硫酸盐环境下CFRP-混凝土界面粘结性能退化规律及劣化机理研究

摘要

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）由于具有高强、轻质、非磁性、耐久性好、施工方便等优点在既有结构的改造加固中得到广泛应用。CFRP增强混凝土结构是通过CFRP与混凝土界面间的粘结力实现两种材料之间的荷载传递，从而使两种材料组合在一起协同工作，因此CFRP-混凝土界面的粘结性能是外贴CFRP增强混凝土结构技术的关键。在实际工程中，许多经CFRP增强的混凝土结构常处于恶劣环境中，CFRP-混凝土界面在恶劣环境下的耐久性直接关系到CFRP增强混凝土结构的长期受力性能。目前，对CFRP-混凝土界面的耐久性研究仍不充分，本文结合国家自然科学基金项目“西部寒旱地区硫酸盐环境及荷载共同作用下FRP-砼界面粘结性能退化规律及劣化机理研究”(51368053)，采用硫酸盐持续浸泡和硫酸盐干湿循环两种加速侵蚀试验来模拟硫酸盐侵蚀环境，对CFRP-混凝土界面各组成部分在硫酸盐侵蚀作用下的力学性能进行试验研究，探讨硫酸盐环境下CFRP-混凝土界面粘结性能退化规律和劣化机理。本文的主要研究内容和结论如下:
　　(1)通过CFRP片材在室温、硫酸盐持续浸泡、硫酸盐干湿循环作用下的拉伸试验，研究了硫酸盐侵蚀环境对CFRP片材破坏形态、应力-应变关系、抗拉强度、弹性模量、伸长率的影响。试验结果表明，硫酸盐侵蚀作用对CFRP片材力学性能影响较小。
　　(2)通过硫酸盐持续浸泡和硫酸盐干湿循环作用下混凝土耐久性试验，对硫酸盐侵蚀作用下混凝土抗压强度随侵蚀时间的退化规律进行了研究，分析了混凝土水胶比、粉煤灰掺量、硫酸盐浓度变化对混凝土抗压强度的影响。试验结果表明，适当减小混凝土水胶比和增加粉煤灰掺量可以提高混凝土在硫酸盐侵蚀环境中的耐久性;通过对试验数据的分析拟合，建立了考虑硫酸盐侵蚀影响的混凝土抗压强度衰减模型。
　　(3)采用双面剪切试件，对室温下、硫酸盐持续浸泡作用和硫酸盐干湿循环作用下CFRP-混凝土界面粘结性能进行了试验研究，分析了硫酸盐侵蚀作用对CFRP-混凝土界面的破坏形态、极限承载力、应力和应变分布、有效粘结长度等性能参数的影响，同时探讨了混凝土水胶比、粉煤灰掺量及界面粘结长度对界面力学性能的影响。试验结果表明:a）经硫酸盐侵蚀作用后，界面的破坏形态发生了改变，随着侵蚀时间的增加，界面破坏由界面以下混凝土层的破坏逐渐变为CFRP-混凝土界面处破坏;b）经硫酸盐侵蚀作用后，界面极限承载力、CFRP最大应变值和界面最大剪应力等界面参数均随着侵蚀时间的增加而下降，且随侵蚀时间的增长其下降速率加快;c）采取减小混凝土水胶比、增加粉煤灰掺量等提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力的措施后，可以提高CFRP-混凝土界面在硫酸盐侵蚀环境中的耐久性能;d）经硫酸盐侵蚀作用后，界面有效粘结长度随硫酸盐侵蚀时间的延长而有所增加。
　　(4)通过对界面承载力随侵蚀时间的变化规律的回归分析，引入硫酸盐环境下承载力综合影响系数（考虑了水胶比、粉煤灰掺量、硫酸盐溶液浓度的影响），建立了考虑硫酸盐持续浸泡和硫酸盐干湿循环作用影响的CFRP-混凝土界面承载力模型。
　　(5)通过对界面粘结-滑移曲线的归纳分析，得到了界面特征值（界面剪应力峰值及其对应的滑移量）和界面延性参数的计算表达式，在此基础上建立了考虑硫酸盐持续浸泡和硫酸盐干湿循环作用影响的CFRP-混凝土界面粘结-滑移本构关系模型。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景与意义

