CFRP混凝土界面的动力性能试验研究

1、CFRP混凝土界面的动力性能试验研究摘要：碳纤维增强聚合物（CFRP）片/板被广泛用于加强缺陷钢筋混凝土结构。现有的研究表明，外贴CFRP材料的有效性通常取决于CFRP元件和混凝土之间的结合。目前的研究成果大多集中在静态荷载作用下碳纤维混凝土界面粘结性能研究。在这项工作中，粘结性能进行了实验研究从动态的角度来看，通过落锤冲击试验方法，以突出的负载率的影响的粘结强度的目的。测试结果表明，该应变分布梯度碳纤维复合材料在冲击载荷下的载荷比静态载荷下大，而只有适度影响有效键长。一个实际的粘结滑移模型被提出来在动力条件下模拟CFRP对混凝土界面的粘结性能。此外，从给定的一些现有的公式开始，制定准确的设计

2、方案的基础上，在冲击荷载作用下，预测碳纤维复合材料的有效粘结长度和粘结强度。DOI: 10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000677. 2016 American Society of Civil Engineers.关键字：碳纤维增强聚合物(CFRP); 粘结强度;界面行为; 弯曲试验;动态负载。简介已经恶化的混凝土结构需要升级的数量不断增加。在过去的几十年里，通过粘接复合材料，以加强现有的混凝土结构的数量稳步增加(Teng et al. 2001)。已对加固聚合物（FRP）加固混凝土结构进行了广泛的研究(Teng et al. 2001; Nanni 2003; Ri

3、zkalla et al. 2003; Oehlers and Seracino 2004)。该技术的有效性主要取决于在FRP板材和混凝土基材之间的键的强度。FRP筋与混凝土之间的粘结性能进行了广泛的研究，一些研究已经由外部应用FRP加固混凝土结构，例如, ACI 440.2R-08 (ACI 2008), FIB 2001, CNR 2004, and EN 1998-3 (CEN 2005)。特别是，一些经验公式已经提出了粘结强度，有效粘结长度，粘结滑移模型。对FRP板与混凝土粘结性能的试验研究采用单剪试验(Täljsten 1997; Khalifa et al. 1998;

4、Bizindavyi and Neale 1999; Yao et al. 2005; Dai et al. 2005; Woo and Lee 2010), double shear tests (Brosens and Van Gemert 1997; Nakaba et al. 2001; Cao et al. 2007; Schilde and Seim 2007; Pellegrino et al. 2008; Xue et al. 2008)，和修正光束测试(Miller and Nanni 1999)。单剪和双剪切试验是常用的测试方法，是因为他们的设计和操控方便简洁。在实验测试的

5、基础上，研究了影响钢纤维混凝土接头粘结性能的一些参数(Khalifa et al. 1998; Chen and Teng 2001; Lorenzis et al. 2001; Yang et al. 2001; Dai et al. 2005; Lu et al. 2005; Leung and Tung 2006; Leung et al. 2006; Zhou et al. 2010; Wu and Jiang 2013; Tao and Chen 2015)根据实验结果和断裂力学理论，提出了各种模型对混凝土接头粘结性能的预测。土木结构在其使用寿命期间内可能承受动力荷载，如爆炸，撞击，

6、地震。一些实验和数值模拟研究表明，钢筋混凝土结构的延展性和抗冲击性可以通过使用外部增强FRP钢筋提高(Buchan and Chen 2007; Razaqpur et al. 2007; Wu et al. 2009; Hao and Tang 2010; Nam et al. 2010; Ha et al. 2011)。然而，有限的实验结果表面，在爆炸荷载作用下FRP加固结构只有定性的特征和无法解决的冲击机制(Buchan and Chen 2007)，爆炸缓解有效性和外部的百分比改善FRP钢材料没有得到确认(Razaqpur et al. 2007; Wu et al. 2009)。用高

7、应变率相关材料模型和剥离破坏模型中的精致数值分析(Nam et al. 2010)，用于评估FRP改造效果进行。基于理想的线性局部粘结滑移关系和动态粘结强度与静态粘结强度相同的假设，提出了冲击压力下的剥离破坏模型(Lorenzis and Tegola 2005)，并基于理想的线性局部粘结滑移关系建立了粘结模型。试验结果表明(in Shi et al. 2012)，FRP与混凝土界面的粘结性能是与应变率敏感，和界面断裂能、最大的FRP应变和最大剪应力与应变率的对数函数呈正相关。不幸的是，在测试(Shi et al. 2012)中测得的应变率小于0.1/秒。对CFRP与混凝土之间的粘结影响的影响

