表1 混凝土配合比
Table 1 Mix proportion
罗 威，肖云逸，何栋尔，章子华
(宁波大学建筑工程与环境学院，宁波 315211)
摘 要：该文通过对90个CFRP-高温后混凝土标准试件进行快速荷载下正拉试验，得到了加载速率、混凝土强度等级及过火温度等因素对界面正拉粘结强度的影响规律。在欧洲规范(CEB-FIP1990)建议的混凝土动态抗拉强度公式和高温后混凝土轴心抗拉强度折减公式基础上，综合考虑应变率效应和高温劣化作用，提出了高温后界面正拉粘结强度预测模型，并验证其可靠性。在此基础上给出了不同混凝土强度等级构件火灾后极限加固修复温度。试验结果表明：正拉粘结强度随混凝土强度等级和加载速率的提高而提高；在20 ℃～500 ℃内提高过火温度会显著降低界面正拉粘结强度，超过500 ℃后下降幅度不明显。
关键词：快速荷载下；CFRP；火灾后加固；界面破坏；正拉粘结强度；应变率效应
据公安部消防局统计[1]，2016年我国共发生建筑火灾 25万起。若所有火灾后受损的构筑物均拆除重建，显然不够经济合理。目前最常采用的方法是对火灾受损的工程结构进行甄别定级，针对部分受损较轻且不影响正常使用的工程结构采取加固补强措施。由于碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)具有比强度高、耐腐蚀性好、抗疲劳性佳、施工便捷等优点[2]，外贴 CFRP加固法已在工程结构的加固修复领域得到广泛应用。
值得注意的是，经CFRP加固的火灾后混凝土结构(如桥墩、地下结构等)在服役期间往往面临各种动载作用(如地震、碰撞、冲击等)[3－5]。已有研究表明：受混凝土材料应变率效应[6－9]的影响，FRP-混凝土界面粘结性能也会随着加载速率的改变而发生变化[10―12]。同理，CFRP-高温后混凝土界面应同时考虑应变率效应和高温劣化作用，否则会严重高估加固构件的承载能力，造成巨大安全隐患。因此，有必要开展快速荷载下CFRP-高温后混凝土界面粘结性能方面的研究。
正拉粘结强度是评判 FRP-混凝土界面粘结性能的重要指标[13]。本文通过试验研究加载速率、混凝土强度等级和过火温度三种因素对界面正拉粘结强度的影响，建立考虑应变率效应和高温劣化的界面正拉粘结强度预测模型，为今后FRP加固火灾受损后混凝土结构的设计和推广应用提供重要参考。
试验采用安徽海螺水泥股份有限公司生产的32.5 R普通硅酸盐水泥，细骨料为ISO标准砂，粗骨料为5 mm～20 mm连续粒径碎石，水为自来水，混凝土配合比详见表 1。碳纤维(CFRP)布采用国产SKO牌一级纤维布，建筑结构胶为国产SKO牌高级纤维浸渍胶，浸渍胶分为A胶和B胶两种，按照2∶1的质量比配制而成，CFRP布与建筑结构胶的材料性能如表2所示。
表1 混凝土配合比
Table 1 Mix proportion
表2 CFRP布与建筑结构胶的材料性能
Table 2 Material properties of CFRP cloth and building structural adhesive
由于混凝土强度具有较大的离散性，为确保试验数据的准确性，每组标准正拉试件各制备5个(共计90个)；同时采用相同配合比制作12组(共计36块)标准混凝土立方体试块(室温养护28 d)用以测试高温作用前后混凝土强度的变化。标准正拉试件制作步骤如下：1) 首先选定混凝土试块的粘贴面进行打磨，并沿粘贴面的中心区域割出宽深各为 2 mm的预切缝；2) 然后对混凝土试块依次进行高温加热，电热炉根据 ISO834标准升温曲线进行升温，当炉内温度达到预定温度后保持恒温4 h然后手动熄灭，试件在炉内自然冷却至第2 d后取出；3) 加热完成后待其自然冷却，接下来使用酒精棉花对混凝土试块的粘贴面进行清洁处理，然后在割槽区域内涂刷一层建筑结构胶，并用刮板刮抹均匀，再粘贴尺寸为40 mm×40 mm的CFRP布，待其固化后采用相同步骤于碳纤维布上表面再次涂刷一层建筑结构胶，最后贴上钢标准块，标准正拉试件尺寸如图1所示。
图1 正拉试件尺寸 /mm
Fig.1 Dimensions of tensile specimen
