高 新 技 术２００９ ＮＯ．０７科技资讯
高温下碳纤维－混凝土界面双面剪切研究
王中平
（广东东方思维科技有限公司 广州 ５１０６４０）
摘 要：ＣＦＲＰ加固技术在加固工程中已有了极为广泛的应用，在使用ＣＦＲＰ加固混凝土结构时，使用胶粘剂把ＣＦＲＰ布粘贴在构件的受拉区，通过发挥ＣＦＲＰ的高抗拉性能提高构件的承载能力。ＣＦＲＰ参与受力的过程中，胶层起着传递剪力的作用。本文设计了高温下双面剪切试验，试验分别在４℃， ４０℃， ６０℃， ８０℃，１００℃， １２０℃， １４０℃， １６０℃， １８０℃下进行，研究了各温度下界面破坏形式、高温对胶体及ＣＦＲＰ的影响，发现高温下界面破坏沿胶层发展，胶体会随温度升高软化甚至蒸发，ＣＦＲＰ也会出现高温氧化现象。
关键词：ＣＦＲＰ－混凝土界面 双面剪切试验 界面粘结强度
中图分类号：ＴＵ７文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－３７９１（２００９）０３（ａ）－００３－０１
１ 试验概况
为了研究高温下ＣＦＲＰ－混凝土界面
受剪性能，设计了高温下的双面剪切试验，
通过试验研究ＣＦＲＰ－混凝土界面在高温
下的粘结性能和失效机理。
本试验为双面剪切试验，为此设计一
组对拉混凝土试块。实测炉膛尺寸为
３００ｍｍ×３００ｍｍ×３５０ｍｍ，所以两试块总
长必须小于３５０ＭＭ。因此设计试块尺寸分
别为：１号试块１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１２０ｍｍ，
２号试块１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１６０ｍｍ。
混凝土试块设计强度为Ｃ３０，使用普通
硅酸盐水泥与细石混凝土浇捣浇筑而成。
制作试验用试块同时制作６个１５０ｍｍ×
１５０ｍｍ×１５０ｍｍ的标准立方体试块，自然
条件下养护２８天后任意选则３个进行标准
立方体抗压试验，得到混凝土抗压强度为
３４．５ＭＰａ。试验前再对剩余３个做强度测
试，得到实际混凝土抗压强度为３３．７ＭＰａ。
根据式１计算相应的混凝土弹性模量，得
到试块的混凝土弹性模量为Ｅｃ＝３．１６×
１０４ＭＰａ。
（１）
粘贴ＣＦＲＰ使用新日本石油生产的配
套胶粘剂，包括底胶与面胶。
试验要求测试ＣＦＲＰ－混凝土界面在不
同温度下的破坏荷载并记录荷载一位移曲
线，为此设定了以下９组试验温度：室温（４℃），
４０℃，６０℃，８０℃，１００℃，１２０℃，１４０℃，１６０
℃，１８０℃。目前高温下的ＣＦＲＰ－混凝土界
面剪切试验很少，没有特定的标准升温曲
线可以遵循，本试验设计了如下的升温过
程：首先将高温试验炉预热到试验温度，然
后装入试件，待界面温度达到试验温度后
恒温５ｍｉｎ后开始试验。
２ 试验现象及分析
本试验特别关注以下两点试验现象：
（１）界面破坏形态；（２）高温对ＣＦＲＰ和胶粘
剂的影响。通过对上述两点试验现象的观
察，可以直观地了解高温对加固材料和试
件破坏形态的影响，从而为分析界面粘结
性能和破坏机理提供依据。
在室温、４０℃，６０℃，８０℃，１００℃，１２０℃，
１４０℃这７档温度下，每档温度分别进行了３
次试验，受到试件数量的限制，１６０℃，１８０℃
这两档温度下各只进行了１次试验。
