（水工结构工程专业论文）HFRP及其与现浇混凝土粘结力学性能研究.pdf

摘要 纤维增强塑料( f r p ) 作为钢材的替代材料在既有土木工程中的加固、补强等方 砸已得到了广泛的应用。但当前大多采用的单一纤维增强塑料补强加固往往存在承载 力不足或延性差等缺陷。同时。删混凝土组合结构是未来混凝土复合结构发展方向 之一，而h f r i 与现浇混凝土问的粘结性能则是以f r p 直接替代钢筋应用于新建混凝 土结构中的关键技术问题之一。针对上述问题，本文对碳玻混杂纤维增强复合材料及 其与现浇混凝土粘结力学性能的试验研究和理论分析，主要包括以下几方面的研究工 作： 通过7 0 组o f r p 和o f r p 片材的拉伸性能试验，研究了纤维布层数对g f r i 、c f r p 拉伸强度、弹性模量和延伸率等性能的影响。研究结果表明，f r p 片材的拉伸强度和 弹性模量与纤维布的层数没有显著相关性，拉伸延伸率随纤维布层数的增加而增加。 通过5 0 组i i f r p 片材的拉伸性能试验，研究了不同的纤维类型、规格及其碳玻 纤维混杂比对h f r p 破坏特征、拉伸强度、弹性模量以及延性的影响。研究结果表明， 玻璃纤维体积率在0 8 左右时，h f r p 强度和弹性模量变化幅度不大，延性较好，可在 此范围内调整玻璃纤维体积率来获得h f r p 的综合性能指标要求。在试验研究的基础 上，提出了基于复合材料力学理论的h f r p 拉伸强度与弹性模量的计算公式a 通过6 0 组h f r p 与现浇混凝土粘结力学性能试验，分析了纤维混杂比、粘结长度 与宽度、粘结方式、混凝土强度以及聚丙烯纤维掺量等参数对湿粘粘结的破坏机理和 粘结性能的影响。结果表明，湿粘粘结破坏均为剥离破坏，混凝土强度与粘结承载力、 剪切强度等有一定的相关性，加入聚丙烯纤维和加大h f r p 片材的刚度可明显提高粘 结承载力、剪切强度和有效粘结长度。在试验研究的基础上，提出了有效粘结长度的 计算模型和计算方法 关键词：碳纤维增强塑料，玻璃纤维增强塑料、混杂纤维增强塑料、混杂效应、 湿粘粘结、有效粘结长度、粘结承载力 a b s t r a c t f i b e rr e i n f o r c e d p o l y m e ro rp l a s t i c ( f r p ) h a sb e e nw i d e l yu s e di ns t r e n g t h e n i n g e x i s t i n gc o n c r e t es t r u c t u r e s a ss u b s t i t u t i o n a lm a t e r i a l so fs t e e l b u t s t r e n g t h e n i n gt h e c o n c r e t es l r u c t o r e sw i t hs o l e f f o e rr e i n f o r c e dp l a s t i ce x j s l ss o m el i m i t a t i o n ss u c ha sl o w e r c a p a c i t ywd u c t i l i t y ，a n d f r p c o n c r e t ec o m p o s i t es t r u c t u r e s r e p r e s e n tt h e f u t u r eo f c o m p o s i t e sf o rc o n s t m c f i o o f r pd i r e c t l ys u b s t i t u t e dt h es t e e lb a ri nt h ec o n c r e t es t r u c t u r e , t h e k e yq u e s t i o n j s b o n d i n gp r o p e r t i e sb e t w e e n 卿a n dc o n c r e t e a i m a l a b o v e - m e n t i o n e d , t h et e s to fh f r pa n db e n d i n gb e t w e e nh f r pa n dc a s t i n g - i n - p l a c e c o n c r e t ea r es t u d i e d , i nt h i sp a p e r m a i ns t u d i e dp r o j e a smi t sf o l l o w i n g ： b a s e do nt h e7 0g i o u po ff r ps h e e tm a t e r i a lp u l l i n gt e s t , t h ee f f e c t st ot h eu l t i m a t e s t r e n g t h , m o d u l u s o f n l a s t i c i t y a n d u l t i m a t e8 t r a i n o f g f r p 、c f r p a r es t u d i e d r e s u l t s s h o