淺析FRP-混凝土界面粘結性能試驗方法

王 飛

（中鐵十六局集團置業投資有限公司，北京 100018）

1 引言

混凝土結構在其服役期間，隨著時間推移和環境影響導致結構的力學性能在一定程度上逐漸降低。同時荷載的激增或偶然荷載的破壞也可能使結構承載能力過早的下降或喪失。與拆除重建相比，采取適當的加固方法來提高既有混凝土結構的力學性能往往更經濟合理，因此也催生了各種加固方法和加固新材料。在各種加固材料中，外貼纖維增強復合材料（FRP）加固具有優于其他加固材料（如鋼鐵等）的優良性能，且施工便捷，從而獲得了工程界的廣泛認可[1～2]。

FRP 材料的性能在很大程度上取決于FRP和混凝土之間的粘結性能，而粘結性能主要取決于結構的加載類型、基底材料、FRP 板特征、粘結類型和厚度、環境條件等。學者們在研究不同加載類型對FRP-混凝土粘結性能的影響過程中采用了各種不同原理的試驗方法。本文針對以上試驗方法進行歸納討論并對其優缺點進行評價，研究成果可為FRP-混凝土界面粘結性能研究提供一定試驗技術支撐[3～8]。

2 FRP-混凝土粘結試驗方法

FRP-混凝土粘結性能試驗研究通過構建粘結滑移曲線表征FRP-混凝土的粘結[9]。根據試驗裝置不同，FRP-混凝土粘結性能試驗可分為圖1所示的5類。

圖1 FRP-混凝土粘結試驗方法分類

2.1 單剪試驗

在單剪試驗中，混凝土塊通過粘貼在其自身(圖1a)一側的FRP 板來承受拉力。貼FRP 板時要求：①粘合FRP 板前處理混凝土表面，用針、磨砂機、噴水、噴砂等方式去除混凝土表層薄弱的砂漿層；②FRP 板粘合部分必須滿足有效長度方能發揮最佳潛力；③為避免混凝土塊楔形破壞，距離試塊端部的一小段FRP 板不粘合。加載時，試樣放入鋼板并用螺栓固定，將FRP 板懸挑部分用荷載加載機的上顎夾緊，加載機通過位移控制荷載施加。

單剪試驗方法是最為常見的方法，又可細分為5 種不同形式的單剪試驗，雖然各種形式單剪試驗略有不同，但在相似條件下，試驗結果之間差異很小(在10%以內)[10]。

2.2 雙剪試驗

雙剪試驗方法是在兩個并排的混凝土試塊(圖1b)兩側均粘貼有FRP 板，并兩端同時施加拉力。為了便于沿混凝土試塊長度方向施加荷載，混凝土試塊兩端各預埋一根鋼筋。該方法被多位學者使用并進行了改進。其中Zheng 等[11]使用特制的鋼模來保持混凝土澆筑時鋼筋的中心性（圖2）。Serbescu 等[12]用兩個木制的矩形件來確定兩根鋼條的空間位置對齊，他們還用特制的鋼制模板來確保膠粘劑的厚度均勻。Yun 等[13]使用了四對耦合器，這些耦合器允許試樣僅通過耦合器垂直移動(圖3)。

圖2 特制鋼模具和夾緊系統

圖3 雙剪切試驗裝置中的耦合器

2.3 彎曲型試驗

彎曲型試驗方法在試驗梁底面粘貼FRP 板，并施加載荷作用使梁產生彎曲變形（圖1c）。在標準梁試驗中，根跨中位置界面受到剪應力和正壓應力的雙重作用，屬于彎曲型受力狀態。張峰在他的研究中使用了三點加載[14]，De Lorenzis，Pellegrino 等在試驗裝置的中段使用金屬鉸鏈來控制彎曲裂紋位置[15～16]（圖4）。

2.4 混合型試驗

圖4 采用金屬鉸鏈進行彎曲型試驗

混合型試驗是粘結界面同時受剪切和剝離影響的試驗方法。這種試驗沒有特定的裝置但都是將FRP 板采用圖1d 所示的加載形式進行加載。其中荷載Pm分解為PI和PII兩個分量，分別對應I 型和II 型的荷載類型。Pan 和Leung 在梁底部采用可移動的金屬夾具替代梁試件的一半，通過調整金屬夾具底部高度來形成理想的垂直高差來實現混合型加載（圖5）。Wu 等在試驗梁跨中底部預制一個缺口，可研究曲率不同的彎曲混凝土表面上的粘結性能[18]。Wan 等基于單剪試驗[19]，采用一個可以旋轉到不同角度的可移動底座組成的試驗裝置，即修正雙曲率梁測試（MDCB），如圖6 所示。

