高温下碳纤维-混凝土界面双面剪切研究

1 试验概况

为了研究高温下C F R P-混凝土界面受剪性能, 设计了高温下的双面剪切试验, 通过试验研究C F R P-混凝土界面在高温下的粘结性能和失效机理。

本试验为双面剪切试验, 为此设计一组对拉混凝土试块。实测炉膛尺寸为300mm×300mm×350mm, 所以两试块总长必须小于350MM。因此设计试块尺寸分别为:1号试块150mm×150mm×120mm, 2号试块150mm×150mm×160mm。

混凝土试块设计强度为C 3 0, 使用普通硅酸盐水泥与细石混凝土浇捣浇筑而成。制作试验用试块同时制作6个1 5 0 m m×150mm×150mm的标准立方体试块, 自然条件下养护2 8天后任意选则3个进行标准立方体抗压试验, 得到混凝土抗压强度为3 4.5 M P a。试验前再对剩余3个做强度测试, 得到实际混凝土抗压强度为3 3.7 M P a。根据式1计算相应的混凝土弹性模量, 得到试块的混凝土弹性模量为E c=3.1 6×104MPa。

粘贴C F R P使用新日本石油生产的配套胶粘剂, 包括底胶与面胶。

试验要求测试C F R P-混凝土界面在不同温度下的破坏荷载并记录荷载一位移曲线, 为此设定了以下9组试验温度:室温 (4℃) , 40℃, 60℃, 80℃, 100℃, 120℃, 140℃, 160℃, 180℃。目前高温下的CFRP-混凝土界面剪切试验很少, 没有特定的标准升温曲线可以遵循, 本试验设计了如下的升温过程:首先将高温试验炉预热到试验温度, 然后装入试件, 待界面温度达到试验温度后恒温5min后开始试验。

2 试验现象及分析

本试验特别关注以下两点试验现象: (1) 界面破坏形态; (2) 高温对C F R P和胶粘剂的影响。通过对上述两点试验现象的观察, 可以直观地了解高温对加固材料和试件破坏形态的影响, 从而为分析界面粘结性能和破坏机理提供依据。

在室温、40℃, 60℃, 80℃, 100℃, 120℃, 1 4 0℃这7档温度下, 每档温度分别进行了3次试验, 受到试件数量的限制, 1 6 0℃, 1 8 0℃这两档温度下各只进行了1次试验。

通过对破坏试件的观察发现, 温度对C F R P和胶体的影响十分明显。常温下, 胶体固化后呈现固体形态, 进行6 0℃试验后, 取出试件, 发现胶体出现明显软化, 随着试验温度继续升高, 胶体开始转变为可流动的液体形态, 流塑态的胶体会伴随高温蒸发至空气中, 试验时可以闻到胶体蒸发产生的刺鼻气味。而CFRP在高温下则会出现氧化现象, 呈现出烤焦状。通过对所有试件的破坏形态进行分析整理, 试验结果显示, 温度直接影响胶体的形态。界面温度为常温和40℃时, 胶体呈固体状态, 60℃, 80℃时胶体软化, 100℃以后胶体则呈现流塑性状态。随着胶体形态的改变, 试件的剥离形式及C F R P氧化程度的变化是有规律可循的。

温度低于100℃的情况下, CFRP无明显氧化。但当1 0 0℃后胶体开始呈现流体状态时, C F R P开始出现氧化现象, 且温度越高氧化程度也越高。这是因为粘贴C F R P时, C F R P本身完全与胶体浸渍在一起, 胶体固化后在C F R P表面形成了一层保护层, 该保护层起到了隔氧的作用。

3 试验结果整理

将界面破坏时的荷载值除以粘结面积可以得到, 界面的平均粘结强度。随温度的升高, 粘结强度总体呈下降趋势, 但在4 0℃左右有一明显的上升过程, 而超过1 0 0℃后粘结强度随温度变化不大。4 0℃时破坏荷载比室温时大, 大约增加了3 4%, 这一试验现象在其他研究者的相关研究中也有出现。国外有学者的双面剪切试验与简支梁试验显示, 试件在5 0℃下的破坏荷载比2 0℃时高。可见这一试验现象的出现并非偶然, 一定有其内在的原因。

由于C F R P与混凝土热膨胀性不同而产生的温度应力导致了上述试验现象的出现, 但是相关计算显示温度应力的影响是可以忽略的。通过拉拔用胶粘剂粘贴的铝片来测试胶体剪切强度, 不存在C F R P与混凝土的热膨胀差异, 但也出现了这一试验现象。笔者认为, 可能是胶体自身材料的特性导致这一现象的出现, 即达到玻璃化温度前, 胶体的粘结强度会随温度升高而增强。由于这涉及到材料性能的知识, 在此不做进一步的探究。

胶体在高温下会出现软化, 已有研究表明, 当胶体达到某一特定温度时, 其形态会由固态转变为粘塑性状态, 这一温度被称为玻璃化温度, 一般粘结界面达到胶体玻璃化温度后, 粘结强度会大幅地下降。本试验中, 60℃时破坏荷载的降低己经相当明显, 胶体也出现明显软化, 所以可以把60℃作为本试验胶体的玻璃化温度。

试验结果还显示, 试验温度超过1 0 0℃后破坏荷载和界面粘结强度的大小就趋于稳定了。当试验温度达到1 4 0℃后, 胶体大量蒸发, 虽然破坏形态转变为c型, 但破坏形态的变化并没有导致粘结强度降低, 因此认为当胶体由固态转变为流塑态后其粘结性能趋于稳定。

4 结语

试验研究表明, 高温对于C F R P-混凝土界面性能的影响是十分明显的。胶体在温度升高的过程中, 逐渐软化, 经历由固态—粘塑态—流塑态的转化过程。胶体进入流塑态后在高温下开始蒸发, 导致C F R P高温氧化, 但由于破坏形式为界面粘结破坏, 所以C F R P由于高温氧化导致的强度降低对最终破坏荷载大小的影响不大。

高温下胶体的软化直接影响界面粘结强度, 试验结果显示, 4 0℃后随温度升高粘结强度降低而界面剪切变形增大。但当1 0 0℃后, 胶体在流塑状态下, 界面粘结强度和界面剪切变形则趋稳定。由于高温下C F R P表面大量胶体蒸发, 致使破坏界面由胶层-混凝土变为胶层-C F R P, 但不影响界面粘结强度和界面剪切变形。

摘要：CFRP加固技术在加固工程中已有了极为广泛的应用, 在使用CFRP加固混凝土结构时, 使用胶粘剂把CFRP布粘贴在构件的受拉区, 通过发挥CFRP的高抗拉性能提高构件的承载能力。CFRP参与受力的过程中, 胶层起着传递剪力的作用。本文设计了高温下双面剪切试验, 试验分别在4℃, 40℃, 60℃, 80℃, 100℃, 120℃, 140℃, 160℃, 180℃下进行, 研究了各温度下界面破坏形式、高温对胶体及CFRP的影响, 发现高温下界面破坏沿胶层发展, 胶体会随温度升高软化甚至蒸发, CFRP也会出现高温氧化现象。

关键词：CFRP-混凝土界面,双面剪切试验,界面粘结强度

参考文献

[1] 李宏, 刘西拉.基于混凝土破坏准则的抗剪强度计算[J].工程力学, 1993 (1) .

[2] 唐龙贵.碳纤维的抗氧化处理[J].高等学校化学学报, 1995 (8) .