w t h a tt h eu l t i m a t es t r e n g c b ，m o d u l u so fe l a s t i c i t yo ff r pi so u to fc o r r e l a t i o nw i t hl a y e r so f f r pa n dw i t ht h ef i s m go fl a y e r sn u m b e ro ff r p t h eu l t i m a t es t r a i no fg f r p 、c f r pr i s e t o o t os t u d yt h ee f f e c tt od i f f e r e n tc f r p g f r pc o m b i n a t i o nr a t i ot oh f r pd e s t r u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c , l o n g i t u d i n a ls t r e n g t h , e l a s t i c i t yc o e f f i c i e n ta sw e l la sd u e t i i i t yi n i u e n c a , 5 0 g r o u po fh f r ps h e e tm a t e r i a lp u l l i n gt e s th a v e b e e nc a r r i e do u t r e s u l t ss h o wt h a tg f r p v o l u m er a t ea b o u t0 8 ，t h eu l t i m a t es t r e n g t h , m o d u l u so f e l a s t i c i t yo fh f r p i sn o n - e v i d a n c e , u l t i m a t es t r a i ni sb e t t e r , w ec a c h i e v et h eb e t t e rc o m p r e h e n s i b i l i t yo fh f r pb ya d j u s f i n g v o l u m er a t eo f g f r eb a s e do nt h ea n a l y s i s , t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao f u l t i m a t es t r e n g t ha n d m o d u l u s o f e l a s t i c i t ya r ca d v a n c e d t h ee f f e c t so fs e r i o u sf a c t o r so ht h ef a i l u r em e c h a n i s mo fw e t - - - b o n g i n ga n dt h e b o n d i n gp r o p e r t i e s l a v eb e e na n a l y z e db y6 0g r o n po f w e t - b o n d i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t r e s u l t ss h o wt h a tb o n d i n gf a i la r ea l lp e e l i n gi nc o n c r e t e , t h ec o n c r e t ei n t e n s i t ya n db o n d i n g c a p a e i t y , t h es h e a r i n gs t r e n g t hh a v et h ec e r t a i nr e l e v a n c e , j o i n i n gt h ep p fa n dr i s i n gt h e s t i f f n e s so fi t f r pa r cp o s s i b l eo b v i o u s l yt oe n h a n c et h eb o n d i n gc a p a d t y t h es h e a r i n g s t r e n g t ha n dt h ee f f e a i v eb o n d 】g t h b a s e do nt h e 锄a l y s i s ，t h em e t h o d0 fc a l c u l a t i o no f e f f e c t i v eb o n d i n gl e n g t hi sa d v a n c e d k e yw o r d s ：a 珉bg f r p , i ；w r p , h y b r i de f f e c t ，w e t - b o n d i n g 。