高温后CFRP-MOC-混凝土界面粘结特性研究

赵少伟,吕 冉,郭 蓉,王 佳

(河北工业大学土木与交通学院,天津 300401)

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)具有施工方便、强度高、自重轻、耐久性好等优点,已被广泛应用于建筑结构加固领域[1-2],目前该加固技术最常见的配套胶黏剂为环氧树脂胶,其热稳定性以及长期化学稳定性低于无机胶凝材料,玻璃化温度Tg较低(一般在50～80 ℃)[3],当温度达到玻璃化温度后,其宏观力学性能会急剧下降,出现粘结失效的现象,因而在露天室内高温环境或者火灾高温辐射环境中不适宜用环氧树脂胶做界面胶黏剂,极大地限制了CFRP加固技术的应用。

氯氧镁无机胶凝材料(Magnesium Oxychloride Cement,MOC)具有快硬高强、耐高温性能好的优点,与环氧树脂胶相比,更适合高温环境加固。为了研究高温条件下MOC作为胶黏剂用于CFRP加固混凝土系统的可靠性,众多学者进行了大量研究:陈忠范[4]进行了高温下MOC粘贴CFRP布加固混凝土梁的抗弯性能试验,结果表明,MOC具有良好的耐高温性能,但当温度达到300 ℃时,由于水分丧失,MOC表面会有大量裂纹产生;张国强[5]通过进行MOC粘贴CFRP布加固混凝土板高温性能试验发现,采取有效的防火措施可以很大程度上减少高温时MOC强度的降低,适当增加防火涂料的厚度能够很好地提高加固构件的抗火性能;徐明[6]进行了MOC粘贴CFRP板高温后拉伸性能试验研究,试验结果表明,25 ℃时,MOC粘贴CFRP板的抗拉强度与环氧树脂胶粘贴CFRP板相当,当温度到达300 ℃时,MOC粘贴CFRP板的抗拉强度仍可以达到25 ℃时抗拉强度的70%左右。以上研究证明了高温环境下采用MOC作为胶黏剂用于CFRP加固混凝土系统是可行的。总体来看,有关MOC作胶黏剂的研究多集中在高温下加固构件承载能力方面,并没有从界面的粘结性能方面进行深入研究,不利于MOC在加固技术上的进一步推广,因此亟需开展以MOC为胶黏剂的CFRP-混凝土界面高温粘结性能研究。

基于上述分析,笔者通过采用自主研发的改性MOC作为胶黏剂,对CFRP加固混凝土试件在高温后进行了一系列单面剪切试验;通过对高温后CFRP-MOC-混凝土界面粘结性能演化规律分析,得到界面极限承载力、有效粘结长度随温度升高的变化规律;进一步建立高温后CFRP-MOC-混凝土界面有效粘结长度模型、界面承载力模型,有效地预测高温环境下CFRP-MOC-混凝土界面承载力,研究成果能为高温环境下采用MOC进行CFRP加固设计提供重要的理论指导。

1 试 验

1.1 试验材料

试验选用C30强度等级的混凝土,配合比见表1。该混凝土28 d立方体抗压强度实测值为33.1 MPa。试验所用碳纤维布为天津卡本科技集团股份有限公司生产,其相关力学性能如表2所示。

表1 混凝土配合比Table 1 The mix ratio of concrete kg/m3

表2 CFRP布力学性能Table 2 The mechanical properties of CFRP cloth

试验采用本课题组自主研制的改性MOC,即各组分的物质的量比为nMgO∶nMgCl2∶nH2O=9∶1∶10.85,羟基乙酸掺量2%、硼酸镁晶须掺量2%。图1为不同温度处理后MOC的力学性能变化曲线。当温度低于300 ℃时,MOC力学性能保持较好,当温度达到400 ℃时,MOC强度及模量快速下降,说明经过高温作用后,MOC内部主要强度相发生转变,同时MOC中的水化结晶相受到高温作用开始脱水分解,晶体结构遭到破坏,这一现象是不可逆的,从而使得MOC的相关力学性能下降越来越快。

图1 不同温度处理后MOC力学性能Fig.1 The mechanical properties of MOC under different temperatures

1.2 试件设计

试验采用单面剪切试件,混凝土试块长宽高均为150 mm×150 mm×300 mm。CFRP布粘结区长度为200 mm,在混凝土试块靠近加载端处预留40 mm的非粘结区,防止靠近加载端处的混凝土发生劈裂,试件示意如图2所示。

