收稿日期:2003-07-29基金项目:国际合作资助项目作者简介:肖建庄(1968-),男,山东沂南人,教授,博士生导师,工学博士.E 2mail.jzx @纤维布与混凝土间的粘结耐久性试验研究肖建庄,于海生(同济大学建筑工程系,上海 200092)摘要:设计制作了纤维布与混凝土间双剪粘结试件27个,正拉粘结试件54个.在分别完成p H 值为4和12的酸、碱介质中的0～2500h 加速腐蚀后,进行了静力单调荷载下的双剪试验和正拉试验.在试验结果对比分析的基础上,研究了酸碱环境下纤维布与混凝土之间的剪切和正拉粘结强度随时间变化的规律.研究表明,酸性介质对粘结强度的影响较明显一些;相对于正拉粘结强度,腐蚀介质对剪切粘结强度的影响较为显著.在本试验条件下,试验中采用的复合纤维布与混凝土之间的粘结具有足够的耐酸碱腐蚀能力,可以满足混凝土结构的修复和补强加固要求.关键词:纤维布;混凝土;粘结;耐久性;腐蚀中图分类号:TU 375 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2005)03-0291-06Experimental Study on Durability of Bond betweenFiber Reinforced Plastic Sheet and ConcreteX IA O Jian 2z huang ,Y U Hai 2sheng(Department of Building Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :An accelerated test was designed and conducted to investigate the basic bond behavior be 2tween concrete and strengthened fiber reinforced plastic (FRP )sheet under the corrosion environment of vitriol and sodium hydroxide with a specific concentration.By the double shear bond test and normal tensile bond test ,the results show that the properties of the bonding are degenerated obviously before 500hours accelerated corrosion and then they tend to be stable in general.It is concluded in this paper that the durability of bond between FRP sheet and concrete is fine enough.However the effect of vitriol to the bond is more severe than that of sodium hydroxide.Key words :fiber reinforced plastic (FRP )sheet ;concrete ;bond ;durability ;corrosion 纤维布加固方法正逐步被推广应用到处于较强酸碱腐蚀环境的工业建筑及其他特种工程中.相对于一般民用建筑,这类工程的修复加固更应十分关注修复后的耐久性问题.实际上,纤维加固混凝土结构的耐久性问题已经引起了工程技术人员的高度重视[1].耐久性问题的机理往往十分复杂,目前常用加速试验方法进行模拟和研究[2].目前在该领域的研究主要针对耐候性和耐老化,而针对耐化学腐蚀的研究较少.笔者将从研究纤维布与混凝土间的粘结性能随时间的变化特点入手,研究纤维布加固混凝土的耐酸碱腐蚀性能.第33卷第3期2005年3月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.33No.3 Mar.20051 试验概况混凝土为C30,采用的质量配合比为m (水)∶m (水泥)∶m (砂)∶m (石子)=0.49∶1.00∶1.57∶2.68.实测混凝土轴心抗压强度为22MPa 左右.加固材料选用Fiberwrap 高强复合纤维布[1].腐蚀酸碱介质的主要化学成分分别是H 2SO 4和NaOH ,并在试验过程中保持p H 值分别为4和12.参考美国材料与试验协会(ASTM )规定的短期试验标准(低于6个月),试件在腐蚀介质中的存放时间取为0,500,1500,2000和2500h.笔者共设计两类试验,以对比分析纤维布与混凝土粘结界面的抗拉强度和抗剪强度随酸碱腐蚀时间的变化规律.文献[3]指出有效粘结面积可取为50mm ×100mm ,参照文献[4]规定的试件制作方法,试件分组见表1.表1 试件设计一览表T ab.1 Description of test specimens试件分组酸性腐蚀试件个数及编号碱腐蚀试件个数及编号腐蚀时间/h试验内容DS 203(DS 202123)3(DS 202123)0DS 213(DS 212A 2123)3(DS 212B 2123)500DS 223(DS 222A 2123)3(DS 222B 2123)1500双剪试验DS 233(DS 232A 2123)3(DS 232B 2123)2000DS 243(DS 242A 2123)3(DS 242B 2123)2500N T 206(N T 202126)6(N T 202126)0N T 216(N T 212A 2126)6(N T 212B 2126)500N T 226(N T 222A 2126)6(N T 222B 2126)1500正拉试验N T 236(N T 232A 2126)6(N T 232B 2126)2000N T 246(N T 242A 2126)6(N T 242B 2126)2500 采用200kN 万能材料试验机加载,装置参见文献[5].