冻融循环作用下CFRP—C60高强混凝土的劣化特征点.pdf
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1、第 1 3卷第 2期 2 0 1 6年 2月 铁 道科学与工程学报 J o u r n a l o f Ra i l wa y S c i e n c e a n d En g i n e er in g Vo l u me 1 3 Nu mb e r 2 F e b r u a r y 2 0 1 6 冻 融循环作用下 C F R P 混凝 土的劣化特征 洪雷 , 张雨剑 , 王苏岩 C 6 0高 强 占 ,lt 、 ( 大连X-T - 大学 海岸与近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要 : 采用 P值检验 法和 最大曲率法对碳 纤维增 强复合材料 ( C F
2、 R P ) 片材 一C 6 0高强混凝 土黏结界 面的冻融损 伤进 行定 量化评估 , 分析 C F R PC 6 0高强混凝土 冻融损伤 的劣化特征点及其相 关规律 。结果表 明: 初 劣点、 陡劣 点及最 大曲率等指 标可以准确地反映 C F R P C 6 0高强混凝土冻融劣化过程的特征, C F R P C 6 0高强混凝土的各项剪切试验参数在冻融循环 次数 N=l 1 3左右时开始初步劣化, 在 N=1 5 2左右时开始显著劣化, 并且黏结本构参数 s , 和 G , 的劣化要早于承载力参数 和 F ; 冻融循 环对 C R F PC 6 0高强混凝 土界 面最大剪应力所对应的应变
3、无明显影响。 关键词 : 冻融循环 ; C F R P; 高强混凝 土; 劣化特征 点 中图分类号 : T U 5 2 8 O 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 2 6 3 0 6 De t e r i o r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c p o i n t s o f CF RP C6 0 h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s u b j e c t e d t o f r e e z e - t h a w c y c le
4、s H O N G L e i , Z H A N G Y u j i a n ,WA N G S u y a n ( T h e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a s t a l a n d O ff s h o r e E n g i n e e r i n g , Da l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , D a l i a n 1 1 6 0 2 4, C h i n a ) Abs t r ac t:P v a l ue t e s t me t h o
5、d a n d c u r v a t u r efit t i n g me t h o d we r e u s e d t o a s s e s s t h e d a ma g e o f c a r b o n fib e r r e i n f o r c e d p o l y me r ( C F R P )s h e e t C 6 0 h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s u b j e c t e d t o f r e e z e t h a w c y c l e s q u a n t i t a t i v e l
6、y D e - t e r i o r a t i o n c h a r a c t e ri s t i c p o i n t s o f t h e d a m a g e c a u s e d b y f r e e z et h a w c y c l e s( N)a n d r e l a t e d r e g u l a r p a t t e r n we r e a n a l y z e d An a l y t i c a l r e s u l t s s h o w t h a t i n i t i a l d e t e ri o r a t i o n
7、p o i n t ,s i g n i fi c a n t d e t e r i o r a t i o n p o i n t a n d ma x i mu m c u r v a t u r e c a n a c c u r a t e l y r e fle c t t h e d e t e r i o r a t i o n o f CFRP C6 0 hi g h s t r e ng t h c o n c r e t e u n d e r f r e e z e t h a w c o nd i t i o n s Th e s he a r i n g t e s
