冻融环境下CFRP板-钢界面黏结性能试验研究 [PDF全文]
(河海大学土木与交通学院, 南京 210098)

为了研究冻融环境对碳纤维增强复材CFRP板与钢界面黏结性能的影响,进行了12个CFRP板-钢双剪节点的测试,分析了失效模式、极限荷载、CFRP板应变、界面剪应力和黏结-滑移关系. 试验结果表明:冻融循环次数对界面失效模式基本没有影响,所有试件均为胶层失效.随着冻融循环次数的增加,结构胶力学性能和界面极限荷载均逐渐下降,300次冻融循环后结构胶弹性模量和抗拉强度分别下降9.3%和10.3%,界面极限荷载下降14.5%; 冻融环境对CFRP板应变分布、界面剪应力分布和黏结-滑移关系的曲线形状没有影响,黏结-滑移关系曲线近似为双线性,但冻融循环作用会导致CFRP板最大应变、最大界面剪应力及其对应滑移和最大滑移下降.

Experimental study on bond behavior of CFRP plate-steel interface in freeze-thaw environment
Wei Fangfang,Zhu Dechang,Wang Haitao,Bian Zhining
(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

To investigate the effect of the freeze-thaw environment on the bond behavior between the carbon fiber reinforced polymer(CFRP)plate and steel, 12 CFRP plate-steel double-shear joints were tested. The failure mode, the ultimate load, the CFRP plate strain, the interfacial shear stress and the bond-slip relationship were analyzed. The experimental results show that the number of the freeze-thaw cycles has no effect on the failure mode and all specimens exhibit cohesive failure. However, with the increase in the number of freeze-thaw cycles, the mechanical properties of the adhesive and the ultimate load of the interface decrease. After 300 freeze-thaw cycles, the elastic modulus and the tension strength of the adhesive decrease by 9.3% and 10.3% while the ultimate load decreases by 14.5%. The freeze-thaw environment has no effect on the curve shapes of the CFRP strain distribution, the interfacial shear stress distribution and the bond-slip relationship. The bond-slip relationship curve is approximately bilinear. The freeze-thaw environment can reduce the maximum strain on CFRP plate, the maximum interfacial shear stress and the corresponding slip, and the maximum slip.

引言

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有轻质高强度、抗疲劳、耐腐蚀等优点[1-2]. 应用CFRP外贴加固钢结构时,CFRP与钢表面之间的有效黏结是保证加固效果的关键. 近年来,学者们研究了结构胶的类型和厚度、CFRP类型、CFRP黏结长度、CFRP厚度等参数对界面黏结性能的影响,建立了界面黏结-滑移模型和承载力计算方法[3-7]. 然而,实际结构或构件在服役时不可避免地受到环境影响. 文献[8-9]指出,紫外线对界面几乎没有影响,但温度和湿度对界面黏结性能的影响相对较大. 冻融循环是较为普遍的一种自然环境,我国西北、华北及东北地区的建筑物长期受此环境影响. 冻融环境可以体现温度、湿度及温度循环作用的综合影响.CFRP和钢材的温度膨胀率相差悬殊,可能导致界面黏结性能对冻融环境的敏感性更大[10]. 因此,研究冻融循环对CFRP-钢界面黏结性能的影响,对于在相关地区合理应用CFRP加固钢结构技术具有重要意义.

本文以CFRP-钢双剪节点为研究对象,对冻融循环下界面的黏结性能进行试验研究,分析冻融环境下界面的失效模式、极限荷载、CFRP板应变、界面剪应力和黏结-滑移关系,为探索冻融环境下CFRP板加固钢结构的加固效果奠定基础.

1 试验1.1 试验材料

试验采用的钢板型号为Q235B,其屈服强度、极限强度和弹性模量分别为0.276、0.420和202 GPa. 采用的结构胶为Sikadur-30,为2组分环氧树脂,主剂与固化剂的质量比为3:1,实测力学指标见表1. CFRP板宽度和厚度分别为50和1.4 mm,其力学指标也列于表1. 由表可知,冻融循环后结构胶的弹性模量和抗拉强度均下降,冻融循环300次后,分别下降9.3%和10.3%,这主要是因为随着循环次数的增加,水分扩展到结构胶内,导致胶体产生微裂缝[10]. 对于CFRP板,随着冻融循环次数的增加,弹性模量和抗拉强度逐渐下降,冻融循环300次后,分别下降6.1%和3.1%.

