基于梁式试件的CFRP布-混凝土界面粘结性能测试法

摘要

本发明公开了基于梁式试件的CFRP布-混凝土界面粘结性能测试法，包括三个步骤：制作试验试件、测点布置、试验加载，第一步，制作试验试件，试验试件为梁式试件，包括两个左、右放置形状对称的混凝土试块，所述两个混凝土试块均为倒“T”型混凝土试块，两个混凝土试块中间的上部用钢铰连接，钢铰分为左、右两半，左、右两半分别粘接在相应一侧的混凝土试块上且二者之间具有相互转动能力，本发明方法与已有的CFRP-混凝土界面疲劳粘结测试的双剪试验方法相比，避免了不对称加载对数据可靠性的影响，具有独特的测试结果高精度的优势，提高了检测结果的精度和可信性。

说明书

技术领域

本发明涉及FRP片材-混凝土粘结性能测试方法领域，尤其是涉及静载及疲劳荷载作用下基于梁式试件的CFRP布-混凝土界面粘结性能测试方法。 

背景技术

FRP(Fiber reinforced polymer；纤维增强复合材料)因其优良性能，被广泛应用于混凝土结构的加固中，而FRP-混凝土界面粘结性能是FRP加固混凝土技术的关键问题。如图1a-f所示，目前，研究FRP-混凝土界面性能的试验方法主要有三类：正拉试验【详见参考文献1】、面内剪切试验(单剪试验、双剪试验、推剪试验)【详见参考文献1、2】和梁式试验【详见参考文献3】。其中，如图1a所示，正拉试验可直接获得粘结强度，但用此方法得到的粘结强度很难评估混凝土与FRP结合面在剪切和弯曲状态下的粘结性能。如图1b、1c所示，单剪或双剪试验是将FRP粘结在混凝土棱柱体单面或双面上，通过张拉FRP来测试粘结强度，FRP与混凝土的粘结面受到平行于该面的粘结剪应力的作用。如图1f所示，推剪试验将FRP贴在一块钢板的两个侧面上，再在两边粘上混凝土块，通过压推钢板来获得粘结强度。但以上试件的受力状态均与实际FRP加固梁不同。如图1d、1e所示，梁式试验是在混凝土梁底粘贴FRP，通过梁顶加载来测试粘结性能，该方法的优点是可以考虑梁的受弯或受剪影响，符合FRP加固梁的实际受力状态，但试验过程往往比较复杂，不能大量进行；图1e中的试验并没有给出适用于静载及疲劳试验的具体试件尺寸的设计及钢铰的设计和重复利用性等。而以上的试验方法多用于静载下FRP-混凝土界面粘结性能研究，其中，根据目前国内外的研究状况，只有双剪试验方法被用于疲劳荷载下FRP-混凝土界面粘结性能研究。 

日本混凝土协会提出了用于疲劳荷载下FRP-混凝土界面性能研究的双剪试验标准试验方法【详见参考文献4】，如图2所示，两个混凝土试块21、22用两片平行的FRP片材23粘结，在两混凝土试块21、22中心锚入钢筋，通过对钢筋混凝土块施加拉应力而产生FRP与混凝土粘结面的剪切应力。混凝土试块的尺寸为140×140×200(mm)，两混凝土试块间留有20mm的缝隙。按照该尺寸设计的混凝土试块可以避免混凝土的受拉开裂，保证疲劳试验的过程中在混凝土试块中产生的拉伸应力不超过1MPa。该试验方法存在以下的缺点： 

①该试验方法与FRP加固梁的实际受力状态不同，不能真实反映FRP在受弯或受剪梁中与 

混凝土界面的粘结性能；②为保证加载的对称性，该受拉试件的制作要求较高，然而试验试件均为手工制作，制作误差相对较大，便会增加不对称加载对数据可靠性的影响。 

参考文献： 

[1]杨勇新，岳清瑞，胡云昌.碳纤维布与混凝土粘结性能的试验研究[J].建筑结构学报.2001，22(3)：36-42. 

[2]曹双寅，潘建伍，陈建飞，等.外贴纤维与混凝土结合面的粘结滑移关系[J].建筑结构学报，2006，27(1)：99-105. 

[3]Lorenzis DL，Miller B，NanniA.Bond of FRP laminates to concrete[J].ACI Materials Journal.2001，98(3)：256-264. 

