 Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2013, 2, 275-278 http://dx.doi.org/10.12677/hjce.2013.25046 Published Online November 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjce.html) An Experimental Study on Bond-Slip Constitutive Relationships of the CFRP-Concrete Interface* Yanlong Hu1, Yunfei Li1, Hui Wang2, Xiaoyong W u1# 1College of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang 2Department of Civil Engineering, Shantou University, Shantou Email: 21156696@qq.com, #xywu007@gmail.com Received: Oct. 18th, 2013; revised: Oct. 30th, 2013; accepted: Nov. 6th, 2013 Copyright © 2013 Yanlong Hu et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: In view of the light weight, high strength, corrosion resistance and convenient construction of carbon fiber reinforced polymer (CFRP), using CFRP to strengthen structure is becoming more and more widely. However, there is no commonly accepted understanding of the constitutive relationship of the bonding shear stress and slip between con- crete and CFRP bonded interface; especially the decline of the constitutive relation is more difficult to measure accu- rately. The aim of this paper is to improve the experiment to explore bond stress and slip (τ-δ) constitutive relation of the bonding interface, making sure that the experiment can measure the τ-δ constitutive relation curve of CFRP-concrete interface. Double pull test was adopted with the improved specimen, using the horizontal load, to eliminate additional bending moment influence and improve the experimental accuracy. 17 specimens were tested to measure the τ-δ curves. According to the features of the constitutive relation curves, the mechanical characteristics of the bonding interface were further analyzed. Keywords: Bond-Slip; Constitutive Relationships; CFRP; Concrete; Bidirectional-Pull Specimens CFRP-混凝土界面粘结滑移本构 关系试验研究* 胡砚龙 1，李云飞 1，王 辉2，吴小勇 1# 1三峡大学土木与建筑学院，宜昌 2汕头大学工学院，汕头 Email: 21156696@qq.com, #xywu007@gmail.com 收稿日期：2013 年10 月18日；修回日期：2013 年10 月30日；录用日期：2013 年11 月6日 摘 要：鉴于碳纤维复合材料(CFRP)的轻质高强、耐腐蚀、施工方便等特点，使用 CFRP 对结构进行维修加固 也越来越广泛。