BFRP加固混凝土界面粘結疲勞試驗結果及分析

姜 浩，宋 航

(吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118)

0 前 言

近年來，FRP加固方法不斷涌現，具有強度高、施工速度快、耐腐蝕性強、對環境適應性強等優點[1-2]。這種加固方法可分為濕加固和干加固兩種，都為附著粘結在結構和構件表面[3]。因此，有必要對混凝土與結構的界面性能進行研究。BFRP作為一種新型的增強材料，是一種純天然的無機無公害材料，具有良好的力學性能和環境適應性。它的主要優點是：當地原料易得，價格低廉，對環境無污染[4]。就力學性能，它不如碳纖維(CFRP)，強度為CFRP的2/3左右，但實際價格卻在1/6～1/4左右[5-6]。因此，研究BFRP混凝土結構的界面粘結靜力性能和疲勞性能可以很大程度上控制成本預算，降低工程造價。BFRP雖強度較高，但延性比較差和脆性是其有待解決的缺點，同時破壞具有一定的不確定性和突發性。另外，粘結界面的剝離破壞也會降低其承載力及重新分配界面剪應力[7-9]。因此，為了BFRP加固材料的經濟和安全起見，有必要對界面連接的疲勞性能進行研究。

1 試驗內容

1.1 試驗材料與制作

試驗所需雙剪試件主要由三部分組成：BFRP板、環氧樹脂粘結劑、混凝土試塊。

1)BFRP板。本次試驗采用的是海寧安捷復合材料公司生產的厚度為1.4 mm的BFRP板。厚度1.4 mm，彈性模量50 GPa，抗拉強度為1 000 MPa，伸長率為2%。

2)環氧樹脂粘結劑。BFRP板與混凝土界面的粘結劑采用的是雙組分混合而成的環氧樹脂粘結劑sikadur-30。彈性模量為2 630 MPa，抗拉強度為32.6 MPa，重量配比1∶3。

3)混凝土試塊。采用C30、C40兩種強度等級的試塊進行對比，水泥為P.O 42.5，試塊尺寸為150 mm×150 mm×200 mm。

1.2 試驗方案

本次試驗采用雙剪試驗加載方式，共有10組試驗，其中5組為靜載試驗，另外5組為疲勞試驗，每組試驗有3個試件，共設有3個變量：①混凝土強度等級(C30、C40)、②粘結長度(60 mm、80 mm)，③膠層厚度(1 mm、2 mm、3 mm)。先通過靜載試驗得試件破壞的極限荷載，再以極限荷載的75%作為疲勞荷載上限，5 kN作為疲勞下限進行疲勞試驗。本次試驗主要研究不同混凝土強度等級、粘結長度以及膠層厚度對BFRP-混凝土界面粘結疲勞性能的影響。

1.3 加載方案

靜載荷試驗儀采用電液伺服試驗機，由電子計算機控制系統來操作其加載過程。主要支持位移和力的控制，最大支持荷載為5 000 kN。疲勞試驗儀器采用PA-500 型疲勞試驗機。靜載試驗前，每3 kN預加載兩次，使夾具固定，減小偏心所帶來的誤差。確定儀器正常夾具擰緊后，每級加載3 kN。為了精確控制力值的施加，采用0.2 kN/s的力控制加載速率。當達到相應的力值時，持續2～3 min。穩定讀數后，讀取并記錄相應的應變值。疲勞荷載預壓過程與靜載預壓過程相似。預壓后施加正弦載荷的疲勞載荷。在施加正弦波之前，需要將負載逐步加到正弦波負載的平均值上，同時設定負載頻率和振幅。疲勞下限值為5 kN。為了對比不同膠層厚度產生的影響，疲勞上限值取對應于2 mm膠層厚度試件靜載極限承載能力的75%，其余為靜載極限承載能力的75%進行比較。當循環次數為500、1 000、2 000、4 000、6 000、10 000、15 000次時，停止機器，然后將其加到疲勞載荷上限，記錄疲勞次數相應的應變峰值。

