寒冷環境循環荷載對CFRP-混凝土界面極限荷載的影響

李國民

摘 要：首先通過24塊事先已經經過凍融循環的混凝土試件，外加循環荷載條件，考察循環荷載和凍融循環次數兩個參數對CFRP-混凝土界面的極限荷載的影響。結果表明：復合荷載作用下，界面極限荷載下降很快，總體呈現線性下降趨勢，界面極限荷載減少為原來的1/8，界面承載能力大為削弱。影響界面極限荷載中的因素中，循環荷載其主要作用。

關鍵詞：凍融循環;循環荷載;混凝土;CFRP;界面

上世紀90年代，FRP加固技術在我國開始逐漸新興起來，由于其獨特的優勢，迅速在土木工程、鋼鐵制造業、航空航天等領域廣泛應用。我國東北地區冬季氣溫較為寒冷，據遼寧省交通規劃設計院氣候調研報告（2010年）對2000-2010十年內的溫度調研總結，遼寧省14個地級市，在冬季極寒條件下，最低氣溫均突破-20℃，遼寧屬于重工業區域，工業化程度較高，交通負載較大，很多在役橋梁目前已經出現破損，亟待修補，CFRP在這個時候體現出了巨大優勢。

基于以上工況，橋梁底板承受的來自環境的凍融循環損傷和車輛荷載的循環碾壓損傷，因此是符合荷載受力情況，關于上述的工況分析，很多學者已經做了大量的研究，例如Bisby and Green[1]通過開展3種類型的FRP片材在凍融循環下加固性能，發現直到300次凍融循環，FRP-混凝土構件并無明顯力學性能變化;Ahmad[2]卻得到了與Bisby相反的結果，發現凍融循環對FRP-混凝土梁影響很大，尤其是在凍融循環后期，劣化更為明顯;李杉[3]研通過開展一系列凍融循環試驗，發現隨著凍融齡期的增長，FRP-混凝土的破壞面，從單純的混凝土表層剝離轉向混凝土-膠層界面處剝離破壞，這一研究結果將各國學者的研究重點增加了一個環節，那就是膠體性能的研發和耐久性研究，具有重要意義。同時他發現動力循環下凍融循環的客觀性，明確FRP-混凝土界面是破壞的重點位置，應該加強對此界面的關注。目前，這方面的研究已經引起一些學者的關注。[4-6]

綜上可見，亟需對復合荷載下CFRP-混凝土界面（以下簡稱為界面）的粘結行為進行深入、系統的研究，本文從凍融循環下的損傷梁開始著手，對梁體進行循環加載，考察凍融循環次數，是否加載循環荷載兩參數對界面的極限荷載的影響，以期對橋梁加固工程設計提供一些實驗依據。

1 試驗方案

1.1 試件制作

基于表1配比制成C30混凝土試件，試件尺寸10×10×22cm3，24塊試件分成4組，每組試件6塊，3塊用于加循環荷載，3塊用于不加循環荷載。試件工況見表2。材料的物理性能參數如表3所示。

1.2 試驗過程

采用 KDR-V9 型混凝土快速凍融試驗機，凍融循環方案參考GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中快凍法的相關規定，每個凍融循環周期約為3h，試件中心最低和最高溫度分別控制在（-18±2）℃和（5±2）℃，凍融循環次數為0次（作為對比試件）、50次、100次和300次;通過MTS疲勞試驗機對單剪試件施加動力循環荷載，進行疲勞試驗。以相同尺寸試件靜載極限承載力的80%為循環荷載上限值，30%為荷載下限，采用力控制的方法，按正弦波對試件施加循環荷載，基本循環次數定為4萬次，而后取下試件做單剪試驗。

單剪采用20t電液伺服材料試驗機上進行加載。剪試驗加載速率為位移控制，速度為為5mm/min，單剪實驗過程中，采用IMC動態采集系統與應變片相連，實時觀測應變隨著加載力的變化情況，同時在CFRP撕裂過程中采集到極限荷載，極限位移、最終位移，同時觀察試件破壞形態。

2 試驗結果

試件加載后，當加載力到達極限荷載的70%左右，界面處傳來“噼噼啪啪”的響聲，到了極限荷載，“砰”的一聲纖維布從混凝土表面剝離出來。從破壞形態來看纖維布會從試件表面剝離下來，并帶有一定厚度的混凝土，加了循環作用的時間，剝離下的混凝土越多，這是由于本來已經表層經過凍融循環的混凝土試件，再次經過循環荷載，這一過程加速了混凝土表層的劣化，形成較多裂縫，在后期單剪試驗中，切向粘結應力使得混凝土保持不住本體，從表層脫落下來;從破壞時間來看，經過多次凍融且循環荷載后的試件，承載能力較弱，往往不到2kN作用，CFRP布便從表面剝離下來，界面承載能力大為削弱，以對比件來說，照比300次凍融循環下的循環荷載件，界面極限荷載強化近8倍。

3 結論

（1）復合荷載作用下，界面粘結能力大為下降，總體呈現線性下降趨勢。

（2）復合荷載作用下，影響界面極限荷載中的因素中，循環荷載其主要作用。

（3）復合荷載作用下，以300次凍融循環下的循環荷載件來說，界面極限荷載減少為原來的1/8，界面承載能力大為削弱。

參考文獻：

[1]Bisby L A，Green M F.Resistance to Freezing and Thawing of Fiber-ReinforcedPolymer-Concrete Bond[J].ACI Structural Journal.2002，99（2）：215-223.

[2]Ahmad M A.Debonding of FRP from concrete in strengthening applications Experimentalinvestigation and theoretical validation[D].New York：City University of New York，2005.

[3]李杉.環境與荷載共同作用下FRP加固混凝土耐久性[D].大連理工大學，2009.

[4]INOUE SHOICHI，NISHIBAYASHI SHINZO，YOSHINOAKIRA，et al. Strength and deformation characteristics of reinforced concrete beam strengthened with carbon fiber reinforced plastics plate under static and fatigue loading[J].Zairyo Journal of the Society of Materials Science，1994，43（491）：1004-1009.

[5]TOUTANJI H，DENG Y，JIA M. Fatigue performance of RC beams strengthened with CF sheets bonded byinorganic matrix[C].FRPRCS-6. Singapore，2003：2837-2851.

[6]SHAHAWY MOHSEN，BEITELMAN THOMAS E.Static and fatigue performance of RC beams strengthened with CFRP laminates[J].Journal of Structural Engineering，1999，125（6）：613-621.