BFRP和CFRP加固受彎混凝土界面疲勞性能試驗

謝建和　黃昆泓　李自堅　張洹　許光輝

摘要：以纖維增強復合材料（FRP）片材外貼混凝土受彎構件為研究對象，探討玄武巖纖維（BFRP）和碳纖維增強復合材料（CFRP）加固混凝土界面疲勞性能。通過實施四點彎曲加載試驗，研究了BFRP和CFRP加固混凝土界面疲勞破壞模式、界面疲勞裂縫擴展規律以及構件跨中撓度和FRP應變隨加載循環次數的變化規律，并對BFRP和CFRP加固混凝土界面的靜載剝離承載力和疲勞壽命進行了分析，給出了BFRP和CFRP加固混凝土界面的疲勞強度。研究結果表明：與BFRP-混凝土界面相比，CFRP-混凝土界面的靜載剝離承載力提高了約50%，其疲勞壽命也明顯提高；既有疲勞歷程對BFRP和CFRP加固混凝土界面的靜載剝離承載力影響不大。

關鍵詞：結構工程；剝離承載力；玄武巖纖維；碳纖維增強復合材料；界面；疲勞

中圖分類號：TU375.1 文獻標志碼：A

0引 言

纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）片材加固技術具備強度高、耐腐蝕、輕質和施工便捷等優點，其中碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）由于抗拉性能優越，正被廣泛地應用于混凝土結構的加固工程中。與碳纖維相比，玄武巖纖維（Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP）具有更好的耐溫性和更低的價格，是一種環保的綠色工業材料，是目前各國土木建筑加固領域的一個研究熱點。在FRP片材加固技術中，FRP直接粘貼于混凝土表面，FRP-混凝土界面既是傳遞應力的關鍵部位，又是加固構件的薄弱環節，界面的破壞將導致FRP剝離，造成整個結構的破壞。因此，FRP-混凝土界面力學性能引起各國學者的關注。然而，目前關于FRP-混凝土界面力學性能的研究主要集中于其靜力性能[1-6]，針對其疲勞性能的研究卻少見報道。Ferrier等[7]、Bizindavyi等[8]、Meneghetti等[9]、Nigro等[10]和Carloni等[11]先后采用FRP加固素混凝土單剪模型對界面疲勞性能進行了試驗研究，Ko等[12]、Yun等[13]、Diab等[14]和彭暉等[15]則通過開展FRP加固素混凝土界面的雙剪試驗，對FRP-混凝土界面的疲勞行為進行了研究。郭樟根等[16]和Gartner等[17]認為，單剪和雙剪模型處于純剪切狀態，均不能反映實際FRP加固梁受力狀態，故由這些簡化模型所獲得的研究結果很難應用到處于彎剪狀態的實際結構中。

為此，本文擬以FRP布外貼混凝土加固受彎構件為對象，通過實施四點彎曲疲勞試驗，研究BFRP和CFRP加固混凝土的界面疲勞破壞模式、界面疲勞裂縫擴展規律以及構件跨中撓度和FRP應變隨加載循環次數的變化規律，并對BFRP和CFRP加固混凝土界面進行疲勞壽命分析。

1試驗概況

1.1試件設計

本文研究設計了10根如圖1所示的FRP-混凝土加固受彎構件，其中5根采用CFRP加固，另5根采用BFRP加固。圖1中，F為荷載。該構件由2個150 mm×150 mm×300 mm的素混凝土棱柱組成，2個混凝土棱柱由1根長度為450 mm、直徑為10 mm鋼筋連接，混凝土棱柱相鄰側面距離為10 mm。2個混凝土棱柱底面由長度為460 mm、寬度為120 mm的單層纖維布連接，非粘結區長度均為15 mm。為了保證破壞發生在非粘結區一側，對另一側的纖維布用寬度為100 mm的BFRP布進行U型裹纏，如圖1所示。本文試驗采用了日本東麗生產的UT70-30型CFRP布和浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的單向BFRP布，單層纖維布的計算厚度均為0.167。FRP布和粘結樹脂的力學性能如表1所示。

1.2試驗加載與測量

本文研究的試驗在SDS500型電液伺服疲勞試驗機上進行，采用四點彎曲加載方式，試驗加載裝置如圖2所示。實施了靜力加載、疲勞后再靜力加載以及疲勞加載3種試驗方式。靜力加載采用位移控制模式，加載速度為0.2 mm·min-1。疲勞加載采用力控制模式，疲勞循環的荷載波為正弦波，加載頻率為2 Hz，疲勞應力比為0.2，試件疲勞試驗的荷載上限根據其靜力極限荷載不同百分比進行取值，各試件的試驗條件與試驗結果如表2所示。

