不同FRP增强混凝土梁断裂性能试验研究

范向前, 刘决丁

(南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京 210098)

纤维增强复合材料(FRP)增强混凝土,是利用FRP的高强度、耐疲劳、防腐蚀以及良好的黏结性能等优点,通过环氧树脂强力胶将其粘贴于混凝土构件或结构的表面,使FRP与混凝土共同作用,从而达到对混凝土结构增强加固的目的[1-2].

常见的FRP有芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)和玻璃纤维增强复合材料(GFRP),相关学者对这3种类型的FRP增强混凝土做了大量理论分析和试验研究.王兴国等[3]通过试验研究了外贴AFRP增强混凝土梁的弯曲性能,结果表明AFRP加固法能够有效改善混凝土梁的弯曲性能;邓宗才等[4]研究了AFRP加固腐蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能,探讨了预应力水平和钢筋锈蚀程度对混凝土加固梁疲劳破坏机制、疲劳寿命以及挠度的影响,为桥梁的加固设计提供了参考依据;Wroblewski等[5]研究了FRP与混凝土梁的外黏结耐久性,定量分析了热、湿、冻融循环对FRP增强混凝土峰值荷载及延性的影响;孙延华等[6]开展了CFRP-混凝土界面黏结-滑移试验,改进了过去的双拉试件方案,设计了水平加载方案,测得了CFRP-混凝土界面黏结-滑移本构关系的下降段;Benzarti等[7]研究了混凝土与CFRP增强体系在相对湿度加速老化条件下的黏结耐久性,并对CFRP增强混凝土试件进行了力学性能表征;Silva等[8]通过试验研究了盐湿环境对GFRP增强混凝土黏结性能的影响,并将界面附近形成剪切断裂的Mohr-Outomb包络线作为破裂准则;薛伟辰等[9]开展了GFRP-混凝土组合梁在长期持续荷载下的试验研究,探讨了混凝土收缩徐变对GFRP片材蠕变耦合的影响,并提出了组合梁长期挠度的计算方法.

上述研究均只考虑了单一类型FRP增强混凝土的力学性能,对于不同种类FRP增强混凝土的对比研究相对较少.鉴于此,本文基于混凝土断裂力学理论[10-12],通过三点弯曲试验对比研究3种FRP增强混凝土的断裂性能和破坏形式.

1 试验概况

1.1 试件设计

根据DL/T5332—2005《水工混凝土断裂试验规程》,混凝土三点弯曲梁试件选择长(L)、宽(b)、高(h)分别为1000、120、200mm的标准试件,设计预制裂缝深度a0为80mm(即初始缝高比α0为0.4),跨度S为800mm.FRP选用AFRP、CFRP和GFRP,并通过环氧树脂强力胶将FRP分别粘贴在混凝土梁底面缺口两侧,每侧的黏结长度l为250mm[13],黏结宽度为120mm,试件编号分别为A-beam、C-beam和G-beam.另外准备1组不粘贴FRP的普通混凝土梁试件(O-beam)作为对比.每组浇筑4根试件,结果取平均值.FRP增强混凝土梁试件的示意图如图1所示,其中2lu(lu=30mm)表示试件缺口两侧未黏结长度,主要是为了防止梁体在加载过程中出现斜裂缝.

图1 FRP增强混凝土梁试件示意图Fig.1 Schematic of FRP reinforced concrete beam specimens

混凝土试件组成材料为：P·O 42.5普通硅酸盐水泥;Ⅰ 级粉煤灰;5～25mm级碎石;天然河砂;UC-Ⅱ型外加剂;生活饮用水.其质量配合比为m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石)∶m(粉煤灰)∶m(外加剂)=0.590∶1.000∶2.030∶3.040∶0.210∶0.014.混凝土立方体抗压强度实测均值为41.5MPa,标准差为3.3MPa.

试验所用FRP和环氧树脂强力胶的力学性能分别如表1、2所示.

