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高强混凝土界面抗冻性研究

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《混凝土杂志》2015年第十一期

碳纤维增强聚合物(carbonfiberreinforcedpolymer,简称CFRP)广泛地应用于结构修复补强领域,尤其是外贴CFRP布补强混凝土结构受到国内外青睐[1-7]。采用CFRP布加固混凝土在实际应用过程中,要受到各种环境因素的作用,尤其是在北方地区,冻融对黏结性能的破坏尤为显著。冻融循环不仅作用于混凝土基体本身,也作用在黏结的环氧树脂上,这些都会对CFPP-混凝土的黏结性能产生非常不利的影响。本试验采用自行设计的施加荷载装置,对冻融循环下CFRP-高强混凝土黏结性能进行研究[8]。

1试验

1.1原材料及配合比C60的高强混凝土,采用P•O42.5R级水泥和聚羧酸减水剂与引气剂,I级粉煤灰。混凝土拌合物的含气量为4%,28d强度为70.08MPa,混凝土的抗冻性为F250。配合比见表1。采用300gm2CFRP布,其物理力学性能见表2。

1.2试验概况试验采用100mm×100mm×150mm的棱柱体混凝土试块,先将试件的两个相对侧打磨平整,CFRP加固混凝土试件的制作:将一整条CFRP布的两端分别粘贴在混凝土试块的相对两侧表面,从而形成双面剪切试件,如图1所示。在两个结合面上,预先选择一个作为测试面,为了避免在另一个面上首先破坏,加长其粘贴长度并粘贴CFRP进行U形箍加固。采用的CFRP宽度为50mm,粘贴层数为一层,测试面黏结长度为120mm,加载端边界上预留25mm的非黏结区。试验采用1000kN的电液伺服机,利用改进的加载装置进行加载,加载时由0.3mmmin的位移加载控制,加载装置如图2所示。试验中的数据采集主要有三种形式:通过夹式应变计测量CFRP部端部变形位移;通过5t的荷载传感器进行荷载测量;通过粘贴在CFRP布上的应变片对CFRP各分部的应变进行测量,应变片粘贴位置如图3所示。采用GBT50082—2009《普通混凝土长期和耐久性能试验方法》快冻法,试件标养28d后粘贴CFPR布,硬化3d后再将试件放入水中饱和4d进行冻融试验。

2试验结果与分析

2.1冻融循环下荷载-端部滑移曲线在文献[9]中提出双剪试验的荷载端部滑移曲线的拟合方程,笔者对拟合方程进一步改进。表3中可见,当冻融次数小于200次时拟合效果良好,大于200次之后拟合系数迅速减小,此时拟合方程已经不再适用。图4和图5分别为冻融80次和220次的试件的的荷载端部滑移曲线,拟合系数为分别为r2=0.97和r2=0.60,剥离点为CFRP布上第一个应变片所在点剥离对应的荷载,破坏点为CFRP布全部破坏时所对应的荷载。图中可见,冻融80次时,在加载初期荷载位移增长接近直线;当荷载超过剥离点后,斜率减小、位移增长速度加快,破坏点时荷载校剥离点荷载增加了约45%。冻融220次时,当荷载超过剥离荷载后,位移迅速增长,几乎呈脆性破坏。

2.2剥离荷载与极限荷载从图3中可见,冻融循环对第一点剥离时的荷载影响较小,剥离荷载均集中在9~12kN范围内,但对极限荷载的影响较显著,在前200次内冻融循环内极限荷载从16.96kN下降到了15.48kN,下降幅度约9%;超过200次后,极限荷载下降幅度急剧增大,240次时的极限荷载较200次时下降了近30%。2.3应变-加载端距离曲线冻融80次和240次的应变-加载端距离曲线如图6所示。在图6(a)中,荷载主要由前端应变片所在界面承担,离加载段远的界面基本上不参与受力。当荷载达到第一点剥离荷载时,第一个应变片应变减小,从第二个应变处界面开始主要承担受力,随着荷载的增大,应变是一个连续渐变的过程。图6(b)中可以看出,加载的自始至终,只有前端界面参与了受力,距离加载端60mm后没有受力,当荷载达到破坏荷载时,整体一起被拉下,这与冻融80次的结果完全不同。分析原因,由于冻融次数的增加致使黏结界面混凝土基层的损伤增加,导致界面在受力之后迅速剥离破坏。目前,描述应变-加载端距离曲线比较权威的理论有两个。在CFRP布-混凝土开始剥离前的阶段,BjrnTljsten[10]提出的弹性理论式(2)。在CFRP布-混凝土开始剥离后的阶段,MohamadAli-Ahmad等[11]则进一步扩充,提出了非线性应变分布模型,如式(3)所示。图6为冻融80次和240次后试件在不同荷载下应变-加载端距离曲线。图7为第一应变片剥离前的应变-加载端距离曲线,利用式(2)进行拟合,可以看出冻融80次与240次的拟合系数都很高,计算式的适用程度很好。图8为第一应变片剥离后的应变-加载端距离曲线,冻融80次时曲线得到很好的拟合,但是冻融240时,式(2)不再适用。说明,随着冻融次数的增大,应变分布方式也发生了实质的改变。

3结论

(1)当冻融次数较小时,荷载-端部滑移曲线可以由y=a+b•ln(X+C)很好的拟合。但是随着冻融次数的增大,此方程不在适用。这是由于冻融循环对剥离点对应的剥离荷载影响较小,但对破坏荷载的影响较大,改变了破坏模式,增加了界面的脆性。(2)冻融循环次数对CFRP布-混凝土开始剥离前的阶段应变分布规律影响较小,但是对CFRP布-混凝土开始剥离后的阶段应变分布规律却产生了较大的改变。由于冻融次数的增加致使黏结界面混凝土基层的损伤增加,导致界面在受力之后迅速剥离破坏是其主要原因。(3)随着冻融次数的增大,界面的破坏模式发生了改变且延性逐渐降低。

作者:洪雷 朵润民 王苏岩 单位:大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室

混凝土杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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