柳戰(zhàn)強(qiáng)， 郭子雄，2，*， 葉 勇，2

（1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.華僑大學(xué) 福建省結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)重點實驗室，福建 廈門 361021）

鋼絲繩-聚合物砂漿（SWR-PM）面層加固技術(shù)具有防火、耐久性良好、成本低廉等特點，已在橋梁工程、建筑結(jié)構(gòu)等加固領(lǐng)域受到關(guān)注與應(yīng)用.研究表明，SWR-PM 的抗彎加固性能能夠有效提高加固梁的承載力和剛度，但加固后構(gòu)件的延性有所降低，且加固率較高時易發(fā)生剝離破壞，因此限制了該加固技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用［1-5］.

加固層與混凝土間的黏結(jié)性能決定了加固構(gòu)件的破壞形態(tài)和加固效果.為研究加固構(gòu)件的剝離破壞機(jī)理，研究人員常采用搭接接頭形式的剪切試驗方法進(jìn)行加固層與混凝土的界面性能研究.黃華等［6］通過加固層與混凝土的雙面剪切試驗，發(fā)現(xiàn)加固層存在有效黏結(jié)長度.Ascione 等［7］通過擬合和理論計算，得到加固層與混凝土界面的有效黏結(jié)長度.Sneed 等［8］分析了鋼纖維增強(qiáng)膠凝材料與混凝土界面的黏結(jié)-滑移曲線和界面剝離破壞特征.上述工作初步研究了加固層與混凝土界面的黏結(jié)性能，但限于研究方法和量測手段的不足，常采用數(shù)據(jù)擬合的方法來確定加固層的有效黏結(jié)長度和界面剝離承載力，從而導(dǎo)致其物理意義不明確且未形成統(tǒng)一的計算式.另外，關(guān)于加固層界面剝離破壞機(jī)理和黏結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型的研究也鮮有報道.

為研究SWR-PM 加固層與混凝土界面的黏結(jié)性能，本文進(jìn)行了搭接接頭形式的單面剪切試驗，分析了混凝土強(qiáng)度、加固層黏結(jié)長度及加載端受壓高度對界面黏結(jié)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了加固層黏結(jié)長度與界面剝離承載力的關(guān)系計算式.

1 試驗

1.1 試件設(shè)計及參數(shù)

本試驗通過拉拔砂漿加固層中的鋼絲繩（SWR），達(dá)到加固層與混凝土間發(fā)生剪切破壞效果，近似模擬加固構(gòu)件界面的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)及界面剝離破壞過程［6，9］，來研究加固層與混凝土界面的剝離破壞機(jī)理.

試件主要參數(shù)包括：混凝土強(qiáng)度（C20、C50、C60）、加固層黏結(jié)長度Lpm（80、160、200、240、400 mm）、加載端受壓高度hb（200、180、160 mm），以及與hb相對應(yīng)的混凝土自由邊長度hc（0、20、40 mm）.

試件尺寸、構(gòu)造及編號含義如圖1所示.由圖1（a）可見：試件主要由聚合物砂漿加固層、混凝土塊及鋼絲繩組成；混凝土塊的橫截面尺寸為200 mm×200 mm，聚合物砂漿加固層厚度為50 mm，寬度為200 mm；加載端受壓高度hb可通過支座高度進(jìn)行調(diào)整，在靠近試件加載端處的混凝土塊設(shè)置了40 mm的非黏結(jié)段；鍍鋅鋼絲繩的結(jié)構(gòu)形式為6×19+IWS（6 股19 絲，金屬股芯右交互捻鋼絲繩），其破壞力為42.20 MPa，將3根直徑8 mm的鍍鋅鋼絲繩埋置在聚合物砂漿加固層的中部，其合力點距砂漿層表面25 mm.