e f f e c t i v eb o n d i n g l e n g t h ，b o n d i n gc a p a c i t y h f r p 盈其与现浇棍耩湿牯粘结力学性能试验研究 i i 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 钢筋混凝土结构的耐久性问题 众所周知，钢筋混凝土结构是土木工程中应用最为广泛的结构型式，钢筋和混凝 土则是土木工程结构中应用量最大、范围最广的建筑材料。然而。掘凝土的开裂以及 继发性的钢筋锈蚀将导致钢筋混凝土结构耐久性的降低十九世纪赫胥黎在研究了达 尔文的进化论后，对于宇宙的自然过程曾得出了精辟而富有哲理的观点：“大自然常常 有这样一种倾向，就是讨回她的儿子一人们从她那儿借去而加以安排结合的，那些不 为普遍的宇宙过程所赞同的东西”。钢筋混凝土结构正是如此，人类从大自然那里通 过开采“借来。矿石，冶炼加工成水泥和钢材。然后制作成混凝土与钢筋，并用这些 材料建设成房屋建筑、道路、桥梁、码头和水利设施等，以满足人类衣、食、住、行 的需要。然而大自然不断通过大气、风雨、阳光、地震、海潮等作用对我们希望耐久 的钢筋混凝土结构进行渗透、化学反应、腐蚀、磨损、断裂等，引起其耐久性失效， 使其回归演化为其本来面目，。讨回”那些本来属于她的东西，人类不得不进行维修、 加周、拆除重建诚然，自然规律是不可违背的，钢筋混凝土结构也像人类一样，具 有生老病死的自然规律。 有调查显示。大多数工业建筑物在使用2 5 - 3 0 年以后即需要大修，处于有害介质 环境中的建筑物使用寿命仅1 5 - 2 0 年，民用建筑和公共建筑使用和维护条件较好，可 以维持5 0 年以上不发生耐久性问题。但其室外构件( 如阳台、雨罩、挑檐等) 一般使 用寿命只有3 0 - 4 0 年i l j 另外，还有很多因素会缩短土木建筑物的使用寿命，如物理老 化、化学腐蚀、功能改变、设计标准的提高等等 2 1 。 发达国家多年的工程应用和实践表明，钢筋混凝土耐久性问题造成的损失己是惊 人的美国标准局o m s ) 1 9 7 5 年的调查表明“。美国每年因腐蚀造成的各种损失为7 0 0 多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占4 0 。就桥梁而言，其5 7 5 万座钢 筋混凝土桥梁中，一半以上出现腐蚀破坏，4 0 承载力不足，必须修复与加固处理， 而因腐蚀破坏所造成的桥梁结构修复费用，1 9 9 8 年度就需要1 5 5 0 亿美元( 约为这些桥 梁初建费用的4 倍) 。据称，这些钢筋混凝土结构腐蚀破坏的原因主要是化冰盐和海洋 环境氯离子对钢筋的侵蚀。其它国家也有不少类似情况，如英国为解决海洋环境下钢 筋混凝土结构的腐蚀与防护问题和修复已损伤的钢筋混凝土结构，每年耗资将近2 0 0 阳种爱其与现浇穗凝土褪粘粘墙力学性能试验研究 亿英镑，英国位于英格兰中部的环形快速道上有1 l 座钢筋混凝高架桥，于1 9 7 2 年 建成，建造时费用仅为2 8 0 0 万英镑。使用两年后即发现钢筋锈蚀，1 9 7 4 年开始维修 在1 9 7 4 1 9 8 9 年的1 5 年内，维修费己高达4 5 0 0 万英镑，已是当初造价的1 6 倍：沙特 阿拉伯于1 9 8 5 年对沿海地区的4 2 座混凝土框架结构建筑物进行的调查表明7 4 的 结构中钢筋锈蚀严重；在日本，引以为自豪的新干线在运行了l o 年后也出现大面积的 混凝土开裂、剥蚀现象丑本运输省曾检查了1 0 3 座混凝土港口码头，发现使用2 0 年 以上的都有大量的顺筋裂缝。 我国钢筋混凝土耐久性灾害最严重的在沿海地区搠，由于我国海岸线很长。存在着 广泛的“盐害”环境，致使许多钢筋混凝土工程在使用期内即发生较为严重的耐久性 病害。青岛市一幢距海岸不足1 0 0 m 处的1 6 层钢筋混凝土结构大楼，建筑面积 0 7 0 0 m 2 ， 结构形式为现浇剪力墙密肋楼盖，肋问填充轻质加气混凝土块，于1 9 8 9 年1 1 月竣工， 1 9 9 0 年4 月交付使用。三年后因楼盖钢筋严重腐蚀致使结构失效。1 6 层棱盖全部拆除； 广西沿海某大桥，位于海水与淡水交汇处，建成运行仅4 年使出现钢筋锈蚀。= 十世 纪6 0 年代，我国曾对华南、华东地区沿海2 7 座钢筋混凝结构的工作状况进行调查， 结果表明，因钢筋锈蚀导致结构损坏的建筑物占调查总量的7 4 。第四航务工程局科 研所对我国华南1 8 座使用7 2 5 年的钢筋混凝土海港码头的调查结果表明，有8 9 的 码头出现钢筋锈蚀，只有两座水灰比较低的码头尚基本完好。对华南地区两港口共2 0 个泊位进行腐蚀破坏情况的调查表明，二十世纪8 0 年代建成的许多码头使用5 1 4 年 后，普遍出现宽度为l 3 n u n 的顺筋裂缝。 。 ” 上述情况表明，由于钢筋、混凝土材料自身所存在的缺陷，使得钢筋混凝土结构 耐久性较差，在各种不利环境条件下因钢筋锈蚀和混撮土病害导致的结构失效频频出 现，而钢筋锈蚀则是钢筋混凝土结构失效的主要原因之一。多年来，土木工程界一直 在努力寻求解决钢筋锈蚀的方法，例如采用电镀法、阴极保护法、树脂涂层法，混凝 土添加荆法等。但至今仍未能彻底防止钢筋锈蚀的发生。如何解决这一问题已成为学 术界与工程界极度关注、亟待解决的重要课题。近年来，纤维增强聚合物复合材料以 其轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳等诸多优于传统建筑材料的特点，正逐步应用到土木 工程领域，且应用范围愈来愈广。 