通过对破坏试件的观察发现，温度对ＣＦＲＰ和胶体的影响十分明显。常温下，胶本试验中，６０℃时破坏荷载的降低己经相当体固化后呈现固体形态，进行６０℃试验后，明显，胶体也出现明显软化，所以可以把６０℃取出试件，发现胶体出现明显软化，随着试验作为本试验胶体的玻璃化温度。温度继续升高，胶体开始转变为可流动的液试验结果还显示，试验温度超过１００℃体形态，流塑态的胶体会伴随高温蒸发至空后破坏荷载和界面粘结强度的大小就趋于气中，试验时可以闻到胶体蒸发产生的刺鼻稳定了。当试验温度达到１４０℃后，胶体大气味。而ＣＦＲＰ在高温下则会出现氧化现象，量蒸发，虽然破坏形态转变为ｃ型，但破坏呈现出烤焦状。通过对所有试件的破坏形形态的变化并没有导致粘结强度降低，因态进行分析整理，试验结果显示，温度直接影此认为当胶体由固态转变为流塑态后其粘响胶体的形态。界面温度为常温和４０℃时，胶结性能趋于稳定。体呈固体状态，６０℃，８０℃时胶体软化，１００℃以后胶体则呈现流塑性状态。随着胶体形４ 结语态的改变，试件的剥离形式及ＣＦＲＰ氧化程试验研究表明，高温对于ＣＦＲＰ－混凝度的变化是有规律可循的。土界面性能的影响是十分明显的。胶体在温度低于１００℃的情况下，ＣＦＲＰ无明显温度升高的过程中，逐渐软化，经历由固态氧化。但当１００℃后胶体开始呈现流体状态—粘塑态—流塑态的转化过程。胶体进入时，ＣＦＲＰ开始出现氧化现象，且温度越高氧流塑态后在高温下开始蒸发，导致ＣＦＲＰ化程度也越高。这是因为粘贴ＣＦＲＰ时，高温氧化，但由于破坏形式为界面粘结破ＣＦＲＰ本身完全与胶体浸渍在一起，胶体固坏，所以ＣＦＲＰ由于高温氧化导致的强度化后在ＣＦＲＰ表面形成了一层保护层，该保降低对最终破坏荷载大小的影响不大。护层起到了隔氧的作用。高温下胶体的软化直接影响界面粘结强度，试验结果显示，４０℃后随温度升高粘３ 试验结果整理结强度降低而界面剪切变形增大。但当将界面破坏时的荷载值除以粘结面积１００℃后，胶体在流塑状态下，界面粘结强可以得到，界面的平均粘结强度。随温度度和界面剪切变形则趋稳定。由于高温下的升高，粘结强度总体呈下降趋势，但在４０ＣＦＲＰ表面大量胶体蒸发，致使破坏界面由℃左右有一明显的上升过程，而超过１００℃胶层－混凝土变为胶层－ＣＦＲＰ，但不影响后粘结强度随温度变化不大。４０℃时破坏界面粘结强度和界面剪切变形。荷载比室温时大，大约增加了３４％，这一试验现象在其他研究者的相关研究中也有出参考文献现。国外有学者的双面剪切试验与简支梁［１］李宏，刘西拉．基于混凝土破坏准则的试验显示，试件在５０℃下的破坏荷载比２０抗剪强度计算［Ｊ］．工程力学，１９９３（１）．℃时高。可见这一试验现象的出现并非偶［２］唐龙贵．碳纤维的抗氧化处理［Ｊ］．高等然，一定有其内在的原因。学校化学学报，１９９５（８）．由于ＣＦＲＰ与混凝土热膨胀性不同而产生的温度应力导致了上述试验现象的出现，但是相关计算显示温度应力的影响是可以忽略的。通过拉拔用胶粘剂粘贴的铝片来测试胶体剪切强度，不存在ＣＦＲＰ与混凝土的热膨胀差异，但也出现了这一试验现象。笔者认为，可能是胶体自身材料的特性导致这一现象的出现，即达到玻璃化温度前，胶体的粘结强度会随温度升高而增强。由于这涉及到材料性能的知识，在此不做进一步的探究。胶体在高温下会出现软化，已有研究表明，当胶体达到某一特定温度时，其形态会由固态转变为粘塑性状态，这一温度被称为玻璃化温度，一般粘结界面达到胶体玻璃化温度后，粘结强度会大幅地下降。
科技资讯 ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ３
