碳纤维布与高温后混凝土界面粘结强度分析_林燕卿.pdf

广东建材2023年第2期碳纤维布加固高温后混凝土结构技术的基础研究和工程应用1-3已取得一定成果，研究结果表明，采用碳纤维布加固高温后混凝土结构的方法是可行且有效的。碳纤维布与高温后混凝土之间的可靠粘结是两种材料共同工作的基础，是保证火灾后加固修复效果的前提。碳纤维布与高温后混凝土界面粘结性能研究是加固技术的基础课题，不同受力状态下，碳纤维布与高温后混凝土界面的受力模式不同，界面粘结强度也不同。林燕卿4完成碳纤维布与高温后混凝土界面处于正拉(垂直于粘结界面施加拉力)和单剪(平行于粘结界面施加拉力)两种基本受力状态下的粘结性能试验，分析过火温度、碳纤维布宽度及长度对粘结强度的影响。试验表明，当施工工艺相同、施工质量有保证时，这两种受力状态下的粘结强度之间存在一定的相关性。因此，碳纤维布与高温后混凝土界面粘结强度研究对碳纤维布加固火灾后混凝土结构的工程设计意义重大。1 混凝土强度根 据 普 通 混 凝 土 力 学 性 能 试 验 方 法 标 准(GB50081-2002)5的规定对混凝土立方体抗压强度fcu和抗拉强度ft进行测试，具体结果见表1。图1(a)给出了高温后混凝土立方体抗拉强度与未受火的相对比值fcu(T)/fcu随过火温度T的变化情况。混凝土试块经高温加热后，随着过火温度提高，混凝土立方体抗压强度有所降低，高温300、500后混凝土立方体抗压强度分别降低了 22.3%、39.1%。通过回归拟合，可以得到高温后混凝土立方体抗压强度相对值与过火温度的关系式可表达为：fcu(T)fcu=1.0158.165T 10-4（20T 500）图1(b)给出了高温后混凝土立方体抗拉强度与未碳纤维布与高温后混凝土界面粘结强度分析林燕卿(厦门城市职业学院)【摘要】基于碳纤维布与高温后混凝土界面的正拉粘结性能试验和剪切粘结性能试验，对两种受力状态下的界面粘结强度进行分析。经高温作用，混凝土力学性能有所降低，碳纤维布与高温后混凝土界面粘结强度较未过火试件低；相同过火温度时，界面剪切粘结强度小于正拉粘结强度；正拉粘结强度、剪切粘结强度与混凝土抗压强度平方根具有线性相关；基于正拉粘结强度，建立剪切粘结强度的表达式，对碳纤维布加固火灾后混凝土结构的工程设计具有重要的意义。【关键词】碳纤维布；高温后；混凝土；粘结强度基金项目福建省中青年教师教育科研项目(科技类)(JAT210840).表1 混凝土力学性能及正拉粘结强度过火温度/未受火300500fcu/MPa44.233.926.9ft/MPa4.573.292.59ft/fcu10.34%9.71%9.63%/MPa3.643.492.52/fcu0.550.600.49(a)(b)图1 过火温度对混凝土力学性能的影响材料研究与应用-19广东建材2023年第2期受火的相对比值ft(T)/ft随过火温度T的变化情况。混凝土试块经高温加热后，随着过火温度提高，混凝土立方体抗拉强度有所降低，高温300、500后混凝土立方体抗拉强度分别降低了 28.0%、43.3%。通过回归拟合，可以得到高温后混凝土立方体抗拉强度相对值与过火温度的关系式可表达为：ft(T)ft=0.9999.026T 10-4（20T 500）从表1中可以看出，未受火、高温300、500后混凝土立方体抗拉强度分别为混凝土立方体抗压强度的10.34%、9.71%、9.63%。通过回归拟合，可以得到高温后混凝土立方体抗拉强度与抗压强度的比值与过火温度的关系式可表达为：ft(T)fcu(T)=10.40834.8 T1003.854 （T100）210-2（20T 500）2 正拉粘结强度通过碳纤维布与高温后混凝土的正拉粘结强度试验，研究过火温度对正拉粘结强度的影响。试件尺寸及加载装置如图2所示。碳纤维布与混凝土的正拉粘结性能试验是垂直于粘结界面施加拉力，因此，粘结界面受到的是法向拉应力的作用。表1给出了每组试件的正拉粘结强度平均值，该值是根据 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程(CECS146-2003)6附录规定的数据处理方法得到，正拉粘结强度等于正拉试件破坏时的荷载值P与碳纤维布粘贴面积的比值。从表1中可以看出，随着受火温度提高，正拉粘结强度降低。正拉试件破坏形式为基材混凝土内聚破坏，如图3所示，发生在混凝土的浅层，呈“碗状”，未受火试件破坏时碳纤维布下粘附的混凝土层较薄较均匀，混凝土呈青灰色；混凝土试块经高温作用，随着过火温度的提高，混凝土的颜色从青灰色向灰白色、灰红色变化，破坏时碳纤维布粘附的混凝土层较厚，破坏面边缘不规则。当碳纤维布粘贴质量有保证时，正拉试件的破坏形态属于正常破坏，正拉试件的粘结界面受到的是法向拉应力的作用，因此，正拉粘结强度主要取决于混凝土的抗拉强度，这也说明当混凝土的抗拉强度不足以抵抗界面的粘结正应力时，正拉试件才发生破坏，因此，从表1中可以看出，正拉粘结强度近似于混凝土抗拉强度。杨勇新研究7表明，在常温下，正拉粘结强度与混凝土抗压强度的平方根基本呈线性关系。