8、缺乏认识。本文旨在填补这一知识不足。为了实现这一点，进行了一系列的三点弯曲试验，在不同的负载率下，调查负载对碳纤维片材-混凝土界面的粘结性能的影响。本文介绍了冲击试验的总结和对一些讨论的测试结果。动态测试结果与那些静态弯曲载荷的试样进行比较，以突出不同的加载速率的影响。基于断裂力学，测得的粘结应力-滑移曲线在碳纤维布-混凝土界面的冲击试验获得的双线性法建模。该模型可以合理预测在有效键长和冲击载荷下碳纤维布混凝土界面的极限荷载。实验计划材料使用30MPa抗压强度的混凝土进行研究。粗骨料是5-20毫米的碳酸酯类砾石，细骨料是常见的二氧化硅基河砂。水泥采用波特兰水泥，混凝土配合比为水泥：水：细骨料：

9、粗骨料=1:0.6:2.2:3.58。28天后平均立方体强度（fcu）、气缸强度（fc）、和弹性模量（Ec）分别为大约35.2、29、28,000MPa。测得fcu、fc、Ec平均标准值分别为37.3、 28、和30,900 MPa。商业产品（HITEX-C300）作为用于FRP板材被使用，是一个标称厚度为0.169毫米的单向丝束碳纤维片材。试样拉伸试验按照ASTM D3039（ASTM 2008）和GB/T 3354-1999 (GB 1999)测量GFRP的力学性能。测得的静态性能的拉伸强度，弹性模量，和极限应变分别为3587 MPa、236 GPa和1.52%。在环境温度下测试中使用了固

10、化环氧粘合剂和环氧树脂底漆。该粘合剂具有更好的柔性的和弹性，并且具有非常高的剪切强度和良好的抗湿性。测得混凝土的静态拉伸强度、剪切强度、拉伸强度、弹性模量，和环氧树脂的极限拉伸应变分别为65 MPa、20 MPa、3.6 MPa、3200 MPa和2%。所测得混凝土的底漆的抗剪强度和拉伸强度为分别为20和3.5兆帕。试样制备对混凝土粘结性能的测试可以通过不同的试验装置来确定：双剪试验，单剪试验，梁（或弯曲）试验，和修正的梁试验(Yao et al. 2005; Chen et al. 2012)。剪切试验不容易在冲击载荷下进行，而弯曲试验中的测试设置方面具有明显的优势。弯曲试验必须进行仔细，因

11、为在混凝土中的曲率和裂缝的存在可以影响粘结的行为(Chen et al. 2001, 2007; Teng et al.2006)。这些影响可以通过硬化混凝土块，足以避免混凝土开裂的最小界限，通过纳拉亚纳·穆尔蒂等人观察到（2010），由陈等人（2012）在冲击荷载作用下对FRP进行混凝土粘结性能试验得到。三点弯曲试验的另一个优点是，测试光束可以被加载到失败，以模拟在剪切下FRP板材混凝土界面的机械性能（即，由于应力平行的界面）和剥离（即，由于强调垂直于界面）应力(Zhao and Zhang 2007)。因此，采用弯曲试验研究了冲击载荷下FRP对混凝土的粘结性能。图1显示钢筋混凝土

12、梁试样的细节应变计的布局。混凝土梁由两混凝土棱柱体，其细节如图1所示，连接在一起的两钢在受压区钢筋和碳纤维板粘贴到棱镜的下方，其细节如图1所示。两根钢筋被放置以便于制造和安装试验样品。钢棒的设计的目的是试样在起重和安装时不经历任何塑性变形，特别是在测试过程中。抗剪箍筋也被用来避免混凝土块受到剪切破坏。两个混凝土块之间的间隙被设定为10mm。 510mm的长度和50mm或80mm宽的CFRP中的一个或两个层粘在梁底。右侧是由上一个额外的100mm宽、200mm碳纤维复合材料片材以防止滑完全结合。左边的有粘结和无粘结长度分别为200毫米和50毫米。混凝土试样的表面被砂磨以暴露骨料和平滑混凝土表面粘

13、接制备。混凝土的表面通过水清洗，以除去任何灰尘和疏松的碎屑。空气干燥后，用丙酮清除掉脂和油的任何沉淀物。然后将FRP片材切成表1所示，并使用粘接剂粘接到混凝土表面的尺寸。环氧树脂进行混合，然后使用抹子和浸渍辊施加。二十三个外部粘贴碳纤维片材的试样进行了测试使用的弯曲测试设置。十七个相同的试样在冲击载荷下进行了测试。通过改变下列参数进行调查：l v的影响，通过改变跌落高度（H¼200，400，和600毫米）的落锤；l CFRP片材的粘结宽度（BF¼50毫米和80毫米）；l 碳纤维片材层的数目，n。此外，还测试了六个梁试件在静载荷作用下获得碳纤维混凝土的静态粘结性能。混凝土梁试