然而，混凝土与 CFRP 粘结界面的粘结剪应力与滑移之间的本构关系却还没有形成统一的认识， 尤其是本构关系的下降段更是难以准确测量出来。本文在于改进方法下实验探究粘结界面的粘结应力–滑移(τ-δ) 本构关系，争取实验测出CFRP- 混凝土界面的 τ-δ本构关系全曲线。试验采用改进的双拉试件，采用水平加载， 排除附加弯矩影响，提高实验结准确性。实测 17 个试件的 CFRP 界面 τ-δ本构关系曲线，根据 τ-δ本构关系曲 线特性，分析粘结面受力特点。 关键词：粘结滑移；本构关系；碳纤维复合材料；混凝土；双拉试件 *资助信息：三峡大学科学基金项目(KJ2011B031)资助。 #通讯作者。 Open Access 275  CFRP-混凝土界面粘结滑移本构关系试验研究 Open Access 276 1. 引言 用CFRP 加固混凝土结构的机理是利用 CFRP与 混凝土界面间的粘结剪应力，从而实现了荷载作用在 CFRP 与混凝土之间的顺利传递，实现了两种性质不 同的材料之间的共同工作，即CFRP 与混凝土形成的 界面有良好的粘结力，CFRP 布与混凝土形成整体共 同受力变形，保证了良好的加固效果。然而，以前许 多的实验研究显示[1-5]，CFRP 加固的混凝土构件有可 能会因为其界面发生粘结剥离而破坏，这样就不能达 到预期的加固效果。界面剥离破坏是一种脆性破坏， 破坏之前亦没有明显的时间预兆，破坏后的CFRP 布 中的每条纤维的应变仍处在较小的水平上，没有充分 发挥其高强度性能的优点，如果这样的话不仅造成了 昂贵 CFRP 材料的浪费，更严重的是极大降低了 CFRP 加固的安全可靠性。评测界面剥离破坏的基础就是 CFRP 与混凝土界面的粘结性能。 虽然已经有很多研究人员对CFRP 与混凝土界面 的粘结能力进行了大量的试验和理论研究工作，但至 今仍然没有一种规范的试验方案，各种试验方案得出 的结论相差较大。到现在为止，人们提出了粘结强度 模型与粘结应力与滑移模型。其中，粘结强度模型只 能得出极限剥离承载力；而粘结应力与滑移模型应能 表示出 CFRP 与混凝土界面的整个剥离过程。粘结应 力与滑移关系曲线中，最大粘结剪应力 τf，及与其对 应的相对滑移量 δf和最大相对滑移量 δu是三个主要控 制参数。以往的试验研究表明，τf = 4~6 MPa，δf = 0.02~0.05 mm，但由于以往试验方案的不足，粘结应 力与滑移应变 τ-δ关系曲线的下降段却没有准确测到， 不能建立包括下降段在内的完整 τ-δ关系曲线，也得 不到准确的 δu值。许多学者采取理论方法预测完整的 关系曲线的下降段和 δu值，但不同学者的模型相差较 大，如图 1所示。 以往的试验[6-8]、理论探究尚未得到较准确的粘结 应力与滑移本构关系曲线的下降段。为此汕头大学熊 光晶教授及其研究生为提出了一种“双拉试件”[1-5]， 使得实测(τ-δ)本构关系的下降段具有了一定的可行 性。本文借鉴以往实验方法，并利用MTS加载设备 条件，改进既有的双拉试件，并验证此新型双拉试件 的适用性，改进双向受拉水平加载方案。用一组电阻 应变片实测出每个试件的粘结界面上CFRP 布应变的 大小及其分布规律,通过对实测的应变进行积分，计算 粘结界面的滑移值,从而得到 τ-δ关系全曲线。 2. 试验概况 实验采用的混凝土材料配合比为：水泥:水:砂:石 子质量比 = 1:0.39:1.29:1.88，共浇筑了18 个混凝土试 块(表1)；同时，用标准试块模具制作 20个(三批)100 mm × 100 mm × 100 mm立方体标准试块。所有试件 Figure 1. Several typical τ-δ relation cur ve s 图1. 既有几种典型的 τ-δ关系曲线 Table 1. Results of all specimens 表1. 各试件的试验结果 试件编号 τf/MPa δf/mm δu/mm S1 5.19 0.081 0.141 S2 2.10 0.083 0.143 S3 3.73 0.142 0.178 S4 6.07 0.093 0.157 S5 4.12 0.153 0.179 S6 2.22 0.102 0.148 S7 3.50 0.122 0.163 S8 6.10 0.148 0.181 S9 2.80 0.179 0.232 S10 3.62 0.122 0.162 S11 3.22 0.090 0.158 S12 4.34 0.153 0.188 S13 3.21 0.102 0.159 S14 5.62 0.084 0.149 S15 5.78 0.127 0.168 S16 6.55 0.148 0.172 S17 4.10 0.139 0.163 S18 用于作补偿片  CFRP-混凝土界面粘结滑移本构关系试验研究 和试块养护期为28 天，立方体 28 天抗压强度为 47.2 MPa。