的曲率方程進行極值計算，極值點所對應的凍融次數Ns即為所求的陡劣點。陡劣值、最大曲率值以及擬合結果見表5，相應的曲率變化如圖7所示。

表5　陡劣點及擬合曲線參數

(a)F0和F1的曲率曲線；(b)τmax，sf和Gf的曲率曲線圖7　剪切試驗各項參數值的擬合曲率曲線Fig.7 Curvature of fitted curves of shearing test parameters

從表5及圖7可以看出，CFRP-C60高強混凝土各項試驗參數的陡劣點值在123～185之間。黏結本構參數sf和Gf的劣化同樣要早于承載力參數F0和F1，這可能是與由于黏結本構參數的劣化要累積到一定程度才能表現在承載力上。τmax的陡劣值與F0和F1的陡劣值較為接近。最大曲率值代表劣化過程轉變的劇烈程度，τmax的劣化過程在陡劣點附近的劇烈程度較sf以及Gf要更加顯著；F0的劣化過程的最大曲率值略高于F1。總體來看，如圖8所示，各剪切試驗參數初劣點均值Ni=113，陡劣點均值Ns=152，除參數sf外，陡劣點值明顯高于初劣點值，并且初劣點值越大，陡劣點值也越大。當F0和F1開始初步劣化時，Gf和sf已經進入加速劣化階段。無論從劣化的相對值還是從劣化特征點的分布來看，粘結本構參數Gf和sf的劣化都要早于承載力參數F0和F1的劣化；由于Gf和sf等參數會影響到界面的延性，所以在CFRP加固高強混凝土的耐久性評價中，這一點要引起注意。

圖8　初劣點與陡劣點對比Fig.8 Difference between initial points and significant points of deterioration

4結論

1)CFRP-C60高強混凝土的粘結性能在凍融循環次數N大于100次后才發生劣化，隨著凍融循環次數的增加，破壞荷載與初始剝離荷載之差隨著N增大而不斷減小，說明凍融循環使界面軟化后承載力增長的幅度有所減小；

2)CFRP-C60高強混凝土的各項剪切試驗參數在Ni=113左右時經歷初劣點，在Ns=152左右時經歷陡劣點，并且sf和Gf的劣化要早于F0和F1；

3)凍融循環次數對界面局部剪應力峰值τmax所對應的應變sm影響不大，而對剪應力減小為0時的應變sf影響較大。

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(編輯蔣學東)

Deterioration characteristic points of CFRP -C60 high strength concrete subjected to freeze-thaw cycles

HONG Lei， ZHANG Yujian， WANG Suyan

(The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering， Dalian University of Technology，Dalian 116024， China)

Abstract:P-value test method and curvature-fitting method were used to assess the damage of carbon fiber reinforced polymer(CFRP) sheet-C60 high strength concrete subjected to freeze-thaw cycles quantitatively. Deterioration characteristic points of the damage caused by freeze-thaw cycles (N) and related regular pattern were analyzed. Analytical results show that initial deterioration point, significant deterioration point and maximum curvature can accurately reflect the deterioration of CFRP-C60 high strength concrete under freeze-thaw conditions. The shearing test parameters of CFRP-C60 high strength concrete begin to deteriorate when N=113 and deteriorate significantly after N reaches 152. The deterioration of bonding parameters(Sspan, Gspan) happens earlier than the deterioration of bearing capacity parameters (F0, F1). Freeze-thaw cycles have no significant effect on the slip corresponding to the maximum interfacial shear stress.

Key words:freeze-thaw; CFRP; high strength concrete; characteristic points of deterioration

中圖分類號：TU528.01

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0263-06

通訊作者：洪雷(1964-)，男，黑龍江牡丹江人，副教授，博士，從事混凝土結構耐久性研究；E-mail:honglei_a@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378089)；海岸和近海工程國家重點實驗室基金資助項目(SI14-3-2)

收稿日期：2015-05-25