浅析FRP-混凝土界面粘结性能试验方法

王 飞

（中铁十六局集团置业投资有限公司，北京 100018）

1 引言

混凝土结构在其服役期间，随着时间推移和环境影响导致结构的力学性能在一定程度上逐渐降低。同时荷载的激增或偶然荷载的破坏也可能使结构承载能力过早的下降或丧失。与拆除重建相比，采取适当的加固方法来提高既有混凝土结构的力学性能往往更经济合理，因此也催生了各种加固方法和加固新材料。在各种加固材料中，外贴纤维增强复合材料（FRP）加固具有优于其他加固材料（如钢铁等）的优良性能，且施工便捷，从而获得了工程界的广泛认可[1～2]。

FRP 材料的性能在很大程度上取决于FRP和混凝土之间的粘结性能，而粘结性能主要取决于结构的加载类型、基底材料、FRP 板特征、粘结类型和厚度、环境条件等。学者们在研究不同加载类型对FRP-混凝土粘结性能的影响过程中采用了各种不同原理的试验方法。本文针对以上试验方法进行归纳讨论并对其优缺点进行评价，研究成果可为FRP-混凝土界面粘结性能研究提供一定试验技术支撑[3～8]。

2 FRP-混凝土粘结试验方法

FRP-混凝土粘结性能试验研究通过构建粘结滑移曲线表征FRP-混凝土的粘结[9]。根据试验装置不同，FRP-混凝土粘结性能试验可分为图1所示的5类。

图1 FRP-混凝土粘结试验方法分类

2.1 单剪试验

在单剪试验中，混凝土块通过粘贴在其自身(图1a)一侧的FRP 板来承受拉力。贴FRP 板时要求：①粘合FRP 板前处理混凝土表面，用针、磨砂机、喷水、喷砂等方式去除混凝土表层薄弱的砂浆层；②FRP 板粘合部分必须满足有效长度方能发挥最佳潜力；③为避免混凝土块楔形破坏，距离试块端部的一小段FRP 板不粘合。加载时，试样放入钢板并用螺栓固定，将FRP 板悬挑部分用荷载加载机的上颚夹紧，加载机通过位移控制荷载施加。

单剪试验方法是最为常见的方法，又可细分为5 种不同形式的单剪试验，虽然各种形式单剪试验略有不同，但在相似条件下，试验结果之间差异很小(在10%以内)[10]。

2.2 双剪试验

双剪试验方法是在两个并排的混凝土试块(图1b)两侧均粘贴有FRP 板，并两端同时施加拉力。为了便于沿混凝土试块长度方向施加荷载，混凝土试块两端各预埋一根钢筋。该方法被多位学者使用并进行了改进。其中Zheng 等[11]使用特制的钢模来保持混凝土浇筑时钢筋的中心性（图2）。Serbescu 等[12]用两个木制的矩形件来确定两根钢条的空间位置对齐，他们还用特制的钢制模板来确保胶粘剂的厚度均匀。Yun 等[13]使用了四对耦合器，这些耦合器允许试样仅通过耦合器垂直移动(图3)。

图2 特制钢模具和夹紧系统

图3 双剪切试验装置中的耦合器

2.3 弯曲型试验

弯曲型试验方法在试验梁底面粘贴FRP 板，并施加载荷作用使梁产生弯曲变形（图1c）。在标准梁试验中，根跨中位置界面受到剪应力和正压应力的双重作用，属于弯曲型受力状态。张峰在他的研究中使用了三点加载[14]，De Lorenzis，Pellegrino 等在试验装置的中段使用金属铰链来控制弯曲裂纹位置[15～16]（图4）。

2.4 混合型试验

图4 采用金属铰链进行弯曲型试验

混合型试验是粘结界面同时受剪切和剥离影响的试验方法。这种试验没有特定的装置但都是将FRP 板采用图1d 所示的加载形式进行加载。其中荷载Pm分解为PI和PII两个分量，分别对应I 型和II 型的荷载类型。Pan 和Leung 在梁底部采用可移动的金属夹具替代梁试件的一半，通过调整金属夹具底部高度来形成理想的垂直高差来实现混合型加载（图5）。Wu 等在试验梁跨中底部预制一个缺口，可研究曲率不同的弯曲混凝土表面上的粘结性能[18]。Wan 等基于单剪试验[19]，采用一个可以旋转到不同角度的可移动底座组成的试验装置，即修正双曲率梁测试（MDCB），如图6 所示。

