黏砂CFRP管与混凝土的界面黏结性能研究*

曹 广,张永权,李 晨,王大永,杜 志,张学杰,张 煜,吕 杨

(1.中铁一局集团有限公司,陕西 西安 712000; 2.天津城建大学土木工程学院,天津 300384; 3.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室,天津 300384)

0 引言

界面黏结性能是2种材料协同工作的基础,国内外学者通过研究钢筋、FRP筋、纤维与基体的黏结性能,确定筋类与基体之间的基本锚固长度。在筋材黏结滑移性能研究方面,国内外学者主要开展了梁式试验和拉拔试验。高嘉琪[1]通过128个FRP筋-海水海砂混凝土中心拉拔试验系统研究了FRP和海水海砂混凝土在多种试验因素下的黏结性能。薛伟辰等[2-3]对GFRP筋采用绕肋、黏砂的表面处理方式,以直径和黏结长度为变量,采用C30混凝土开展拉拔试验,结果表明黏结长度大于5倍直径时,GFRP筋会发生劈裂破坏,小于5倍直径时发生拔出破坏,黏结强度随直径、长度的增加呈下降趋势,每增加1倍直径长度,强度降低18%～44%,对应滑移值减小40%～70%,对直径的影响相对较小;2013年在C50混凝土中进行试验,发现基体强度提高,黏结强度也提高,但黏结强度均比普通钢筋低,为钢筋的73%～84%。Achillides等[4]在不同混凝土强度、不同嵌入长度情况下进行GFRP筋、CFRP筋的拉拔试验,FRP筋的黏结强度与混凝土强度无关,破坏时FRP筋发生表层剥落、树脂粉碎。FRP筋的黏结强度随嵌入长度增加而降低,方形筋因边缘楔入效应,黏结强度比相同的圆形筋大25%左右。周柯第[5]认为由于BFRP筋是各向异性材料,其强度与纵向纤维有关,横向强度受树脂强度控制,泊松效应和剪切滞后是导致BFRP筋直径增加而黏结应力降低的主要原因。

在纤维黏结性能研究方面,纤维在基体中起阻滞裂纹扩展的作用,测定黏结强度并确定临界埋置长度是保证最大限度发挥纤维强度的前提。目前测定黏结强度常用的试验方法有纤维拔出试验、压头顶出试验、单根纤维碎断试验以及微脱粘法等[6]。拔出试验最简单且与实际基体开裂过程中纤维发挥桥接受力的状态相似,国内外普遍采用拔出试验研究纤维-基体的黏结性能,但目前尚未有单根纤维的拔出试验标准。Ali等[7]采用混凝土试件通过分层浇筑的方法插入椰子纤维,以2.5mm/min的拉拔速率加载,椰子纤维从10mm长增至30mm时,黏结强度增大,从30mm增至40mm时,黏结强度降低,以此确定临界纤维长度为30mm。Singh等[8]将聚丙烯纤维以0.02mm/s的速率从直径2mm、高50mm的圆柱形水泥砂浆基体中拔出,结果表明黏结强度在0.5MPa左右,纤维表面机械压痕能提高黏结强度,最大可提高3倍。Choi等[9]使用边长50mm的立方体试件在0.2mm/min的加载速率下发现随着水泥基强度和单根纤维埋入长度(纤维长度的17%～50%)的增加,拔出力也随之增大,化学黏结强度与纤维长径比和水胶比无关。Lukasenoks等[10-11]用微米级直径的24 000根细碳纤维和800根细玻璃纤维分别涂刷环氧树脂并覆盖细砂,制作了直径2mm的复合纤维,黏结拔出试验表明表面粗糙度增加的纤维被拉断而表面光滑的纤维可被拔出。田稳苓等[12]用B型钢纤维(两端弯钩)和J型钢纤维作对比,采用2块不黏结的混凝土以0.4mm/min速率对拉的形式研究钢纤维埋置角度的影响,其中0°时界面黏结强度最大,乱向分布的纤维会削弱增韧效果,所以定向纤维混凝土的增韧效果最好,同时,界面黏结强度随基体强度的提高而增大。江为国等[13]设计了一种用碳纤维布提高梁柱抗弯能力的加固方法,并试验验证了方法的有效性。赵洪凯等[14]采用连续在线熔融浸渍技术和连续拉挤成型工艺,分别制备了热塑性树脂基CFRP,AFRP,HFRP片材试件,并对其进行力学性能分析,得出热塑性复合片材能达到现有加固材料指标。

分析可知,已有试验研究主要针对FRP筋和FRP纤维开展,但关于FRP管的试验鲜有报道。本文开展4种规格CFRP管的静载轴向拉伸试验,测定CFRP管的基本力学性能。对CFRP管表面采用粘石英砂处理,采用中心拉拔试验研究CFRP管的形状、直径、黏结面积及埋置长度等对黏结滑移的影响规律。