待试件上的建筑结构胶完全凝固后，依据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程(CESC146:2003)》[13]附录 A进行加载试验。试验装置采用深圳世纪天源仪器有限公司生产的 MTS(SANS)CMT-5305微机控制电子万能试验机，由该试验机的加载速度折算得到的混凝土快速加载应变率范围为 10-6ε/s～10-1ε/s(相当于地震作用和中低速冲击的应变率范围)。因此，本文在允许应变率区间内选取三组应变率值(5×10-4ε/s、5×10-3ε/s 和5×10-2ε/s)，换算成试验机的加载速率分别为100 N/s、1000 N/s和10000 N/s。加载装置及加载示意如图2所示。试验加载采用力控制，加载初期，荷载与位移大致呈线性增长，接近最大荷载时，通常伴随“砰”的一声，钢标准块与混凝土界面瞬间脱离，破坏前无明显预兆，属于脆性破坏，图3为不同参数条件下试件破坏形态。
图2 加载装置及加载示意图
Fig.2 Loading device and loading diagram
图3 试件破坏形态对比
Fig.3 Comparison of specimen destruction morphology
正拉粘结强度计算公式如下[13]：
式中：fσ/MPa为正拉粘结强度；P/kN为正拉破坏荷载；A/mm2为钢标准块粘贴面积。试验参数设置及结果详见表3。
图4(a)描述了不同混凝土强度等级试件的正拉粘结强度(fσ)随加载速率(v)的变化关系，从图中可以明显看出，各强度等级混凝土试件的fσ均随着加载速率的增大而提高。分析图4曲线可知，在100 N/s、1000 N/s、10000 N/s的加载速率下，C30试件的fσ较 C20试件分别提高 24.1%、23.2%、23.6%，而C40试件的fσ较C30试件分别提高13.5%、13.2%、12.6%，说明在同一加载速率下，试件的fσ随混凝土强度等级的提高变化幅度趋缓。从混凝土断裂损伤机理分析可知，C40试件的表层密实度及骨料与砂浆之间的粘结力均要优于C20和C30试件，因此C40试件破坏面粘附的混凝土颗粒要少于 C20和C30试件(剥离面夹带少许粗骨料)；从混凝土材料的应变率效应角度看，C40试件的动态抗拉强度要大于C20和C30试件，只有当界面承载力超过试件的动态抗拉强度才发生剥离破坏，所以混凝土强度等级越高剥离破坏时界面承载力就越大。
图5(b)展现了不同过火温度(T)对C30试件正拉粘结强度(fσ)的影响规律。由图中曲线可知，在同一加载速率下，常温试件的fσ最高，随着过火温度的升高fσ明显下降。分析曲线变化趋势可得，不同过火温度下试件的fσ均随加载速率的增加而提高。过火温度较低试件的fσ随加载速率的增加提高幅度更为明显。当过火温度T超过500℃后，试件的fσ随加载速率的增加变化趋势并不显著。通过分析高温作用后混凝土材料的结构损伤机理可知，混凝土试件在高温加热过程中由于水分蒸发及一系列的化学变化，试件表面出现许多损伤性裂纹，从而降低了试件表面的抗拉强度，当轴向荷载传递到试件表面时，损伤性裂纹进一步延伸和扩大，当裂纹还未沿着能量释放的最快路径发展，试件表面已被拉裂破坏，因此出现了过火温度越高界面应变率效应越不明显的现象。
表3 试验方案及结果
Table 3 Test program and results
注：A代表内聚破坏(破坏面处于混凝土内部)；B代表粘附破坏(破坏面处于胶层与纤维复合材料/钢标准块之间)；C代表混合破坏(上述两种破坏面形式共存)；“4A+B”表示5个标准正拉试件中4个试件为内聚破坏，1个试件为粘附破坏。数据为在2.2.1节混凝土强度等级的影响下。
图4 各参数条件的影响
Fig.4 The influence of each parameter
2.3.1 混凝土应变率效应分析
混凝土是一种应变率效应敏感材料，混凝土材料的动态抗拉强度与静态抗拉强度有本质区别。Zielinski等[14]利用Hopkinson棒进行动力抗拉试验，发现混凝土的动态抗拉强度与静态抗拉强度之比约为 2.11。肖诗云等[15]在 MTS伺服疲劳试验机上进行混凝土动态拉伸试验研究，得到混凝土的抗拉强度与应变率的对数近似呈线性关系。本文采用欧洲规范(CEB-FIP1990)[16]建议的混凝土抗拉 DIF(dynamic Increase Factor，动力增大系数)公式来描述动态抗拉强度：
式中：TDIF=σtd/σts；准静态应变率ε˙s=3×10-6s-1；σts和σtd分别为准静态应变率和高应变率下的拉伸强度；ε˙d的应用范围为3×10-6s-1～300 s-1；此时δ=1/(10+6σcs/σc0)，lg(θ)=7.11δ-2.33，σcs为对应强度等级混凝土静态抗压强度；σc0是强度基准值，取10 MPa。
2.3.2 混凝土温度效应分析