图2 单剪试件示意图Fig.2 The schematic diagram of single shear specimen

相关研究[4,7-9]表明,当温度达到500 ℃时,MOC胶体已基本失效,混凝土强度显著下降,因此本次单剪试验设定的升温范围为100～500 ℃,升温速度为3 ℃/min,到达目标温度后恒温3 h。为防止混凝土试块因含水率过高在高温炉中发生爆炸,在试块进行高温处理前,先将其放置于烘箱中105 ℃烘干24 h。单剪试件在25 ℃条件下放置3 d,进行CFRP布-混凝土界面单面剪切试验。

试验设计共考虑两个影响因子:温度分别为25 ℃(室温)、100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃;CFRP布宽度分别为50 mm、75 mm、100 mm。单剪试验设计分组如表3所示,分为8组,每组3个平行试块。

表3 单剪试验方案设计Table 3 The design scheme of single shear test

1.3 加载装置及测量方案

加载装置如图3所示。采用三思UTM4204型电子万能试验机进行位移控制的加载,加载速度为5 mm/min。通过设计的固定装置,用上下两块钢板夹紧固定试块,通过下底板的连接件将装置与试验机固定。

图3 加载装置Fig.3 The loading device

为了测得CFRP应变,在CFRP表面每间隔30 mm粘贴一电阻应变片(规格为5 mm×3 mm),应变片位置如图2所示。应变片在试件高温处理后静置至25 ℃条件下粘贴。采用YWD-100型位移传感器测量CFRP布与混凝土的相对滑移,在混凝土试块表面和上夹具之间放置型号为BHR-4的压力传感器,用于测量荷载数据。所有数据均采用DH3816N静态应变测试仪进行采集。

2 试验结果与分析

2.1 荷载-滑移曲线

通过拉拔端位移传感器与压力传感器分别采集各剪切试件在加荷过程中的界面滑移与荷载数据,得到在温度、CFRP布宽度影响下CFRP-混凝土界面荷载-滑移曲线,如图4所示。

图4 不同参数影响下加载端荷载-滑移关系曲线Fig.4 The load-slip relationship curves of loading end under different parameters

由图4(a)可知,试件在CFRP布宽度为50 mm时,随着温度的升高,曲线的初始斜率和峰值荷载均减小,说明试件的整体界面刚度和极限承载力均随处理温度的升高而降低。这是由于高温处理后,MOC内部主要强度相发生转变,强度大幅降低。由图4(b)可知,在处理温度为100 ℃时,随着CFRP布宽度的增加,曲线的斜率和峰值荷载均增大,即试件的界面整体刚度和极限承载力均有所提高。这是因为随着CFRP布宽度的增加,粘贴面积也在不断增大,因此CFRP加固混凝土的极限承载力也在增大。

2.2 应变分布规律

通过CFRP布表面粘贴的应变片与拉拔端压力传感器分别采集各剪切试件在加荷过程中的CFRP布应变与荷载数据,得到各级荷载下CFRP布的应变分布情况如图5所示。

图5 各级荷载下CFRP布的应变分布Fig.5 The strain distributions of CFRP cloth under various loads

由图5(a)～(f)对比可知,随着温度的增加,CFRP最大应变不断减小。一方面是由于随着温度的增加,应力传递区域的长度变短,能够承受荷载的面积减少,使得试件界面承载力降低,CFRP最大应变减少;另一方面,界面胶体的强度随温度升高逐渐降低,同样长度的界面承受的荷载降低了,CFRP最大应变也就降低了。

由图5(b)、(g)、(h)对比可知,随着CFRP布宽度的增加,CFRP最大应变不断增大。这主要是由于CFRP布宽度的增加使得界面粘结面积增大,界面能够提供的承载能力增强,CFRP最大应变随之增大;但是当CFRP布宽度发生变化时,应力传递区域的长度基本保持不变。

3 高温后CFRP-MOC-混凝土界面有效粘结长度模型

3.1 有效粘结长度

为了更好地分析高温处理后有效粘结长度的变化规律,采用M.Mali-Ahmadl等[11]提出的退化公式(1)对应变分布曲线进行拟合。

(1)

式中:ε(x)为距加载端x处的应变值;ε0、x0、A、B为拟合相关参数。

取图5中界面最大应变对应曲线进行拟合,此时应力传递区域已经趋于稳定。参考刘生玮[12]对有效粘结长度的取值定义,取应变分布曲线上最大应变的2%～98%时的粘结长度作为有效粘结长度。通过对各试件有效粘结长度值进行整理,可得到界面有效粘结长度随温度、CFRP布宽度的变化规律,如图6所示。

