内嵌式碳纤维板条与混凝土粘结性能的拉拔实验
周朝阳，胡志海，贺学军，李 蓓
(中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙，410075)
摘 要：采用新型的C型试块进行直接拉拔实验，研究碳纤维板条粘结长度、混凝土强度等级和嵌槽尺寸对界面粘结性能(包括破坏形式)的影响。研究表明：极限载荷随粘结长度、混凝土的强度等级和嵌槽尺寸的增大而增大，其中粘结长度的影响最大，混凝土强度等级的影响最小。根据实验测得试块加载端与自由端的荷载和滑移之间的关系曲线，通过计算分析，提出相应的局部粘结-滑移本构模型。
关键词：碳纤维条；内嵌式；粘结；拉拔实验
中图分类号：TU746.3 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)02-0357-05
Bond behavior of NSM CFRP plate-concrete interface in
pull-out experiment
ZHOU Chao-yang, HU Zhi-hai, HE Xue-jun, LI Bei
(School of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract：A new type of pull-out test set-up with C-shaped specimen was devised to study the bond behavior on the interface of CFRP (carbon fiber-reinforced polymer) plate strips and concrete. Such tests can reduce the influence of eccentricity. The effect of bond length, concrete strength and dimension of the groove on bonding interface was investigated. The result shows that the pull-out load increases when these parameters increase. The major effect comes from bond length and the minor from concrete strength. The local bond-slip relationships are also discussed based on the load-slip relation measured from the test and a constitutive model is suggested by the analysis.
Key words: carbon fiber-reinforced polymer strip; near-surface mounted; bond; pull-out experiment
内嵌FRP(Fiber reinforced plastics)加固法与传统加固方法相比较，具有材料轻质、高强、抗腐蚀、施工简便快捷、干扰小及加固后维护费用低等[1-3]优点；与外贴FRP片材的加固方法相比，内嵌FRP条加固技术能较充分利用FRP材料的强度，提高加固效率；内嵌加固的结构对火灾的高温损害作用有更强的“抵抗力”。因此，FRP内嵌加固法作为FRP 材料加固结构的一种新的应用形式，具有广阔的应用前景。
对于内嵌FRP加固技术的研究，国内还处于起步阶段，国外也只有几年的历史，且重点放在内嵌FRP筋加固方面[4-5]，对内嵌FRP板条加固[6]的研究很少。为了解内嵌式板条与混凝土界面的粘结性能，目前国内外采用的实验方法主要有单剪拉拔、双剪拉拔和梁剪法等， Blaschko[7]采用双剪实验法，Hassan等[8-9]采用梁剪法，李荣等[10]对内嵌CFRP板条的矩形混凝土试块进行单剪实验，周延阳[11]采用梁剪实验方法进行了研究。然而，这几种方法均存在一些问题：采用双剪法和单剪法时，板条受力存在较大的偏心；梁剪法由于试块尺寸较大，实验较复杂。为此，本文作者采用一种新型的C型试块通过直接拉拔实验研究CFRP板条和混凝土之间的粘结，C型试块可以有效地降低偏心的影响，能更好地反映内嵌式CFRP片材在加固时的粘结性能。在实验中，研究混凝土强度、板条粘结长度、嵌槽的宽度等参数对界面粘结性能的影响，得出滑移曲线特征值，并进一步得出局部粘结-滑移关系。
1 实 验
试块采用300 mm×300 mm×300 mm的C型混凝土试块,其形状如图1所示。试块中C型缺口的尺寸为160 mm×145 mm；在试块的中部预留CFRP嵌槽，槽深为40 mm，根据情况槽宽LK取10 mm和20 mm共2种。混凝土等级也有C20和C40 2种，见表1。CFRP板条及相应的粘结胶均采用瑞士Sika公司生产的系列产品，粘结胶为Sikadur30。成品CFRP板条尺寸为60 mm×2.4 mm，成品CFRP板条极限强度2 800 MPa，弹性模量为165 GPa。实验所用CFRP板条从成品上切割，厚度为2.4 mm，宽度见表2。粘结胶拉伸强度为27.0MPa。对于试件，CFRP板条一端嵌入混凝土槽沟，一端用粘结胶粘结2块小钢板(为了使加载时，加载仪器的上夹具能牢牢夹着CFRP板)。在试块的下部固定一个带肋的厚钢板(见图1)。实验在200 t微机控制电液式万能材料试验机上进行，自由端和加载端的位移均采用电子百分表和计算机联机记录。
(a) 试件侧面；(b) 试件的横截面
图1 试块的结构示意图
