冻融循环对CFRP-烧结粘土砖界面粘结性能影响

为考察冻融循环对碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)-烧结粘土砖界面粘结性能的影响,通过模拟自然冻融环境,在试件经过不同次数的冻融循环后对其进行单面剪切试验。结果表明:在冻融循环作用下,CFRP-烧结粘土砖试件界面粘结性能发生了显著的退化,即随着冻融循环次数的增加,界面承载力和剪应力不断降低;界面剪应力在不同冻融次数下的分布具有相似性,均表现为随着荷载的增加剪应力逐渐由加载端向自由端传递,在传递过程中,有效传递长度变化不显著。在已有界面理论的基础上,根据试验提出了考虑冻融循环时间的界面粘结-滑移模型,通过对比分析,该模型能够很好地反映冻融循环作用下界面粘结性能退化规律。      

氯盐干湿环境下TRC与老混凝土的界面特性研究

采用双面剪切的加载方式研究了氯盐干湿循环对纤维编织网增强混凝土(Textile reinforced concrete,TRC)与普通硅酸盐混凝土界面性能的影响,并通过SEM(Scanning electron microscope)技术探究了氯盐干湿循环作用下界面的微观结构。研究发现:氯盐干湿循环下,TRC与老混凝土界面微观结构会损伤劣化;与连续氯盐浸泡相比,氯盐干湿循环对界面粘结性能的影响较大;相同干湿循环次数下,加固界面的粘结强度随着氯盐溶液浓度的增加而降低;相同氯盐溶液浓度下,加固界面的粘结强度随着循环次数的增加而降低。     

硫酸盐干湿交替对碳纤维增强环氧树脂-混凝土界面粘结性能的影响

为了研究硫酸盐腐蚀对碳纤维增强环氧树脂复合材料（CF/EP）-混凝土界面性能退化的影响。通过硫酸盐干湿交替加速腐蚀试验模拟硫酸盐环境,对硫酸盐腐蚀下CF/EP-混凝土界面粘结性能退化规律进行了研究。结果表明：硫酸盐干湿交替作用对CF/EP-混凝土界面的破坏形态影响较大;界面粘结性能（峰值剪应力、极限承载力和初始剪切刚度）随腐蚀时间呈先小幅增加后加速下降的趋势。在试验和已有界面理论的基础上,提出了考虑腐蚀时间的界面粘结-滑移模型,通过模型预测数据与试验数据的对比分析,该模型能够很好反映硫酸盐干湿交替作用下界面粘结性能退化规律。     

CFRP片材-工程水泥基复合材料-混凝土复合界面单面剪切试验研究

为解决碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)片材加固混凝土结构时CFRP片材易过早剥离及工程水泥基复合材料(ECC)加固混凝土结构极限承载力提高不足等问题,采用CFRP片材-ECC-混凝土复合界面,以同时发挥CFRP片材高抗拉强度和ECC多缝开裂及耐久性较好的优势。设计21个单面剪切试件并进行单面剪切试验,研究不同ECC厚度和混凝土/ECC强度对复合界面承载力、应变分布及粘结滑移曲线等影响规律。试验结果表明：设置ECC层的单面剪切试件破坏模式均为CFRP片材和ECC界面间的剥离破坏,有效延缓了CFRP片材的剥离,并可以有效地传递界面剪应力。与无ECC层的试件相比,设置ECC层试件的极限承载力增加了27.3%～59.6%。基于陆新征等提出的极限承载力计算模型,提出了考虑ECC厚度的复合界面单面剪切试件的极限承载力预测模型,计算值与试验值相吻合。采用不同粘结滑移模型对试验数据进行分析,对比结果表明：Ferracuti等提出的模型考虑的影响因素较全面且模型的拟合结果较好。     

重组竹-混凝土界面粘结-滑移本构模型

为研究胶粘剂连接的重组竹-混凝土界面粘结性能及构建粘结-滑移本构模型,对44个重组竹-混凝土粘结试件进行单剪试验,并考虑了粘结长度、重组竹粘结宽度与厚度、混凝土强度及胶层厚度等因素对粘结性能的影响。研究结果表明：在不同影响因素下,试件破坏模式基本相同,均为混凝土表面发生剥离破坏,粘结界面间裂缝从加载端产生并向自由端发展,破坏过程分为弹性阶段、软化阶段和脱粘平台阶段;界面峰值剪应力随重组竹厚度、混凝土强度、胶层厚度增加而增大,随粘结宽度增加而减小。根据试验粘结-滑移曲线,建立了重组竹-混凝土界面粘结-滑移本构模型,与实验结果进行对比,该模型能较好地反映重组竹-混凝土界面剪应力与滑移量间的关系。     

