袁娇娇，火映霞，侯新宇
(江苏城市职业学院，江苏南京210036)
[摘要]为了研究GFRP（玻璃纤维）与CFRP(碳纤维)混杂后的界面性能，采用双面剪切的试验方式，进行了C/CFRP（混杂后纤维）与混凝土剥离承载力分析、应变分析以及粘结剪应力分析。试验表明：CFRP经过CFRP混杂后，可以有效地提高界面剥离承载力。C/CFRP -混凝土界面剥离有效粘贴长度在60mm左右，GFRP -混凝土界面剥离有效粘贴长度在80mm左右。
[关键词]界面性能；双剪试验；混杂纤维；剥离承载力
[中图分类号] TU377. 9+1 [文献标识码]A
Anlysis of Interfacial Performance between FRP and Concrete
Yuan Jiaojiao,Huo Yingxia,Hou Xinyu.
(City Vocational Cottege of Jiangsu,Nanjing 210036,China)
Abstract: In order to study the interfacial performance between hybrid fiber and concrete, the testing method of double shear is applied, and the analyses of the stripping bearing capacity, the strain and the interfacial bonding shear stress of hybrid fiber are carried out. The experimental results show that the stripping bearing capacity of hybrid fibers is better than GFRP. The effective pasting length of interfacial performance between hybrid fiber and concrete is about 60 mm, and as for GFRP, the effective pasting length is about 80mm.
Keywords: interfacial performance; testing method of double shear; hybrid fiber; stripping bearing capacity
O 引言
混凝土由于原料丰富，成本低廉，抗压强度高．耐久性好，施工工艺简单等特点，成为当前最主要的土木工程材料之一。但是很多建筑物和构筑物，由于环境侵蚀、材料老化、使用功能改变、设计与施工缺陷、安全储备提高等原因，导致结构的承载力或正常使用满足不了要求，需要进行结构加固和修复。目前，我国平均每年投入大量资金对建筑物进行加固维修，国家对建筑物加固维修的资金投入占整个建筑行业投入的比重越来越高。
外粘纤维增强复合聚合物( Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)加固修复钢筋混凝土结构，是一种新的加固修复方式，具有轻质高强、耐腐蚀、施工工艺简单等优点。目前应用最多的纤维片材有CFRP（碳纤维）、CFRP（玻璃纤维）以及AFRP（芳纶纤维）。其中力学性能和耐久性能最好的是CFRP，但是价格昂贵，GFRP和AFRP力学性能和耐久性能不如CFRP，但是价格低廉，具有非常好的成本优势。
本文通过对GFRP与CFRP进行混杂，采用双面剪切的试验方式，研究混杂纤维布( G/CFRP)外贴加固混凝土结构的界面性能，得到C/CFRP -混凝土剥离承载力分析、应变分析以及界面有效粘结长度分析。
1 试件设计与制作
1.1 试件设计
本试验混凝土采用C30商品混凝土，坍落度为160mm±20mm。依据日本混凝土结构加固用FRP片材试验规程JSCE2001，本文设计制作的混凝土试件尺寸为100mm×100mm x 500mm，用木隔板隔成两部分，一部分为试验端，一部分为锚固端，将2根直径为20mm的钢筋分别插入木隔板的中部。分隔木板在浇筑时将加载端混凝土和锚固端混凝土隔开，并起到固定钢筋保证钢筋对中的作用。直径为20mm的钢筋，用于试验机夹持加载并方便试验时试件对中。加载试验时试件一端用做锚固，以保证剥离破坏发生于指定测量区域，试样组成示意图如图1所示。