表1 Sikadur-30和CFRP板主要力学指标

表1 Sikadur-30和CFRP板主要力学指标

1.2 试件设计

共设计12个CFRP板-钢双剪试件,其几何形状见图1. 由图可知,试件由2块钢板和2块CFRP板黏结而成,钢板拼接缝左侧为锚固区,右侧为测试区. 为了控制界面剥离发生在测试区,采用锚板对锚固区进行机械锚固,锚固区的钢板尺寸为250 mm×50 mm×12 mm,CFRP板黏结长度为150 mm,锚板尺寸为150 mm×130 mm×20 mm,锚板上有4个螺栓孔,将上下2块锚板用高强螺栓连接. 测试区的钢板尺寸为350 mm×50 mm×12 mm,CFRP板黏结长度为250 mm. 试件中CFRP板的宽度与钢板相同,胶层设计厚度为1 mm. 在测试区的CFRP板表面布置应变片,第1个应变片距接缝距离为5 mm,其余应变片间距均为25 mm. 为研究冻融循环次数的影响,将试件分为4组,每组3个试件,经历的冻融循环次数分别是0、100、200和300(见表2).

图1 试件示意图(单位:mm)

图1 试件示意图(单位:mm)

表2 试件参数和测试结果

表2 试件参数和测试结果

为保证CFRP板与钢板之间的良好黏结,制作试件前,对钢板表面进行喷砂处理,采用细砂纸对CFRP板粘贴面进行轻微打磨. 粘贴时,在CFRP板两端的钢板上各放置1个钢垫片,垫片厚度为胶层设计厚度与CFRP板厚度之和,具体制作步骤参见文献[12]. CFRP板粘贴完成后,将试件放在室温下养护2周,然后将需要冻融的试件进行冻融处理.

1.3 冻融处理和加载方式

冻融试验参照混凝土冻融试验中的快冻法[13]进行. 将需要冻融的试件放置于冻融箱内,试件中心温度控制在-20~8 ℃.达到预定冻融次数后,取出试件,将其余试件继续冻融至预定次数. 试验采用量程为600 kN的电液伺服试验机进行加载(见图2),采用位移控制方式,加载速率为0.3 mm/min. 应变数据通过TDS-530高速静态数据采集仪采集.

图2 测试装置及测量系统

图2 测试装置及测量系统

2 试验结果2.1 失效模式

CFRP-钢节点的失效模式主要包括CFRP层间剥离、CFRP拉断、界面失效和钢屈服等,其中界面失效又分为CFRP-胶界面失效、胶层失效和钢-胶界面失效[14]. 图3为试件典型的失效模式图. 由图可知,在CFRP板表面覆盖有一层薄胶层,所有试件的失效模式均为胶层失效. 随着冻融循环次数的增加,失效模式并未改变,说明在本文测试条件下,冻融循环次数对失效模式没有影响.

图3 试件的失效模式

图3 试件的失效模式

2.2 极限荷载

所有试件的极限荷载列于表2.图4给出了每组试件极限荷载平均值的变化情况. 可以发现,随着冻融循环次数的增加,极限荷载逐渐降低.在冻融循环100、200和300次后,极限荷载平均值分别为85.2、83.1和79.5 kN,相比于未冻融试件,分别下降了8.4%、10.7%和14.5%. 这表明冻融环境对界面极限荷载产生不利影响,与上述结构胶抗拉强度的变化趋势一致.

图4 极限荷载随冻融循环次数的变化

图4 极限荷载随冻融循环次数的变化

2.3 CFRP板应变

图5为典型试件在不同荷载下的CFRP板应变分布图,其中接缝(x=0 mm)和自由端(x=250 mm)的CFRP应变值通过平衡条件求得,其余应变值由应变片测得. 由图可知,冻融循环后CFRP板应变分布特征与未冻融试件相似. 当荷载较小时,应变在接缝处最大,随着距接缝处距离的增大而逐渐降低,随后变化较小,然后在靠近自由端处继续降低. 随着荷载的增大,应变逐渐增大,当应变在接缝处达到最大值后,最大应变基本保持不变,而

图5 不同荷载下的CFRP板应变分布

图5 不同荷载下的CFRP板应变分布

应变梯度区域逐渐向自由端传递,显示界面从接缝处向自由端逐渐剥离. 应变沿CFRP长度方向出现2个平台段,靠近接缝处的平台段表示界面的剥离长度,而靠近自由端的平台段表示钢板和CFRP板基本可以共同受力. 对比图5(a)和(b)发现,虽然CFRP板应变分布趋势相似,但冻融作用降低了CFRP板的最大应变.