圖1 試件尺寸、構(gòu)造及編號含義Fig.1 Dimension，structure and number meaning of specimen

試件編號采用A-B-C-D-E 形式，見圖1（b）.編號含義舉例說明如下：C6-I8-3S8-16H-2 中的C6 表示試件的組別為C6，混凝土強(qiáng)度等級為C60；I8 表示加固層的黏結(jié)長度為80 mm；3S8 表示加固層內(nèi)埋置3根鋼絲繩，埋深長度為80 mm，與加固層黏結(jié)長度相同；16H 表示混凝土加載端受壓高度為160 mm；2 表示具有相同參數(shù)的第2 個試件；無E 編號表示具有該參數(shù)的試件只有1 個.

試件參數(shù)及試驗結(jié)果匯總見表1.試驗采用自配單組聚合物砂漿（按砂漿粉料質(zhì)量15%加水拌制而成）.混凝土和聚合物砂漿的力學(xué)性能見表2.

表1 試件參數(shù)及試驗結(jié)果Table 1 Parameters and test results of specimens

表2 混凝土和聚合物砂漿的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of concrete and polymer mortar

1.2 試件制作及步驟

所有試件均采用相同的制作工藝，如圖2 所示.具體施工流程如下：（1）對混凝土塊表面進(jìn)行鑿毛處理，并測量其表面粗糙程度（圖2（a））；（2）先對鋼絲繩加載端進(jìn)行“成環(huán)”、“連接”等預(yù)處理，隨后在模板內(nèi)穿拉鋼絲繩呈張緊狀態(tài)，并將其臨時錨固在模板兩側(cè)（圖2（b））；（3）清理混凝土塊表面，涂抹界面劑（組分配比m（組分A）∶m（組分B）∶m（硅灰粉）=2∶1∶1），待界面劑有黏性后，抹壓第1 層聚合物砂漿（圖2（c）、（d））；（4）將帶有鋼絲繩的模板置于混凝土塊上方，在模板內(nèi)繼續(xù)分層抹壓聚合物砂漿至50 mm 厚度，并留置材性試件（圖2（e）、（f）），之后將試件置于20 ℃、相對濕度90%以上的實驗室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d.

圖2 試件制作工藝Fig.2 Fabrication process of specimen

1.3 試驗加載及量測

試驗采用液壓伺服作動器進(jìn)行單調(diào)加載，加載裝置及量測方法如圖3 所示.試驗時應(yīng)注意：（1）將鋼絲繩與電液伺服作動器保持在同一軸線上，以保證鋼絲繩軸心受拉.（2）將上層端板作為支座，通過改變其寬度來調(diào)整混凝土塊自由邊長度hc；下層鋼底板則緊貼試件底面，以防止加載過程中混凝土塊自由端抬起，荷載通過4 根地錨螺桿傳遞給地梁.

圖3 試驗加載裝置及量測方法Fig.3 Test set-up and measurement

試驗全程采用位移控制加載方式，以0.3 mm/min 的速率勻速加載.試驗過程中量測內(nèi)容包括：荷載值、鋼絲繩加載端滑移值及加固層加載端相對于混凝土塊的滑移值.

將試件的名義剪應(yīng)力（τˉ）定義為黏結(jié)長度內(nèi)黏結(jié)應(yīng)力的平均值，其計算式為：

式中：P為破壞荷載，kN；A為加固層黏結(jié)面積，mm2.

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞特征

試件主要有3 種典型破壞形式，即界面剝離破壞、混凝土拉剪破壞及混合破壞形式，如圖4所示.

圖4 試件的典型破壞形式Fig.4 Typical failure modes of specimen（size：mm）

由圖4（a）可見：（1）界面剝離破壞的特征為剝離界面常發(fā)生在砂漿層一側(cè)，且界面上粘附著部分混凝土.（2）破壞發(fā)生在加載端受壓高度為200 mm（混凝土自由邊長度為0 mm）的試件中.（3）在加載初期，靠近加載端的加固層沿黏結(jié)界面出現(xiàn)1 條裂縫；隨著荷載的增加，該裂縫不斷向加固層自由端發(fā)展.（4）當(dāng)加固層黏結(jié)長度較短時，剝離破壞沿著加固層界面瞬間發(fā)生.