14、样的细节在表1中给出。在目前的实验方案，进行了实验准备样品，并在速度范围从1.40到3.13m/s来发现粘结强度、有效的键长，沿键长应变分布和失效机理的装载率的影响在不同速率下测试。在这项研究中的实验测试分为三组：C50-1和C50-2系列试样用50毫米宽的单帘布层和两层碳纤维片材，和C80-2系列用80毫米宽的两个试样-ply碳纤维布。测试装置和仪器静态试验梁在三点弯曲失败研究的力学行为对FRP混凝土界面极限（赵、张2007）。在两端简支的标本，990毫米的跨度。一个大小150×120×40毫米橡胶垫是放在梁上表面中的同心负载分布（图1）。手动液压千斤顶的加载速度约为2

15、KN/分钟手动液压千斤顶。冲击试验进行了使用具有高达1000公斤的质量的检测能力和16微米的最大下降高度的落锤。这种类型的设置允许的探索，基于所使用的试样，一个范围应变率0至10秒-1之间变化的。图。图2示出在位置的试验片的冲击试验装置。冲击测试设施包括具有用于引导撞针两个垂直圆管的帧。撞针升起，使用绞盘，由被连接到落锤一个钢丝绳。后撞针提升到所需的高度，它是由一个电齿轮释放，使得光束标本是冲击加载通过在跨锤。撞针由198公斤的重物的，一个直径为200mm平板40Cro合金钢接触面，并在该颈部的负载传感器。测试光束被销支承与800毫米的支撑件的中心（图2）之间的距离。的橡胶垫也放置在梁的上凸缘

16、在跨降低惯性的影响。一个示波快速数据采集系统捕获在500每信道的第二采样速率的冲击力和应变仪的电信号。在1000/S（集成设计工具）经运动范围M2高速摄像机来捕捉剥离过程。应变仪被外部安装到一起为25毫米的间距来测量沿碳纤维布的应变分布的键长的碳纤维复合材料薄板的表面上。惯性力对碳纤维混凝土界面抗剪承载力的影响图3显示了典型的影响力对标本的时间曲线C50-2-D600-1，具有600毫米的下降高度。接触试样和锤之间的力具有非常高的初始峰作为大惯性负载的结果。冲击脉冲相似为三角形，与72.5千牛顿的幅度。峰值冲击力比相应的最大静力大得多（17.6千牛），后者是前者的只有24.2。这表明大部分冲击

17、力被用来加速从梁其静止位置加速(Soleimani and Banthia 2014)。根据动态平衡的达朗贝尔原理，获得在试样的实际弯曲载荷，广义惯性载荷利用虚功原理获得必须从减去观察锤试样接触载荷。锤冲击负荷作为测量的是一个点的负载在梁跨中演戏，而梁的惯性负载分布在整个身体的力量梁跨度。梁标本没有碳纤维布加固被冲击加载为了校准的惯性力的冲击试验。惯性力与时间的关系的历史在显示图3。由于减小的抗弯刚度，装载与钢筋相比，CFRP持续时间延长梁试样。相同的试样的测定的冲击力没有的底表面上的CFRP片可以被认为作为惯性力，因为这两个钢的弯曲阻力钢筋可以忽略不计，而其峰值为54.6千牛。值得注意的是，

18、冲击力的开始点之间的时间滞后和FRP张力的是大约1.1毫秒（图3）。这个延迟时间也被张某等人发现。 （2010）和Soleimani和Banthia（2014年）。此外，在该应变率效应碳纤维复合材料的弹性模量，被测试的应变的范围内率在本文中，可根据铝Zubaidy等被忽略（2013年）。最后，这是合理的量化CFRP到混凝土基于对CFRP动态负载下的界面剪切力表应变测量。实验结果与讨论表1总结了静态和冲击试验的主要结果。在静态和冲击试验，剥离过程几乎发生于瞬间。故障模式对于所有的静态和冲击试验用附连到CFRP一点混凝土薄片松解失败。图4-8表示出测试参数在CFRP应变分布和动态的影响，比较CFR

19、P应变与静态结果的回应。每个数据随后分析。冲击载荷沿键长应变分布的影响图4显示了碳纤维片材的时间历程说明了冲击速度，碳纤维布层，宽度对时间的影响碳纤维片材的历史。正如预期的那样，跨中距S1（靠近跨中的差距）比去年早了1、S9。这意味着剥离应启动的位置靠近跨中的差距。随着冲击速度的增加，提高冲击能量导致最大的最高应变和较短的持续时间。因此，应变 具有更高的冲击速度试样随时间变化曲线较低的冲击速度的情况下急剧陡峭Figs. 4(ac)。图4(b and d)表明，将碳纤维复合片材从一层改为两层，降低了应变值，表明碳纤维对混凝土界面的抗剪强度增强。图4(b and e)说明，改变碳纤维片材的宽度从5