图6 温度、CFRP布宽度对有效粘结长度的影响Fig.6 The influence of temperature and CFRP width on the effective bond length

由图6(a)可以看出,随着温度的升高,有效粘结长度不断减小。这是因为随着温度的升高,作为胶黏剂的MOC性能发生劣化,抗拉强度和剪切强度逐渐减小。由图6(b)可以看出,随着CFRP布宽度的变化,有效粘结长度值的浮动很小,可认为CFRP布的宽度不会引起有效粘结长度的变化。

3.2 高温后的有效粘结长度模型

由于本试验的界面破坏形式与CFRP-钢的相同,界面失效多发生在强度略显薄弱的粘结胶层,界面粘结长度的影响因素及变化规律相同,因此选择以《纤维增强复合材料加固修复钢结构技术规程》[13]中的有效粘结长度模型为基础对高温后的有效粘结长度模型进行修正,《纤维增强复合材料加固修复钢结构技术规程》(YB/T 4558—2016)中模型如式(2)所示。

(2)

式中:ft,a为胶体的抗拉强度;Ea为胶体的弹性模量;Ef为CFRP布的弹性模量;tf为CFRP布的厚度;ta为胶层厚度。

由于本试验与基础模型之间存在着胶体和界面材性的差异,需要引入修正系数A来消除这种影响。笔者以25 ℃时CFRP宽度为50 mm的试件S-50对应的有效粘结长度作为研究胶体和界面材性差异对有效粘结长度影响的基准值。将基准试块的参数代入计算模型中可以得到修正系数A=0.399,则式(2)可以改写为

(3)

考虑高温处理对于有效粘结长度的影响,引入温度劣化系数αT对有效粘结长度模型进行修正,如式(4)所示。

(4)

由式(4)可得:

(5)

选取不同温度作用后的试件,将试验数据代入式(5),可得温度T与αT值关系。

以温度为自变量,αT值为因变量,对试件进行非线性拟合得到αT与温度T的函数曲线,如图7所示。

图7 温度修正系数αT拟合曲线Fig.7 The fitting curve of temperature correction coefficient αT

可得αT值拟合公式:

αT=1.003-0.000 5T-7.058×10-7T2.

(6)

将式(6)代入式(4)中可得到高温处理后,CFRP-MOC-混凝土界面有效粘结长度表达式:

Le=(7.604-0.003 8T-5.351×10-6T2)×

(7)

4 高温后CFRP-MOC-混凝土界面承载力模型

4.1 界面承载力模型的选取

关于界面承载力,国内外学者给出了众多不同的数学模型[14-18],通过研究可以发现,文献[14]中模型考虑的影响因素较全面,所以笔者在该模型的基础上对高温后的界面承载力模型进行拟合,文献[14]中模型如下:

(8)

(9)

式中:Pu为界面承载力;βl为粘结长度系数;bf为FRP片材的宽度;Ef为FRP片材弹性模量;tf为FRP片材厚度;L为粘结长度,Le为有效粘结长度;Gf为界面断裂能。

4.2 高温后的界面承载力模型

高温后各试件的极限承载力如表4所示。

表4 高温后试件极限承载力Table 4 The interfacial bearing capacity of specimens after high temperature kN

考虑高温处理对于界面承载力的影响,引入温度劣化系数βT对界面承载力模型进行修正,则式(8)可改写为

(10)

由式(10)可得:

(11)

选取不同温度处理后的加固试件,将试验数据代入式(11)可得T值与βT值之间的关系。

以温度为自变量,βT值为因变量,进行数据拟合可得βT与温度T的函数关系,如图8所示。

图8 温度修正系数βT拟合曲线Fig.8 The fitting curve of temperature correction coefficient βT

可得βT值拟合公式为

(12)

将式(12)代入式(10)可获得高温后,CFRP-MOC-混凝土试件界面承载力表达式:

(13)

5 结 论

(1)CFRP-MOC-混凝土试件在6个不同温度下处理后,界面破坏模式不同;极限承载力、界面整体刚度、CFRP最大应变、界面峰值剪应力以及界面断裂能会随着温度的升高而减小,随着CFRP布宽度的增加而增大。

(2)在已有模型的基础上,引入温度修正系数,建立高温后CFRP-MOC-混凝土界面有效粘结长度模型和承载力计算模型,弥补了之前众多模型没有考虑温度的这一缺失,可以较好地预测高温环境下CFRP-MOC-混凝土的界面承载力,为高温环境下CFRP加固设计提供了依据。