图5 模拟混合模式加载类型的带金属夹具和垫片的混合模式类型试验装置

图6 带可移动底座的FRP粘结试验混合模式加载型装置

2.5 直接拉拔试验

直接拉拔试验（图1e）将一块钢板粘贴在已经粘贴于混凝土表面的FRP 板上，然后在粘合的FRP 板四周的混凝土表面刻上凹槽，并施加拉拔力将该钢板向混凝土外拉拔（图7）。然而，因为FRP-混凝土粘结实际应用中从未有受到直接的拉拔的情况。因此，为了评估粘结质量，在此测试结果的基础上，建议进行一些补充试验，如声学测试等。

图7 直接拉拔试验的示意图

3 数据记录方法

正确读取测试数据对测试FRP-混凝土粘结性能至关重要。之前常用的数据记录方法是沿着FRP 粘结的长度方向布置应变片或者沿着FRP宽度布置应变片[20]，通过测得的FRP 板的轴向应变总和计算合力的滑移线。该方法由于混凝土表面的裂缝不均匀分布，指导贴在大骨料位置上的应变片都比贴在裂缝位置的应变片的应变要小，即在FRP 长度上的测量值差异很大。另一种试验记录数据方法是通过实测载荷-位移曲线间接推导局部粘结滑移曲线（图8）。也可使用数字图像相关方法来精确量化FRP 板的应变或位移，即通过对变形试样数字图像进行分析：不同载荷阶段试样未变形和变形的图像进行比较，并进行相关的数学处理，形成一个二维位移场。该技术可以在空间上对试样位移进行连续测量[21]。为了平衡各种方法的缺陷，大多数研究人员经常将一种或多种方法结合应用。

图8 数字图像相关方法的典型试验设置

4 试验方法评价

单剪试验装置较其他方法简单，但对附加装置或夹紧装置要求较高，以保证拉力的方向。此外，在这种试验方法中，FRP 的粘结长度对FRP-混凝土界面的失效类型有一定影响。

双剪试验装置最吸引人的特点之一是可以使用标准的万能试验机。然而，与单剪试验相比，双剪试验需要相对更精确的试样，以确保FRP的粘结和荷载是同轴的。此外，在剥离过程中，FRP 板之间的载荷分配不均和不稳定是不可避免的，会导致试样一侧出现额外的剥离应力，并导致其较早的失效，从而导致粘结强度测试值较低。

上述两种试验方法都只考虑纯剪切效应。而实际工程中如采用FRP 加固梁的抗弯强度，在荷载作用下，梁同时受到了正应力和剪应力的影响，这种情形单剪试验和双剪实验方法均不适合，需采用弯曲试验和混合试验方法。对比其他试验方法，混合试验方法实测的试样的粘结强度较低而弯曲试验方法则有更高的粘结强度。

此外，在现有的各类FRP-混凝土粘结试验中，直接拉拔试验是现场唯一可以在真实的FRP加固结构上进行的试验。但这种方法存在其局限性。例如，在这个测试中表面受到张拉力，而实际上结构绝不会处于这种状态。这使得在结构性能方面对测试结果进行解释比较困难。此外，混凝土基底的强度和不同损伤的可能性对使用这种试验方法得到的结果有一定的影响。实验室中可以在某种程度上控制这种局限性，但在现场非常难控制。

5 结论

本文介绍了FRP-混凝土粘结性能的单剪试验、双剪试验、横梁或弯曲试验、混合模式加载试验和直接拉拔试验等5 类试验方法，分析了每一种方法的思路、特性、优缺点和发展趋势等，主要结论如下。

1）单剪试验简单直接且有细分方法，各方法在相同的边界条件下试验结果基本一致。

2）双剪试验设备简单实用，但要避免加载时产生偏心载荷进而影响试验结果。

3）弯曲型试验的测试结果高于其他类型的测试结果。

4）混合模式类型试验的测试结果低于其他类型的测试结果。

5）直接拉拔试验是唯一一种在现场和实验室都可以进行的试验，但无法模拟结构在其使用寿命过程中的真实应力状态。因此，本文建议FRP-混凝土粘结性能试验可以拉拔试验为主，并进行其他方法补充测试。

目前尽管对FRP-混凝土粘结强度进行了大量研究，但上述试验方法之间存在明显的差异性、局限性和适用性。因此，为更准确测定FRP-混凝土粘结性能，仍然有必要对现有试验方法进行更深入研究，不断改进完善现有方法并使之更标准化。