為了測試FRP應變的變化規律，在FRP表面密貼電阻式應變片（電阻柵尺寸為3 mm×2 mm），應變片位置如圖3所示。每個試件布置21個應變片，沿寬度方向分a組、b組和c組，沿長度方向布置7列。試驗的數據采集系統主要由疲勞試驗機和TMR-211動態應變采集系統組成，位移、應變和力等數據的測量和記錄隨著疲勞試驗同步進行。此外，在正式加載前，先對試件靜力加載5 kN，以消除試件與機器之間的間隙。

2試驗結果與分析

2.1破壞模式

BFRP和CFRP加固構件的靜載試驗均以FRP梁編號混凝土圓柱體強度/MPa加載方式承載力/kN疲勞壽命/次疲勞荷載上限/kN應力比破壞模式

界面剝離破壞結束，其破壞形態如圖4所示。加固構件的破壞過程主要表現為：跨中附近混凝土率先出現豎向裂縫，裂縫與FRP軸線大致成45°夾角；隨著荷載的增加，FRP-混凝土界面在該裂縫根部開始剝離，并向FRP布自由端擴展，伴隨著界面剝離產生“啪啪”的響聲；最終FRP向無U型箍一端完全剝離，并拉下跨中附近的一塊楔形混凝土。從FRP剝落的表面來看，界面裂縫集中在混凝土表面的粘結樹脂滲透層中擴展，因為剝落的FRP表面附有一層薄薄的混凝土。BFRP和CFRP加固構件的疲勞后靜載試驗也表現為FRP界面剝離的破壞模式，疲勞加載過程中界面出現局部剝離現象，疲勞后靜載試驗的破壞現象與直接靜載試驗相似。

BFRP和CFRP加固構件疲勞試驗均出現2種破壞模式（圖5）：界面疲勞剝離破壞和FRP布斷裂破壞。值得提出的是，界面疲勞剝離破壞過程與界面靜載剝離并不完全相同，與界面靜載剝離相比，界面疲勞剝離的脆性更加明顯，主要表現為：界面疲勞加載初期，跨中附近的混凝土沒有出現明顯的豎向裂縫；隨著加載循環次數的增加，非粘結區端部的FRP-混凝土界面出現微裂縫，并向FRP布自由端擴展；當界面裂縫擴展至臨界值時，界面突然發生剝離破壞，FRP剝落的表面也附有薄層混凝土，其破壞形態如圖5（a）所示。由此可見，無論是靜載和疲勞作用，FRP-混凝土界面裂縫均集中在混凝土中發展，樹脂-混凝土粘結界面是發生FRP加固混凝土剝離破壞的薄弱環節，這與Nigro等[6]、Yun等[9]和彭暉等[11]的直剪試驗結果相同。

FRP布斷裂的破壞形態如圖5（b）所示，其破壞過程表現為：疲勞加載初期伴隨著較為明顯的界面剝離聲，加載至疲勞壽命時，FRP布突然沿著U型箍邊緣斷裂，且伴有一聲巨響，并把無U型箍一端的FRP布剝落，破壞時無任何征兆。從本次試驗結果來看，當疲勞荷載上限較大時，加固試件發生FRP斷裂破壞；當疲勞荷載上限較小時，加固試件則發生界面疲勞剝離破壞。其原因主要是由于U型箍邊緣處的FRP應力集中較顯著，疲勞荷載使該處FRP反復承受沖剪作用，當疲勞荷載較大時，該處的FRP先于界面剝離發生疲勞斷裂。

2.2剝離承載力和疲勞壽命

對比表2所示靜載試驗的結果可知，與BFRP-混凝土界面相比，CFRP外貼混凝土界面靜載跨中抗剝離承載力提高約50%。這與現有的研究結果相吻合，其主要原因是BFRP較低的彈性模量導致界面斷裂能下降[6，18]。對于實施疲勞后再靜載試驗的加固構件，從表2可以看出，既有疲勞損傷使得BFRP加固構件抗剝離承載力略有下降，但并沒降低CFRP加固構件的承載力。值得注意的是，試件C2和試件C3的剝離承載力比試件C1還大，這主要由于試件C2和試件C3的混凝土強度更大。

圖6為加固試件界面疲勞壽命N的對數與跨中FRP疲勞應力上限S的關系曲線。從圖6可以看出，當混凝土的抗壓強度相同時，CFRP加固混凝土界面的疲勞壽命遠大于BFRP加固界面。對圖6中FRP加固構件的試驗數據點進行線性擬合，可得到BFRP和CFRP加固混凝土界面疲勞壽命的擬合方程分別為：

