冻融循环作用下CFRP-烧结砖界面粘结性能试验研究

(兰州交通大学土木工程学院 甘肃 兰州 730070)

引言

外贴碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种运用广泛的建筑结构加固技术，因为土木建筑材料仍以混凝土为主，所以CFRP与混凝土粘结性能的研究正日渐成熟[1]，而我国在役建筑中，砌体结构所占比例依然很大[2]，大量砌体结构仍然需要改造和装修；各地有历史底蕴的砌体结构古建筑也需要进行翻修及日常维护，尤其在我国西部地区砌体结构更多的存在与土木建筑结构中，而这些地区冬季寒冷，昼夜温差大，在这种普遍而又特殊的环境作用下，CFRP加固的砌体结构会发生破坏，现有的文献而多数以砌体结构为研究对象，研究CFRP加固对砌体结构承载力的变化[3]、CFRP加固砌体结构受力性能的变化、CFRP加固砌体结构抗弯性能研究等，本文主要以烧结砖单砖为研究对象，并从CFRP和烧结砖粘结性能出发进行试验研究。参照CFRP和混凝土界面的单面剪切模型，采取单面剪切粘结强度试验，主要研究单面剪切试件在冻融循环作用下的破坏形式，单面剪切粘结强度的变化规律及机理。

一、试验概况

(一)CFRP片材试件

试验所用碳纤维布采用上海滠口实业有限公司生产的SKO(赛克)牌一级碳纤维布(日本东丽丝)，浸渍树脂采用该公司生产的SKO(赛克)牌碳纤维环氧树脂浸渍胶(A级胶)，该浸渍胶有A、B胶两种组分组成，使用时按照质量比为2：1的配比混合。

(二)烧结砖及粘结试件

选取已用50年的烧结砖单砖为试验材料，所用规格为所用砖规格为(以mm计)240×115×53的烧结砖，并且在单剪试验前测其抗压强度。

烧结砖粘结试件尺寸为240mm×115mm×53mm。CFRP与烧结砖的粘结长度为100mm，粘结宽度为30mm。粘结试件见图1。冻融循环试验根据《水工混凝土试验规程》DL/T 5150-2001[7]混凝土抗冻性试验方法进行，采用“快冻法”进行冻融循环，每个冻融循环周期为3h，控制试件中心温度在(-7±2)℃和(8±2)℃之间变化，冻融循环次数分别为15次，30次，50次。试件的力学性能测试由兰州交通大学土木工程试验室购买的微机控制电子万能试验机上进行，加载方式为位移控制，CFRP片材和烧结砖粘结试件数据采用江苏东华测试股份有限公司生产的DH5922动态信号测试与分析系统测量。

二、试验方法

单剪试件制作步骤：

(1)裁剪长×宽为230mm×30mm的碳纤维布条。

(2)将粘贴CFRP的单砖试件表面用电砂轮进行打磨，除去其表面残渣，直到粘贴面平整，同时用记号笔画线定出碳纤维布条所贴位置。

(3)用抹布蘸清水，擦去烧结砖试件粘贴面的浮沉，等表面干燥后再用无水乙醇将烧结砖表里灰尘去除，等表面干燥后进行下一步。

(4)将底胶按照厂商提供的比例置于干净的塑料容器中，并用搅拌机搅拌均匀，用毛刷将配置好的底胶充分均匀的刷在烧结砖的贴碳布的区域，在实验室内养护3～6个小时，等底胶表面用手指碰触时不粘手后可进行下一道工序。

(5)待碰触表面干燥后，在粘贴面矩形区域内用刷子均匀刷一层浸渍胶，并在上面贴长为23mm的碳纤维布，用滚筒来回滚动压实，直到浸渍树脂完全浸渍碳布。

(6)按照环氧树脂浸渍胶组分A、B质量比为2:1的配比配置浸渍胶，用刷子将浸渍胶均匀刷在烧结砖表面粘贴碳布的部位，将事先裁剪好的碳纤维布条用手轻压于粘贴部位，然后用滚筒来回滚动压实，确保浸渍胶充分浸透碳纤维布后，在碳纤维布的表面再均匀刷一层浸渍胶，以确保碳纤维布和试件表面的粘结质量。