修复材料在混凝土两侧表面居中对称粘结，试验端粘贴长度为200mm，如图2所示。纤维织物粘贴在试件两侧面时，其施工应按表l的程序从左到右进行操作。具体施工按照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》( CECS 146：2003)的要求进行。
1.2 材料性能
将混凝土试块与双剪试件同条件浇筑、养护。对边长150mm混凝土立方体标准试块进行立方体抗压强度试验和对100mm x100mm ><550mm棱柱体进行混凝土试件的轴心抗拉强度试验。材料试验得到：混凝土标准立方体抗压强度为36. 34N/mmz，混凝土轴心抗拉强度为2. 23 N/mm2。试验所用纤维布力学性能如表2所示。
本试验共3组，每组3个试件。1个试件上布置应变片用来研究纤维片材界面承载力以及纤维布上的应变，进行纤维应变发展及分布规律，粘结剪应力发展及分布规律分析。另2个试件没有布置应变片，用来获得试件的剥离承载力。本文进行了GFRP、CFRP及二者混杂形成的G/CFRP单向拉伸试验，其中IG表示一层玻璃纤维；1C表示一层碳纤维；
表示混杂纤维中碳纤维和玻璃纤维的厚度为单一粘贴纤维厚度的一半，试件混杂粘贴顺序为下层碳纤维上层玻璃纤维。
1.3 装置和试验数据采集
试验中需要得到的数据有剥离承载力、纤维布上的应变。应变片的布置示意图如图3所示，位移计布置如图4所示。通过纤维布上的应变，进行纤维应变发展及分布规律、粘结剪应力发展及分布规律分析。以上应变、位移数据用静态应变测试仪进行采集，剥离承载力由试验机自带计算机采集。
试验采用静力加载和往复加载两种加载方式，试件加载在材料试验机上进行。试验加载装置示意图如图5所示，现场加载装置如图6所示。试件加载先按力控制，再按位移控制，加载速度前期采用lkN/min，后期采用位移控制，加载速度为0.2mm/min。
2 试验结果及分析
2.1 混杂纤维一混凝土界面剥离承载力分析
FRP与混凝土之间有效的应力传递，是保证FRP加固混凝土结构正常工作的基础。大量的试验研究表明，纤维布加固混凝土构件的破坏形式往往不是纤维布被拉断，而是纤维布与混凝土界面强度不足导致的剥离破坏。
试验参数的具体细节和试验结果见表3。
3组共9个双面剪切试件的破坏模式均为纤维片材与混凝土界面的剥离破坏，破坏发生于纤维片材表面以下的浅层混凝土中。由表3可知，双剪试件的极限剥离荷载值随纤维片材刚度的增大而提高，单层GFRP刚度比CFRP刚度小，GFRP试件的剥离承载力也与CFRP试件存在差距。通过CFRP与CFRP的混杂可以提高GFRP的剥离承载力。
国内外研究者先进行大量试验，然后对试验结果进行拟合回归，最后引进概率的方法得到多个FRP与混凝土界面性能的预测模型。滕锦光和陈建飞将断裂力学模型进行了合理简化，并经过以往大量试验结果的校正与检验，建立了半经验半理论的承载力模型，因此能够较为准确地预测界面剥离承载力。本文首先将试验数据与滕锦光和陈建飞建立的模型预测值进行比较，以期检验此模型在混杂纤维一混凝土界面的剥离承载力预测时的适用性。
表4是试验剥离承载力与理论剥离承载力的对比。由于滕锦光和陈建飞建立的模型研究的是单面剪切试验，而本文采用的是双面剪切试验，因此该模型的计算值要乘以2来与本文试验值进行比较。
式中：Pu为剥离承载力；βp为FRP板宽度系数；β1为粘结长度系数；f ’c为混凝土圆柱体抗压强度；f ’c的取值参考文献[14]，f ’c=0.8fcu.k；bp为FRP板的宽度；bc为混凝土的宽度；Le为有效粘结长度；Ep为FRP板的弹性模量；tP为FRP板的厚度。
参考《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》( CECS 146：2003)，在达到受弯承载能力极限状态前，碳纤维片材与混凝土之间不应发生粘结剥离破坏。只要不发生剥离破坏，那么就可以按照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》的假定，认为碳纤维片材的拉应变按平截面确定。÷G三c（碳纤维与玻璃纤维混杂）粘贴试件，施工复杂程度比1G（单层玻璃纤维）试件明显增加，只要加固后构件使用过程中不发生剥离破坏，混杂粘贴后构件受弯承载力与单层玻璃纤维相比，提高会比较明显。若是剥离承载力不满足要求，则应该采取相应的锚固措施。