[4]Ferrier E，Bigaud D，HamelinP，Bizindavyi L，and Neale K W. Fatigue Reliability of External Bonded CFRP Used for Concrete Structure[J].Mater.Struct.，2005，38(275)：39-46。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于梁式试件的CFRP布-混凝土界面粘结性能测试法，解决现有CFRP布-混凝土界面粘结性能试验测试法存在的问题，满足真实反映FRP加固梁受力形态的要求。 

本发明的技术方案是： 

基于梁式试件的CFRP布-混凝土界面粘结性能测试法，包括三个步骤：制作试验试件、测点布置、试验加载， 

第一步，制作试验试件，试验试件为梁式试件，包括两个左右放置形状对称的混凝土试块，所述两个混凝土试块均为倒“T”型混凝土试块，两个混凝土试块中间的上部用钢铰连接，钢铰分为左右两半，左右两半分别粘接在相应一侧的混凝土试块上且二者之间具有相互转动能力，两个混凝土试块之间设有铰缝，右侧的混凝土试块的底部中间位置设有粘贴测量区，左侧的混凝土试块底部设有粘贴非测量区，粘贴非测量区和粘贴测量区的宽度相同，粘贴非测量区的长度不小于粘贴测量区的长度，粘贴测量区的粘贴宽度“H”和粘贴长度“L“根据测试需要确定，粘贴测量区和粘贴非测量区的形状均为条形，在粘贴测量区与粘贴非测量区之间设有非粘贴区，非粘贴区跨越铰缝，所述粘贴测量区、粘贴非测量区和非粘贴区上对应形状覆盖有一整条单层或多层CFRP布，CFRP布的层数根据试验需要确定，但只有粘贴测量区、粘贴非测量区的CFRP布与混凝土表面之间用碳纤维布胶粘结，非粘贴区的CFRP布与混凝土表面之间无胶层；粘贴非测量区在粘贴单层或多层CFRP布后再加贴一层U型CFRP布箍； 

第二步，测点布置，在粘贴测量区的CFRP布上沿中线均匀布置应变片，并在非粘贴区的CFRP布上布置1-2片应变片，用多通道动态应变记录仪采集应变数据；同时在两个混凝土试块之间的左右两侧各设置一个直线可变位移传感器； 

第三步，试验加载，将第一步制作完成的试验试件简支于两个支座上，试验试件与两个支座的接触点称为下支点，试验试件上侧设有分配梁，分配梁与试验试件上表面之间的接触点称为上支点，两个下支点距离相应一侧的混凝土试块靠外侧一端端部的距离相等，两个上支点距离相应一侧的混凝土试块靠内侧一端端部的距离相等，上下支点处均设有垫板，分配梁上由液压脉动疲劳试验机施加集中疲劳载荷。 

具体步骤为： 

①按照尺寸设计要求浇筑混凝土试块，并标准养护； 

②待混凝土试块达到预期强度后，在两混凝土试块中上部用粘钢胶粘贴钢铰； 

③待粘钢胶硬化后，在两个混凝土试块底部用碳纤维布胶粘贴条状CFRP布，条状CFRP布的长度、宽度及层数根据试验需要确定，带有粘贴非测量区的混凝土块的底部在粘贴条状CFRP布后再加贴一层U型CFRP布箍，试件应根据温度条件养护7-10天，至碳纤维布胶达到预期强度； 

④待试件养护好后，按照设计要求在CFRP布表面粘贴电阻应变片，在试件两侧安装位移传感器，并连接多通道动态应变记录仪； 

⑤根据加载设计要求，采用液压脉动疲劳试验机进行疲劳试验。 

所述应变片为电阻应变片。 

两个上支点距离相应一侧的混凝土试块靠内侧一端端部的距离应大于或等于30mm。 

所述下支点与相应一侧的混凝土试块靠内侧一端端部的距离不小于50mm。 

两下支点间距离及净跨L5根据试验测试需要确定，保证混凝土试块底面有足够的长度来粘贴CFRP布。 

左侧的混凝土试块底部粘贴有碳纤维布箍的混凝土棱角处磨圆至半径不小于20mm的圆弧，两混凝土块铰缝处的棱角磨圆至半径不小于20mm的圆弧。 

两个截面倒“T”型的混凝土试块形状的各个尺寸值相同，分别为：分别为底部宽 M1＝200mm，顶部宽M2＝110mm，顶部两侧各留M3＝45mm，台阶处高H1＝80mm，顶部距离台阶处的距离为H2＝130mm，该混凝土试块的尺寸设计经过有限元分析计算及试验验证，保证在疲劳加载过程中混凝土试块不会发生弯曲或弯剪裂缝。 

本发明提供一种用于静载及疲劳荷载下CFRP布-混凝土界面粘结性能测试法，可以适用于大批量的试验研究。本发明提出基于梁式试件的CFRP布-混凝土界面粘结抗疲劳性能试验测试方法，更准确分析CFRP-混凝土界面粘结抗疲劳性能，具有真实反映加固梁受力状态、操作简单和测试精度高等优点。 