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高温下碳纤维－混凝土界面双面剪切研究
王中平
（广东东方思维科技有限公司 广州 ５１０６４０）
摘 要：ＣＦＲＰ加固技术在加固工程中已有了极为广泛的应用，在使用ＣＦＲＰ加固混凝土结构时，使用胶粘剂把ＣＦＲＰ布粘贴在构件的受拉区，通过发挥ＣＦＲＰ的高抗拉性能提高构件的承载能力。ＣＦＲＰ参与受力的过程中，胶层起着传递剪力的作用。本文设计了高温下双面剪切试验，试验分别在４℃， ４０℃， ６０℃， ８０℃，１００℃， １２０℃， １４０℃， １６０℃， １８０℃下进行，研究了各温度下界面破坏形式、高温对胶体及ＣＦＲＰ的影响，发现高温下界面破坏沿胶层发展，胶体会随温度升高软化甚至蒸发，ＣＦＲＰ也会出现高温氧化现象。
关键词：ＣＦＲＰ－混凝土界面 双面剪切试验 界面粘结强度
中图分类号：ＴＵ７文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－３７９１（２００９）０３（ａ）－００３－０１
１ 试验概况
为了研究高温下ＣＦＲＰ－混凝土界面
受剪性能，设计了高温下的双面剪切试验，
通过试验研究ＣＦＲＰ－混凝土界面在高温
下的粘结性能和失效机理。
本试验为双面剪切试验，为此设计一
组对拉混凝土试块。实测炉膛尺寸为
３００ｍｍ×３００ｍｍ×３５０ｍｍ，所以两试块总
长必须小于３５０ＭＭ。因此设计试块尺寸分
别为：１号试块１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１２０ｍｍ，
２号试块１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１６０ｍｍ。
混凝土试块设计强度为Ｃ３０，使用普通
硅酸盐水泥与细石混凝土浇捣浇筑而成。
制作试验用试块同时制作６个１５０ｍｍ×
１５０ｍｍ×１５０ｍｍ的标准立方体试块，自然
条件下养护２８天后任意选则３个进行标准
立方体抗压试验，得到混凝土抗压强度为
３４．５ＭＰａ。试验前再对剩余３个做强度测
试，得到实际混凝土抗压强度为３３．７ＭＰａ。
根据式１计算相应的混凝土弹性模量，得
到试块的混凝土弹性模量为Ｅｃ＝３．１６×
１０４ＭＰａ。
（１）
粘贴ＣＦＲＰ使用新日本石油生产的配
套胶粘剂，包括底胶与面胶。
试验要求测试ＣＦＲＰ－混凝土界面在不
同温度下的破坏荷载并记录荷载一位移曲
线，为此设定了以下９组试验温度：室温（４℃），
４０℃，６０℃，８０℃，１００℃，１２０℃，１４０℃，１６０
℃，１８０℃。目前高温下的ＣＦＲＰ－混凝土界
面剪切试验很少，没有特定的标准升温曲
线可以遵循，本试验设计了如下的升温过
程：首先将高温试验炉预热到试验温度，然
后装入试件，待界面温度达到试验温度后
恒温５ｍｉｎ后开始试验。
２ 试验现象及分析
本试验特别关注以下两点试验现象：
（１）界面破坏形态；（２）高温对ＣＦＲＰ和胶粘
剂的影响。通过对上述两点试验现象的观
察，可以直观地了解高温对加固材料和试
件破坏形态的影响，从而为分析界面粘结
性能和破坏机理提供依据。
在室温、４０℃，６０℃，８０℃，１００℃，１２０℃，
１４０℃这７档温度下，每档温度分别进行了３
次试验，受到试件数量的限制，１６０℃，１８０℃
这两档温度下各只进行了１次试验。