1 , 1 2f r p 的工程应用及其问题 纤维增强聚合物复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e ro rp l a s t i c ，简称f r p ) 白2 0 世纪中叶问世以来，以其具有较高的强度、刚度、耐腐蚀性，以及较强的可设计性等 诸多优点己在航空、航天、汽车工业等领域取得了十分成功的应用，并有可能代替 钢材而为其在土木工程基础设施中的应用开拓更为广阔的前景。2 0 世纪8 0 年代后期以 来，美国、日本、英国、加拿大等国政府部门和基金会都给予f r p 在土木工程领域的 基础与应用研究以巨大的资金支持，如美国国家自然科学基金( n s f ) 、日本国家研究 项目( n r p ) 、欧洲的尤里卡计划等，相关国际会议也频频举行。近年来，f r p 已经作 2 h f r p 及其与现浇棍凝土淫粘毫占结力学性能试验研究 为钢材的替代材料在既有土木工程中的加固、补强等方面得到了广泛的应用 5 - h ，并取 得了良好的社会效益和经济效益。 在大量研究和工程实践的基础上，受钢筋混凝土组合结构应用成功的启示，美国 学者霍尔( h a l l ) 和莫特兰姆( m o l tr a m ) 于二十世纪九十年代提出了f r p 一混凝土复 合结构的新概念，并指出f r p 一混凝土复合结构代表着未来复合结构的发展方向之一。 f r p 一混凝土复合结构是指在建造新结构时就采用f r p 代替钢材，并与混凝土复合进 而形成的新型组合结构形式，目前主要有f r p 管一混凝组合构件和f r p 一混凝土组 合粱构件两种类型。f r p 一混凝土组台梁是由位于受拉区域的预制f r p 箱粱或f l i p 壳、 f r p 板和位于受压区域的实心或空心的混凝土所形成的梁式承重构件，主要应用于耐 久性要求更高的新型桥梁、港口和海洋工程结构的建造。其中，f r p 起着永久性模板、 参与承载、约束混凝土以及抵抗潮湿、腐蚀等恶劣环境影响等作用，而受f r p 约束的 混凝土的强度和韧性在宏观上则有较大幅度的提高。高性能f r p 与混凝土蘩密结合在 一起共同承受荷载，综合了f r p 比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗震性能好、耐疲劳、 可设计性强等优点和混凝土抗压强度高、成本低等优势，是一种受力合理、施工便利、 造价经济的新型结构形式，将在一些特殊的使用环境中显示其独特的优点。近年来 f r p 混凝土组合结构已逐濒成为2 1 世纪研究的热点1 7 。1 q ，美国联邦高速公路局将研究 经费的8 0 用于与f r p 复合材料有关的研究开发，斥巨资启动的“创新桥梁研究和结 构计划( i 腿c ) ”仅在2 0 0 3 年就拨款2 1 0 0 万美元用于资助复合材料在基础设施中的 研究和推广，以推广这一新材料和新技术 6 1 。随着f r p 一混凝土组合结构性能研究的逐 步开展，已有在工程中的应用实例出现 然而，在既有的f r p 增强加固掘凝土结构以及f r p 混凝土组合结构系统中，尚 有诸多技术闯题值得关注和解决，突出表现在；( 】) 一般采用碳纤维增强塑料( c f r p ) 或者玻璃纤维增强塑料( a h 心) 等单一纤维复合材料进行补强加固。但是c f r p 延性 较差，而g f i 冲虽具有较好的延性，但其弹性模量较低。这种单一纤维复合材料增强 的方法难以达承载力、剐度和延性的协调统一。采用c g 混杂纤维增强塑科( h f r p ) 以综合发挥c f r p 的高强度和g f r p 的高延性的优点，将是解决f r p - 混凝土组合结构 承载力、刚度和延性的协调统一的有效途径。( 2 ) 在f r p 一混凝土组合结构中，一般 采用f r p 波纹板或者在f r p 表面设置剪切键的机械连接方法来保证f r p 与混凝土间 的界面粘结力和矸心与混凝土的共同作用。这种连接方式不仅造成造价高昂，施工不 便，而且剪切键的存在容易造成混凝土中的应力集中和受拉区混凝土裂缝的局部化， 从而造成严重的局部破坏、局部剥离等。很难得到期望的结构性能。f i 啦与现浇混凝 土间的粘结技术及其粘结性能已成为f r p 一混凝土组合结构发展与应用中亟待解决的 婀题。 鉴于上述，系统研究能综合发挥c f r p 的高强度和g f r p 的高延性等各自优势的 混杂纤维增强塑料( h y b r i df i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e ro rp l a s t i c ，简称h f r p ) 材料的力 学性能以及h f r p 与现浇混凝土的粘结技术和粘结性能，将具有重要的理论意义和工 h f r p 厦其与现浇禚凝土髭牯轱结力学性能试验研究 程应用价值。 1 2 纤维增强塑料力学性能研究现状 白f r y 材料问世以来，各国学者对f r p 的力学性能进行了大量研究，表明了f r p 具有较高的比强度、较好的弹性性能以及优于传统结构材料的抗疲劳性能【l “ 7 0 年代起，碳纤维等高性能纤维和增强热塑性塑料受到重视。