基于双剪试验的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究

铝合金板具有轻质高强、延展性好、低温脆断敏感性小、耐腐蚀、易于成型等优点,可用于腐蚀及寒冷环境下的混凝土结构加固。该文基于双剪试验下的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究,完成了45个构件的双面纯剪试验,分析了混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板粘结长度和粘结宽度对粘结界面破坏机理、剥离承载力以及界面滑移的演化规律。研究表明:加载过程中界面应力从加载端向自由端逐步传递,且随着混凝土强度等级、铝合金板的粘结长度和宽度的增加,试件的剥离承载力也有所提高。但铝合金板的粘结长度存在一个有效粘结长度值,超过该值试件的剥离承载力将不会增加,同时铝合金板表面粗糙度对试件剥离承载力的提高没有实质影响。     

外贴CFRP加固混凝土梁裂缝间CFRP与混凝土界面粘结性能研究

碳纤维(CFRP)布与混凝土界面的粘结性能是影响CFRP加固构件性能的关键因素,为了更好地理解其对构件性能的影响,进行了外贴CFRP加固混凝土梁纯弯段内CFRP-混凝土界面粘结性能的研究,建立了研究相邻裂缝间CFRP-混凝土界面粘结滑移的解析模型。该模型不仅可以给出粘结界面上滑移和剪应力的分布,还可以给出外贴CFRP加固混凝土梁中相邻裂缝间各材料的应力分布,进而进行构件开裂分析等。将裂缝间CFRP应变实测分布与模型计算结果进行了比较,结果表明:由该模型导出的CFRP应变分布与试验结果吻合较好。     

环境温差下FRP-混凝土界面粘结行为分析

为明确环境温差对纤维增强聚合物(FRP)加固混凝土构件的界面粘结性能的影响,基于粘结界面的双参数内聚力指数模型,建立了FRP-混凝土粘结结点在温差作用下的界面微分平衡方程,采用边界条件叠加的方法,解析推导了界面相对滑移、界面剪应力和FRP应力-应变分布计算公式。基于解析理论模型,提出了FRP-混凝土界面最大承载温差的计算方法,分析了粘结长度、温差变化和粘结层数对界面粘结性能的影响。结果表明:该文推导出的理论公式计算结果与界面试验结果吻合良好,建立的解析理论模型能够较好地预测温差作用下FRP-混凝土界面粘结行为;界面最大承载温差随粘结长度的增加存在上限值,且由于界面粘结性能的退化,FRP温度应力的最大值出现在达到界面最大承载温差之前;界面剪应力集中在粘结端部区域,受温差变化和FRP粘结层数影响较大,且当环境温差进入胶黏剂玻璃化转变区域后影响最为明显。该结论可用于强日照和高温车间等大温差环境下桥梁和建筑加固构件的温度应力分析和界面承载力评估。     

CFRP布加固木梁界面粘结应力的试验研究和理论分析

为了研究CFRP布加固木梁的界面粘结应力,对6根CFRP布加固的木梁进行了静力试验,得到了碳纤维布端部的应变分布。由相邻两测点的应变计算出了CFRP布与木材的平均界面粘结剪应力。忽略碳纤维布和木梁的剪切变形,推导了在任意荷载作用下两者之间的界面粘结剪应力和粘结正应力的计算公式,并根据边界条件给出了在两点对称集中荷载作用下公式中的系数,应用该公式计算了试验梁碳纤维布端部的界面粘结剪应力和正应力,结果表明粘结剪应力的计算值与试验值吻合较好,说明该公式是可行的。     