表1 FRP的力学性能Table 1 Mechanical properties of FRP

表2 环氧树脂强力胶的力学性能Table 2 Mechanical properties of epoxy resin adhesive

1.2 试验方法

在5000kN液压伺服试验机上进行FRP增强混凝土梁的三点弯曲试验,采用单一速率加载.数据采集设备为DH-5902动态采集仪,采集频率为200Hz.主要采集数据包括：荷载(P),裂缝尖端应变(ε),裂缝口张开位移(CMOD).加载过程中通过预先在混凝土梁试件表面黏贴应变片(裂缝尖端两侧的应变片用来测量试件的起裂荷载,延裂缝扩展方向布置的应变片用来监测混凝土裂缝的扩展过程)以及在受压侧放置荷载传感器来测量试件的裂缝尖端应变和荷载,并采用夹式引伸计(标距为12mm,变形测量范围为-1～4mm)来测量试件裂缝口张开位移.由所测数据计算试件的断裂韧度[14].

2 试验结果

2.1 起裂荷载和失稳荷载的对比

FRP增强混凝土梁的三点弯曲试验结果列于表3,其中：Pini为试件的起裂荷载,Pun为试件的失稳荷载,提高幅度为相对于普通混凝土梁的增量.从表3可以看出:FRP具有明显的阻裂和增强效果,可使普通混凝土梁的起裂荷载提高54.61%及以上,失稳荷载提高140.81%及以上;CFRP增强混凝土梁的起裂荷载与失稳荷载均远大于AFRP、GFRP增强混凝土梁,表明CFRP的增强效果优于AFRP和GFRP.此外,起裂荷载与失稳荷载的比值反映试件从起裂到失稳破坏的差距,该比值越大,起裂荷载距离失稳荷载越近,试件从起裂到失稳的速度越快,试件的脆性越大、延性越差;相反,该比值越小,试件的脆性就越小、延性越好.故由表3还可知,CFRP增强混凝土梁起裂荷载与失稳荷载的比值最小,这表明CFRP增强混凝土梁的延性最好,更加适合带裂缝混凝土梁外贴FRP增强加固.

表3 FRP增强混凝土梁的三点弯曲试验结果Table 3 Three -point bending test results of FRP reinforced concrete beams

2.2 破坏形式的对比

试验过程中发现,普通混凝土梁试件O-beam的裂缝一旦出现便迅速发展到试件顶部,即裂缝的失稳扩展破坏,但是FRP增强混凝土梁的破坏形式大多是由于试件弯曲主裂缝导致混凝土-FRP界面剥离引起的断裂破坏.3种FRP增强混凝土梁的破坏形式如图2所示.从图2(a)、(b)可以看出,AFRP增强混凝土梁和CFRP增强混凝土梁的破坏形式都是梁底部混凝土-FRP界面先发生剥离,随后整个试件发生断裂破坏.这主要是由于在混凝土梁底部有FRP的存在,FRP会承担部分外荷载在混凝土中产生的拉应力,并且随着外荷载的不断增加,FRP拉应力的增长速度要比混凝土内部拉应力的增长速度要快,从而导致FRP与混凝土开始逐渐剥离,当混凝土-FRP界面的剪切应力达到最大值时,FRP与混凝土梁底部发生完全剥离,试件瞬间失稳破坏,但此时FRP的拉应力仍未达到其抗拉强度.由图2(c) 可见,GFRP增强混凝土梁的破坏形式并不同于界面的剥离破坏,而是GFRP的拉断破坏.这主要是由于GFRP中玻璃纤维的弹性模量较小,耗能能力较差,受力时变形较大,GFRP的拉应力先于界面的剪切应力达到最大值,从而使GFRP直接被拉断,这从侧面表明GFRP对带裂缝混凝土梁的增强加固效果没有AFRP和CFRP好.

图2 3种FRP增强混凝土梁的破坏形式Fig.2 Failure modes of three FRP reinforced concrete beams

3 FRP增强混凝土梁的阻裂加固机理

3.1 基本假定

基于线弹性断裂力学的基本原理[15],对FRP增强混凝土梁的阻裂加固机理作出如下假定：(1)在整个裂缝扩展过程中,正应变沿着构件截面呈线性分布;(2)在整个开裂过程中,不考虑未开裂区域的弹性变形;(3)将FRP对混凝土梁的作用等效为作用在梁受拉区边缘的一对集中力;(4)不考虑胶层的拉伸强度.