一方面在纤维表面 引入聚合物涂层以优化复合材科的强度和韧性成为工业开发和基础研究中的热点；另 一方面，热塑性聚台物因纤维的存在而产生的结构形态变化以及对复合材料性能的影 响形成了纤维增强复合材料领域中的新课题。与此同时，以微细观力学试验和有限元 分析为主流的复合材料力学研究开始考虑第三相( 界面相) 的存在以d r z m l l 习在论 文标题中使用界面相这一术语为标志，纤维复合材料界面工程的研究进入了新的阶段； 以准确把握纤维处理过程和复合材料加工工艺对界面层结构的作用及三维的界面相物 质与复合材料性能之间关系为目的而进行的界面研究。重新成为材料科学与工程领域 中的一个十分活跃的分支。随着对界面认识的不断深入，发现复合材料界面是在热， 化学和力学等环境下形成的体系，具有极为复杂的结构1 1 m 。资料表明，国内外学者围 绕表征和改善界面的结构性能以及探求界面微观结构和性能与复合材料综合性能的关 系等方面进行了大量的研究工作归纳起来，主要包括以下几个方面的内容， ( 1 ) 界面层的结构，主要包括：硅烷偶联剂形成的界面结构、纤维界面化学结构对 热同性基体界面层结构的影响、聚合物涂层引入的基体界面层、纤维表面化学结构和 形貌对热塑性基体界面层结构的影响等。 ( 2 ) 界面层的控制，主要包括：纤维表面处理、复合材料界面应力的控制、界面化 学反应及界面稳定性控制等。 ( 3 ) 界面应力传递及界面破坏机理，主要包括：界面应力传递机理m 、界面破坏 机理【1 0 - 1 1 等。 ( 4 ) 界面层结构和性质与复合材料性能的关系，主要包括：涂胶层或聚合物涂层的 存在对热固性碳纤维复合材料宏观性能的影响、热塑性复合材料等。 在以上诸多方面的研究中，以对界面的研究最为热门5 0 年代初，由c o x 1 4 和 h o o p e i i ”魄出了一维界面应力传递模型的概念：6 0 年代中，z i s m a n | 嘲提出了粘结表面 张力的概念；p l u d d e m a n i ，e r i c k s o n 0 1 ”i k u m i m s i 9 1 等人发表了有关界面理论的著作， 美国试验与材料协会( a s t m ) 还出版了“复合材料界面”的专著7 0 年代以来，研 究者开始对界面的各个方面进行了系统而全面的研究，d o v j 2 0 l , r o s e n 2 ”等人在c o x 的一维座力传递模型和剪滞分析方 去的基础上。建立和发展了一系列的新的界面应力 模型，得到了界面应力传递更为接近实际的结果；1 9 6 6 年b r o u t m a i l 【丑】采用直接挤压方 法对增强材料和基体材料间的界面性能进行了研究，取得了很好的效果；m a i 等田j 对 纤维和基体材料的三种界面粘结状况即充分粘结、部分脱粘和完全磨擦粘结进行了 h f r p 及其与现挠掘壤土湿牯牯绪力学性能试验研究 深入细致的研究。k e l l y 和t y s o n i ”o l 、b r o u t n l 渊，p 绝g o 扩”1 1 、l a r r e n e e p 2 j 、 b a r t o s 田j 、0 u t w a t e r ”j 等人还提出了界面粘结强度的测量方法，其中，k e l l y 还阐述了 复合材料界面研究中有关复合材料断裂纤维临界长度与性能的关系。z w e b e n t ”j 研究了 基体断裂，损伤、疲劳、界面破坏、界面强度与复合材料力学性能间的关系。1 9 7 4 年， 美国出版的复合材料丛书中，有两卷是阐述复合材料界面的专题。些在国际上有影 响力的力学专家如c h a i n s 、a d n s 等研究了界面形状对复合材料宏观力学性能的影响， 提出了大量的微观理论模型，使得界面问题韵研究从物理化学的研究转入到力学行为 的研究大大推进了界面科学的研究和发展从而从根本上研究了界面的力学作用、 破坏杌理以及界面的破坏模式，g e n t 和w a n g 及l i u 等还在他们的研究分析中强调了纤 维开裂和界面脱粘这样的实际问题对复合材料性能的影响。 我国对界面方面的研究起步比较晚，例如中国科学研究院的化学研究所对碳纤维 表面处理问题进行细致的研究南京玻璃纤维研究院对纤维表面处理进行了长期的研 究，上海交通大学研究了金属墓复合材辩界面等问题，中山大学材料研究所对聚合物 复合材料界面问题开展了研究 在f r p 力学性能研究和大量工程应用的基础上，为克服c f r p 、g f r p 等单一f i u p 所 存在的强度与延性等性能指标之间的矛盾，h f r p 的研制及其力学性能的研究也应运而 生。已有初步研究成果。 t t f r p 是由两种或两种以上的纤维增强同一种树脂基体的复合材料，通过协调匹 配，取长补短，产生协同混杂效应。它不仅综合性能优于单一纤维增强塑料( f r p ) ， 而且可降低成本，被誉为2 1 世纪f r p 的主导方向对h f r p 各组分材料进行合理的优化 匹配以提高f r p 的延性并发挥其综合性能将是综台解决h f r p - 混凝土组合构件承载力， 刚度和延性问题的有效手段，也是f 羽婶一混凝土组合构件的关键技术问题之一。 