加载连续均匀,控制在3～5min 内使试件破坏.在试验过程中,记录试件的破坏荷载和破坏形式.2 试验结果(见表2～表5)2.1 腐蚀试验现象试件在腐蚀介质中存放6d (144h )后,可以通过触摸感觉到纤维表面变得滑腻.从试件外观看,与酸性腐蚀液直接接触的部分,混凝土有明显的颜色变化(变为浅白色),而纤维布外观基本无变化;碱性腐蚀情况下,两者外观变化均不大.2.2 双剪试验结果粘结剪应力τ=P/2A ,式中P 为破坏荷载,A 为单侧有效粘结面面积.双剪试验结果见表2和表3.表中β为蚀强系数,与受力情况等综合影响因素有关;K 为蚀强率,是指粘结强度随腐蚀时间的下降率;β取为K 与时间t 的比值.A f ,B f ,C f 表示破坏形式:A f 表示破坏始自混凝土;B f 表示纤维布与混凝土间粘结层破坏;C f 表示粘结破坏发生在纤维布与工具钢板之间,所得结果至少说明纤维布与混凝土之间的粘结强度要高于该实测数值.每个试件的有效破坏荷载值与该组算术平均值的误差不超过±20%,并且不小于1MPa (文献[5]给出的纤维布与混凝土之间的粘结强度设计值).表2 酸腐蚀后双剪试验结果T ab.2 T est results of double shear specimens under vitriol corrosion试件编号破坏形式破坏荷载/N平均荷载(标准差)/N平均剪应力(标准差)/MPa 蚀强率K /%蚀强系数βDS 2021A f 34700DS 2022A f 3600036233(1662)3.62(0.166)DS 2023A f 38000DS 212A 21A f 26600DS 212A 22B f 2730027933(1739) 2.79(0.174)22.930.04586DS 212A 23C f 29900DS 222A 21C f 30000DS 222A 22C f 2750028750(1768) 2.87(0.176)20.720.01381DS 222A 23C f 200001)DS 232A 21A f 480001)DS 232A 22C f 2715028325(1662)2.83(0.166)21.820.01091DS 232A 23C f 29500DS 242A 21C f 29000DS 242A 22C f 465001)30500(2121) 3.05(0.212)15.750.00630DS 242A 23C f32000 1)该数据超过平均值的20%而被剔除,以下各表同.292 同济大学学报(自然科学版)第33卷 表3 碱腐蚀双剪试验结果T ab.3 T est results of double shear specimens under sodium hydroxide corrosion试件编号破坏形式破坏荷载/N平均荷载(标准差)/N平均剪应力(标准差)/MPa蚀强率K/%蚀强系数βDS2021A f34700DS2022A f3600036233(1662) 3.62(0.166)00DS2023A f38000DS212B21B f31000DS212B22B f2700029000(2000) 2.90(0.200)19.890.03978 DS212B23A f29000DS222B21C f26650DS222B22C f2500026625(1625) 2.66(0.163)26.520.01768 DS222B23C f28250DS232B21B f31260DS232B22C f2900030875(1570) 3.09(0.157)14.640.00732 DS232B23B f32000DS242B21A f30150DS242B22B f2650028717(1947) 2.87(0.194)20.720.00829 DS242B23C f29500表4 酸腐蚀正拉试验结果T ab.4 T est results of norm al tensile specimens under vitriol corrosion试件编号破坏形式破坏荷载/N平均荷载(标准差)/N平均剪应力(标准差)/MPa蚀强率K/%蚀强系数βN T2021A f6200N T2022A f6100N T2023A f5600N T2024A f6200N T2025A f6100N T2026A f63506092(258) 3.81(0.161)00N T212A21C f5400N T212A22C f5150N T212A23C f71501)N T212A24C f5500N T212A25C f5500N T212A26C f55005410(152) 3.38(0.095)11.290.02257N T222A21C f6250N T222A22C f5250N T222A23C f5000N T222A24C f5100N T222A25C f5550N T222A26C f70501)5430(503) 3.39(0.314)11.020.00735N T232A21C f5300N T232A22C f4700N T232A23C f5500N T232A24C f6200N T232A25C f5100N T232A26C f58005433(528) 3.40(0.330)10.760.00538N T242A21C f5600N T242A22C f5400N T242A23C f4600N T242A24C f4700N T242A25C f6000N T242A26C f63005433(683) 3.40(0.427)10.760.00430 如表2和表3所示,经酸性介质腐蚀500h后,剪切粘结强度由3.62MPa降低到2.79MPa,而此后强度有所提高,经腐蚀2500h后达到3.05MPa;与在酸性介质中不同,经碱性介质腐蚀后最小破坏392 第3期肖建庄,等:纤维布与混凝土间的粘结耐久性试验研究 荷载出现在腐蚀1500h 组试件.