阎慧群[17]、王峥[18]研究发现高温后混凝土材料的力学性能与常温状态截然不同，当过火温度T低于 800℃时其轴心抗拉强度与过火温度大致呈线性相关关系。本文依照《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB 50081—2002)》[19]的规定对混凝土轴心抗拉强度进行测试，并采用线性回归拟合得到三种强度等级混凝土轴心抗拉强度(ftT)随过火温度(T)的变化关系式，具体结果列于表4。从表4可以看出，不同强度等级的混凝土试件经高温作用后轴心抗拉强度均有所下降，且过火温度越高折减率越大。其主要原因有：1) 高温作用后混凝土内部胶凝材料由于失水形成裂缝和空隙；2) 骨料与水泥浆体的热工性能差异而产生变形差及内应力，导致混凝土表面出现微裂缝；3) 骨料颗粒由于高温受热而膨胀破裂。混凝土材料内部的结构性损伤随温度上升得以不断发展和累积，故导致材料的力学性能急剧恶化[17―18]。
表4 高温作用前后混凝土抗拉强度
Table 4 Tensile strength of concrete before and after heating
注：ft为对应强度等级标准混凝土试块在20℃时轴心抗拉强度值。
2.3.3 预测模型分析
基于上述分析并结合正拉试件的受力情况可知，只有当混凝土自身的抗拉强度不足以抵抗界面传递的正拉应力时，正拉试件才发生破坏，且破坏面均处于混凝土内部(内聚破坏)，换言之，混凝土自身的抗拉强度才是决定正拉粘结强度的关键因素。因此，本文综合考虑动载作用下混凝土的应变率效应与高温过火后混凝土力学性能的折减效应，以分析快速荷载下CFRP加固高温后混凝土界面的粘结性能。根据欧洲规范(CEB-FIP1990)[16]确定本文中低速加载范围(
≤30ε/s )的混凝土抗拉DIF公式，现将混凝土动态DIF公式表示如下：
式中：
和
分别为动态加载速率和准静态加载速率(100 N/s)；σcs为对应强度等级混凝土静态抗压强度；σc0为强度基准值，取10 MPa。
当过火温度在20℃～800℃时，可统一将高温作用后混凝土轴心抗拉强度表示成[18]：
综合考虑混凝土应变率效应的影响，将高温作用后界面正拉粘结强度预测模型表示为：
即：
式中：v为加载速率；T为过火温度；σcs为对应强度等级混凝土静态抗压强度；A和B均为拟合参数。
2.3.4 预测模型验证和火灾后修复建议温度
为验证本文提出的高温作用后界面正拉粘结强度预测模型的准确性，现将9组高温后试件的界面正拉粘结强度试验值与模型预测值进行比较，对比结果如表5所示。从表5数据可知，各组试件的试验值与模型预测值较为吻合，说明根据本模型预测的正拉粘结强度具有较高的精度。
表5 正拉粘结强度的试验值与模型预测值比较
Table 5 Comparison between tested and predicted tensile bonding strength
需要指出的是，依据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程(CESC146: 2003)》[13]规定：只有当组内各个试件的fσ≥1.5 MPa时，才能评定为有效加固。为确定不同混凝土强度等级所对应的极限火灾修复温度，只需将式(4)作如下变形：
=(A+B×T)ft= fσ≥1.5 MPa，然后代入表4获得的拟合参数即可求得。对于 C20、C30、C40混凝土试件，当过火温度T 分别大于 435 ℃、573 ℃、623 ℃时，CFRP加固后的混凝土界面将不能保证有足够的正拉粘结强度，可能导致结构加固失效。
本文通过快速荷载下CFRP-高温后混凝土界面正拉粘结性能试验，系统研究了加载速率、混凝土强度等级和过火温度对界面正拉粘结强度的影响，得出以下结论：
(1) 不同强度等级混凝土试件的界面正拉粘结强度均随加载速率的增大而提高，且在同一加载速率下，试件的界面正拉粘结强度随混凝土强度等级的提高变化幅度趋缓。
(2) 在本文设定的试验温度区间内(20 ℃≤T≤700 ℃)，不同过火温度下试件的界面正拉粘结强度均随加载速率的增大而提高。
(3) 过火温度越低，界面正拉粘结强度随加载速率的增加而提高的趋势越明显，当过火温度T≥500 ℃时，加载速率对界面正拉粘结强度的增加趋势影响不明显。
(4) 综合混凝土应变率效应和温度效应的影响建立了高温作用后界面正拉粘结强度预测模型，通过试验值与模型预测值的对比，证明该模型具有较高的预测精度。
(5) 根据高温后混凝土轴心抗拉强度折减公式计算得到 C20、C30、C40混凝土构件火灾后加固修复的极限温度分别不超过435 ℃、573 ℃、623 ℃。