吴智深等人1 3 5 - 3 6 通过测试由高弹模碳纤维布( c 7 ) 高强度碳纤维布( c 1 ) 和高 延性玻纤布组成的h f r p 的单轴拉伸行为，研究了纤维布层间混杂特性，并提出了预测 h f r p 逐步断裂时应力转移的宏观力学模型，用以进行h n 冲加固混凝土结构力学性能 的有限元分析；杨建中p 、纪梓斌口q 等对层间混杂的h f r p 单向拉伸性能进行了试验研 究，结果表明，用进i j c f r p 与国产g f r p 混杂产生的混杂效应使h 研心中的c f r p 的断 裂延伸率及其性能发挥率都较单一c f r p 有显著提高，h f r p 具有一定的塑性性能，且 成本降低。 纵观现有研究成果可以看出，对研冲力学性能的研究大多局限于单一纤维增强塑 料，有关h f r p 材料的力学性能研究还较少。由于h f r p 的性能、工作机理和破坏过程 与l 弹r p 中各组分的种类和性能、界面状态、内部随机缺陷等多因素密切相关，h f r p 具有较单f r 嘎为复杂的力学特征和工作机理，致使迄今尚未得到具有普遍意义的 h f r p 力学模型和相应的混杂效应理论。 哪种及其与现瓷混凝士艰拈粘结力学性能试验研究 1 3 纤维增强塑料一混凝土粘结性能研究现状 湿法粘结技术( w e t - b o n d i n g t e c h n o l o g y ) 是为解决已往f r p - 混凝土组合结构中由 f r p 与混凝土间的剪切键机械连接方法所带来的弊端而提出并发展起来的一种创新粘 结技术。所谓湿法粘结技术是指在f r p 一混凝土组合结构中，于工程施工现场在f r p 壳内部或f r p 型材的表面均匀涂刷高品质树脂，然后直接浇注混凝土，通过湿树脂实 现f r p 壳与现浇混凝土的均匀化学粘结。湿法粘结技术不仅可以避免因采用剪切键的 机械连接方式所带来的诸多力学和工作性能方面的缺陷同时又具有造价经济和施工 方便等优点。湿法粘结技术是相对于“干法粘结( d r y - b o n d i n g ) ”而言的。于法粘结主 要用于f r p 增强加固钢筋混凝土构件中，它是在既有混凝土结构上涂刷树脂，然后粘 贴f r p 材料，通过树脂使f r p 与既有混凝土粘结在一起共同受力。湿法粘结与于法粘 结的最大区别就在于混凝土基体的差异和对树脂性能的要求。干法牯结的混凝土基体 是已经硬化并具有一定强度的既有混凝土。而湿法粘结的混凝土基体则是新拌混凝土； 用于湿法粘结的树脂必须具有适宜的强度、粘度和较好的水溶性。正是由于混凝土基 体和对树脂性能要求的差异，使得f r p 与现浇混凝土的粘结问题同f r p 与既有混凝土 的粘结有很大区别从而成为f r p 一混凝土组合结构的技术关键之一。 众所周知，f r p - 混凝土问的粘结强度关系到f r p 与混凝土间共同工作的能力，关 系到f r p 一混凝土组合结构的破坏形态和破坏特征。其界面间的牯结滑移关系则是f r p 一混凝土组合结构受力分析的基础。杨勇新等 3 9 4 l 】基于试验研究，对不同受力状态下碳 纤维布与混凝土的粘结强度和粘结破坏面特性进行了分析，提出碳纤维布加固混凝土 结构的粘结强度设计指标，解释了不同受力状态下粘结强度不同的原因。吴智深等1 4 “、 袁鸿等咿l 、j f c h e r tl 珥】对f r p 一混凝土淘粘结强度、粘结精移和粘结界面的断裂特 性等进行了试验研究和理论分析k c u n h e e ”l 采用粘砂法使f l i p 与现浇混凝土粘结， 通过纯剪试验和理论分析研究了f r p 一现浇混凝土问的粘结特性，提出了f r p - 混凝土 的粘结滑移模型。由于f r p 一混凝土界面受力情况的特殊性，通常很难通过试验直接获 得牯结滑移关系。近几年来，众多学者在试验和理论分析的基础上提出了一些粘结强 度模型和界面粘结滑移模型【4 6 ”l ，包括c h e n & t e n g 模型、m a e d a 模型、t a n a k a 模型、h i r o y u k i w u 模型、g e m e r t 模型、n e u b a u e r r o s t a s y 模型、k h a l i f a 模型、c h a a l l a l 模型、i z u m o 模型、s a t o 模型，i $ o 模型、杨勇新模型等粘结强 度模型和n a k a b a 模型、m o n t i 模型、d a i & u e d a 模型、u e d a 模型、n e u b a u e r r o s t a s y 模型等界面粘结滑移模型。由于剥离强度量测容易，试验数据多，自1 9 9 6 年以来，粘结强度模型不断得到改进近期的几个模型( 杨勇新模型，c h e n t e n g 模 型等) 已经与试验结果吻合得较好。而界面粘结滑移关系的试验量测非常困难，相关的 理论研究也很少因而现有的粘结滑移模型虽然能够在一定程度上反映界面剥离行为 6 i t f r p 豆其与现藏混凝土湿粘牯结力学性能试验研究 的主要特征，但与试验结果之间的差距还是比较大。陆新征等瞄】在总结了现有诸多模型 的基础上，根据细观单元有限元的研究结果对f r p - 混凝土界面粘结滑移本构模型进行 了研究，建议了界面本构模型以及界面剥离强度计算公式，用以预测f r p - 棍凝土界面 的剥离强度和剥离过程，且与试验结果具有较好的相关度。李趁趁删通过正拉粘结强 度试验与剪切粘结强度试验，研究了不同环境条件下f r p 与混凝土之问的界面粘结性 能及其破坏机理。 