碳纖維布與高溫后混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度分析

林燕卿

(廈門(mén)城市職業(yè)學(xué)院)

碳纖維布加固高溫后混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用[1-3]已取得一定成果，研究結(jié)果表明，采用碳纖維布加固高溫后混凝土結(jié)構(gòu)的方法是可行且有效的。碳纖維布與高溫后混凝土之間的可靠粘結(jié)是兩種材料共同工作的基礎(chǔ)，是保證火災(zāi)后加固修復(fù)效果的前提。碳纖維布與高溫后混凝土界面粘結(jié)性能研究是加固技術(shù)的基礎(chǔ)課題，不同受力狀態(tài)下，碳纖維布與高溫后混凝土界面的受力模式不同，界面粘結(jié)強(qiáng)度也不同。林燕卿[4]完成碳纖維布與高溫后混凝土界面處于正拉(垂直于粘結(jié)界面施加拉力)和單剪(平行于粘結(jié)界面施加拉力)兩種基本受力狀態(tài)下的粘結(jié)性能試驗(yàn)，分析過(guò)火溫度、碳纖維布寬度及長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)表明，當(dāng)施工工藝相同、施工質(zhì)量有保證時(shí)，這兩種受力狀態(tài)下的粘結(jié)強(qiáng)度之間存在一定的相關(guān)性。因此，碳纖維布與高溫后混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度研究對(duì)碳纖維布加固火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)意義重大。

1 混凝土強(qiáng)度

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB50081-2002)》[5]的規(guī)定對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu和抗拉強(qiáng)度f(wàn)t進(jìn)行測(cè)試，具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 混凝土力學(xué)性能及正拉粘結(jié)強(qiáng)度

圖1(a)給出了高溫后混凝土立方體抗拉強(qiáng)度與未受火的相對(duì)比值fcu(T)/fcu隨過(guò)火溫度T的變化情況。混凝土試塊經(jīng)高溫加熱后，隨著過(guò)火溫度提高，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度有所降低，高溫300℃、500℃后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了22.3%、39.1%。通過(guò)回歸擬合，可以得到高溫后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度相對(duì)值與過(guò)火溫度的關(guān)系式可表達(dá)為：

圖1 過(guò)火溫度對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

圖1(b)給出了高溫后混凝土立方體抗拉強(qiáng)度與未受火的相對(duì)比值ft(T)/ft隨過(guò)火溫度T的變化情況。混凝土試塊經(jīng)高溫加熱后，隨著過(guò)火溫度提高，混凝土立方體抗拉強(qiáng)度有所降低，高溫300℃、500℃后混凝土立方體抗拉強(qiáng)度分別降低了28.0%、43.3%。通過(guò)回歸擬合，可以得到高溫后混凝土立方體抗拉強(qiáng)度相對(duì)值與過(guò)火溫度的關(guān)系式可表達(dá)為：

從表1中可以看出，未受火、高溫300℃、500℃后混凝土立方體抗拉強(qiáng)度分別為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的10.34%、9.71%、9.63%。通過(guò)回歸擬合，可以得到高溫后混凝土立方體抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值與過(guò)火溫度的關(guān)系式可表達(dá)為：

2 正拉粘結(jié)強(qiáng)度

通過(guò)碳纖維布與高溫后混凝土的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，研究過(guò)火溫度對(duì)正拉粘結(jié)強(qiáng)度的影響。試件尺寸及加載裝置如圖2 所示。碳纖維布與混凝土的正拉粘結(jié)性能試驗(yàn)是垂直于粘結(jié)界面施加拉力，因此，粘結(jié)界面受到的是法向拉應(yīng)力的作用。表1 給出了每組試件的正拉粘結(jié)強(qiáng)度平均值σ，該值是根據(jù)《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(CECS146-2003)》[6]附錄規(guī)定的數(shù)據(jù)處理方法得到，正拉粘結(jié)強(qiáng)度等于正拉試件破壞時(shí)的荷載值P與碳纖維布粘貼面積的比值。從表1中可以看出，隨著受火溫度提高，正拉粘結(jié)強(qiáng)度降低。

圖2 試件及加載裝置

正拉試件破壞形式為基材混凝土內(nèi)聚破壞，如圖3所示，發(fā)生在混凝土的淺層，呈“碗狀”，未受火試件破壞時(shí)碳纖維布下粘附的混凝土層較薄較均勻，混凝土呈青灰色；混凝土試塊經(jīng)高溫作用，隨著過(guò)火溫度的提高，混凝土的顏色從青灰色向灰白色、灰紅色變化，破壞時(shí)碳纖維布粘附的混凝土層較厚，破壞面邊緣不規(guī)則。當(dāng)碳纖維布粘貼質(zhì)量有保證時(shí)，正拉試件的破壞形態(tài)屬于正常破壞，正拉試件的粘結(jié)界面受到的是法向拉應(yīng)力的作用，因此，正拉粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度，這也說(shuō)明當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗界面的粘結(jié)正應(yīng)力時(shí)，正拉試件才發(fā)生破壞，因此，從表1 中可以看出，正拉粘結(jié)強(qiáng)度近似于混凝土抗拉強(qiáng)度。

圖3 正拉試件破壞特征

楊勇新研究[7]表明，在常溫下，正拉粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度的平方根基本呈線性關(guān)系。圖4(a)給出了正拉粘結(jié)強(qiáng)度與高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度平方根的回歸曲線，回歸方程見(jiàn)公式4，相關(guān)系數(shù)為0.791。