其具体优点如下： 

(1)本发明方法提供了一种真实反映CFRP布加固梁受力状态的测试方法，可真实模拟CFRP布加固梁跨中弯曲裂缝处界面粘结性能(包括静载和疲劳荷载作用下)。这是目前国内外CFRP-混凝土界面粘结抗疲劳测试方法中所独创的。 

(2)本发明方法与已有的CFRP-混凝土界面疲劳粘结测试的双剪试验方法相比，避免了不对称加载对数据可靠性的影响，具有独特的测试结果高精度的优势，提高了检测结果的精度和可信性。 

(3)通过大量试验及有限元计算分析比较，设计了试验试件中倒T型混凝土试块，可保证试件在疲劳加载过程中混凝土不会发生弯曲或弯剪裂缝； 

(4)满足截面抗弯刚度的同时减少混凝土自重，并节约混凝土用量。 

(5)设计制作的钢铰可循环使用，以节省成本。该方法的试件制作经济方便，试验操作简单，以优良的经济技术效果，彻底解决了大批量的CFRP布-混凝土界面粘结疲劳性能的试验测试问题。 

附图说明

图1a是正拉试验方法的示意图； 

图1b是单剪试验方法的示意图； 

图1c是双剪试验方法的示意图； 

图1d是整条混凝土梁底粘贴FRP试验方法的示意图； 

图1e是通过铁铰连接的两个混凝土梁底粘贴FRP试验方法的示意图； 

图1f是推剪试验方法的示意图； 

图2是粘贴两片平行的FRP片材的双剪试验示意图； 

图3a是本发明的结构示意图； 

图3b是图3a的A-A剖视图； 

图3c是图3a的B-B剖视图； 

图3d是图3a的仰视图； 

图3e是CFRP布以及U型CFRP布箍叠加在一起后的结构示意图； 

图3f是CFRP布的结构示意图； 

图3g是U型CFRP布箍的结构示意图； 

图4a是钢铰左半部分的结构示意图； 

图4b是钢铰右半部分的结构示意图； 

图5是本发明加载时的结构示意图； 

图6是本发明测点布置的结构示意图。 

具体实施方式

本发明包括三个步骤：制作试验试件、试验加载、测点布置。 

(1)制作试验试件 

如图3a、3b、3c、3d所示，试验试件采用梁式试件，试验试件包括两个混凝土试块，左混凝土试块1和右混凝土试块2，左混凝土试块1和右混凝土试块2的截面为倒T型，左混凝土试块1和右混凝土试块2的底部用单层或多层CFRP布粘贴，CFRP布的层数根据试验需要确定，可测试不同层数的CFRP布对CFRP布-混凝土粘结疲劳性能的影响，这也是本发明的试验目的。左混凝土试块1和右混凝土试块2之间设有铰缝6。试块2的截面T型的各个尺寸值如图3b中所示，试块1的截面T型的各个尺寸值如图3c中所示。试块2和试块1的截面T型的各个尺寸值相同，分别为底部宽M1＝200mm，顶部宽M2＝110mm，顶部两侧各留M3＝45mm，台阶处高H1＝80mm，顶部距离台阶处的距离为H2＝130mm。这是通过有限元计算得出的合理尺寸，并通过试验验证。 

左混凝土试块1底部中间位置横向设有粘贴非测量区3，右混凝土试块2的底部中间位置横向设有粘贴测量区5。在粘贴非测量区3与粘贴测量区5之间设有非粘贴区4，非粘贴区4跨越铰缝6，铰缝6宽度为L2＝6mm，非粘结区4的长度L1＝86mm。粘贴非测量区3、非粘贴区4与粘贴测量区5的的宽度相同，粘贴非测量区3的长度L0不小于粘贴测量区5的长度L。粘贴测量区5的粘贴宽度H与长度L根据测试需要确定。粘贴测量区5、粘贴非测量区3和非粘贴区4上对应形状覆盖有一整条单层或多层CFRP布7，CFRP布的层数根据试验需要确定，但只有粘贴测量区5的第二区CFRP布7-2、粘贴非测量区3的第一区CFRP布7-1与混凝土表面之间用碳纤维布胶粘结，即CFRP布与混凝土表面之间存在粘结胶层13，非粘贴区4的第三区CFRP布7-3与混凝土表面之间无粘结胶层；粘贴非测量区3 在粘贴单层或多层CFRP布7后用碳纤维布胶再加贴一层U型CFRP布箍15。如图3e、3f、3g所示，粘贴测量区5的第二区CFRP布7-2、粘贴非测量区3的第一区CFRP布7-1和非粘贴区4的第三区CFRP布7-3三者是彼此连接的整体，即是整块CFRP布7，15为加贴于第一区CFRP布7-1表面的U型CFRP布箍，U型CFRP布箍15的粘贴长度L6应与第一区CFRP布7-1的长度L0相同，U型CFRP布箍15展开后的宽度L7为左混凝土块1的倒梯形截面的下翼缘宽度及两侧厚度之和，即L7＝200mm+80mm+80mm＝360mm。 