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EXPERIMENTAL STUDY ON INTERFACIAL TENSILE BONDING PERFORMANCE OF PRE-HEATED CFRP-CONCRETE UNDER FAST LOAD
LUO Wei , XIAO Yun-yi , HE Dong-er , ZHANG Zi-hua
(School of Architecture, Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China)
Abstract:Tensile tests of 90 pre-heated CFRP - concrete specimens were conducted under fast load. The influences of three critical parameters on tensile bonding strength were investigated, including loading rate,concrete strength and heating temperature. According to the formula for dynamic tensile strength of concrete suggested by European code CEB-FIP1990 and the formula for the reduced axial tensile strength of concrete after elevated temperature, a model for estimating the interfacial tension bonding strength after elevated temperature was developed and verified. The limit temperature for repair and rehabilitation of concrete component after fire was suggested in terms of different strength grades to concrete. Results show that the tensile bonding strength increases with the increase of loading rate and concrete strength. In the range of 20 ℃ to 500 ℃, the interfacial tensile bonding strength significantly decreases with the increasing heating temperature, but no remarkable decrease is observed over 500 ℃.
Key words:fast load; CFRP; reinforcement after fire; interfacial failure; tensile bonding strength; strain rate effect
中图分类号：TB332
文献标志码：A
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.06.S059
文章编号：1000-4750(2018)Suppl-0307-06
收稿日期：2017-06-03；修改日期：2017-12-07
基金项目：国家自然科学基金项目(51308307)；浙江省自然科学基金项目(LY18E080013)；宁波市自然科学基金项目(2016A610089)
通讯作者：章子华(1984—)，男，浙江人，副教授，博士，硕导，从事FRP加固混凝土结构研究(E-mail: zhangzihua@nbu.edu.cn).
作者简介：罗 威(1992—)，男，浙江人，硕士生，从事FRP加固混凝土结构研究(E-mail: 2436293197@qq.com);
肖云逸(1994—)，男，浙江人，硕士生，从事FRP加固混凝土结构研究(E-mail: 295369025@qq.com);
何栋尔(1995—)，男，浙江人，硕士生，从事FRP加固混凝土结构研究(E-mail: 1515796846@qq.com).