双剪切加固结构下混凝土—环氧树脂—纤维增强复合材料界面力学试验分析

刘 萍

(中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏 无锡 214028)

纤维增强复合材料(FRP)常被采用于加固土木工程结构，广大研究者和工程人员正在致力于寻求新方法以便优化材料的设计和使用，从而修复有一定程度损伤的结构部件以及需提高使用性能的部件[1-3]。在建筑中，最常用的加固材料是玻璃纤维增强材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。CFRP层压板由碳(纤维)和环氧树脂(基体)组成。根据纤维的方向可分为具有一个、两个或三个方向加固行为的层压板[4]。其中单向层压板(具有单个方向的纤维力学行为)常被用于钢筋混凝土结构加固，其满足了抵抗拉伸应力的全部要求，并通过环氧树脂黏附于外部。由于复合材料尚处于发展阶段，在土木工程中的应用也相对较晚，加之FRP本身的复杂性，FRP和混凝土之间的黏附力损失非常严重，在钢筋混凝土结构加固方面的研究甚少[5-6]。

现有的试验结果表明，FRP的黏附失效机制是钢筋构件在剪切或弯曲时行为的关键因素[7-8]。此外，需要改进试验技术来更准确地预测FRP和混凝土之间的滑动及FRP分层造成的黏附力损失[9]。此文设计了一个试验来研究层压板和混凝土之间的黏附力。

1 试验设计

为研究混凝土—环氧树脂—CFRP层压板之间的应力传递，此文设计了双剪切试验。目的是对层压板施加拉力，并将轴向应力传递到加固区，而避免不良弯曲效应的产生。为此，建造了一对0.250m×0.250m×1m的混凝土砌块，并通过两个CFRP层压板以近乎对称的方式连接。层压板的尺寸为0.05m×0.25m×1.25m。

1.1 钢筋混凝土构件的表面处理

确定放置层压板的区域前，须对该区域的混凝土构件表层(小于1mm)进行力学清除。利用振动锤处理混凝土表面，使固定层压板的区域略微粗糙。利用轻度酸洗去除混凝土的点状缺陷区域，如结垢、碳化或微小裂纹。得益于表面的轻微粗糙度，层压板与混凝土间连接的环氧树脂具有适中的黏附力。

1.2 胶黏剂

将MBRACE胶黏剂涂抹于酸洗过的混凝土和层压板的表面(见图1)。用抹刀涂抹约1mm厚的接触层，覆盖在待加固区域任何不规则的小型构件。如果裂纹较大，应事先用修补砂浆进行处理。

图1 胶黏剂层

1.3 仪器的放置

在混凝土加固表面层压板上，每隔0.05m放置有一个应变片(见图2)。在图2中可以看到，标有1～5的量具位于黏附区，标有A/B的量具(SG)用于校验层压板的对称与否，试验还测量了带有传感器混凝土砌块的相对位移。

图2 试验仪器

1.4 层压板的放置

将层压板放置于胶黏剂层上(见图3)。按压层压板，去除气泡并改善不同表面间的接触。

图3 黏合后的层压板

1.5 试验的实施

双剪切试验通过荷载控制进行(见图4)，荷载被施加在其中一个砌块上。连接执行器的砌块以500N/min的低负荷速率被拉动，直到层压板脱落。故障发生的时间极短：较短的层压板先行脱落，另一层压板随即脱落。

图4 执行器与混凝土砌块的连接

由于试验装置的位置调整，试验开始时观察到了非线性现象(见图5)。在混凝土—环氧树脂—纤维增强复合材料界面上，因黏附力损失，系统的刚度开始降低，在约15kN的荷载下呈现线性行为。

图5 双剪切试验中的荷载(P)—位移(Ux)曲线

2 试验结果分析

2.1 层压板应变

为进行荷载控制试验，将5个量具(SG)放置在锚固区的层压板上。此外，在量具A/B(SG A/B)的两侧放置两个控制杆，以验证样品两侧之间无应变差异， 从而确保荷载均匀分布在两个层压板上(见图6)。

图6 层压板的应变分布

当荷载达到25kN时，层压板脱落，测量器显示了荷载如何随黏附区面积的减小而变化。可以看出，即使在完全脱离层压板的情况下，荷载水平和应变量也远低于层压板的弹性极限。因此，在试验中的任意时刻，层压板都具有弹性行为，并且只受到纯拉伸(轴向应力)。

随着外荷载的增大，非线性加载状态首先出现在SG4梁段中，然后出现在SG3、SG2梁段中，最后出现在SG1梁段中，直至层压板脱落。A/B控制杆显示，样品间的应变无差异，如SGA/B曲线所示。此外，观察到黏附区以外的样品保持线性行为(见图7)。

图7 不同荷载下使用测量器测量的层压板应变

2.2 界面损伤

双剪切模拟试验可以研究混凝土和环氧树脂损伤的演变过程，对界面的失效机理进行全面分析。试验中的最大荷载为25kN(见图8)。由于层压板滑动和混凝土砌块末端部分脱落，试件在失效期间均表现出低延展性。这说明，材料的延性行为可能弥合材料的层间滑移以及局部损伤。建议分析该类复合材料的力学行为时，需要独立分配各成分的本构模型，从而根据所使用的模型观察内部变量的演变。