如图3a所示，左混凝土试块1和右混凝土试块2跨中底部混凝土棱角17处用打磨机磨圆至半径不小于20mm的圆弧，以防止CFRP布7在棱角处折断。如图3c所示，左侧的混凝土试块1底部粘贴有碳纤维布箍的混凝土棱角18处磨圆至半径不小于20mm的圆弧，以防止U型CFRP布箍15在棱角处折断。 

如图4a、4b所示，钢铰8是由钢板及钢滚组装而成，具有≥15°的转动能力，钢铰8分为左右两半，并通过直径为12mm的钢轴串接而成。 

如图5所示，在两混凝土块(左混凝土试块1和右混凝土试块2)的上部用钢铰8连接。钢铰8与两混凝土之间用粘钢胶粘结。 

通过对梁式试件顶面垫板施加向下的荷载而产生CFRP布与混凝土粘结面的界面应力，可真实模拟CFRP加固梁跨中弯曲裂缝处粘结层的受力性能。并将试件梁的左混凝土试块1用U型CFRP布箍15加固，以保证剥离破坏发生在指定的粘贴测量区5。通过有限元分析计算，设计出的混凝土试块的尺寸，可保证在疲劳加载过程中混凝土试块不会发生弯曲或弯剪裂缝。钢铰8可以循环使用，当一试验试件疲劳试验完成后，可将钢铰8沿粘结胶层用切割机切下，钢铰8背面残余胶层打磨除去后可继续在之后的试验试件中使用。 

(2)如图6所示，测点布置：CFRP布的应变测量采用电阻应变片14，应变片14均匀地从指定测量区域的条形第二区CFRP布7-2表面沿中线均匀布置(应变片间距可根据试验需要设置)。并在非粘贴区4的第三区CFRP布7-3中部布置1-2片应变片14以测量该处CFRP布的应变。应变数据的采集使用多通道动态应变记录仪。为了测定CFRP布7与左混凝土试块1和右混凝土试块2的相对滑移，在试件底部跨中两侧左混凝土试块1和右混凝土试块2间各布置一个直线可变位移传感器16。 

(3)如图5所示，试验加载：试验试件简支于两支座9上，试验试件与两支座9接触点称为下支点10，下支点10距试件梁端L3≥50mm，净跨L5可根据试验测试需要确定，保证混凝土试块底面有足够的长度来粘贴CFRP布，本实施例中L5为706mm,用疲劳加载器在试件跨中顶面通过分配梁12施加集中疲劳荷载P，分配梁12与下方试验试件的支 点称为上支点11，上支点11距混凝土试块靠内侧一端的距离L4不应小于30mm，即L4≥30mm,且各支点处均需放置垫板13，以避免混凝土局部压碎。疲劳加载器(试验加载装置)采用液压脉动疲劳试验机。一股工程结构所承受的荷载频率在1-5Hz之间，可根据需要设置加载频率。 

工作过程 

为保证基于梁式试件的CFRP布-混凝土界面粘结性能测试法的顺利进行和测试结果的准确性，该测试方法按下列步骤进行操作： 

①按照尺寸设计要求浇筑混凝土试块，并标准养护，一股为28天； 

②待混凝土试块达到预期强度后，在两混凝土试块1、2中上部用粘钢胶粘贴钢铰8； 

③待粘钢胶硬化后，在两个混凝土试块1、2底部用碳纤维布胶粘贴条状CFRP布7(其长度、宽度及层数根据试验需要确定，可测试不同层数的CFRP布对CFRP布-混凝土粘结疲劳性能的影响)，混凝土块2的底部在粘贴条状CFRP布7后再加贴一层U型CFRP布箍15，试件应根据温度条件养护7-10天，至碳纤维布胶达到预期强度。 

④待试件养护好后，按照设计要求在CFRP布表面粘贴电阻应变片14，在试件两侧安装位移传感器16，并连接多通道动态应变记录仪。 

⑤按照加载设计要求，采用液压脉动疲劳试验机进行疲劳试验。 

最后需要说明的是：CFRP布7在左右两个试块上的位置可以不对称，粘贴非测量区的长度不得小于粘贴测量区的长度。 

采用基于梁式试件的CFRP布-混凝土界面粘结性能测试法应特别注意钢铰8和混凝土粘贴操作及粘钢胶的材性指标应符合现有相关规范【规范5、6】要求。另外，CFRP布的粘贴需按相关规范【规范5、6、7】要求进行。 

规范为： 

[5]混凝土结构加固技术设计规范，GB50367-2006. 

[6]建筑结构加固工程施工质量验收规范，GB50550-2010. 

[7]碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程，CECS146-2003 。