试件两侧测点从外到内分别为 A~H 和A′~H′， 试件如图2、3所示。 3. CFRP上的应变大小及分布 以S4 和S14试件为例，在各级荷载作用下CFRP 上的应变εf分布如图 4所示。加载初期，只有A点应 变有一定增长；随着荷载的增加，A(A′)点应变快速增 长；紧接着B(B′)点、C( C′)点应变也以类似(A′)点应变 的变化方式增长；随着荷载的增加，D(D′)点、E(E′) 点、F(F′)点、G(G′)点的应变开始增加。直到最中间的 H(H′)点的应变开始增加，且增至最大。在CFRP 布拉 断前一刻，除C点(2000ε)和C′点(3300ε)；E点(5000ε) 和E′点(4100ε)处的应变存在差别外，其他相对称位置 Figure 2. Vertial section and side section 图2. 试件纵截面和侧截面图 Figure 3. Photograph 图3. 试件照片 Figure 4. The τ-δ relation of each point 图4. 各点处的 τ-δ本构关系 Open Access 277  CFRP-混凝土界面粘结滑移本构关系试验研究 的应变基本都近似。 4. 实测 τ-δ本构关系全曲线 将实验所得到的粘结应变代入下列(1)和(2)式，就 可以算得所需点的粘结应力τ和滑移量 δ，从而可得 τ-δ本构关系曲线。 以AB 段为例： AB cfrp AB AB Et l (1) 222 222 2 AB BC BCCDCD AB AB F GFG DE DEEF EF GHGH ll l l ll l (1) 其中 Ecfrp 为CFRP 的弹性模量，为 211 GPa，t为CFRP 的名义厚度，单层厚度为 0.11 mm。lAB~lGH 是各应变 片之间的间距(下标为应变片编号)。可得出各测点处 的τ-δ实测本构关系全曲线。图 4是S4 和S14 部分典 型测点处的τ-δ本构关系。 下面以 AB 中点位置为例，AB 中点位置如图 4 所示。列出三个关键控制参数的实验实测值。如下表 1所示。 同样用 AB 中点，由各试件的 AB中点处 τ-δ本 构关系曲线，如下图 5所示。 5. 讨论与总结 虽然 17 个试件的实验结果有较大离散性，但总 体的 τ-δ本构关系曲线趋势比较明显。都分为了明显 Figure 5. τ-δ curves of all specimens 图5. 所有试件 τ-δ曲线 的几个阶段。下面以 S4 试件 A′B′段中点的τ-δ关系实 测结果(说明所得曲线特点：τ-δ关系曲线由上升段OC 和下降段CE 组成。从实测曲线中可以看到，在 A点 以前，由于加载刚开始，应力处于调整期，滑移量相 对较大。AB 段剪应力与滑移量基本成比例增长；过 B点以后，BC之间，滑移量较剪应力增长为快；过C 点以后，滑移量继续增加，但粘结剪应力值开始下降， 开始时 CD段剪应力下降较快，过 D点以后剪应力下 降减慢，直到E点，剪应力值基本降为零。 本试验较既有试验方法有较大突破，实测出了全 部17 个试件 τ-δ关系曲线的下降段，得到了 τ-δ关系 全曲线。但从图 4、图5可以看出，各曲线形态有一 定的差别，这可能是受到混凝土机材性、环氧树脂材 料以及胶缝质量不均匀性的影响。 本试验所测得的 τ-δ关系曲线三大关键控制参数： 峰值剪应力在2.1 MPa~6.1 MPa之间，峰值剪应力对 应的滑移量在0.081 mm~0.179 mm之间， 最大相对 滑移量在0.141 mm~0.232 mm 之间。所测得最大相对 滑移量与既有试验测试结果(= 0.31~0.52 mm)相差较 大，其原因待深入研究。同时应注意，碳纤维是良导 体，粘贴应变片的时候，一定要注意应变片的连接线 不能碰触到碳纤维上。必要的时候，可以在连接线下 边垫上绝缘薄板。本文实测出了所有试件的 τ-δ关系 曲线的下降段，水平加载方案克服了竖向加载产生的 附加弯矩影响，使试验数据更加准确。实验得最大相 对滑移量分布于0.141 mm~0.232 mm 区间。 参考文献 (References) [1] 韩强 (2010) CFRP-混凝土界面粘结滑移机理研究. 博士论文, 华南理工大学, 广州. 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