由圖4（b）、（c）可見：當(dāng)黏結(jié)長度較長，如400 mm時，界面裂縫沿界面不斷向加固層自由端發(fā)展，加固層表面出現(xiàn)橫向水平裂縫；當(dāng)剩余黏結(jié)面積的承載力小于外荷載時，界面整體剝離瞬間發(fā)生.分析認(rèn)為，外荷載作用下混凝土塊全截面受壓時，黏結(jié)界面近似處于純剪切受力狀態(tài)；隨著外荷載的增加，界面剪應(yīng)力超過界面黏結(jié)強(qiáng)度，靠近加載端的界面較早退出工作，隨后由剩余界面承擔(dān)外荷載；此受力過程不斷地向自由端延伸，界面剝離過程也不斷向加固層自由端發(fā)展.

由圖4（d）可見：（1）混凝土拉剪破壞的主要特征是混凝土發(fā)生拉剪破壞，而加固層與混凝土黏結(jié)完好.（2）破壞前混凝土無明顯開裂，加固界面未出現(xiàn)剝離；隨著荷載逐漸增加，接近最大值時，試件破壞瞬間發(fā)生.（3）試件破壞發(fā)生在混凝土內(nèi)部，破壞面從加固層自由端延伸至上層端板（即支座）的邊緣.該破壞形式在試驗中出現(xiàn)的次數(shù)較少，主要發(fā)生在存在混凝土自由邊長度hc的試件上.

由圖4（e）可見：試件混合破壞的主要特征為加固層自由端附近發(fā)生界面剝離破壞，界面裂縫向加載端附近混凝土內(nèi)部發(fā)展，并延伸至上層鋼蓋板的邊緣，最終發(fā)生混凝土拉剪破壞.該破壞主要發(fā)生在加載端受壓高度為180 mm，黏結(jié)長度為160、240 mm 的試件中.分析認(rèn)為，加載端受壓高度hb的降低，使得砂漿層加載端的局部剛度降低，加固層界面的局部應(yīng)力需求也隨之降低［9］；同時，由于混凝土自由邊長度hc的存在，使得混凝土加載端受壓面積減小，受壓面壓應(yīng)力增大；隨著荷載的增加，破壞面將沿著混凝土受壓邊緣逐漸向混凝土內(nèi)部擴(kuò)展，致使試件呈現(xiàn)混凝土拉剪破壞或混合破壞形態(tài).

2.2 荷載-滑移曲線特征

滑移位移是加固層相對于同一水平位置處混凝土塊的相對位移，鋼絲繩在砂漿層中未發(fā)生明顯滑移.試件的荷載-滑移（P-Δ）曲線關(guān)系如圖5 所示.由圖5 可見：（1）對于發(fā)生界面剝離破壞的試件，加載初期加固層界面剪應(yīng)力水平較低，加固層與混凝土共同工作，兩者間未發(fā)生滑移現(xiàn)象；隨著荷載的增加，界面應(yīng)力不斷增長，界面微裂縫不斷向自由端發(fā)展，加載端滑移量不斷增長.（2）對于黏結(jié)長度較大的試件，荷載隨著滑移量的增加呈先增長后穩(wěn)定的趨勢，界面不斷剝離，且砂漿表面出現(xiàn)橫向裂縫；當(dāng)剩余黏結(jié)面積小于有效黏結(jié)面積時，加固層瞬間剝離，整體脫落，此時荷載達(dá)到最大，該階段加固層的自由端未發(fā)生滑移；當(dāng)荷載達(dá)到最大值時，加固層從混凝土塊上整體剝離下來，荷載降至0.

圖5 試件的荷載-滑移位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of specimens

3 參數(shù)對黏結(jié)性能的影響

3.1 黏結(jié)長度

圖6 為C6 組試件的剝離承載力（Pu，exp）、名義剪應(yīng)力（）與加固層黏結(jié)長度（Lpm）的關(guān)系曲線.由圖6 可見，隨著黏結(jié)長度的增加，C6 組試件的Pu，exp先增加后趨于穩(wěn)定，先升后降.這是由于隨著剝離承載力的增加，加固層界面裂縫不斷向加固層自由端發(fā)展，界面黏結(jié)面積不斷減少.需要說明的是，計算名義剪應(yīng)力時，黏結(jié)面積（A）是保持不變的，當(dāng)Lpm超過某一特殊黏結(jié)長度后，Pu，exp將不再增加，該特殊黏結(jié)長度即為有效黏結(jié)長度（Le）.