2 疲勞試驗結果與分析

2.1 疲勞試驗結果

根據疲勞試驗數據結果，如表1所示。隨著疲勞載荷上限值的增大，疲勞循環次數卻與之成反比，且下限固定為5 kN,疲勞上限值越大，疲勞的振幅越大。雖然粘結長度增加20 mm，但振幅仍是試件粘結界面破壞的主要控制因素。為了比較1、2、3 mm膠層厚度的影響，采用相同的上限17.4 kN和下限5 kN，得出界面膠層具有一定的抗疲勞延遲破壞能力，隨著界面膠體厚度的增加，變形能力也越強，疲勞荷載作用下變形阻力越大。在靜載試驗部分，得出界面膠體越厚，極限承載力越高，混凝土試塊破壞深度越深的結論。其原因與靜載試驗部相似，粘結層厚度的增加會使混凝土表面的破壞更加深入。失效部位可見膠體透過混凝土表皮深入內部的浸潤痕跡。當試件即將達到疲勞極限次數時，會產生細小“咔嚓”聲，隨著聲音逐漸增大，試件最終破壞，但比靜載損傷小得多，疲勞失效屬于脆性失效。在疲勞荷載作用下，由于混凝土表面相比于膠層的粘結界面比較脆弱，混凝土界面首先出現微細裂縫，在疲勞上下限荷載的反復拉伸作用下界面進一步破壞裂縫增大，粘結界面的相對滑移值也擴大，損傷也隨之積累，剩余未損傷部分會因承載能力不足，突然發生脆性破壞。當疲勞荷載的上限數值從17.4 kN增加到23 kN時，振幅變大，界面損傷積累的速度會進一步加快，最終導致界面開裂破壞。

表1 疲勞試驗數據結果

2.2 BFRP板的應變分布規律

在BFRP板表面粘貼應變片，應變片的間距為20 mm，現通過應變采集儀500、1 000、2 000、4 000、6 000、10 000次循環的應變值記錄下來，繪制出在疲勞上限荷載下的各應變測點應變分布規律，具體如圖1所示。

由上述應變分布圖可以看出，A2-1～A4-2的應變曲線具有一定的的規律：應變值從疲勞循環1 000次到2 000次，應變值增加的幅度相對較大但趨勢相對穩定，相對穩定的應變趨勢隨著疲勞循環次數增加到2 000次左右變得緩慢增加，應變曲線從4 000次增大到6 000次，然后應變變化更加緩慢，最終到達極限，界面破壞。

A2-1的應變分布

A2-2的應變分布

A3-2的應變分布

A4-2的應變分布

2.3 結果分析

本次試驗結果發現膠層厚度對疲勞循環次數影響比較小，由于環氧樹脂膠具有一定的彈性，膠層厚度的增加能夠使界面應變增加變緩，從而達到減小損傷的效果，疲勞循環次數也相應增加；疲勞循環次數隨著粘結長度的增加而減小，80 mm粘結長度試件A4-2三個階段應變值變化明顯，但穩定階段持續時間短，早期損傷較嚴重，而60 mm粘結長度試件A2-2早期損傷較輕，大部分處于穩定階段，疲勞循環次數較高。結果表明，隨著粘結長度的增加，若達到有效粘結長度，疲勞壽命反而會出現降低；混凝土強度等級越高，其粘結界面靜極限承載力越高，因為每一次破壞都是由混凝土一側表層剝離引起的，也就是說，混凝土強度是影響界面承載力大小的因素之一，但混凝土本身延性隨著混凝土強度等級的提高是降低的，若疲勞振幅較大，則混凝土強度不能作為控制疲勞效應的決定性因素。通過應變曲線可以看出，C40試樣A5-2在疲勞過程中，應變片各測點的應變值始終處于均勻增漲狀態。三個階段的應變增長沒有明顯的極限，比C30試件A2-2的相對損傷更為嚴重。因此，混凝土強度等級與疲勞壽命成反比，破壞的主要因素在于疲勞幅值的大小。

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