(7)为确保片材的平整，在粘贴碳布的过程中，可以将两个烧结砖试件的单侧面作为一组一起粘贴后拉直放置，如图2所示，等该侧面碳布手指碰触干燥后，用剪刀按所需设计长度将其剪开。

(8)为了加持端受力均匀，避免夹具损伤片材，在片材的夹持端的两面分别贴上同宽度同材料的碳纤维布作为加强片。为确保单剪试验的有效，将碳纤维布与烧结砖粘贴末端预留出50mm的长度，并在该区域的试件表面贴上透明胶带，以防预留端与试件表面粘结。

(9)试件制作好后，置于实验室内固化一周后备用。

(10)将制备好的单剪试件放置于两种试验环境中：对比试件放置于常温环境，水中冻融循环作用试件放入冻融箱中(浸泡环境为水)。此外，将烧结砖单砖强度对照组也分别放置于以上两种试验环境中。待试验环境作用时间到后将试件取出置于常温环境，表1所示为单剪试验设计表。

表1 单剪试验试件表

注：DW表示水中冻融，J表示单剪试件

三、实验结果分析

(一)CFRP片材试件力学性能

表2给出了冻融循环作用后CFRP片材的力学性能试验结果，从表中可以看出，CFRP片材抗拉强度和延伸率随着冻融次数的增加呈降低趋势，弹性模量变化不显著。碳纤维自身抗腐蚀能力较强，造成CFRP片材力学性能下降的原因可能是冻融循环对所用材料浸渍树脂的劣化，使得树脂对碳纤维片材强度和变形的贡献及剪应力的传递能力削弱。

表2 CFRP片材的力学性能试验结果

注:CRT表示室温环境下的CFRP，CDW15表示15次冻融循环的CFRP，其他符号依此类推。

(二)烧结砖试件抗压强度

试件进行抗压强度试验后，得出冻融循环作用下，随着冻融次数的增加，烧结砖强度呈降低趋势。如表3所示。

表3 不同冻融循环次数下单轴受压试验单砖试块抗压强度试验值

(三)CFRP-烧结砖界面破坏过程及分析

CFRP与烧结砖粘结试件经过不同次数的冻融循环作用后，破坏形态发生了明显的变化，与CFRP与混凝土粘结界面剪切破坏形态相似[9]。在室温情况下，CFRP与烧结砖粘结试件对比试件的剪切破坏发生在粘结面下烧结砖表层，被拉掉的CFRP片材上粘有大块烧结砖残渣；冻融15次后，试件的破坏形态依然是发生在烧结砖表层；冻融30次、50次以后，CFRP片材上烧结砖残渣有所减少，部分地方无烧结砖残渣，说明此时剪切破坏发生在粘结树脂和烧结砖之间的界面处。CFRP与烧结砖粘结试件单剪试验结果如表4所示。

表4 界面单剪粘结强度试验结果

本试验现象表明：CFRP本身具有很高的抗拉强度，本试验中施加的荷载不足以将CFRP片材拉断，一般不会发生CFRP的拉断破坏。在室温环境和冻融循环不同次数作用下，粘结界面破坏形态不同，破坏的原因[10]与烧结砖的抗冻性、粘结树脂与烧结砖界面粘结力有关。造成界面承载力降低的主要原因可能为：一是冻融循环作用导致烧结砖的抗压强度降低，并且在冻融循环作用下，砖体会产生微裂纹，冻融环境下的水会在界面上冻结产生应力。二是粘结面处粘结树脂吸水溶胀会在界面上产生应力，并且在冻融循环的交替作用下会产生温度应力。所以随着冻融循环的时间越长，微裂纹产生的概率越大，所以微裂纹和粘结树脂吸水溶胀在界面上产生应力共同作用下，会是破坏形态形成烧结砖表层破坏和粘结树脂与烧结砖之间界面破坏共同的形态。