2.2 各级荷载作用下混杂纤维片材表面应变分析
由于混凝土试件本身具有复杂性和离散性，所以要精确地测定纤维片材上应力分布和应变变化规律同样存在一定的复杂性。混杂纤维中GFRP应变位置分布图见图7，GFRP的应变位置分布图见图8。以下是对试件的应变随荷载变化规律的总结和应变变化趋势的分析。
由图7、图8可见，G/CFRP与GFRP表面的应变随荷载变化规律一致。剥离过程中的应变可以分为三部分：完全剥离区域、有效粘结长度区域、粘结完好区域。当荷载未达到剥离荷载时，应变从加载端开始随距加载端距离增加迅速下降．下降到某一位置后应变为零，表明该位置纤维片材与混凝土界面尚未发生剥离。当荷载达到剥离荷载时，靠近加载端的应变保持水平，水平段过后应变随着距加载端距离的增加迅速下降。水平段说明此处纤维片材与混凝土界面已经发生剥离，因此纤维片材中的能量不涉及往胶层中传递，只能用来发生拉伸变形。水平段后的应变突变表明该处纤维片材与混凝土即将剥离。粘结完好区域，应变几乎没有发展。
达到剥离承载力后，剥离过程稳定，粘结长度的增加并不能增大剥离承载力，但是可以延长FRP -混凝土界面剥离时间。中CFRP片材应变的最大值低于1C（单层玻璃纤维），说明经过与碳纤维的混杂，混杂纤维中玻璃纤维的拉伸能力利用率降低。
2.3 混杂纤维-混凝土界面剪应力分布
测试面（粘结面）按应变片间距分为若干个微段，如图9所示。
假定应变片粘贴i，i+1位置处应变为εi，εi+1。利用试验测得纤维布应变，由物理关系可得到纤维布的正应力。假设微段宽度方向受力均匀，则由微段的受力平衡可得：
式中：△L为应变片中点间的距离，mm；τi为△L微段上平均粘结剪应力，MPa；tr为纤维布厚度，mm；bf为纤维布宽度，mm；Ef为纤维布弹性模量；MPa；εi，εi+1分别为i，i+1位置处纤维布应变。
由于界面粘结剪应力的分布很不均匀，所以剪应力的最大值应该高于式(3)估算的平均粘结剪应力。
混杂纤维一混凝土界面剪应力分布见图10，CFRP-混凝土界面剪应力分布见图11。
由前文的应变分析可知，当粘结长度越大时，剥离破坏过程越容易观察到，因此本文设计粘结长度为200mm的试件来重点分析界面在整个剥离过程中FRP-混凝土界面剪应力分布情况以及发展规律。当FRP-混凝土界面未发生剥离时，剪应力随着加载端距离的增大而快速降低。随着荷载的进一步加大，端部剪应力达到最大值，之后加载端的剪应力持续下降直至为零，加载端部发生剥离破坏，并逐步向自由端扩展。当端部达到剪应力最大值后，剪应力分布曲线的形式也发生改变，最大值位置随着荷载的增加逐渐向自由端扩展。
有效粘结长度可以通过测量剪应力一位置曲线上对应最大粘结剪应力10%的两点间的距离得到。可以推定C/CFRP-混凝土界面剥离有效粘贴长度在60mm左右，GFRP-混凝土界面剥离有效粘贴长度在80mm左右。
试验时发现界面破坏时加载端会出现局部的混凝土破坏。这种破坏意味着加载处的界面没有有效发挥其传递剪力的作用，因此这个地方通过纤维应变而得到的剪应力会明显小于离加载端较远处的剪应力。
3 结论
1) CFRP试件相比，GFRP-混凝土界面剥离承载力较低。CFRP经过CFRP混杂后，可以有效提高界面剥离承载力。本文采用的是粘贴两层纤维布（层间混杂）的方式来研究混杂后试件的界面粘结性能，施工比较复杂，因此可以进一步研究层内混杂对试件界面粘结性能的影响。
2) G/CFRP、GFRP表面的应变随荷载变化规律一致，粘结长度的增加并不能增大剥离承载力，但是可以延长FRP-混凝土界面剥离时间。采用G／CFRP后，C/CFRP中GFRP片材应变的最大值低于IC（单层玻璃纤维）GFRP，说明经过与碳纤维的混杂，混杂纤维中玻璃纤维的拉伸能力利用率降低。
3) G/CFRP、GFRP界面剪应力分布及变化趋势随荷载变化规律一致。通过本试验，可以推定C／CFRP-混凝土界面剥离有效粘贴长度在60mm左右，GFRP-混凝土界面剥离有效粘贴长度在80mm左右。
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