两种介质的腐蚀作用对试验结果的影响都不是很大,甚至存在腐蚀一段时间后的强度反而有所提高(这可能是由于混凝土龄期增加后强度提高[6]).说明经过纤维布加固后,混凝土结构的耐腐蚀能力有所提高.2.3 正拉试验结果粘结正应力σ=P/A ,P 为破坏荷载,A 为有效粘结面面积.正拉试验结果见表4和表5,经过酸性介质腐蚀500h 后,正拉粘结强度由3.81MPa 降低到3.38MPa ,而此后粘结强度有所提高;与在酸性介质中不同,经碱性介质腐蚀后最小破坏荷载出现在腐蚀2000h 组试件.从统计标准差数值来看,正拉试验的试验数据比双剪试验集中得多,两种介质的腐蚀对试验结果影响都不是很大.表5 碱腐蚀正拉试验结果T ab.5 T est results of norm al tensile specimens under sodium hydroxide corrosion试件编号破坏形式破坏荷载/N平均荷载(标准差)/N 平均剪应力(标准差)/MPa 蚀强率K /%蚀强系数βN T 2021A f 6200N T 2022A f 6100N T 2023A f 5600N T 2024A f 6200N T 2025A f 6100N T 2026A f 63506092(258) 3.81(0.161)00N T 212B 21A f 68001)N T 212B 22B f 5400N T 212B 23C f 45001)N T 212B 24A f 6100N T 212B 25B f 5800N T 212B 26C f 52005625(403) 3.52(0.252)7.610.01522N T 222B 21C f 5700N T 222B 22C f 5600N T 222B 23C f 5600N T 222B 24C f 5500N T 222B 25C f 5500N T 222B 26C f 61005667(225) 3.54(0.141)7.090.00472N T 232B 21A f 6200N T 232B 22C f 5400N T 232B 23C f 5350N T 232B 24A f 5400N T 232B 25C f 4900N T 232B 26C f61005558(496) 3.47(0.310)8.920.00446N T 242B 21C f 5700N T 242B 22C f 6100N T 242B 23C f 4750N T 242B 24C f 4900N T 242B 25C f 5700N T 242B 26C f62005558(605) 3.47(0.378)8.920.003573 试验结果分析3.1 酸碱介质的对比分析图1和图2分别是双剪试验和正拉试验试件经酸性介质腐蚀后的粘结强度与经碱性介质腐蚀后的粘结强度随时间变化规律.通过图1可以看出,酸性介质腐蚀后试件的剪切粘结强度与碱性介质腐蚀后试件的剪切粘结强度之间的关系规律性不明显,总体而言,腐蚀初期试件的强度下降较快,而此后则趋于平稳.图2显示,相对于碱性介质,酸性介质对正图1 不同介质剪切粘结强度对比Fig.1 Comparison of double shear bond strength492 同济大学学报(自然科学版)第33卷 拉粘结强度的影响更大,酸性介质腐蚀试件的正拉粘结强度值约为碱性介质腐蚀试件的0.9倍左右.图2 不同介质正拉粘结强度对比Fig.2Comparison of norm al tensile bond strength3.2 双剪试验和正拉试验的差异对比分析图3和图4分别是经酸性介质和碱性介质腐蚀后的剪切粘结强度与正拉粘结强度随时间变化规律.由图3和图4可以看出,在未被酸碱腐蚀前,剪切粘结强度约为正拉粘结强度的0.95;在两种腐蚀介质作用后,正拉粘结强度仍普遍高于剪切粘结强度,剪切粘结强度与正拉粘结强度的比值由腐蚀前的0.95降为0.80.相对于正拉粘结强度,剪切粘结强度的离散性要大一些.图3 酸介质中双剪与正拉对比Fig.3 Comparison of vitriolcorrosion图4 碱介质中双剪与正拉对比Fig.4 Comparison of sodium hydroxide corrosion3.3 蚀强系数β变化情况分析图5是在不同腐蚀介质和不同试验中蚀强率系数β随时间的变化规律.由图5中可以看出,在受腐蚀初期(500h ),蚀强系数β呈快速上升趋势,说明这个时段内,试件粘结强度下降最快,即酸碱腐蚀影响最大,而此后β值逐渐下降并趋于平缓.从图中还可以看出,剪切粘结强度的蚀强率比正拉粘结强度的蚀强率高,这说明剪切粘结性能受腐蚀影响更明显;在酸性介质中存放试件的蚀强率比在碱性介质中存放的高,这说明酸性介质的作用更显著.图5 β值随腐蚀时间变化曲线Fig.5 β2time curve3.4 粘结强度取值探讨当取材料保证率为95%时,根据文献[7],可以计算出剪切粘结强度标准值见表6.根据表6的数据,取0～2500h 酸性介质作用后的纤维布与混凝土之间的剪切粘结强度为1.32MPa ;而0～2500h 碱性介质作用后的纤维布与混凝土之间的剪切粘结强度为1.26MPa.