圖6 C6 組試件的剝離承載力、名義剪應(yīng)力與加固層黏結(jié)長度的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves between debonding capacity，nominal shear stress and bonding length of reinforcement layer of specimen C6 group

圖7 為試件的界面應(yīng)力分布和剝離發(fā)展過程示意圖.由圖7 可見：加載初期，外荷載（P）先由靠近加載端的加固層界面承擔(dān)，隨著P的增加，界面剪應(yīng)力（τ）不斷增大，受力范圍也不斷延伸，當(dāng)P達(dá)到最大值時，該受力范圍達(dá)到最長（即有效黏結(jié)長度），此時超過該范圍的界面不承擔(dān)外載荷；隨著加載的繼續(xù)，P不再增加.這是因為靠近加載端的界面已退出工作并出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象，P只能由處在有效黏結(jié)長度范圍內(nèi)的剩余界面承擔(dān)；隨后，此過程不斷重復(fù)著向自由端發(fā)展，當(dāng)剩余界面面積的承載力小于P時，界面的整體剝離瞬間發(fā)生.

圖7 試件的界面剪應(yīng)力分布和剝離發(fā)展Fig.7 Interfacial shear stress distribution and debonding propagation of specimen

3.2 混凝土強(qiáng)度

試驗現(xiàn)象顯示，試件的剝離破壞界面主要發(fā)生在砂漿層與混凝土黏結(jié)界面的上下2～3 mm 處.這說明混凝土和聚合物砂漿的強(qiáng)度影響著界面破壞面的位置和剝離承載力，因此，取混凝土和聚合物砂漿強(qiáng)度平均值的平方根（）作為試件剝離承載力的影響因素.圖8為試件剝離承載力（Pu，exp）與的關(guān)系曲線.

圖8 試件剝離承載力與 的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curves between debonding capacity and of specimen

3.3 加載端受壓高度

圖9 描述了試件破壞荷載與混凝土加載端受壓高度的關(guān)系.混凝土加載端受壓高度對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）界面黏結(jié)性能和試件破壞形態(tài)有較大影響［9-10］，但對鋼絲繩-聚合物砂漿加固面層界面黏結(jié)性能的影響未見報道.試件破壞荷載隨著加載端受壓高度的降低（混凝土塊自由邊長度的增加）呈增長趨勢.理論上認(rèn)為，隨著混凝土加載端受壓高度的減少，加固層加載端的局部剛度降低，加固層界面的局部應(yīng)力需求也降低，破壞面由界面轉(zhuǎn)向混凝土內(nèi)部，破壞形態(tài)由界面剝離破壞轉(zhuǎn)向混凝土拉剪破壞或混合破壞形態(tài)，破壞荷載增大；反之，加固層界面的局部應(yīng)力需求提升，界面將先發(fā)生破壞，破壞荷載降低［9］，但圖9 顯示這一規(guī)律并不明顯.關(guān)于該參數(shù)對破壞荷載的影響規(guī)律尚需進(jìn)一步研究.

圖9 試件破壞荷載與混凝土加載端受壓高度的關(guān)系Fig.9 Relationship between failure load and free edge length of specimen

4 有效黏結(jié)長度及剝離承載力的確定

4.1 有效黏結(jié)長度

加固層有效黏結(jié)長度（Le）的確定是界面剝離破壞機(jī)理和界面黏結(jié)強(qiáng)度研究的重要課題，該問題在FRP 加固領(lǐng)域雖有廣泛報道［9，11-12］，但在SWR-PM 加固層方面尚缺少系統(tǒng)研究.目前，常采用數(shù)據(jù)擬合的方法來確定加固層的Le.本試驗對C6 組試件的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到C6 組試件的Le為243.6 mm，取為240 mm，具體過程如圖10 所示.