高温下双搭接钢-CFRP板胶粘界面力学性能试验

高温环境下钢-碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板的胶粘界面是CFRP粘贴加固钢结构的薄弱环节。为掌握温度对钢-CFRP板胶粘界面力学性能的影响,制作了双搭接接头试件,开展了3种胶粘剂在4种温度下(25℃、55℃、70℃和90℃)的静力拉伸试验。探索了接头试件的破坏模式、荷载-位移关系、CFRP板表面应变分布、界面剪应力分布和粘结-滑移关系等。结果表明:当温度低于55℃时,试件的破坏模式与胶粘剂种类相关性更大,当温度高于70℃时,不同胶粘剂的破坏模式具有相似性,且均出现了CFRP板撕裂。温度对不同胶粘试件的承载力影响存在差异,HJY-4105高韧性环氧树脂结构胶粘剂(HJY胶)试件的承载力随温度的升高而增大,LICA-100A/B 环氧树脂结构胶粘剂(LICA胶)试件的温度稳定性较差,Sikadur-30 CN双组份环氧结构加固碳板胶(SIKA30胶)试件在55℃时承载力最高。随着温度升高,胶粘层的剪切强度、界面剪应力峰值和剪切刚度下降,胶粘剂的延性增加,峰值剪应力不影响试件的抗拉强度。温度对粘结-滑移关系的影响显著,HJY胶随着温度的升高,粘结-滑移本构的延性增加,破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。研究表明:合理的耐高温胶应用于钢结构加固,能适应自然高温环境的不利影响。      

恶劣环境下纤维增强聚合物片材拉伸性能

通过拉伸试验,研究了恶劣环境作用后纤维增强聚合物(FRP)片材的拉伸性能。试验参数包括恶劣环境类别和作用方式、FRP片材种类和层数。试验结果表明,常温环境下、冻融和干湿循环作用后,碳纤维增强聚合物(CFRP)片材和玻璃纤维增强聚合物(GFRP)片材的拉伸应力-应变关系近似为直线;常温环境下,CFRP片材和GFRP片材的拉伸强度和延伸率几乎不受片材层数的影响;冻融循环对GFRP片材的影响大于CFRP片材,冻融循环75次时,CFRP片材和GFRP片材的拉伸强度分别是未冻融的0.978倍和0.898倍,并且随着循环次数的增加,CFRP片材和GFRP片材拉伸强度逐渐下降;干湿循环作用对GFRP片材拉伸性能没有明显的影响。基于对有关文献及本文试验结果的分析,提出了恶劣环境下FRP片材拉伸强度的计算方法。     

Long-term moisture effects on the interfacial shear strength between surface treated carbon fiber and epoxy matrix

In recent years, carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites have found increasing applications in marine and offshore area, where the CFRP components are subjected to a persistent attack of moisture. The performance degradation of composites under those critical service conditions becomes a key issue. In this work, silane coating and multiwalled carbon nanotubes were applied on carbon fibers to enhance the fiber/matrix interfacial bonding strength. The long-term effects of moisture on the interfacial shear strength (IFSS) of the composites in underwater environments, such as de-ionized water and simulated seawater, have been studied using single fiber microbond method. The silane coating and carbon nanotube-modified silane coating are found to contribute 14.5% and 26.3% increase in IFSS of the CFRP in dry air, and well maintain this improvement during a 120-day immersion test in de-ionized water and simulated seawater.     

纳米SiO2质量分数对胶粘碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接界面黏结性能的影响

胶黏剂力学性能对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢结构的界面黏结性能影响显著。基于研制的胶黏剂配比,分析了不同纳米SiO₂质量分数对胶黏剂常温固化后基本力学性能及微观结构的影响,制作了31个CFRP板-钢板双搭接试件,对其进行了常温固化后的承载能力、有效黏结长度、传力模式、黏结-滑移本构等试验研究,得出了纳米SiO₂质量分数对CFRP板-钢板搭接试件界面黏结性能的影响规律,并与常用商品胶黏剂进行了比较。研究结果表明:随纳米SiO₂质量分数的增加,胶黏剂应力-应变关系由线性转变为非线性,应变能、断裂伸长率及剪切强度分别最高提升了292.10%、202.88%和133.12%。微观结构分析表明纳米SiO₂的添加使断面粗糙度显著增加,形成了密集的塑性空穴,产生了更多的微裂纹,使胶黏剂的韧性大幅度提高。当纳米SiO₂质量分数从0增至1wt%,搭接试件破坏模式由界面破坏逐渐变为CFRP板层离破坏。掺入纳米SiO₂能显著增加搭接试件的极限承载力(提升256.96%)及界面有效黏结长度(提升3倍),提高CFRP表面的应变及界面剪应力峰值。纳米SiO₂质量分数为0与0.5wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为双线性三角形模型,纳米SiO₂质量分数为1wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为三线性梯形模型,黏结界面韧性大幅提升。CFRP-钢界面承载能力受胶黏剂拉伸强度与断裂伸长率的双重影响,非线性高强度(即具有较高应变能)胶黏剂对应的CFRP-钢搭接接头具有更好的界面性能。      