8、 t p a r a me t e r s o f CF RPC6 0 h i 【g h s t r e n g t h c o n c r e t e b e g i n t o d e t e rio r a t e wh e n N =1 1 3 a n d d e t e r i o r a t e s i g n i fi c a n t l y a f t e r N r e a c h e s 1 5 2 T h e d e t e ri o r a t i o n o f b o n d i n g p a r a m e t e r s ( 5 , , G f )h a p
9、p e n s e a r l i e r t h a n t h e d e t e ri o r a t i o n o f b e a r i n g c a p a c i t y p a r a m e t e r s( F 0 , F 1 ) F r e e z e t h a w c y c l e s h a v e n o s i g n i fi c a n t e f f e c t o n t he s l i p c o r r e s po n di ng t o t he ma x i mu m i n t e r f a e i a l s he a r s t
10、 r e s s Ke y wo r ds: f r e e z et h a w;CFRP;h i g h s t r e n g t h c o nc r e t e;c h a r a c t e ris t i c p o i n t s o f d e t e rio r a t i o n 在寒冷地区, 冻融循环是对 F R P一混凝土结构 耐久性的最主要 的环境影 响之一 , 冻融循 环对 F R P一 混凝土的粘结强度等性能会造成不 同程度 的损伤 。目前 , 国内外对于 F R P加 固高强混 凝土的耐久性研究还不是很充分, 尤其缺乏对于高 冻融次数下 F R P一高强混凝土
11、 的粘结性 能劣化规 律 的了解 。通过借鉴 已有的研究成果 以及混凝 土耐久性 的劣化特征 - 6 3 , F R P与高强混凝土之间 收稿 日期 : 2 0 1 5 0 52 5 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 3 7 8 0 8 9 ) ; 海岸和近海工程国家重点实验室基金资助项 目( S I 1 43 2 ) 通讯作者 : 洪雷 ( 1 9 6 4一) , 男 , 黑龙江牡丹江人 , 副教授 , 博士 , 从事混凝土结构耐久性研究 ; Ema i l : h o n g l e i a 1 6 3 s o re 2 6 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2
12、0 1 6年 2月 的粘结性能在冻融循环条件下的劣化过程 可分为 3个阶段 : 劣化初始 阶段 、 劣化发展阶段和劣化加 速阶段 , 此过程中的两个特征点为劣化初步开始的 点即初劣点 , 以及劣化速度显著加 快 的点 即陡劣 点 , 如图 1 所示 。 本文运用 P值检验法 和最大 曲率法 , 确定 该劣化过程 的特征点 。通过双面剪切试验得到的 试验结果 , 对 C F R P加固 C 6 0高强混凝土的各个试 验参数的劣化特征点分布进行了分析 , 提出了用初 劣点 、 陡劣点和最大曲率 3项指标对加 固效果进行 耐久性评定的方法。 图 1 F R P一混凝 土一般 劣化过程 Fi g 1
13、Ge ne r a l d e t e r i o r a t i o n p r o c e s s o f FRPc o nc r e t e 图 2 C F R P一混凝土双面剪切试件 F i g 2 CF R P t oc o n c r e t e d o u b l e s h e a r s p e c i me n 1 原材料与试验方案 1 1 试件设计 将一条 5 0 m m宽 的 C F R P布黏贴在棱柱体混 凝土试块相对 的两侧表面 ( 如图 2所示) , 并预先 选择其 中一个面作 为测试面。为了防止非测试面 在剪切试验中先于澳 4 试面破坏 , 在非测试面上加长 C
14、 F R P的黏结长度并进行 了额外加 固。测试面 的 黏结长度 为 L =1 0 0 m m, 加 载端 边界 上方 预 留 L , =3 0 m m的非黏结 区, 沿纤 维方 向布置应变片。 混凝土试块设计强度等级为 C 6 0, 尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 m l n1 5 0 m m, 其配合 比见表 1 。C F R P的主 要性能指标见表 2 。 表 1 C 6 0混凝土配合 比 Ta b l e 1 Mi x p r o p o r t i o n s o f C 6 0 c o n c r e t e k g m 1 2 试验方案与结果 本文参照 普通混凝土 长期
15、性能和耐久性能 试验方法 中抗冻性 能试验 的快 冻法进行 冻融 循环试验 , 每次冻融循环的周期是 3 h , 控制试件中 心温度变化范 围为 (一1 7 4 - 2 )至 ( 8 4-2 ) , 循 环次数为 0次至 2 5 0次 , 以 2 5次为间隔。每个试 验组 6个试件 , 试验结果取平均值 。采用 自行设计 的加载装置 , 对经历冻融 后 的试件进行双 面剪 切试验 , 如图 3所示。试验采用 1 0 0 0 k N电液伺 眼试验机进 行加载 , 加载 速率约 为 0 0 0 5 m m s ; 采用德国制造 I MC动态数据采集器采集数据 ;采 用 5 k N荷载传感器测量荷载