图8 最大荷载为25kN时混凝土砌块和胶黏剂的损伤

混凝土的最大损伤发生在混凝土块体的上、下边缘处，试验结果显示FRP的末端最大损伤达到75%。该类损伤从砌块末端向前延伸到0.28m处，即层压后的0.07m处。在图8中可以看到，环氧树脂在混凝土脱落的末端具有更高的损伤，并向钢筋的中心收缩。锚固长度为0.21m的环氧树脂损伤分布不均匀，最大损伤发生在砌块末端的下部(见图8)。此外，试验结果显示在混凝土界面上比层压板界面上的损伤更为显著(见图9)，混凝土损伤基本为67%，分布均匀，最大损伤为75%，发生在砌块内层压结束的末端，对应于界面的失效时刻。

图9 混凝土损伤

由于层压板长度较短，应力集中系数较大，胶黏剂的损伤分布不均匀，集中在端部。以上试验为今后的模拟分析过程提供了建议，即理论分析或数值模拟时也应该考虑环氧树脂的损伤问题。正如一些研究提出的假设[10-12]，环氧树脂的损伤行为既不是弹性的，也不是线性的(见图10)。

图10 环氧树脂损伤

2.3 界面应力分布

由于失效发生在埋设钢筋的砌块端部区域，因而对钢筋顶部(即距砌块底部0.15m处)混凝土、环氧树脂和纤维增强复合材料的轴向和切向应力的行为进行分析(见图11、图12)。

在6.1kN的荷载下，最大的轴向应力出现在CFRP黏附的末端(见图11)。

图11 混凝土轴向应力分布

对于其他荷载水平，最大应力(1.85～2.00MPa)发生在钢筋区域，并朝向FRP末端。对于失效荷载，距钢筋0.04m处的应力为2.31MPa。

关于切向应力，可以观察到，对20.9kN以下的不同荷载水平，最大应力发生在FRP黏附的末端，在6.1kN荷载下达到1.68MPa。对超过20.9kN的荷载水平，最大应力在0.75～0.80MPa之间，并发生在层压板另一端的钢筋区域。在极限荷载下，应力增加到1.0MPa(见图12)。

图12 混凝土切向应力分布

通过分析图11和图12可以得出，界面上混凝土的行为对应于切向和轴向应力的共同作用。对第一个载荷级(高达16.6kN)，切向应力达到轴向应力的67%～89%，对其他载荷级，切向应力达到轴向应力的38%～48%。此外，与CFRP末端相比，切向应力对混凝土砌块末端损伤的影响更大。

对比分析可以看出，即使在失效荷载下，CFRP中的轴向和切向应力数值也较低，这表明FRP的性能未得到发挥。此外，由于切向应力为轴向应力的2%～4%，CFRP大体上是受轴向作用影响的(见图13、图14)。

图13 碳纤维增强复合材料轴向应力分布

图14 碳纤维增强复合材料切向应力分布

通过比较应力分布及其大小可以得出，混凝土中的最大切向应力(大于16.6kN)为层压板应力的6%～8%，而轴向应力的占比小于0.1%。因此，环氧树脂的强度小于层压板和钢筋混凝土的强度，须具有足够的性能，以确保应力从层压板到混凝土的传递和分布。文献[13]与文献[14]的研究成果相同，该文进行的模拟试验通过观察混凝土、胶黏剂和CFRP的行为，发现轴向应力和切向应力的作用不尽相同。针对界面行为，轴向应力和切向应力在混凝土和环氧树脂中均占显著比例，而在CFRP中轴向应力则占主导地位。

3 结 论

本文通过双剪切试验评估了混凝土黏结层压板端部的行为，以及钢筋脱落过程。在纯剪切状态下研究了层压板两端的有效应力和应变分布区域，详细说明了混凝土—环氧树脂—CFRP在界面黏附区的受力行为，并得出以下研究结论：

试验中，CFRP与混凝土之间的界面发生了滑动，CFRP未能有效地起到混凝土构件的加固作用。这是因为较短的层压板容易发生应力集中，从而使得胶黏剂的损伤分布不均匀，集中在端部。此时环氧树脂因应力集中而发生损伤。说明环氧树脂的损伤行为既不是弹性的，也不是线性的。它对CFRP加固效果起着决定性作用。这为CFRP加固设计提供了建议，即需要考虑环氧树脂因应力集中导致的损伤问题。

界定CFRP加固钢筋混凝土强度的关键参数之一是混凝土与CFRP之间的黏附力，这取决于应力传递机制和复合材料的行为。钢筋混凝土结构的牢固程度既取决于正确选择加固装置，也取决于纤维增强复合材料与混凝土之间的黏合力大小；界面上的混凝土具有切向和轴向应力共同作用的机制。与CFRP末端相比，轴向应力和切向应力在混凝土和环氧树脂中均占显著比例，而在CFRP中轴向应力则占主导地位，切向应力对混凝土砌块末端损伤的影响更大。