图4(a)给出了正拉粘结强度与高温后混凝土抗压强度平方根的回归曲线，回归方程见公式4，相关系数为0.791。=0.7377fcu1.12533 剪切粘结强度通过碳纤维布与高温后混凝土的剪切粘结强度试验，研究过火温度、碳纤维布粘结长度、粘结宽度对剪切粘结强度的影响。剪切粘结强度试件如图5所示，是在混凝土一侧粘贴碳纤维布，通过施加平行于粘结界面的拉力P，使粘结界面受到面内纯剪应力的作用。典型破坏形态如图6所示，表现为碳纤维布剥离，并粘附一层混凝土，混凝土破坏面与原始界面基本平行的形状，部分试件还伴随着非加载端被拉下一个不规格的三角区域或碳纤维布断裂。剪切粘结强度是单剪试件的极限粘结荷载P与碳纤维布粘结面积的比值4，从试验结果中可知，随着过火温度提高，极限粘结荷载降低。表 2中给出了未受图3 正拉试件破坏特征(a)(b)图4 粘结强度与混凝土抗压强度平方根关系(b)(a)图2 试件及加载装置(a)试样组成示意(b)试件尺寸(mm)1-配套胶粘剂及碳纤维片材(长40宽40)；2-钢标准块；3预切缝；4-混凝土试块(长70宽70高40)；5-钢夹具材料研究与应用-20广东建材2023年第2期火、过火温度300、过火温度500自然冷却后的混凝土试块表面粘贴一层碳纤维布、碳纤维布宽度为50mm、碳纤维布长度为50160mm的单剪试件的平均剪切粘结强度，从表中可以看出，随着过火温度提高，平均剪切粘结强度降低，但降低幅度不大，过火温度300的试件较常温试件降低了2.7%，过火温度500的试件较常温试件降低了8.1%，所有试件剪切粘结强度的平均值为2.51MPa，标准差为0.0873。图4(b)给出了剪切粘结强度与混凝土抗压强度平方根的关系图，从图中可看出，两者具有相关关系，可表达为公式，相关系数为0.945。=0.1418fcu+1.6746在粘结界面内剪应力作用下，剪切粘结强度主要取决于混凝土的抗剪强度。局部粘结剪应力在碳纤维布粘结长度方向上分布不均匀，最大值先出现在加载端端部，随着荷载的增加，峰值剪应力向自由端方向传递，如图4(b)所示，当混凝土剪应力大于混凝土的抗剪强度时就会发生剪切粘结破坏。由于混凝土的抗剪强度小于抗拉强度，所以剪切粘结强度小于正拉粘结强度，表2中数据也反映了该规律。剪切粘结强度与相同温度作用下的正拉粘结强度的比值在 0.710.95 的范围内，比值的平均值为0.7950，标准差为0.1079。杨勇新7试验研究表明拉剪粘结强度与正拉粘结强度比值的平均值为0.74。当混凝土过火温度不超过300时，该比值规律一致。单剪试件的粘结界面受到的是纯剪应力作用，破坏面发生在混凝土内，而正拉试件的粘结界面受到的是纯拉应力作用，破坏面也发生在混凝土内，两者的相关性较好。正拉粘结性能试验操作方便、试验结果具有稳定性，正拉粘结强度与混凝土抗压强度平方根有相关关系，且与剪切粘结强度也有相关关系，因此，选择正拉粘结强度作为界面粘结强度指标。基于正拉粘结强度，剪切粘结强度可表达为：=0.72 T 3004 结论基于碳纤维布与高温后混凝土界面的正拉粘结性能试验和剪切粘结性能试验，对两种受力状态下碳纤维布与高温后混凝土界面粘结强度进行分析，得到以下主要结论：经高温作用，混凝土力学性能有所降低，建立了高温作用后混凝土立方体抗压强度、抗拉强度与过火温度之间的关系式，抗压强度与抗拉强度之间的关系式。碳纤维布与高温后混凝土界面的正拉粘结强度近似于混凝土抗拉强度。相同过火温度时，剪切粘结强度小于正拉粘结强度。正拉粘结强度、剪切粘结强度与高温后混凝土抗压强度平方根具有线性相关。正拉粘结性能试验操作方便、试验结果具有稳定性，基于正拉粘结强度，建立剪切粘结强度的表达式。【参考文献】1 李俊华,于长海,唐跃锋,等.CFRP布加固火灾后钢筋混凝土柱的试验研究J.建筑科学与工程学报,2011,28(4):48-54.2 徐玉野,林燕卿,杨清文,等.CFRP加固火灾后混凝土短柱抗震性能的试验研究J.工程力学,2014,31(8):92-100.3 徐玉野,彭小丽,董毓利,等.CFRP加固火灾后钢筋混凝土梁受剪性能的试验研究J.建筑结构学报,2015,36(2):123-132.4 林燕卿.CFRP加固火灾后混凝土界面粘结性能及短柱抗震性能D.泉州:华侨大学,2014.5 GB50081-2002.普通混凝土力学性能试验方法标准S.北京:中国建筑工业出版社,2003.6 CECS146-2003.碳纤维片材加固混凝土结构技术规程S.北京:中国计划出版社,2007.7 杨勇新,岳清瑞,胡云昌.碳纤维布与混凝土粘结性能的试验研究J.建筑结构学报,2001,22(3):36-42.作者简介林燕卿(1989.12-)，女，汉族，福建泉州人，厦门城市职业学院，助教，硕士研究生，从事结构抗火及灾后加固研究.邮编：.表2 剪切粘结强度过火温度/未受火300500/MPa2.602.532.39/0.71430.72490.9484/fcu0.39180.43440.4615图6 剪切试件破坏特征(a)(b)图5 剪切试件(b)剪应力传递示意图(a)试样组成示意材料研究与应用-21