同理可以计算出正拉粘结强度的标准值σK 见表6.根据表6的数据,取0～2500h 酸性介质作用后的纤维布与混凝土之间的正拉粘结强度为1.65MPa ;而0～2500h 碱性介质作用后的纤维布与混凝土之间的正拉粘结强度为1.92MPa.4 结语(1)相对于碱性介质,酸性介质对纤维布与混凝土之间正拉粘结性能的影响较明显;相对于正拉粘结强度,剪切粘结强度在酸碱腐蚀后降低幅度更大,仅为正拉粘结强度的0.8倍左右,而腐蚀前的剪切粘结强度约为正拉粘结强度的0.95倍.(2)在保证施工质量的情况下,笔者试验的纤维布与混凝土粘结界面的耐久性可以满足加固工程的要求.(3)考虑实测试验数据的离散性和95%的保证率,在2500h 的腐蚀时间内,建议粘结剪切强度的592 第3期肖建庄,等:纤维布与混凝土间的粘结耐久性试验研究表6 酸碱介质中不同腐蚀时间的粘结强度标准值T ab.6 Suggested bond strength under different corrosion environment and time保存介质对比组p H 值为4的酸性介质p H 值为12的碱性介质时间/h0500150020002500500150020002500τK /MPa 2.27 1.37 1.43 1.48 1.32 1.26 1.33 1.81 1.28σK /MPa3.152.992.102.041.652.482.962.201.92标准值在酸性环境下取1.32MPa ,碱性环境下取1.26MPa ;粘结抗拉强度的计算值在酸性环境下取1.65MPa ,碱性环境下取1.92MPa.参考文献:[1] 肖建庄,于海生,秦灿灿.复合材料加固混凝土结构的耐久性研究[J ].玻璃钢/复合材料,2003,(2):16-21. XIAO Jian 2zhuang ,YU Hai 2sheng ,QIN Can 2can.Investigation onthe durability of concrete structures retrofitted with FRP[J ].Chi 2nese Fiber Reinforced Plastics/Composites ,2003,(2):16-21.[2] Shah S P ,Aldea C.Toughness 2durability of glass fiber reinforcedconcrete systems[J ].ACI Materials Journal ,1988,84(5):32-39.[3] 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. YAN G Y ong 2xin ,YU E Qing 2rui ,HU Yun 2chang.Experimentalstudy on bond performance between carbon fiber sheets and con 2crete[J ].Chinese Journal of Building Structure ,2001,22(3):36-42.[4] C581—74,Annual book of ASTM standards[S].[5] D G/TJ08—012—2002,纤维增强复合材料加固混凝土结构技术规程[S]. D G/TJ08—012—2002,Technical specification for strengtheningconcrete structure with fiber reinforced polymer[S].[6] 杨勇新,王 敬,张小冬.碳纤维布加固混凝土结构耐久性能初步研究[J ].港工技术,2002,(2):25-27. YAN G Y ong 2xin ,WAN G Jing ,ZHAN G Xiao 2dong.Research fordurability of concrete structures strengthened with carbon fiber re 2inforced polymer sheets[J ].Chinese Port Engineering Technolo 2gy ,2002,(2):25-27.[7] 上海玻璃钢结构研究所.玻璃钢结构设计[M ].北京:中国建筑工业出版社,1980. Shanghai FRP Research Institute.Design for FRP structure[M ].Beijing :Chinese Building Press ,1980.(编辑:王东静)・下期文章摘要预报・大地电磁全频段偏移成像结合反演技术于 鹏,王家林,吴健生 在提出的改进的有限差分法大地电磁场偏移成像技术基础上,进一步研究了全频段偏移成像技术,使成像信息得到了丰富完善,提高了分辨率,并推进到了适用于复杂地电模型和实际资料处理解释的阶段.以此为基础,通过成像结果建立新的地电模型,结合有限元正演的特点并利用模拟退火全局寻优算法,实现了成像结合反演的计算过程,将形态与参数反演结合了起来,进一步提高了反演的精度,通过对江苏北部地质构造复杂地区实际资料的偏移成像结合反演处理和解释,展示了该方法的有效性和实用性.多层膜膜层缺陷对透射率的影响杨 帆,沈 军,孙 骐,周 斌 采用溶胶-凝胶技术镀制ZrO 22PVP/SiO 2多层膜,用紫外-可见分光光度计研究其光学特性,发现与理论预期有很大偏差.采用Essential Macleod 膜系设计程序对ZrO 22PVP/SiO 2多层膜可能存在的膜层缺陷进行理论上的模拟.通过理论模拟和实验结果的比较,发现引起多层膜光学性能下降的主要原因是膜间渗透和薄膜开裂.692 同济大学学报(自然科学版)第33卷 。