2.4 界面剪应力

界面剪应力能够反映界面中应力的传递过程,可通过CFRP板上相邻测点的应变差分得到,即

τi+1/2=Eftff,if,i+1)/(xi+1-xi)(1)

式中,τi+1/2为距接缝处第i个和第i+1个应变片中间位置处的剪应力; Ef、tf分别为CFRP板的弹性模量和厚度,且受冻融循环次数影响,CFRP板弹性模量为变量; εf,i为距接缝处第i个应变片所测的CFRP板应变值; xi为第i个应变片距接缝处的距离.

图6为典型试件在不同荷载下的界面剪应力分布图. 由图可知,冻融循环对界面剪应力分布特点没有影响.当荷载较小时,剪应力最大值出现在靠近接缝处的界面上,随着距接缝处距离的增大,剪应力逐渐降低至接近于零,在自由端附近剪应力又突然变大. 随着荷载的增大,剪应力及其分布范

图6 不同荷载下的界面剪应力分布

图6 不同荷载下的界面剪应力分布

围均逐渐增大,靠近接缝处界面上的剪应力达到最大值后开始降低,而最大剪应力位置向自由端方向移动,当靠近接缝处界面上的剪应力降低至零时,界面发生剥离. 此后,随着剥离从接缝处向自由端不断扩展,剪应力以基本相似的形状逐渐向自由端传递.可以看出,剪应力仅发生在界面的局部范围内,表明界面存在有效黏结长度. 对比图6(a)和(b)可以发现,冻融循环降低了界面最大剪应力.

2.5 黏结-滑移关系

黏结-滑移关系是指界面剪应力与相对滑移间的对应关系,相对滑移则为同一位置处CFRP板位移和钢板位移之差. 相对滑移的计算公式为

δi+1/2=uf,i+1/2-us,i+1/2(2)

式中

uf,i+1/2=((εf,if,i+1)(xi+1-xi))/4+

ni+1((εf,if,i+1)(xi+1-xi))/2(3)

us,i+1/2=((εs,is,i+1)(xi+1-xi))/4+

ni+1((εs,is,i+1)(xi+1-xi))/2(4)

εs,i=(2P-2Efεf,ibftf)/(Esbsts)(5)

式中,δi+1/2、uf,i+1/2、us,i+1/2分别为距接缝处第i个和第i+1个应变片中间位置处的界面相对滑移、CFRP板位移和钢板位移; εs,i为距接缝处第i个应变片对应位置处钢板的应变值; 2P为试验机施加的荷载; bf为CFRP板的宽度; Es、bs、ts分别为钢板的弹性模量、宽度和厚度.

基于试件同一位置处的剪应力和相对滑移即可得到黏结-滑移关系.图7为典型试件在界面不同位置处的黏结-滑移关系分布图. 图中,Δ为计算点与接缝之间的距离.由图可知,同一试件在不同位置处的黏结-滑移分布虽然存在一定离散性,但也表现出明显的规律性,而且冻融试件和未冻融试件的黏结-滑移关系曲线的形状基本相同. 在开始阶段,界面剪应力随着相对滑移的增大逐渐增大至最大值. 随后,界面剪应力随着相对滑移的增大逐渐减小,即出现软化段,当剪应力降低至零时,说明界面发生剥离. 整体上看,界面黏结-滑移关系近似于双线性关系. 对比图7(a)和(b)发现,相比于未冻融试件,经300次冻融循环后,黏结-滑移关系中的最大滑移、最大界面剪应力及其对应的滑移均有所降低,说明冻融循环对界面产生损伤.

图7 不同位置处的黏结-滑移关系

图7 不同位置处的黏结-滑移关系

3 结论

1)冻融循环对Sikadur-30胶的力学性能存在不利影响.冻融循环300次后,结构胶的弹性模量和抗拉强度分别下降9.3%和10.3%.

2)冻融循环次数对界面失效模式没有影响,所有试件均发生胶层失效. 随着冻融循环次数的增加,界面极限荷载逐渐降低,冻融循环300次后,极限荷载下降14.5%.

3)冻融循环作用对CFRP板应变分布特征、界面剪应力分布特征和黏结-滑移关系曲线的形状基本无影响,界面黏结-滑移关系近似为双线性. 然而,冻融循环作用会降低CFRP板最大应变、界面最大滑移、界面最大剪应力及其对应的滑移.

参考文献