通过对破坏试件的观察发现，温度对ＣＦＲＰ和胶体的影响十分明显。常温下，胶本试验中，６０℃时破坏荷载的降低己经相当体固化后呈现固体形态，进行６０℃试验后，明显，胶体也出现明显软化，所以可以把６０℃取出试件，发现胶体出现明显软化，随着试验作为本试验胶体的玻璃化温度。温度继续升高，胶体开始转变为可流动的液试验结果还显示，试验温度超过１００℃体形态，流塑态的胶体会伴随高温蒸发至空后破坏荷载和界面粘结强度的大小就趋于气中，试验时可以闻到胶体蒸发产生的刺鼻稳定了。当试验温度达到１４０℃后，胶体大气味。而ＣＦＲＰ在高温下则会出现氧化现象，量蒸发，虽然破坏形态转变为ｃ型，但破坏呈现出烤焦状。通过对所有试件的破坏形形态的变化并没有导致粘结强度降低，因态进行分析整理，试验结果显示，温度直接影此认为当胶体由固态转变为流塑态后其粘响胶体的形态。界面温度为常温和４０℃时，胶结性能趋于稳定。体呈固体状态，６０℃，８０℃时胶体软化，１００℃以后胶体则呈现流塑性状态。随着胶体形４ 结语态的改变，试件的剥离形式及ＣＦＲＰ氧化程试验研究表明，高温对于ＣＦＲＰ－混凝度的变化是有规律可循的。土界面性能的影响是十分明显的。胶体在温度低于１００℃的情况下，ＣＦＲＰ无明显温度升高的过程中，逐渐软化，经历由固态氧化。但当１００℃后胶体开始呈现流体状态—粘塑态—流塑态的转化过程。胶体进入时，ＣＦＲＰ开始出现氧化现象，且温度越高氧流塑态后在高温下开始蒸发，导致ＣＦＲＰ化程度也越高。这是因为粘贴ＣＦＲＰ时，高温氧化，但由于破坏形式为界面粘结破ＣＦＲＰ本身完全与胶体浸渍在一起，胶体固坏，所以ＣＦＲＰ由于高温氧化导致的强度化后在ＣＦＲＰ表面形成了一层保护层，该保降低对最终破坏荷载大小的影响不大。护层起到了隔氧的作用。高温下胶体的软化直接影响界面粘结强度，试验结果显示，４０℃后随温度升高粘３ 试验结果整理结强度降低而界面剪切变形增大。但当将界面破坏时的荷载值除以粘结面积１００℃后，胶体在流塑状态下，界面粘结强可以得到，界面的平均粘结强度。随温度度和界面剪切变形则趋稳定。由于高温下的升高，粘结强度总体呈下降趋势，但在４０ＣＦＲＰ表面大量胶体蒸发，致使破坏界面由℃左右有一明显的上升过程，而超过１００℃胶层－混凝土变为胶层－ＣＦＲＰ，但不影响后粘结强度随温度变化不大。４０℃时破坏界面粘结强度和界面剪切变形。荷载比室温时大，大约增加了３４％，这一试验现象在其他研究者的相关研究中也有出参考文献现。国外有学者的双面剪切试验与简支梁［１］李宏，刘西拉．基于混凝土破坏准则的试验显示，试件在５０℃下的破坏荷载比２０抗剪强度计算［Ｊ］．工程力学，１９９３（１）．℃时高。可见这一试验现象的出现并非偶［２］唐龙贵．碳纤维的抗氧化处理［Ｊ］．高等然，一定有其内在的原因。学校化学学报，１９９５（８）．由于ＣＦＲＰ与混凝土热膨胀性不同而产生的温度应力导致了上述试验现象的出现，但是相关计算显示温度应力的影响是可以忽略的。通过拉拔用胶粘剂粘贴的铝片来测试胶体剪切强度，不存在ＣＦＲＰ与混凝土的热膨胀差异，但也出现了这一试验现象。笔者认为，可能是胶体自身材料的特性导致这一现象的出现，即达到玻璃化温度前，胶体的粘结强度会随温度升高而增强。由于这涉及到材料性能的知识，在此不做进一步的探究。胶体在高温下会出现软化，已有研究表明，当胶体达到某一特定温度时，其形态会由固态转变为粘塑性状态，这一温度被称为玻璃化温度，一般粘结界面达到胶体玻璃化温度后，粘结强度会大幅地下降。
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