(四)界面应变分析

采用江苏东华测试股份有限公司生产的DH5922动态信号测试与分析系统测量CFRP片材和烧结砖粘结试件应变数据。试验中应变片的粘贴方式如图4所示。

图4 应变片布置示意图

根据试验所得数据得出室温环境、水中冻融循环作用下片材各测点的应变沿粘结长度方向的变化曲线。如图5所示，图中横坐标表示应变测点距加载端的距离，纵坐标表示测点的应变值。

冻融0次 冻融15次

冻融30次 冻融50次

由材料力学知识可得：

F=bftfσf=bftfEfεf

各式中：F—CFRP的轴向拉力

σf—片材的拉应力；bf为片材的宽度;tf为片材的厚度，取名义厚度0.167mm；

Ef为片材的弹性模量，取相同环境作用下弹性模量的试验值；

εf为片材的应变。

由公式可得：界面两相邻测点之间粘结剪应力的变化是由曲线的斜率变化反应的。由试验结果可得：各个试件在不同的冻融循环次数下应变分布曲线形状大体相似，即在冻融循环作用下，CFRP-烧结砖界面具有相似的应变分布以及变化规律：在加载初期，加载端附近范围内产生较大的应变值，离加载端距离越远应变值依次逐渐降低，当相差距离达到一定值之后，应变值几乎为零，说明片材并不是在所有粘结区域受力，而是在很短的一段距离受力；在加载端，相邻两侧点间的应变分布曲线的斜率先升高后降低，加载端CFRP片材的应变不断增加，但不会持续增加到自由端，因离加载端一段距离后粘结区将不再受力，所以应变会在某一个测点开始逐渐下降。随着荷载的不断增加，由图5可知当相邻两侧点的应变比较接近时，应变曲线的斜率接近零，说明该部分界面的粘结剪应力接近零，即该部分将发生剥离；再继续增加荷载，加载端的片材开始从烧结砖表面剥离，荷载会继续向剩余粘结部分的自由端传递，直到CFRP片材完全从烧结砖上剥离下来，试件发生破坏。

四、结论

冻融循环作用下，由于试验所用材料浸渍树脂发生劣化，使得树脂对碳纤维片材强度和变形的作用及单剪试件剪应力的传递能力削弱，会造成CFRP片材力学性能下降。CFRP片材抗拉强度和延伸率随着冻融次数的增加呈降低趋势，弹性模量变化不显著。

室温以及在较低次数的冻融循环作用下，CFRP与烧结砖粘结试件的剪切破坏发生在粘结面下烧结砖表层。冻融多次后，因冻融环境下的水会在界面上冻结产生应力，并且粘结面处粘结树脂吸水溶胀会在界面上产生应力，并且在冻融循环的交替作用下会产生温度应力。所以破坏形态形成为烧结砖表层破坏和粘结树脂与烧结砖之间界面破坏共同的形态。

CFRP与烧结砖粘结试件经过多次数冻融循环作用后，与室温情况下比较，加载端片材剥离时的荷载和对应的应变值显著降低。并且降低的幅度随冻融次数的增加而增加，即经过冻融循环作用之后，界面的粘结性能降低。

CFRP—烧结砖界面的应变自加载端到自由端呈不均匀分布。在加载初期，应变主要集中在加载端附近，随着荷载的增加，应变由加载端向自由端方向传递。经过冻融循环作用后的试件加载端开始剥离时的荷载和对应的应变值与室温试件相比显著降低，且降低的幅度随冻融次数的增加而增加。CFRP片材在单剪试验中并不是在所有粘结区域受力，而是在很短的一段距离受力；加载端的片材开始从烧结砖表面剥离，荷载会继续向剩余粘结部分的自由端传递，直到CFRP片材完全从烧结砖上剥离下来，试件即发生破坏。

[1]T V Fursa A A Demikhova; A P Surzhikov.Development of method of evaluation of concrete damage in the process of cyclic freeze-thawing[J].Institute of Physics.2015.10.

[2]閤东东,陈曦,苗启松,李文峰.砌体结构加固及加层隔震模型的非线性数值模拟[J].土木工程与管理学报.2010(03):35-40.

[3]范晓东.既有砌体结构加固承载力及抗震性能分析[D].重庆大学，2012.