随着纤维材料在工程中越来越多的应用, 对纤维材料及纤维材料应用的研究得到了国内外学者的广泛关注^[1,2]。研究表明:在静、动态荷载作用下结构的力学行为是不同的。

纤维布与混凝土静态界面性能研究已比较成熟^[3,4]。不同加载速率以及往复加载下界面性能的研究较少, 文献[2]研究表明:加载速率对界面断裂能影响较大。有国外学者进行了动态往复荷载下的纤维布与混凝土界面性能研究的相关研究:Nigro等^[1]采用碳纤维布 (CFRP) 加固素混凝土试件进行单剪试验, 加载速率为0.1k N/s, 分别设计不同循环次数和循环范围, 结果表明试验中施加的低周循环荷载未对界面黏结强度产生显著影响。研究^[5]表明, 结构的动力荷载是在结构承受一定的静态荷载 (如自重、淤砂河水压力) 下叠加的, 而国内外对FRP与混凝土界面的研究, 多数是在无初始静载条件下进行的^[6,7]。由于国内外都缺乏这方面的试验研究资料, 很难分析结构在不同比例初始静载下的动态力学性能^[8]。

近年来, 研究人员对混凝土材料在不同初始静载下的动态力学性能开展了研究, 沈德建等^[9]的研究表明:微粒混凝土的动态抗压强度随着初始静载比例的提高而降低;马怀发等^[10]基于混凝土材料的应变率效应的研究表明:在复杂加载情况下, 动强度与应变历史、应变率历史以及材料的损伤积累有关。当建筑物遭遇地震时, 往往已承受一定的静态荷载。然而, 目前还未有纤维片材加固混凝土结构在初始静载下的动态力学性能研究相关报道, 随着纤维片材加固混凝土结构越来越广泛的应用, 纤维布与混凝土的界面性能研究也成为研究热点, 因此, 开展不同初始静载下的玄武岩纤维布 (BFRP) 与混凝土界面性能研究有重要的意义。

界面断裂能为界面黏结滑移曲线包含的面积, 其与界面剥离承载力的大小相关, 反映了界面破坏时所释放能量的大小, 界面断裂能越大, 界面的耗能能力越大, 破坏时所释放能量越小, 危害性就越小;Antonio等^[11]研究表明:界面剥离承载力受纤维布种类、刚度、黏结长度、纤维增强材料 (FRP) 宽度和混凝土强度的影响。不同荷载作用下的界面剥离承载力不同, 也就意味着界面断裂能大小可能不同。

因此, 进行不同荷载作用对玄武岩纤维布与混凝土界面断裂能的影响研究有重要的理论意义, 本文将采用双面剪切试验的方法开展不同加载速率、不同初始静载作用和动态往复加载方式下的试验, 研究几种荷载作用下的界面断裂能的变化规律。

依据JSCE-E-543—2000^[12]制作尺寸为100mm×100mm×510mm的双面剪切试件;为了使剥离破坏发生于指定测量区域, 在试件一端包裹环向玄武岩纤维布对试件进行锚固。在试件中部设计30mm长的非黏结段, 以使剥离从加载端开始。文献[13,14,15]表明FRP与混凝土界面的有效黏结长度范围为55~80mm, 本文选取加载端黏结长度L=200mm, 纤维布宽为50mm, 如图1所示, 黏结长度远大于有效黏结长度范围, 本文研究黏结长度足够大时的界面断裂能。

试验采用C30商品混凝土, 同批次浇筑试件, 按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行力学性能试验, 得到混凝土轴心抗压强度f_c=32.8MPa;混凝土轴心抗拉强度为f_t=2.62MPa。

纤维布和浸渍胶力学性能如表1所示。本批次玄武岩纤维布厚度为0.121mm。

如图2所示, 试验在量程为500k N的美国MTS万能材料试验机上进行, 试件通过两端钢筋固定在试验机上。采用DH5922动态信号采集和分析系统测量荷载、应变和位移。

加载方案和工况设计如表2所示。设计10组试件, 每组包括至少3个试件, 若1组中有1个出现胶层剥离破坏, 则继续补做第4个试件, 本次试验中共进行了32个试件的试验。