圖5 模擬混合模式加載類型的帶金屬夾具和墊片的混合模式類型試驗裝置

圖6 帶可移動底座的FRP粘結試驗混合模式加載型裝置

2.5 直接拉拔試驗

直接拉拔試驗（圖1e）將一塊鋼板粘貼在已經粘貼于混凝土表面的FRP 板上，然后在粘合的FRP 板四周的混凝土表面刻上凹槽，并施加拉拔力將該鋼板向混凝土外拉拔（圖7）。然而，因為FRP-混凝土粘結實際應用中從未有受到直接的拉拔的情況。因此，為了評估粘結質量，在此測試結果的基礎上，建議進行一些補充試驗，如聲學測試等。

圖7 直接拉拔試驗的示意圖

3 數據記錄方法

正確讀取測試數據對測試FRP-混凝土粘結性能至關重要。之前常用的數據記錄方法是沿著FRP 粘結的長度方向布置應變片或者沿著FRP寬度布置應變片[20]，通過測得的FRP 板的軸向應變總和計算合力的滑移線。該方法由于混凝土表面的裂縫不均勻分布，指導貼在大骨料位置上的應變片都比貼在裂縫位置的應變片的應變要小，即在FRP 長度上的測量值差異很大。另一種試驗記錄數據方法是通過實測載荷-位移曲線間接推導局部粘結滑移曲線（圖8）。也可使用數字圖像相關方法來精確量化FRP 板的應變或位移，即通過對變形試樣數字圖像進行分析：不同載荷階段試樣未變形和變形的圖像進行比較，并進行相關的數學處理，形成一個二維位移場。該技術可以在空間上對試樣位移進行連續測量[21]。為了平衡各種方法的缺陷，大多數研究人員經常將一種或多種方法結合應用。

圖8 數字圖像相關方法的典型試驗設置

4 試驗方法評價

單剪試驗裝置較其他方法簡單，但對附加裝置或夾緊裝置要求較高，以保證拉力的方向。此外，在這種試驗方法中，FRP 的粘結長度對FRP-混凝土界面的失效類型有一定影響。

雙剪試驗裝置最吸引人的特點之一是可以使用標準的萬能試驗機。然而，與單剪試驗相比，雙剪試驗需要相對更精確的試樣，以確保FRP的粘結和荷載是同軸的。此外，在剝離過程中，FRP 板之間的載荷分配不均和不穩定是不可避免的，會導致試樣一側出現額外的剝離應力，并導致其較早的失效，從而導致粘結強度測試值較低。

上述兩種試驗方法都只考慮純剪切效應。而實際工程中如采用FRP 加固梁的抗彎強度，在荷載作用下，梁同時受到了正應力和剪應力的影響，這種情形單剪試驗和雙剪實驗方法均不適合，需采用彎曲試驗和混合試驗方法。對比其他試驗方法，混合試驗方法實測的試樣的粘結強度較低而彎曲試驗方法則有更高的粘結強度。

此外，在現有的各類FRP-混凝土粘結試驗中，直接拉拔試驗是現場唯一可以在真實的FRP加固結構上進行的試驗。但這種方法存在其局限性。例如，在這個測試中表面受到張拉力，而實際上結構絕不會處于這種狀態。這使得在結構性能方面對測試結果進行解釋比較困難。此外，混凝土基底的強度和不同損傷的可能性對使用這種試驗方法得到的結果有一定的影響。實驗室中可以在某種程度上控制這種局限性，但在現場非常難控制。

5 結論

本文介紹了FRP-混凝土粘結性能的單剪試驗、雙剪試驗、橫梁或彎曲試驗、混合模式加載試驗和直接拉拔試驗等5 類試驗方法，分析了每一種方法的思路、特性、優缺點和發展趨勢等，主要結論如下。

1）單剪試驗簡單直接且有細分方法，各方法在相同的邊界條件下試驗結果基本一致。

2）雙剪試驗設備簡單實用，但要避免加載時產生偏心載荷進而影響試驗結果。

3）彎曲型試驗的測試結果高于其他類型的測試結果。

4）混合模式類型試驗的測試結果低于其他類型的測試結果。

5）直接拉拔試驗是唯一一種在現場和實驗室都可以進行的試驗，但無法模擬結構在其使用壽命過程中的真實應力狀態。因此，本文建議FRP-混凝土粘結性能試驗可以拉拔試驗為主，并進行其他方法補充測試。

目前盡管對FRP-混凝土粘結強度進行了大量研究，但上述試驗方法之間存在明顯的差異性、局限性和適用性。因此，為更準確測定FRP-混凝土粘結性能，仍然有必要對現有試驗方法進行更深入研究，不斷改進完善現有方法并使之更標準化。