1 碳纤维管力学性能

试验选取了4种不同规格尺寸的CFRP管,编号规则为“形状+尺寸”,其中“C”表示圆形管,“S”表示正方形管,尺寸为“外径+内径”,正方形外径即边长,如“S-2-1”代表外边长为2mm的正方形管,内部为1mm直径的圆形管,详细规格如表1所示,其中“圆-圆”指内外均为圆形的圆管,“方-圆”指外形为方形、内壁为圆形的方管。

表1 CFRP管形状尺寸参数Table 1 Configurations of the CFRP pipes

参照ASTMD3039《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》和GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》的规定,试件长为250mm,标距为150mm,每组试件加工5个样品。用粗砂纸将端部打磨粗糙,以增强摩擦力,并在管内部填充与内径大小相同的50mm长钢棒增强夹持端强度,再裁剪出50mm×70mm的粗砂纸,用AB胶粘贴在CFRP管两端,试件样品制备过程如图1所示。

图1 拉伸试件制备过程Fig.1 Manufacturing of the tensile test specimens

将试样夹持在万能试验机夹头上,采用引伸计测量试样应变,试验布置和试样破坏如图2所示。CFRP管的弹性模量、抗拉强度和断裂应变如表2所示,CFRP管应力应变关系如图3所示。由表2和图3可知,CFRP管的拉伸应力-应变关系为直线,其中圆形的CFRP管断裂应变相同,比方形CFRP管的断裂应变大16.2%～22.8%,C-1.5-0.8的抗拉强度最大。

图2 CFRP管拉伸试验布置Fig.2 Layout of the tensile test of the CFRP pipes

图3 CFRP管拉伸应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain relationship of the CFRP pipes

表2 碳纤维增强复合材料管拉伸性能Table 2 Mechanic properties of the CFRP pipes

2 拉拔试验设计

为研究CFRP管与混凝土界面的黏结性能,试验使用普通C40混凝土,对4种规格的CFRP管在3种不同埋深(L)条件下进行中心拉拔试验,CFRP管垂直嵌入混凝土块中,设定埋置深度范围内全部为有效黏结段,不另外设置无黏结段,即黏结长度等于埋深,因拉挤成型工艺制作的CFRP管表面太过光滑,难以与混凝土形成良好黏结,所以对埋深范围内的CFRP管表面均进行表面粘石英砂处理。所用石英砂为粒径0.5～1mm的手工黏砂。用于拉拔试验的CFRP管加载端制作方法和拉伸试验一致,试件包括4部分,依次为50mm的加载端,30mm的预留段,30/50/70mm的黏砂锚固段及30mm的末端,制备好的试样如图4所示。

图4 拉拔试件制备Fig.4 Specimens for the pullout test

混凝土试件尺寸均为100mm×100mm,高度和CFRP管的埋深一致,混凝土试块浇筑和成型后的试件如图5所示。试件编号规则为“形状+尺寸+埋深”,共制作了12组48个试件。

图5 拉拔试验试块制作Fig.5 Manufacturing of the specimens of pullout test

试验布置如图6所示,混凝土试块通过自制的夹具固定,在CFRP管另一端施加荷载,试验采用连续位移加载,加载速率设定为1mm/min。

图6 拉拔试验布置Fig.6 Set-up of the pullout test

3 试验结果分析

3.1 破坏模式

黏砂CFRP管与混凝土的黏结应力由化学胶着力、摩擦力和机械咬合力组成。48个拉拔试件在加载初始阶段拉拔力迅速上升,荷载-位移曲线基本为直线上升状态,CFRP管几乎没有发生滑动,此时黏结力主要为界面间的化学胶着力;随着荷载增大,产生一定的滑移,此时化学胶着力消失,黏结力主要是摩擦力和机械咬合力;继续加载至接近极限荷载时,CFRP管与混凝土之间的滑移加快,在达到最大荷载时,伴随一声闷响,荷载骤降,CFRP管从混凝土中拔出。管端部周围混凝土表面砂浆破碎,CFRP管表层石英砂全部剥离,剩下少量环氧树脂。如图7所示,CFRP管拔出后在混凝土试块中心留下孔洞,CFRP管上没有残留的石英砂,黏结强度由树脂砂层与CFRP管黏结剪切强度控制。所有试件CFRP管均未出现断裂,混凝土未出现劈裂破坏。

3.2 CFRP尺寸的影响

黏砂CFRP管与混凝土界面处沿着埋置方向的剪应力为黏结应力。用强度利用率评测CFRP管的使用效率,强度利用率越接近1,锚固效率越高,强度利用率按下式计算。

(1)