在动态荷载作用下, FRP-混凝土界面剥离破坏仍然是FRP外贴加固混凝土构件的一种重要破坏模式^[3], 这与现有的研究成果一致。本文试验中试件破坏模式如图3所示, 在4种加载速率、5种初始静载以及3种动态循环速率的加载方式下, 30个试件为混凝土剥离破坏 (见图3a) , 试件加载端部出现三角块形的混凝土碎裂, 加载速率大的试件BFRP上所撕下的混凝土层比加载速率较小的混凝土试件多。2个试件为胶层剥离破坏 (见图3b) 。这几种破坏模式中, 图3a所示破坏模式为理想的破坏模式;图3b所示破坏是工程中要尽量避免的。

研究表明, 纤维布与混凝土界面断裂能与界面剥离承载力呈二次抛物线变化关系, 可用式 (1) 进行计算, 计算得到各工况的界面断裂能结果如表2所示。

式中:G_f为界面断裂能;b_f为FRP片材的宽度;P_u为单面剥离承载力;E_f和t_f分别为FRP的弹性模量和厚度。

以静态界面断裂能为基础进行分析, 图4表示不同加载方式下的界面断裂能变化规律。

分析表2和图4可以得到以下规律。

1) 加载速率为0.7, 7, 70mm/s的动态界面断裂能分别为0.727 9, 0.816 1, 0.982 4N/mm, 比加载速率为0.07mm/s的静态界面断裂能 (0.557 3N/mm) 分别提高30.61%, 46.44%和76.28%;随着加载速率的提高, 界面断裂能提高;界面断裂能与加载速率比值的对数呈线性变化关系, 具有应变率效应, 数值拟合得到不同加载速率下的界面断裂能计算模型如式 (2) 所示:

2) 纯动载下的界面断裂能为0.982 4N/mm, 初始静载为30%, 50%, 80%, 100%的剥离承载力分别为0.897 3, 0.838 9, 0.717 2, 0.557 3N/mm, 分别比纯动载下的剥离承载力降低了8.66%, 14.61%, 27.00%, 43.27%。

3) 剥离承载力与动态荷载的相对作用时间有关, 初始静载值越大, 动态荷载的相对作用时间越少;整体趋势上, 动态荷载的相对作用时间越少, 界面断裂能越小, 构件耗能能力越小。随着初始静载比例的提高, 动载作用时间减少, 界面断裂能降低;界面断裂能与初始静载比例呈线性变化关系, 数值拟合得到不同加载速率下的界面断裂能计算模型如式 (3) 所示:

4) 静载直拉破坏时的界面断裂能为0.557 3N/mm, 加载速率为0.23, 2.32k N/s和3k N/s时的界面断裂能分别为0.576 2, 0.624 8N/mm和0.538 7N/mm, 分别比静载直拉破坏时提高了3.39%, 12.11%和下降了3.34%, 即随着动态循环速率的提高, 界面断裂能呈先增加后减少的趋势;表明在一定循环频率范围内, 往复加载可提高界面的耗能能力。

5) 对比3种荷载作用对界面断裂能的影响发现, 动态循环加载方式对界面断裂能的影响范围较小, 不同初始静载加载方式和不同加载速率加载方式对界面断裂能影响范围较大, 两者对界面断裂能的影响程度相近。

进行了3种动态荷载作用下的双剪试件界面性能试验, 分析界面断裂能变化规律, 主要结论如下。

1) 几种加载方式的动态荷载下BFRP-混凝土界面的破坏形态基本相同, BFRP连同界面下薄薄一层的混凝土从加载端部向自由端剥离, 加载端部1块三角形状的混凝土块附带剥落。

2) 随着加载速率的提高, 界面断裂能提高;界面断裂能与加载速率比值的对数呈线性变化关系。随着初始静载比例的提高, 动态荷载作用历史减少, 界面断裂能降低;界面断裂能与初始静载比例呈线性变化关系;随着动态循环速率的提高, 界面断裂能呈先增加后减少的趋势;一定范围内的动态荷载提高了界面耗能能力。

动态循环加载方式对界面断裂能的影响范围较小, 不同初始静载加载方式和不同加载速率加载方式对界面断裂能影响范围较大, 两者对断裂能的影响程度相近。