BFRP-混凝土界面

S=1 287-89lg（N）（1）

CFRP-混凝土界面

S=1 502-70lg（N）（2）

通常假設2×106次循環就是疲勞極限，將N=2×106代入式（1）和式（2），可求得BFRP和CFRP加固混凝土界面的極限疲勞強度分別為726 MPa和1 061 MPa，其分別為BFRP和CFRP加固混凝土界面靜載承載力的61%和58%。

2.3撓度變化規律

次數，跨中撓度取每個加載循環荷載上限時對應的撓度。從圖7可以看出，FRP加固構件的跨中撓度隨著加載循環次數增加呈現3個發展階段：①撓度快速增長階段，這一階段發生在疲勞初期且歷程很短；②撓度穩定增長至破壞階段，隨著第1階段的結束，應變進入到一個相對穩定增長的階段，這一階段的歷程較長，約占加固梁疲勞壽命的90%；③撓度急劇增長階段，這主要由界面剝離或FRP斷裂的脆性破壞引起，該階段歷程非常短。這與FRP加固鋼筋混凝土梁受彎疲勞試驗中的跨中撓度變化規律相似[19]。

圖8為BFRP加固構件疲勞過程中跨中撓度與疲勞荷載關系曲線，其中每個循環曲線左半部分為加載階段，右半部分為卸載階段，曲線所包含的面積反映疲勞過程中的耗散能。從圖8可以看出，由耗散能反映的疲勞損傷累積歷程也呈現3個階段：疲勞初期的殘余撓度發展很快，耗散能隨著加載循環次數的增加而增大；隨著疲勞次數的增加，殘余撓度緩慢增加，耗散能隨著加載循環次數的增加而減小，此時，加載階段曲線基本上是一組平行直線，反映出其間剛度基本保持不變；即將破壞之時，耗散能急劇增加。

2.4FRP應變演變和界面裂縫擴展

圖9為試件B5的FRP應變與加載循環次數關系曲線，其中的應變取每個加載循環中荷載上限時的應變，數字1～7表示應變片所在列數（圖3）。從圖9（a）可以看出，在疲勞荷載作用下，FRP的應變沿其寬度方向非均勻分布，但FRP兩側和中軸處應變相差不大，說明FRP剝離大致齊寬度同步擴展。另外，由圖9（b）可知，FRP應變隨著加載循環次數的演變規律與跨中撓度相似：加載初期，應變快速增長；隨后應變進入到一個長時間的穩定階段，直至試件突然破壞。

圖10為不同加載循環次數時FRP沿長度方向的應變分布。從圖10可以看出，隨著加載循環次數的增加，FRP應變從跨中開始向自由端逐步增大。參考文獻[14]中的計算方法：當某處的應變值接近FRP應變，且加載循環次數的變化對其影響不大時，則認為該處的界面已經發生剝離。在如圖10（b）

所示的距離中部裂縫60 mm的位置，其FRP應變值在第19次循環時僅為3×10-4，當循環加載至第139次時，其FRP應變值增大至73×10-4，且進一步循環也沒提高其應變，則認為界面裂縫擴展至距跨中60 mm處對應的加載循環次數為139次。圖11給出了界面裂縫長度與加載循環次數的關系，其中界面裂縫長度是以非粘結區端（距跨中15 mm處）作為起裂原點。從圖11可以看出：在疲勞加載初期，界面裂縫擴展速率較大，呈現一個快速擴展階段；隨著加載循環次數的增加，界面裂縫沿著FRP長度方向從中部向FRP自由端部擴展。這與FRP加固鋼筋混凝土梁的跨中界面裂縫擴展行為相似[19]，但由于疲勞試驗過程中應變片失效，未能采集到全部應變數據，故不能給出整個疲勞過程的界面裂縫擴展速率。

3結語

（1）與BFRP-混凝土界面相比，CFRP-混凝土界面的受彎剝離承載力提高約50%，其疲勞壽命也明顯提高。

（2）當粘結長度足夠長的時候，既有疲勞歷程對BFRP和CFRP加固混凝土界面的受彎剝離承載力影響不大。

（3）BFRP和CFRP加固開裂素混凝土受彎構件疲勞強度會出現界面疲勞剝離和FRP布斷裂2種破壞模式。當疲勞荷載較大時，加固構件容易發生FRP布斷裂破壞。

（4）與CFRP加固鋼筋混凝土構件相似，BFRP和CFRP加固素混凝土的疲勞損傷累積歷程也呈現快速增長、穩定增長和急劇增長3個階段。

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