式中:r为强度利用率;Fmax为黏结力;A为CFRP管的截面积;ft为CFRP管的抗拉强度。

不同埋深时,不同CFRP管拉拔力-位移曲线和平均黏结应力-位移曲线如图8,9所示。由图可知,所有试样均表现为黏结力直线增大到最大值后迅速下降,此后黏结力随位移逐渐减小到0。荷载在突然骤降后出现回升,这是因为CFRP管的表面砂层瞬间剥落,黏砂层与混凝土之间的机械咬合力瞬间丧失,黏结力仅由摩擦力提供,在摩擦力握裹作用下,CFRP管出现回弹。个别试件的石英砂层不是一次剥离,此时荷载-位移曲线有多个升降段。石英砂层完全剥离后,随着CFRP管逐渐从混凝土中拔出,CFRP管与混凝土之间的摩擦力越来越小,黏结力-位移曲线进入稳定下降段。试验得到的拉拔峰值力、峰值点位移、黏结强度及强度利用率如表3所示。

表3 试验结果Table 3 Testing results

图8和图9比较了相同埋置深度条件下,不同尺寸规格CFRP管的拉拔试验结果。相同埋置深度下,4种试件在弹性上升段的黏结应力随滑移量的增加基本维持恒定,黏结应力初始增长速率基本一致,但50mm埋深的C-1.5-0.8相较其他3种试件增长速率略大,可能是由于试件在制作时,黏砂CFRP管没有垂直于混凝土正中心,出现轻微的角度偏移使得试验过程中CFRP管未处于中心拉拔的状态,因此黏结应力增长速率有略微区别。

图9 平均黏结应力-位移关系曲线Fig.9 Average bond stress-displacement relationship curve

相同埋深下,峰值荷载及黏结强度的变化规律均表现为S-2-1>C-2-1>C-1.5-0.8>S-1.4-0.8,埋深、形状相同情况下,平均黏结强度和峰值荷载随直径的增大而增大。峰值点后的下降段,相同埋深下,表面黏结面积越大,摩擦力越大,截面形状对摩擦力无明显影响。相同埋深下,S-1.4-0.8的黏结面积略大于C-1.5-0.8,但在埋深为50mm和70mm工况下,C-1.5-0.8具有更高的黏结强度,表明黏砂方形管的黏结强度小于相同条件的圆形管,原因是方形轮廓直角边处的树脂不能有效与砂层黏结,机械咬合作用降低,圆形管黏砂更为均匀,黏结强度高。

对比黏结面积最大的S-2-1和最小的C-1.5-0.8,在埋深30mm时,S-2-1相比C-1.5-0.8平均黏结强度大47%,峰值荷载是其2.51倍;埋深50mm时平均黏结强度大41%,峰值荷载是其2.4倍;70mm埋深时平均黏结强度大28%,峰值荷载是其2.17倍,说明与小直径CFRP管相比,大直径管具有更高的黏结强度,但随埋深增加,大直径管的黏结峰值荷载和平均黏结强度的提升幅度逐渐下降。试样C-2-1的黏结力呈现相似规律,原因是CFRP管外层纤维和内层纤维间存在变形差,导致纵向应力沿着管壁厚度方向分布不均匀,外层纵向应力最大,内层剪切应力为0,因此计算得到的平均黏结强度降低,并且直径和埋深越大,降低越明显。

相同埋深下,4种试件的强度利用率相差不大。随埋深的增加,强度利用率提高,在埋深为70mm时,4种CFRP管的强度利用率均达到80%以上,表明表面经黏砂处理能显著加强纤维管与混凝土之间的黏结性能。

3.3 埋置长度的影响

相同截面形式不同埋深的CFRP管拔出荷载-位移关系曲线如图10,11所示。从图中可以看出,相同的CFRP管摩擦力随着埋置深度的增大而增大,拔出阶段摩擦力下降速率相近。随埋置深度增加,CFRP管与混凝土之间的平均黏结应力降低,主要原因是黏结应力沿埋置长度分布不均,相同的CFRP管,埋深越大不均匀系数越大,黏结应力分布越不均匀,这与周柯第[5]获得的结论相同。

图10 荷载-位移关系曲线Fig.10 Load-displacement relationship curve

图11 平均黏结应力-位移关系曲线Fig.11 Average bond stress-displacement relationship curve

埋置长度由30mm增加至50mm和70mm时,埋置长度分别增加66.6%和133.3%,试样C-2-1的平均黏结强度分别降低20%和30%;试样S-2-1的平均黏结强度分别降低17%和33%;试样C-1.5-0.8的平均黏结强度分别降低13%和22%;试样S-1.4-0.8的平均黏结强度分别降低22%和32%。试样C-2-1和S-2-1的黏结表面积分别比C-1.5-0.8增大33%和70%,埋置长度30mm时,平均黏结应力分别增大33%和47%,在埋置长度为50mm时增大22%和41%,在埋置长度为70mm时增大20%和28%,即增大黏结面积能提高CFRP管与混凝土之间的黏结强度,但提高的速率与黏结面积不成正比。