上述国内外对f r p - 混凝土间粘结性能的研究虽然较多，但大多局限于单一f r p 与硬化后混凝土间的干法粘结主要用于既有混凝土结构的增强加固，而f r p 与现浇 混凝土的湿法粘结研究较少1 4 5 j ，h f r p 与现浇混凝土的湿法粘结性能研究则更为少见。 邵- - , 6 , 等j “明采用日产高弹性模量的c f r p 和高延性的g f r p 混杂形成h f r p ，进行 了h f r p 与现浇混凝土湿法粘结性能的探索性试验，研究了界面处理方式、粘结树脂 类型等对h f r p 一混凝土湿法粘结性能的影响结果表明，h f r y 与现浇混凝土问的湿 粘粘结性能良好。可以达到h f r p 与硬化后混凝土的千粘粘结强度，井根据h f r p 一弼 凝土组合粱的四点弯曲试验，验证了湿法粘结技术的可行性。 1 4 本文主要研究内容 ( i ) 通过c f r p 片材和g f r p 片材的拉伸性能试验，分析构成f r p 片材的不同纾 维布规格、纤维布层数等对f r p 片材的强度、变形等力学性能的影响，为进一步研究 h f r p 片材力学性能的混杂效应提供依据。 ( 2 ) 通过c f r p 片材、g f r p 片材、c g h f r p 片材的拉伸性能试验，研究h f r p 的拉伸破坏形态及其破坏形态特征，分析构成f r p 片材的不同纤维布类型和规格、纤 维布层数等对h f r p 片材的强度、变形等力学性能的影响规律探讨h f r p 片材的合 理匹配及其混杂效应。 ( 3 ) 通过 珊盱片材与现浇混凝土间的湿法粘结性能试验，分析混凝土强度，粘 结方法以及构成f r p 片材的不同纤维布类型和规格、纤维布层数、粘结长度和宽度等 参数对i 王f r p 一现浇混凝土问粘结承载力和有效粘结长度的影响规律，研究h f r p 一现 浇混凝土粘结界面的粘结应力分布以及荷载界面滑移关系。 1 4 v r p 及其与现瓷混凝士拯粘粘靖力学性能试验研究 第二章单一纤维增强复合材料的拉伸性能试验研究 2 1 前言 目前，纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i co rp o l y m e r ，简称f r p ) 在我国 应用比较多的是纤维增强塑料片材或板材，主要包括玻璃纤维片材( g f r p ) 、碳纤维 片材( c f r p ) 和芳纶纤维片材( a f r p ) 等，尤其是碳纤维布与玻璃纤维布已广泛应 用于我国的建筑结构增强与加固工程中。这种状况的出现主要是由于以下几方面的原 因：( 1 ) 国内外对g f i 冲的研究比较旱，相对成熟；g f r p 材料具有高强、质轻、耐久 性好等优良性能；g f r p 应用技术的标准化进程加快；研究g 矸心的机构增加使得f r p 加固理论在我国日益成熟；0 f r p 材料价格的大幅下降等。( 2 ) 相对于g f r p ，c f r p 发展相对较晚。c f r p 是一种力学性能优异的新材料。特别突出的是具有较高的抗拉强 度( 是普通钢材的十倍) 和弹性模量，重量轻( 比重仅为钢铁的五分之一) ；耐久性好， 可抵抗因化学腐蚀和恶劣环境气候变化所导致的破坏。然而，碳纤维原丝和成品价格 的高眉不下一直是制约碳纤维加固技术发展与应用的瓶颈之一。近年来，碳纤维原丝 价格大幅度下跌，已由过去每公斤1 0 0 美元降至3 0 美元左右虽然碳纤维原丝产量较 高的国家和地区依然是日本、美国和中国台湾等，但采用进口原丝加工编织的国产碳 纤维布已逐渐占领建筑市场并得以迅速发展。( 3 ) 芳纶纤维的特点是拉伸强度高，冲 击性能好，弹性模量比g f r p 高一倍左右，约为c f r p 的0 8 倍；具有良好的热稳定性 和耐介质性能。但易受各种酸碱侵蚀，尤其是强酸的侵蚀，耐水性能也不尽人意，因 而在工程应用中受到了一定的限制。随着a f r p 生产工艺和生产技术的逐步改进，产 品性能已较以往有较大改善，并逐渐得到工程界的认可。 本章通过单一纤维增强复合材料的力学性能拉伸试验，以探讨其拉伸力学行为及 其影响因素，为进一步研究h f r p 的强度、变形等力学性能奠定基础。 2 2 试验简介 2 2 1 试验材料 2 2 1 1 纤维布 本次试验所用f r p 片材系采用国产碳纤维布或玻璃纤维布进行浸渍得到，其中 g h f r p 及萁与现桡混疆土提粘粘鳍力学性能试验研究 碳纤维布与玻璃纤维布各两种规格型号，根据碳纤维布与玻璃纤维布生产商所提供的 资料其浸渍片材力学性能检验结果如表2 ，1 所示。 纤维布面密度理论厚度弹性模拉伸强度 片材类型 延伸率( 9 句 规格( g r e ) ( m m ) 量( g p a )( m p a ) 碳纤维 c f w 2 0 02 0 00 1 1 12 6 73 9 2 0 1 4 0 c f w 3 0 03 0 00 1 6 72 3 83 7 7 01 5 0 g f w 4 3 0 - - e4 3 00 1 6 99 51 7 4 01 9 0 玻璃纤维 g f w 9 0 0 - - e9 0 00 3 5 4s j1 7 1 12 2 6 2 2 1 2 基体 试验用纤维浸渍基体为国产某型号双组分建筑结构胶，根据生产商所提供的资料， 其技术参数指标如表2 2 所示。 