3.2 裂缝尖端闭合力阻裂模型

根据梁的受力特点,混凝土梁的断裂可以简化为平面问题.FRP增强混凝土梁在保证界面正常黏结的情况下,试件破坏总伴随着混凝土裂缝的起裂失稳,因此可以采用线弹性断裂力学的原理来分析裂缝的起裂失稳规律以及裂缝闭合措施效果[16-17],裂缝尖端闭合力阻裂模型如图3所示.由图3(a)可见,普通混凝土梁一旦开裂,裂缝就迅速扩展至试件顶部,发生失稳破坏,此时裂缝尖端A的应力强度因子KIA大于混凝土的断裂韧度KIC，其中M为外力P作用下产生的弯矩.由图3(b)可见,FRP增强混凝土梁开裂后,FRP的作用相当于在起裂点施加了1对反向的集中力PFRP(其中MF为PFRP作用下产生的弯矩),故裂缝尖端B的应力强度因子为KIB=KIA-KIF(KIF为PFRP产生的应力强度因子).

图3 裂缝尖端闭合力阻裂模型Fig.3 Crack arrest model of closing force at crack tip

3.3 裂缝扩展状态的判定准则

由于FRP对混凝土裂缝的限制作用,因此FRP增强混凝土梁所采用的双K断裂准则中的起裂韧度和失稳韧度已经不同于普通混凝土梁,需要考虑FRP材料的作用力,其具体计算方法可参考文献[13].

3.4 计算结果分析

参考文献[13],计算出AFRP、CFRP、GFRP增强混凝土梁的界面临界剪切应力分别为17.03、18.69、7.47MPa.AFRP、CFRP增强混凝土梁的界面临界剪切应力大于环氧树脂强力胶的拉伸抗剪强度(15.5MPa),因此两者破坏形式都是梁底部混凝土-FRP界面剥离破坏;而GFRP增强混凝土梁的界面临界剪切应力比环氧树脂强力胶的拉伸抗剪强度小,因此其破坏形式为GFRP的拉断破坏.通过FRP增强混凝土梁界面临界剪切应力的计算和分析,很好地验证了2.2节的结论.

参考文献[13]计算不同FRP增强混凝土梁的断裂韧度,结果如图4所示.从图4可以看出：相比普通混凝土梁而言,FRP增强混凝土梁的起裂韧度和失稳韧度均增大,表明使用FRP对带裂缝混凝土梁加固具有一定的阻裂和增强效果;对比3种FRP增强混凝土梁的起裂韧度和失稳韧度,CFRP增强混凝土梁的起裂韧度和失稳韧度最大,表明CFRP增强混凝土梁的效果最佳;尽管AFRP增强混凝土梁与CFRP增强混凝土梁的起裂韧度和失稳韧度相近,但考虑到经济成本的问题,AFRP的价格远高于CFRP,因此使用AFRP对带裂缝混凝土增强加固的性价比并不高.由表1可知,GFRP弹性模量较小,在相同外力作用下,其变形要大于其他2种纤维;又根据GFRP本身的性能可知,其抗拉强度比混凝土要大很多,但GFRP只有在混凝土结构二次受力,裂缝进一步发生扩展时才能发挥作用,加固效率较低,对带裂缝混凝土正常使用状态下的性能改善不大,这从图4的起裂韧度和失稳韧度对比中也可以验证.由此可见,使用CFRP材料对带裂缝混凝土增强加固的性价比最高,其阻裂和增强效果优于AFRP和GFRP.

图4 不同FRP增强混凝土梁的断裂韧度Fig.4 Fracture toughness of different FRP reinforced concrete beams

4 结论

(1)通过三点弯曲试验的起裂荷载和失稳荷载对比分析,验证了FRP对带裂缝混凝土梁有明显的阻裂和增强效果,并得出CFRP的阻裂增强效果优于AFRP和GFRP,CFRP增强混凝土梁的延性最好.

(2)FRP增强混凝土梁的破坏形式不同于普通混凝土梁,AFRP增强混凝土梁和CFRP增强混凝土梁的破坏形式为试件底部混凝土-FRP界面的剥离破坏,GFRP增强混凝土梁的破坏形式为试件底部GFRP的拉断破坏.

(3)通过对不同FRP增强混凝土梁阻裂加固机理的分析,计算了不同FRP增强混凝土梁的起裂韧度和失稳韧度,得出CFRP增强混凝土梁的起裂韧度和失稳韧度均最大,同时考虑了经济成本,使用CFRP对带裂缝混凝土梁增强加固的性价比最优.