圖4 粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度平方根關(guān)系

3 剪切粘結(jié)強(qiáng)度

通過(guò)碳纖維布與高溫后混凝土的剪切粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，研究過(guò)火溫度、碳纖維布粘結(jié)長(zhǎng)度、粘結(jié)寬度對(duì)剪切粘結(jié)強(qiáng)度的影響。剪切粘結(jié)強(qiáng)度試件如圖5 所示，是在混凝土一側(cè)粘貼碳纖維布，通過(guò)施加平行于粘結(jié)界面的拉力P，使粘結(jié)界面受到面內(nèi)純剪應(yīng)力的作用。典型破壞形態(tài)如圖6 所示，表現(xiàn)為碳纖維布剝離，并粘附一層混凝土，混凝土破壞面與原始界面基本平行的形狀，部分試件還伴隨著非加載端被拉下一個(gè)不規(guī)格的三角區(qū)域或碳纖維布斷裂。

圖5 剪切試件

圖6 剪切試件破壞特征

剪切粘結(jié)強(qiáng)度是單剪試件的極限粘結(jié)荷載P 與碳纖維布粘結(jié)面積的比值[4]，從試驗(yàn)結(jié)果中可知，隨著過(guò)火溫度提高，極限粘結(jié)荷載降低。表2 中給出了未受火、過(guò)火溫度300℃、過(guò)火溫度500℃自然冷卻后的混凝土試塊表面粘貼一層碳纖維布、碳纖維布寬度為50mm、碳纖維布長(zhǎng)度為50～160mm 的單剪試件的平均剪切粘結(jié)強(qiáng)度τ，從表中可以看出，隨著過(guò)火溫度提高，平均剪切粘結(jié)強(qiáng)度降低，但降低幅度不大，過(guò)火溫度300℃的試件較常溫試件降低了2.7%，過(guò)火溫度500℃的試件較常溫試件降低了8.1%，所有試件剪切粘結(jié)強(qiáng)度的平均值為2.51MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0873。圖4(b)給出了剪切粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度平方根的關(guān)系圖，從圖中可看出，兩者具有相關(guān)關(guān)系，可表達(dá)為公式⑸，相關(guān)系數(shù)為0.945。

表2 剪切粘結(jié)強(qiáng)度

在粘結(jié)界面內(nèi)剪應(yīng)力作用下，剪切粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于混凝土的抗剪強(qiáng)度。局部粘結(jié)剪應(yīng)力在碳纖維布粘結(jié)長(zhǎng)度方向上分布不均勻，最大值先出現(xiàn)在加載端端部，隨著荷載的增加，峰值剪應(yīng)力向自由端方向傳遞，如圖4(b)所示，當(dāng)混凝土剪應(yīng)力大于混凝土的抗剪強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生剪切粘結(jié)破壞。由于混凝土的抗剪強(qiáng)度小于抗拉強(qiáng)度，所以剪切粘結(jié)強(qiáng)度小于正拉粘結(jié)強(qiáng)度，表2中數(shù)據(jù)也反映了該規(guī)律。

剪切粘結(jié)強(qiáng)度與相同溫度作用下的正拉粘結(jié)強(qiáng)度的比值在0.71～0.95 的范圍內(nèi)，比值的平均值為0.7950，標(biāo)準(zhǔn)差為0.1079。楊勇新[7]試驗(yàn)研究表明拉剪粘結(jié)強(qiáng)度與正拉粘結(jié)強(qiáng)度比值的平均值為0.74。當(dāng)混凝土過(guò)火溫度不超過(guò)300℃時(shí)，該比值規(guī)律一致。單剪試件的粘結(jié)界面受到的是純剪應(yīng)力作用，破壞面發(fā)生在混凝土內(nèi)，而正拉試件的粘結(jié)界面受到的是純拉應(yīng)力作用，破壞面也發(fā)生在混凝土內(nèi)，兩者的相關(guān)性較好。正拉粘結(jié)性能試驗(yàn)操作方便、試驗(yàn)結(jié)果具有穩(wěn)定性，正拉粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土抗壓強(qiáng)度平方根有相關(guān)關(guān)系，且與剪切粘結(jié)強(qiáng)度也有相關(guān)關(guān)系，因此，選擇正拉粘結(jié)強(qiáng)度作為界面粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)。基于正拉粘結(jié)強(qiáng)度，剪切粘結(jié)強(qiáng)度可表達(dá)為：

4 結(jié)論

基于碳纖維布與高溫后混凝土界面的正拉粘結(jié)性能試驗(yàn)和剪切粘結(jié)性能試驗(yàn)，對(duì)兩種受力狀態(tài)下碳纖維布與高溫后混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論：

⑴經(jīng)高溫作用，混凝土力學(xué)性能有所降低，建立了高溫作用后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與過(guò)火溫度之間的關(guān)系式，抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系式。

⑵碳纖維布與高溫后混凝土界面的正拉粘結(jié)強(qiáng)度近似于混凝土抗拉強(qiáng)度。相同過(guò)火溫度時(shí)，剪切粘結(jié)強(qiáng)度小于正拉粘結(jié)強(qiáng)度。正拉粘結(jié)強(qiáng)度、剪切粘結(jié)強(qiáng)度與高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度平方根具有線性相關(guān)。

⑶正拉粘結(jié)性能試驗(yàn)操作方便、試驗(yàn)結(jié)果具有穩(wěn)定性，基于正拉粘結(jié)強(qiáng)度，建立剪切粘結(jié)強(qiáng)度的表達(dá)式。