20、0到80毫米，导致增加的应变值，也表明增强抗剪性的碳纤维混凝土界面。图5说明了应变曲线与距离一个碳纤维复合材料层和三个试样的联合 两个CFRP层在不同加载速率和不同负荷水平。图5(a and b)的测量应变分布， 沿碳纤维布一个样本与一个碳纤维复合材料层另一个试样两CFRP层数相同载荷下速率（V¼1.4 M = S），分别。与试样相比较，两个CFRP层数，在发达的重要碳纤维应变一层只有在一个较小的区域靠近加载结束，在极限荷载(Fu)之前。经过加载到最终的负载(Fu)，最大碳纤维复合材料应变保持几乎恒定，但该地区的最大碳纤维复合材料应变达到保持膨胀Figs. 5(a and b)。这表

21、示从加载端的碳纤维复合材料片材的自由端的脱粘传播。超出脱胶区域（图5）相似的应变分布表示这些区域内类似的剪切应力分布。图5（b-d）示出了最大的CFRP应变显然与冲击速度的增加而增加，并显着CFRP菌株大得多的区域内形成当极限荷载达到。然而，冲击速度对碳纤维复合材料的应变的发展的影响不大。在剥离传播的后期阶段，显着的碳纤维复合材料的应变和剪切应力的自由端Figs. 5(bd)，导致该地区的显著单。在动态载荷下的碳纤维布的应变分布，在本文中所描述的静态测试，在余等。（2012）。图6显示了碳纤维应变分布的比较冲击载荷下的静载。它说明了 冲击载荷对应变分布有显著影响碳纤维布。在冲击试验中测量的最大

22、应变是 比静态测试中测量的要大得多。因为线性碳纤维复合材料的行为，在片材的应力是直接该应变的比例，表明极限荷载在冲击载荷作用下的混凝土界面比 静态加载下。这意味着试样的行为是碳纤维复合材料对混凝土界面的动态加载敏感。此外，图6显示了应变分布梯度在冲击载荷下碳纤维片材比静态下更陡 加载，这表明剪切应力增加冲击载荷。基于应变分布的有效键冲击载荷下的长度比静载下短。这一现象与所描述的测试结果是不同的 在铝zubaidy等人。（2012）。图7在冲击载荷作用下碳纤维布层对碳纤维复合材料应变分布的影响。数字表明，即使在冲击载荷下，在严厉的表的有效粘结长度（两层和一层）是长在任何负荷水平，因为它发生在静载

23、荷工况。冲击载荷对有效粘结长度的影响图8所测得的有效键长为静态和冲击试验的实验结果。从测试中得到的有效键长的应变分布（例如，图7）：粘结被认为是无效的，如果应变计给出的应变低于5%的峰值应变。然后，有效键长为峰值应变点和5%峰值应变点之间的距离。如果需要，将进行插值的方式。实验键长的比较：（1）陈、邓的（2001）模型；（2）对CNR-DT 200模型 (CNR 2004);（3）FIB的第一个模型（2001）；（4）欧洲标准模型EN 1998-3 (CEN 2005)；和（5）ACI委员会440.2r-08模型（ACI 2008）。如图8所示，ACI模型相对于其他模型相反的趋势和不符合实验结

24、果。这是因为有效长度与玻璃钢片刚度成反比。欧洲规范模型低于试验结果与其他模型。其他的模型考虑了FRP刚度增加，和他们的预测是符合测量的有效粘结长度。冲击载荷对粘结强度的影响极限荷载（FFRP）的CFRP混凝土界面基于应变最大应变的计算 量规（S1）安装在无粘结CFRP片材的表面区。表1显示了最终的负载，图9显示了效果碳纤维复合材料对混凝土极限荷载的影响接口。极限荷载（FFRP）在表1和图9清楚突出不同加载率对粘结强度的影响碳纤维混凝土界面。显然，债券的强度是敏感的在加载的速度和债券的显着增加当加载速率增加时，界面的强度被注意到从5 × 106 m/s 到 1.4, 2.4 和 3.1 m/s。局部粘结应力滑移关系在试验梁相邻的两段在碳纤维复合材料的拉伸力的差异，i和i1从第一节和前一节i1相对应变得到。第一节，平均粘结应力i，除以拉力差的层压板表