Fig.1 Scheme of specimens (mm)
表1 混凝土的强度
Table 1 Strength of concrete
表2 试件的实验结果
Table 2 Experiment results of specimens
2 结果与分析
2.1 试块的破坏现象
对于试件HY-C20-200-10，混凝土表面无裂缝产生。环氧树脂表面产生了一条裂缝，在破坏的环氧树脂界面上，可以看到粘着的大量混凝土的砂粒。对试件HY-C20-80-20，混凝土表面无裂缝产生，环氧树脂表面也无裂缝产生；在破坏的环氧树脂界面上，可见细小的砂粒。对试件HY-C40-200-10，在混凝土表面及环氧树脂表面均无裂缝产生。环氧树脂的2个与混凝土接触面都与混凝土脱离，在破坏的环氧树脂界面上，可以看到粘着的大量混凝土的砂粒。对于试件HY-C40-80-10，在混凝土C型槽内出现裂缝，从自由端先沿环氧树脂和混凝土的界面向加载端发展，扩展约2 cm后，裂缝再沿与板条45°的方向向试块的顶部延伸。环氧树脂无裂缝。对于试件HY-C40-200-20，在混凝土的表面无裂缝产生。在环氧树脂表面无裂缝产生，在破坏的环氧树脂的界面上，可以看到粘着细小的砂粒。
实验中，4个试件的破坏形式是混凝土的劈裂破坏，试件被劈成2块；其中一个试件发生的是环氧树脂与混凝土的界面破坏。由表2可以看出，随着试件粘结长度的变化，极限荷载随粘结长度的增大而增大，但平均粘结强度随粘结长度的增大而减小；极限荷载也随槽宽的增大而稍增大；对于不同混凝土等级的试块，极限荷载随混凝土等级的增加稍增加。图2所示是实验中实测的试块荷载-滑移曲线。
(a) Specimen HY-C20-80-20; (b) Specimen HY-C20-200-10; (c) Specimen HY-C40-80-10;
(d) Specimen HY-C40-200-10; (e) Specimen HY-C40-200-20
图2 实验中实测的试块荷载-滑移曲线
Fig. 2 Measured load-slip curves of specimens
2.2 粘结应力与滑移的关系
Eligehausen等[12-14]曾提出一个数学模型(简称为BPE模型)，用于描述钢筋混凝土构件中钢筋和混凝土之间的粘结本构关系。该模型也用于粘结研究中，包括碳纤维筋与混凝土之间的粘结[5]。本文作者借鉴BPE模型描述了内嵌式板材与混凝土的粘结应力与滑移关系。
如果破坏形式是劈裂破坏，其粘结应力-滑移关系曲线的上升段的曲线方程为
如果破坏形式是环氧树脂-混凝土界面的界面破坏，其曲线方程如下。
上升阶段：
2.3 滑移曲线特征值
从式(1)~(3)可以看出，若特征值τu和su已知，则粘结应力-滑移关系曲线就可完全确定。
对于光圆钢筋[15]，其粘结强度为
试块的破坏形式有2种：混凝土的劈裂破坏和粘结材料与混凝土的界面破坏。破坏时界面粘结滑移本构关系曲线的特征值有2个：粘结强度τu和与之相对应的滑移长度su。根据试验数据分析可知，粘结强度τu与试件混凝土的强度等级、CFRP板条的粘结长度、嵌槽的尺寸和CFRP板条尺寸有关。再结合式(1)分析可得：
粘结材料与混凝土的界面被破坏时，
产生劈裂破坏时
将根据公式得出的拟合值与实验值进行比较，结果见表3。从表3可以看出拟合值和实验值基本吻合。
根据实验数据，用BPE模型能很好地解释内嵌式碳纤维板的粘结应力-滑移关系曲线。结合本实验的试件，当发生劈裂破坏时，α取0.5；当发生粘结材料与混凝土界面破坏时，α取0.5，α′取-0.6。从式(1)~(3)和式(5)~(7)可以分别得出试件HY-C40-80-10和HY-C40-200-10的局部剪应力-位移曲线，结果如图3所示。图3(a)所示是实验值与拟合值的对比结果，其中拟合曲线呈3段，即：上升段，陡的下降段和平缓的下降段，平缓的下降段主要对应残余摩擦力。图3(b)所示是实验值与拟合值的对比结果，拟合值曲线只有上升阶段。
表3 试块的荷载-滑移曲线特征值
Table 3 Eigenvalues of specimens in load-slip curve
(a) Specimen HY-C40-80-10; (b) Specimen HY-C40-200-10
图3 试件的局部应力-滑移曲线
Fig.3 Local stress-slip curves of specimens
3 结 论
a. 实验采用“C”字型试块，采用位移控制直接拔出的加载方式，可以有效地减小加载时的偏心等因素对实验结果的影响，很好的反映试件的粘结性能。
b. 试件的主要破坏形式有劈裂破坏和混凝土与环氧树脂界面破坏2种，其中界面破坏发生在混凝土等级较高、粘结长度较短、槽宽较窄的试件。
c．随着试件粘结长度的变化，极限荷载随粘结长度的增大而增大，但平均粘结强度随粘结长度的增大而减小；极限荷载随混凝土的强度增大而增大，增大的幅度不大；极限荷载也随嵌槽尺寸的增大而增大，但增大的幅度较小。
d. 利用BPE模型，得到内嵌式CFRP板条加固混凝土的局部应力-滑移关系曲线，与实验值较符。
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收稿日期：2006-10-20
基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(05JJ30101); 湖南省建设科技计划项目(2005-04)
作者简介：周朝阳(1964-), 男, 湖南衡阳人, 教授, 博士生导师, 从事土木工程结构研究
通讯作者：周朝阳，男，博士，教授；电话：0731-2656678; E-mail: cyzhou@mail.csu.edu.cn
