《寒冷环境循环荷载对CFRP-混凝土界面极限荷载的影响》-工学论文，科技论文-论文范文参考-科学狗论文网

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寒冷环境循环荷载对CFRP-混凝土界面极限荷载的影响

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李国民

摘要：首先通過24块事先已经经过冻融循环的混凝土试件，外加循环荷载条件，考察循环荷载和冻融循环次数两个参数对CFRP-混凝土界面的极限荷载的影响。结果表明：复合荷载作用下，界面极限荷载下降很快，总体呈现线性下降趋势，界面极限荷载减少为原来的1/8，界面承载能力大为削弱。影响界面极限荷载中的因素中，循环荷载其主要作用。

关键词：冻融循环;循环荷载;混凝土;CFRP;界面

上世纪90年代，FRP加固技术在我国开始逐渐新兴起来，由于其独特的优势，迅速在土木工程、钢铁制造业、航空航天等领域广泛应用。我国东北地区冬季气温较为寒冷，据辽宁省交通规划设计院气候调研报告（2010年）对2000-2010十年内的温度调研总结，辽宁省14个地级市，在冬季极寒条件下，最低气温均突破-20℃，辽宁属于重工业区域，工业化程度较高，交通负载较大，很多在役桥梁目前已经出现破损，亟待修补，CFRP在这个时候体现出了巨大优势。

基于以上工况，桥梁底板承受的来自环境的冻融循环损伤和车辆荷载的循环碾压损伤，因此是符合荷载受力情况，关于上述的工况分析，很多学者已经做了大量的研究，例如Bisby and Green[1]通过开展3种类型的FRP片材在冻融循环下加固性能，发现直到300次冻融循环，FRP-混凝土构件并无明显力学性能变化;Ahmad[2]却得到了与Bisby相反的结果，发现冻融循环对FRP-混凝土梁影响很大，尤其是在冻融循环后期，劣化更为明显;李杉[3]研通过开展一系列冻融循环试验，发现随着冻融龄期的增长，FRP-混凝土的破坏面，从单纯的混凝土表层剥离转向混凝土-胶层界面处剥离破坏，这一研究结果将各国学者的研究重点增加了一个环节，那就是胶体性能的研发和耐久性研究，具有重要意义。同时他发现动力循环下冻融循环的客观性，明确FRP-混凝土界面是破坏的重点位置，应该加强对此界面的关注。目前，这方面的研究已经引起一些学者的关注。[4-6]

综上可见，亟需对复合荷载下CFRP-混凝土界面（以下简称为界面）的粘结行为进行深入、系统的研究，本文从冻融循环下的损伤梁开始着手，对梁体进行循环加载，考察冻融循环次数，是否加载循环荷载两参数对界面的极限荷载的影响，以期对桥梁加固工程设计提供一些实验依据。

1 试验方案

1.1 试件制作

基于表1配比制成C30混凝土试件，试件尺寸10×10×22cm3，24块试件分成4组，每组试件6块，3块用于加循环荷载，3块用于不加循环荷载。试件工况见表2。材料的物理性能参数如表3所示。

1.2 试验过程

采用 KDR-V9 型混凝土快速冻融试验机，冻融循环方案参考GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中快冻法的相关规定，每个冻融循环周期约为3h，试件中心最低和最高温度分别控制在（-18±2）℃和（5±2）℃，冻融循环次数为0次（作为对比试件）、50次、100次和300次;通过MTS疲劳试验机对单剪试件施加动力循环荷载，进行疲劳试验。以相同尺寸试件静载极限承载力的80%为循环荷载上限值，30%为荷载下限，采用力控制的方法，按正弦波对试件施加循环荷载，基本循环次数定为4万次，而后取下试件做单剪试验。

单剪采用20t电液伺服材料试验机上进行加载。剪试验加载速率为位移控制，速度为为5mm/min，单剪实验过程中，采用IMC动态采集系统与应变片相连，实时观测应变随着加载力的变化情况，同时在CFRP撕裂过程中采集到极限荷载，极限位移、最终位移，同时观察试件破坏形态。

2 试验结果

试件加载后，当加载力到达极限荷载的70%左右，界面处传来“噼噼啪啪”的响声，到了极限荷载，“砰”的一声纤维布从混凝土表面剥离出来。从破坏形态来看纤维布会从试件表面剥离下来，并带有一定厚度的混凝土，加了循环作用的时间，剥离下的混凝土越多，这是由于本来已经表层经过冻融循环的混凝土试件，再次经过循环荷载，这一过程加速了混凝土表层的劣化，形成较多裂缝，在后期单剪试验中，切向粘结应力使得混凝土保持不住本体，从表层脱落下来;从破坏时间来看，经过多次冻融且循环荷载后的试件，承载能力较弱，往往不到2kN作用，CFRP布便从表面剥离下来，界面承载能力大为削弱，以对比件来说，照比300次冻融循环下的循环荷载件，界面极限荷载强化近8倍。

3 结论

（1）复合荷载作用下，界面粘结能力大为下降，总体呈现线性下降趋势。

（2）复合荷载作用下，影响界面极限荷载中的因素中，循环荷载其主要作用。

（3）复合荷载作用下，以300次冻融循环下的循环荷载件来说，界面极限荷载减少为原来的1/8，界面承载能力大为削弱。

参考文献：

[1]Bisby L A，Green M F.Resistance to Freezing and Thawing of Fiber-ReinforcedPolymer-Concrete Bond[J].ACI Structural Journal.2002，99（2）：215-223.

[2]Ahmad M A.Debonding of FRP from concrete in strengthening applications Experimentalinvestigation and theoretical validation[D].New York：City University of New York，2005.

[3]李杉.环境与荷载共同作用下FRP加固混凝土耐久性[D].大连理工大学，2009.

[4]INOUE SHOICHI，NISHIBAYASHI SHINZO，YOSHINOAKIRA，et al. Strength and deformation characteristics of reinforced concrete beam strengthened with carbon fiber reinforced plastics plate under static and fatigue loading[J].Zairyo Journal of the Society of Materials Science，1994，43（491）：1004-1009.

[5]TOUTANJI H，DENG Y，JIA M. Fatigue performance of RC beams strengthened with CF sheets bonded byinorganic matrix[C].FRPRCS-6. Singapore，2003：2837-2851.

[6]SHAHAWY MOHSEN，BEITELMAN THOMAS E.Static and fatigue performance of RC beams strengthened with CFRP laminates[J].Journal of Structural Engineering，1999，125（6）：613-621.

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