表2 2 纤维浸渍基体性能指标( 公司提供) 密度拉伸剪切强度拉伸强度抗压强度 拉伸断裂抗弯曲正拉粘结 弹性模量 伸长率强度强度 ( i g c m ) ( 庄 a )( h f p a )( 俨a )( 帆) ( ) ( h 伫a )( h 心a ) 3 6 且混凝 1 31 9 44 0 17 8 82 46 6 92 3 0 0 土拉坏 2 2 2 试件设计及制作 本试验针对c f r p 和g f r p 两种单纤维增强塑料片材的强度与变形性能进行试 验研究，为进一步研究h f r p 的力学性能及其混杂效应提供基本依据。对各两种规格 的两种纤维布以不同的纤维布叠层数为变化参数，采用手糊法制作f r p 片材试件，共 1 4 组7 0 个试样，详见表2 3 。 表2 , 3 试件分组设计 试件数量 5555555 面密度( g m 2 ) ；i 、i i 、1 1 、分别代表构成f r p 片材的纤维布叠层数。 9 即珊厦其与现浇混凝土湿轱枯结力学性能试验研究 试件制作参照规范g b 3 3 5 4 1 9 9 9 定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法翱进行， 井根据试验条件和纤维片材中每股纤维束的实际宽度确定拉伸试样的形状和尺寸。如 图2 1 所示。 。：红丝苴挝一一：! ! ! ! 竺习 亡二二= = = = = = = 了一一：= = = = = 图2 1 拉伸试样形状及尺寸 试件采用手糊方法制作，程序如下； ( 1 ) 在平整桌台上铺放一层塑料薄膜，以避免浸渍树脂胶体与桌台粘结； ( 2 ) 在塑料薄膜表面涂刷一层浸渍树脂，并将事先按照一定尺寸裁剪好的纤维布 平整地摆放在塑料薄膜上，然后在纤维布上面再涂刷一层浸渍树脂： ( 3 ) 用橡胶辊碾压纤维布表面，使浸渍树脂完全浸入纤维片材中，然后用塑料刮 板刮出多余的树脂； ( 4 ) 将浸渍完毕的纤维片材置放于室内自然环境中进行固化处理5 7 天； ( 5 ) 将加强用的环氧树脂纤维板裁剪成与试验片材相同的宽度，用粘结剂粘贴在 f r p 片材试样两端的正反面上，并加压置放于室内使之牢固粘结，试样制作完毕。 为防止试件在拉伸试验过程中由于应力集中而使试件在加强段与测试区连接处拉 断，在设计f r p 片材时，应使加强段有不大于4 5 。的三角过渡区。成型后的试样形状 与尺寸见图2 2 2 3 。 图2 2 玻璃纤维片材 图2 3 碳纤维片材 h f r p 及其与现浇棍凝土馒粘粘结力学性能试验研究 2 2 3 试验方法 2 2 3 1 加载方式 试验在郑州大学河南省工程材科与水工结构重点实验室的5 0 k n 微机控制电子万 能试验机上按照定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法( o b ，r 3 3 5 4 1 9 9 9 ) 中的有关 规定进行，以l m m m i a 的变形控制试样加载速率，连续加载，直至试样被拉断破坏。 试验装置如图2 4 2 5 所示。 图2 4 试验装置 2 2 3 2 测试内容与方法 圈2 5f r p 试验 本试验中主要测试内容有纤维片材( g f r p 和c f r p ) 的荷载( 应力) 一变形( 应 变) 关系曲线、极限破断荷载和破断变形、试件破坏现象和破坏形态等。试验初期使 用引伸计测试f r p 片材在控伸荷载作用下的变形量。直至f r p 片材发出断裂声，然后 取下引伸计，改用试验机变形计量测f l i p 的拉伸变形量；荷载由试验机荷载传感器测 定。整个试验过程中，所有试验数据均通过电脑自动数据采集系统采集记录 2 3 主要试验结果 本次试验主要通过f r p 片材拉伸试验的破坏现象、拉伸荷载变形曲线等，按照 h f r p 厦其与现浇翘凝_ 士：湿牯牯结力学性雌试验研究 定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法( g b 3 3 5 4 1 9 9 9 ) 确定f r p 的极跟抗拉强度、 弹性模量、延伸率等力学性能参数。然而，由于f r p 片材内部缺陷的随机性及试验夹 具对f r p 片材拉伸破断特征的影响，并非所有试样的试验结果均为有效数据。根据规 范规定，本文根据拉伸试验现象和片材的断裂位置来确定该组数据是否有效：若断裂 面位于工作段内，则数据有效；若断裂面位于工作段之外，则数据无效，弃用。c f r p 和o f r p 片材的的抗拉强度、弹性模量以及最大延伸率等力学性能试验结果列于表2 4 表2 a 主要试验结果 2 4 试验结果分析 2 4 1 复合材料及其破坏机理 复合材料是一种由多种物质成分组成的非均匀多相材料，从结构上来说。它可以 看作是由增强相( 纤维或者颗粒状填料等) 、基体相( 聚合物、金属或者陶瓷等) 和介于 两者之间的界面相所组成的三相材料。三者在复合材料中分别起着不同的作用：增强 相主要起承载作用：基体相主要是将增强相粘结在一起。并传递应力至增强相；而界 面在复合材料中起着特别重要的作用州】，它不但是复合材料中基体相和增强相之闻的 桥梁，是增强相能够充分发挥其提高承载作用的纽带，对复合材辩的物理、化学及