16、 ; 采用 弓形应变计测 量端部滑移 ; 采用应变片测量 C F R P的应变分布。 分别统计每组破坏试验 的初始剥离荷载 ( 荷载 由线性增长转变为非线性增长 的临界值 ) , 破坏荷 载 F ( 荷载的最大值) , 如图4所示 ; 并且计算靠近 加载端的两个应变片之间的 C F R PC 6 0高强混凝 土界面的局部剪应力峰值 7 - , r 所对应的应变 s , 剪应力减小为0时对应的应变 s , 和界面破坏能 G , 。试验结果见表 3 。 第 2期 洪雷, 等: 冻融循环作用下 C F R P C 6 0高强混凝土的劣化特征点 2 6 5 上夹 上夹具 图 3 加 载装 置示意图 F
17、 i g 3 L o a d i n g d e v i c e 加载端滑移 图 4 荷载 一位移 曲线 Fi g 4 L o a dd i s p l a c e me n t c h i v e 表 3 试验结果 Ta b l e 3 T e s t r e s u l t s 冻融 F o F 1 f s s s 次数 k N k N MP a p , m p , m ( N m m一 ) 0 2 6 5 3 2 5 2 6 5 5 5 0 2 6 3 8 7 5 2 6 4 2 1 0 0 2 5 9 5 1 2 5 2 5 7 3 1 5 O 2 5 O2 1 7 5 2 3 7 2
18、 2 o 0 2 3 O5 2 2 5 2 1 68 2 5 0 1 9 5 4 3 3 6 5 3 3 5 2 3 3 4 2 3 3 5 5 3 3 5 3 3 2 9 3 3 2 0 5 3 0 8 6 2 9 3 4 2 6 9 8 2 4 9 6 l 1 6 2 l 1 3 3 1 1 3 7 1 1 2 3 1 1 0 7 1 0 71 1 0 2 7 9 4 9 8 3 5 7 3 3 6 1 2 1 2 3 O 1 2 1 4 1 2 2 4 1 21 9 1 2 0 8 1 l 3 0 1 01 9 8 5 3 8 3 1 7 7 6 7 7 6 O 68 0 6 6 O 6
19、 6 0 6 5 O 6 3 0 5 7 0 4 9 O 3 8 O 3 3 0 2 7 O 2 5 2 模型选用 通过对 表 3和文献 4的试 验结果分析 , 发现 C F R PC 6 0高强混凝土在冻融循环作用 下 , 其剪 切试验各参数值呈劣化 ( 下 降) 趋势 , 但 在较低 的 冻融次数( 1 0 0次 以下 ) 劣化不明显 , 随着冻融循环 次数增加, 其劣化速度开始加快。所以用统计学的 方法P值检验法来确定劣化初步开始 的点 , 用 最大曲率法来确定劣化速度显著加快的点。 2 1 用 P值检验法确定初劣点 当剪切试验参数相对值 D( 当前试验点值 试 验点最大值 ) 1时,
20、可以认 为 C F R P与混凝 土的 粘结是可靠的, 没有发生劣化 ; 当 D1时 , 认为粘 结发生了劣化。因此可以通过 D对 1的偏离量来 衡量其劣化程度。考虑各种误差带来的影响, 本文 利用统计学中的 P值检验方法来确定其初劣点, 并采用 F检验来衡量 D对 1的偏离程度。这样就 可以从 统 计是 否显 著 的角度 来 确定 C F R P加 固 C 6 0高强混凝 土的冻融循环初劣点。具体步骤如 下 : 首先确 立 原假 设 n o: D =1 0 0 ; 对立 假 设 H1: D 1 0 0 。 通过剪切试验结果发现 , 其试验点各项参数的 变异系数( 标准差 均值 ) 并不大 ,
21、 为 4 一 9 。因 此 , 可以取所有试验点的样本标准差的平均值作为 总体的标准差值 , 计算公式如式 ( 1 ) 所示 : 1 厂 亩 1 ( 一 ) ( 1 ) 式中: 和 分别为试验样本点值和样本点均值; 为试验点数。 如此 , 可以对试验 中的每一个数据点均进行总 体方差 已知 的均值假设检验 , 其检验 的 F统计量 表达式如式( 2 ) 所示 : F 1 1=n o( 一1 ) o r ( 2 ) 式中: 为每组试验的样本数 ; 为其相应的样本 均值。 通过 F分 布计算 可以得 到每个 试验 点 的 P 值 , 即原假设 ( D:1 0 0 ) 正确而错误地抛弃原假 设的概率
22、 。当 P值小 于公认 的显 著性水平 ( 取 5 ) 时, 可以认为原假设不成立。通过插值得出P = 0 0 5所对应 的冻融循环次数 即为所求 的初劣 O 2 4 1 9 6 6 6 8 4 6 钙 钙 甜 甜 甜 2 6 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 1 6年 2月 点值。 2 2用拟合 曲率法确定陡劣点 首先 , 选取一种方程表达式对试验数据点进行 高精度 的拟合 , 使该拟合曲线可以很好的代表试验 结果。经过多个方程 的尝试 和 比较 , 最终选取式 ( 3 ) 进行拟合。 D =Y 0+A 1 e 了 ( 3 ) 式中: D和 分别为试验参数值和冻融循环次数 ;
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