圖10 加固層有效黏結(jié)長度的確定Fig.10 Determination of effective bonding length of strengthening layer

在Le的 相 關(guān) 研 究 中，Yao 等［9］、Yuan 等［13］和Chen 等［14］開展了大量的FRP-混凝土搭接接頭形式的單面剪切試驗，并基于試驗數(shù)據(jù)和斷裂力學(xué)，提出半經(jīng)驗半理論的Le計算式和Chen-Teng 模型，該模型已被廣泛應(yīng)用于有效黏結(jié)長度和剝離承載力計算中.現(xiàn)假設(shè)SWR-PM 加固層為彈性體，且加固層與混凝土間的黏結(jié)破壞發(fā)生在界面處，則Le的計算近似滿足Chen-Teng 模型條件［14］.基于本試驗的試件參數(shù)，如C6 組試件黏結(jié)厚度（tpm）、彈性模量（Epm）、混凝土受壓強(qiáng)度f'c分別取50 mm，18 GPa，44.8 MPa，由此計算得到的Le為367 mm（C6 組）；其他2 組的計算結(jié)果分別為398 mm（C2 組）、373 mm（C5 組）.對比計算結(jié)果與擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)，C6 組試件的Le計算結(jié)果大于擬合結(jié)果.這是因為加固層屬于非彈性連續(xù)體，不完全符合Chen-Teng 模型條件，試驗中加固層表面橫向裂縫（見圖5）的出現(xiàn)降低了其連續(xù)性，使得計算值大于擬合值.目前，依然建議使用數(shù)據(jù)擬合的方法尋找加固層有效黏結(jié)長度，但關(guān)于SWR-PM 加固層有效黏結(jié)長度的計算方法需做進(jìn)一步研究.綜上考慮，將C6 組試件的加固層有效黏結(jié)長度取為240 mm，利用該擬合結(jié)果計算界面剝離承載力.

4.2 剝離承載力

考慮加固層黏結(jié)長度和混凝土強(qiáng)度影響，建立界面剝離承載力及界面剪應(yīng)力計算式：

式中：α為擬合系數(shù)，取為1.015；βw與β1分別為加固層與混凝土黏結(jié)寬度及黏結(jié)長度影響系數(shù)，由于加固層與混凝土試塊等寬分別為加固層的黏結(jié)寬度和混凝土試塊寬度；fc，pm為混凝土棱柱體試塊抗壓強(qiáng)度（fc）和聚合物砂漿棱柱體試塊抗壓強(qiáng)度（fpm）加和平均值，取立方體抗壓強(qiáng)度平均值的0.79，MPa.

圖11 為界面剝離承載力（Pu）和界面剪應(yīng)力（τ）的計算值.由圖11（a）可以看出：對于發(fā)生界面剝離破壞的試件，其計算值與試驗值相近，證明該計算公式有效.由圖11（b）可以看出：隨著黏結(jié)長度的增加，名義剪應(yīng)力計算值先增加后降低，說明當(dāng)加固層黏結(jié)長度超過有效黏結(jié)長度后，增大黏結(jié)長度并不能有效提高界面剝離承載力和界面剪應(yīng)力.

圖11 界面剝離承載力和界面剪應(yīng)力的計算值Fig.11 Calculated results of interfacial debonding capacity and shear stress

5 結(jié)論

（1）采用搭接接頭形式的單面剪切試驗方法，可較好地模擬界面純剪切受力狀態(tài).試件的典型破壞形式包括界面剝離破壞、混凝土拉剪破壞及混合破壞.

（2）隨著黏結(jié)長度的增大，試件的剝離承載力先增加后趨于穩(wěn)定，名義剪應(yīng)力先增后減；剝離承載力隨著混凝土強(qiáng)度的增大而提升；加載端受壓區(qū)高度影響試件破壞形態(tài)和承載力.

（3）加固層與混凝土界面存在有效黏結(jié)長度，通過數(shù)據(jù)擬合和理論計算，可確定有效黏結(jié)長度.當(dāng)加固層與混凝土塊等寬時，C6 組試件的有效黏結(jié)長度為240 mm.

（4）考慮加固層黏結(jié)長度和混凝土強(qiáng)度的影響，建立了界面剝離承載力與黏結(jié)長度計算公式，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好.