4 理论模型

从黏砂CFRP管的荷载-位移曲线和平均黏结应力-位移曲线可知,拉拔试验的黏结滑移过程可简化成图12所示的三段线模式,即上升、下降和摩擦三段,模型的关键受力点包括上升段的峰值点(sp,τp)和下降段与摩擦段的拐点(sf,τf),sp表示峰值应力对应的黏结滑移,τp表示平均黏结强度,sf表示摩擦滑移开始时的滑移值,τf表示摩擦滑移初始黏结应力,其中sp与sf之间是砂层剥离至摩擦力稳定的滑移量,试验过程中砂层剥离几乎是瞬间完成的,该段滑移量很小,在模型中忽略不计,近似认为sp=sf,简化后模型仅需确定sp,τp和τf。

图12 黏结滑移理论模型Fig.12 Theoretical bonding model

通过试验数据拟合确定sp,τp和τf3个参数。以埋置长度、直径和黏结表面积为主要影响因素,试件sp值如图13所示,可见试件C-2-1,S-2-1,C-1.5-0.8和S-1.4-0.8的sp值相关度较高。由前述分析可知,CFRP管径对黏砂可靠性和平均黏结强度影响很大,因此将4种试件直径分成大(2mm)、小(1.4mm/1.5mm)进行sp值的理论公式拟合。CFRP管的sp值随埋置长度的增加近似呈线性增加,采用线性拟合的方式可得到大直径管的拟合公式为:

图13 sp理论公式拟合Fig.13 Fitting value of sp

sp1=0.046 88L-0.209

(2)

小直径的拟合公式为:

sp2=0.032 5L-0.3

(3)

同理,试验测得的τp值如图14所示,τp值随着埋置长度的增加近似呈线性降低,仍可按照sp同样的分组进行拟合,得到大直径的拟合公式为:

图14 τp理论公式拟合Fig.14 Fitting value of τp

τp1=-0.090 1L+14.896

(4)

小直径拟合公式为:

τp2=-0.063L+10.82

(5)

式(2)～(4)拟合相关系数R2分别为0.921,0.97和0.904 8。上述sp和τp随埋置长度变化的关系未考虑直径的影响,观察sp和τp拟合公式可以发现,曲线的斜率和截距与直径的倍数刚好接近,比值约为1.4倍,得到与直径和埋置长度相关的sp和τp公式。

(6)

(7)

式中:D为CFRP管直径;L为CFRP管与混凝土的实际黏结长度。

τf的变化受直径尺寸影响不大,τf随埋置长度增加而增大,在图15中同样以线性方式拟合得到与埋置长度相关的τf理论公式如下。

图15 τf 理论公式拟合Fig.15 Fitting value of τf

τf=0.036 4L+4.029

(8)

5 结语

本文研究了4种规格的CFRP管拉伸力学性能,开展了表面黏砂CFRP管拉拔试验,研究了管型、黏结长度、表面积等对黏结性能的影响规律,建立了黏结滑移理论模型,主要得到如下主要结论。

1)拉挤成型工艺制作的CFRP管拉伸破坏为脆性破坏,破坏形态有断裂和炸裂2种,圆形管的断裂应变基本一致,圆形管比方形管的极限抗拉强度略大,断裂应变大16.2%～22.8%,圆形管的力学性能更优异。

2)埋深30,50和70mm表面黏砂的CFRP管均发生拔出破坏,平均黏结强度受环氧树脂砂层与CFRP管黏砂强度控制,所有CFRP均发生树脂砂层脱粘破坏,黏结力主要是黏砂层与混凝土之间的机械咬合力。

3)随着埋深增加,平均黏结强度降低,CFRP管强度利用率增加,平均黏结应力的增加速率降低,采用表面黏砂处理对同埋深下不同规格的CFRP管强度利用率影响不大。黏结长度为70mm时CFRP管的强度利用率能达到抗拉强度的80%～90%。

4)黏结面积越大,平均黏结力越大,平均黏结应力越低,CFRP管表层与内部纤维层存在变形差,纵向应力沿CFRP管厚度存在剪切滞后效应,直径、黏结面积和埋深越大,滞后效应越明显;黏结应力沿着埋置长度方向分布不均匀,相同直径下圆形CFRP管比方形CFRP管黏结性能更好。