1．2 FRP-混凝土界面粘结性能试验研究及理论研究现状

1．2．1 FRP-混凝土界面粘结性能试验研究

1．2．2 FRP-混凝土界面粘结性能理论研究

1．3 FRP-混凝土界面耐久性研究现状

1．3．1 FRP和粘结树脂

1．3．2粘结树脂与混凝土相互作用区

1．3．3混凝土基体在硫酸盐环境下的耐久性

1．4存在的问题与不足

1．5本文主要研究内容及技术路线

1．6课题来源

2 CFRP复合材料耐久性试验研究

2．1试验概况

2．1．1 CFRP试件设计与制作

2．1．2试验方法

2．1．3试验环境与试验设计

2．2室温下CFRP拉伸试验

2．2．1破坏过程分析

2．2．2试验结果及分析

2．3硫酸盐持续浸泡作用对CFRP纵向拉伸性能的影响

2．3．1试件外观变化及破坏过程分析

2．3．2试验结果及分析

2．4硫酸盐干湿循环作用对CFRP纵向拉伸性能的影响

2．4．1试件外观变化及破坏过程分析

2．4．2试验结果及分析

2．5本章小结

3硫酸盐环境下混凝土耐久性研究

3．1试验设计

3．1．1试验材料

3．1．2混凝土配合比设计及试件制作

3．1．3试验环境及试验方案

3．2表观特征及破坏过程

3．2．1表观特征

3．2．2破坏过程

3．3抗压强度

3．3．1硫酸盐持续浸泡作用对混凝土抗压强度的影响

3．3．2硫酸盐干湿循环作用对混凝土抗压强度的影响

3．4本章小结

4硫酸盐环境下CFRP-混凝土界面粘结性能试验研究

4．1试验概述

4．1．1试验材料

4．1．2试验环境

4．1．3加载装置

4．1．4测试内容与测试原理

4．1．5试件分组

4．2室温下的试验结果

4．2．1破坏过程及破坏形态分析

4．2．2极限承载力

4．2．3应变分布规律

4．2．4有效粘结长度

4．2．5界面剪应力分布规律

4．3硫酸盐持续浸泡作用下的试验结果

4．3．1破坏过程及破坏形态分析

4．3．2极限承载力

4．3．3应变分布规律

4．3．4有效粘结长度

4．3．5界面剪应力分布规律

4．4硫酸盐干湿循环作用下的试验结果

4．4．1破坏过程及破坏形态分析

4．4．2极限承载力

4．4．3应变分布规律

4．4．4有效粘结长度

4．4．5界面剪应力分布规律

4．5硫酸盐侵蚀作用下CFRP-混凝土界面劣化机理

4．6本草小结

5硫酸盐环境下CFRP-混凝土界面承载力模型研究

5．1承载力模型

5．2硫酸盐持续浸泡作用下界面承载力模型

5．2．1界面承载力随侵蚀时间的变化

5．2．2水胶比对承载力综合影响系数的影响

5．2．3粉煤灰掺量对承载力综合影响系数的影响

5．2．4硫酸盐浓度对承载力综合影响系数的影响

5．2．5界面承载力模型

5．2．6预测模型与试验结果的对比分析

5．3硫酸盐干湿循环作用下界面承载力模型

5．3．1界面承载力随侵蚀时间的变化

5．3．2水胶比对承载力综合影响系数的影响

5．3．3粉煤灰掺量对承载力综合影响系数的影响

5．3．4硫酸盐浓度对承载力综合影响系数的影响

5．3．5界面承载力模型

5．3．6预测模型与试验结果的对比分析

5．4本章小结

6硫酸盐环境下CFRP-混凝土界面粘结-滑移模型研究

6．1粘结-滑移曲线的获取

6．1．1室温下界面粘结-滑移曲线

6．1．2硫酸盐持续浸泡作用下界面粘结-滑移曲线

6．1．3硫酸盐干湿循环作用下界面粘结-滑移曲线

6．2 FRP-混凝土界面粘结-滑移模型

6．3界面特征参数

6．3．1室温环境下界面特征值

6．3．2硫酸盐持续浸泡作用下界面特征值

6．3．3硫酸盐干湿循环作用下界面特征值

6．4硫酸盐环境下界面粘结-滑移模型

6．4．1硫酸盐持续浸泡作用下界面粘结．滑移模型

6．4．2硫酸盐干湿循环作用下界面粘结-滑移模型

6．5本章小结

7结论与展望

7．1结论

7．2主要创新点

7．3展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果