Wet thermo-mechanical behavior of steel–CFRP joints – An experimental study

The long term durability of CFRP strengthened steel structures is a key parameter for their safe use and effective design. Strengthened members can be subjected to different environmental conditions and loading scenarios during their service life, the effect of which on the failure mechanism of the strengthened member requires fundamental investigations. This paper presents an experimental investigation into the effects of wet thermo-mechanical loading on the bond strength and the failure mode of steel–CFRP single lap joints. A total of thirty four steel–CFRP single lap shear specimens were prepared and exposed to different combinations of wet thermal cycle ranges and sustained loads. The results show that these conditions (wet thermal cycles and sustained loads) have little impact on the bond strength of steel–CFRP lap joint when applied separately. However, when applied simultaneously, the bond strength of the joint is significantly reduced with failure observed at less than 30% of the static strength under temperatures that are well below the glass transition temperature of the adhesive.     

玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料的冷热循环疲劳特性

通过测定玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料在不同温度区间内经冷热循环后的弯曲性能和动态力学性能以及玻璃纤维增强聚丙烯复合体系经冷热循环后界面剪切强度的变化, 研究了该材料的冷热循环疲劳特性。结果表明,在一定温度区间内的冷热循环会对玻璃纤维毡增强聚丙烯的界面造成损伤, 使材料的力学性能下降; 随着冷热循环温度区间温差的增大、冷端温度的降低、循环次数的增多, 形成的热应力对材料的界面损伤越严重; 不同的复合体系由于其界面松弛热应力的能力不同, 在同样条件下的冷热循环过程中, 界面所受到的损伤程度有差异。     

电热作用对碳纤维树脂基复合材料力学性能的影响

采用复合材料电热实验平台,测试碳纤维树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）电热作用下温度场变化规律,同时从单丝拉伸断裂界面剪切强度、短梁剪切性能变化和剪切断口等多方面揭示电热作用对CFRP力学性能的影响机制。结果表明:电热作用会使CFRP整体温度迅速升高,在约4 min时达到稳态温度,随着电流强度的增大,CFRP层板表面温度越高,当电流强度为8 A（0.44 A/mm2）时,CFRP的表面温度达到151℃;单丝拉伸和短梁剪切界面强度都随着电流强度增加呈现先增加后降低的趋势;小电流时,电热作用产生较少的焦耳热,优化界面性能,提高界面剪切强度,大电流时,电热作用产生的焦耳热过大,对界面产生烧蚀等不可逆损伤,降低了界面结合性能。      

CFRP加固砌体结构的力学性能分析

在分析碳纤维加固的砖砌体在水平周期反复荷载作用下试验结果的基础上,研究了碳纤维加固砖砌体的约束及抗倒塌机理;建立了墙体侧向位移与碳纤维应变、碳纤维应变与墙体抗震剪切强度的关系;讨论了不同加固方式、碳纤维面积百分率等在墙体不同受力阶段对墙体抗剪承载能力和变形性能的作用与影响;提出了计算碳纤维加固墙体承载能力和变形的计算方法。计算方法考虑了不同粘贴碳纤维角度、碳纤维面积百分率等对墙体承载能力和变形性能的影响;推导了最优粘贴加固角;提出了改进的粘贴加固方法以提高加固效果。     

土木工程应用中碳纤维/环氧树脂界面在环境影响下退化的分子模拟研究进展

在土木工程领域,碳纤维增强复合材料 (CFRP) 由于有着优异的力学性能而被越来越多地用在建筑结构中。碳纤维与环氧树脂之间粘结界面的性能对于 CFRP 内部应力的有效传递极为关键,并很大程度上决定了复合材料的长期耐久性能。然而,纤维/树脂粘结界面易受到湿热、盐雾及海水等恶劣环境的侵蚀,导致界面脱粘及最终的复材破坏。为了确保复材的长期耐久性能,需要全面认识界面在环境侵蚀下的退化行为。分子动力学模拟可以“自底向上”地描述界面在环境侵蚀下的行为,有利于探究界面的退化和失效机制。本文综述了不同环境因素影响下碳纤维/环氧树脂界面退化的分子模拟研究进展,包括界面模型的建立,界面在潮湿、盐雾等环境中结构、性能的退化及其背后的机制。最后,提出了未来界面退化的研究方向,例如纤维/树脂粘结界面模型的进一步完善。