玄武岩纤维增强聚合物栅格混凝土界面疲劳行为的实验研究

抽象的

疲劳性能是玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)网格和聚合物水泥砂浆(PCM)加固混凝土构件力学分析的一个重要因素，对保证钢筋混凝土桥梁和其他结构的安全起着至关重要的作用。本研究在BFRP格栅和PCM加固混凝土试件静载试验结果的基础上，对BFRP格栅与混凝土界面进行了一系列不同加载水平的疲劳试验，研究BFRP格栅与混凝土界面的疲劳性能。试验结果表明，在高加载水平下，界面的疲劳失效模式为界面剥离失效，而在低加载水平下，界面的疲劳失效模式转变为BFRP网格的疲劳断裂。疲劳寿命(S-N.根据不同的破坏模式，得到了BFRP网格-混凝土界面的分段拟合曲线，并指出了两种破坏模式的临界点。进一步揭示了两种失效模式下不同阶段界面的相对滑移演化规律，并研究了界面应变随疲劳次数增加的规律。阐述了界面有效结合长度与疲劳时间的关系。

1.介绍

纤维增强聚合物（FRP）广泛用于钢筋混凝土结构的加固和修复，由于其许多优点（例如重量轻，高强度，高环境阻力和强大的可设计性）[1］．工程结构中常用的FRP材料包括碳纤维增强聚合物(CFRP)、玻璃纤维增强聚合物(GFRP)、芳纶纤维增强聚合物(AFRP)和玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)。其中，BFRP是一种纯天然环保无机材料，具有优异的力学性能和耐久性，如高极限应变和良好的延展性[2，3.］．该材料在结构建筑、加固、旧结构修复等方面具有良好的应用前景。

FRP布并粘附到混凝土的外侧FRP片是最常用的方法，以加强混凝土结构用FRP [4］．FRP和混凝土依赖于有机聚合物界面粘合剂（例如环氧树脂）用于外表加固。评估FRP加固效果的关键是评估是否可以在混凝土和FRP之间有效地传播应力。因此，FRP和混凝土之间的界面行为是许多研究和应用的焦点，以确保有效地改善结构性能[5，6］．环氧树脂等有机高分子胶粘剂具有老化快、耐环境腐蚀性能差等缺点。以往的研究使用无机材料(如改性水泥、纤维水泥基材料、聚合物砂浆)代替环氧树脂作为界面胶粘剂，以提高frp -混凝土界面的耐久性[7- - - - - -10］．FRP格栅与聚合物砂浆相结合进行结构加固，提高了构件刚度，与传统外部FRP布相比耐久性更好，更适合恶劣的加固环境[11- - - - - -15］．

FRP栅格和聚合物砂浆的增强系统应用于长期重复载荷（例如，公路和铁路桥，海上平台和水下结构）的混凝土结构中，最终发生疲劳失败。FRP电网钢筋混凝土结构的疲劳行为与FRP电网混凝土界面的粘接疲劳性能密切相关，从而优雅了其详细研究。以前关于FRP电网混凝土界面的实验研究包括单圈剪切测试[16- - - - - -18]，双搭接剪切试验[19，20.]，FRP网格聚合物砂浆样品的拉伸性质测量[21- - - - - -24]、测量网筋梁及楼板的弯曲性能[25- - - - - -29]，和玻璃钢格栅增强梁的剪切性能测量[30.，31.]和墙壁[32.- - - - - -34.］．这些研究是不同的静态载荷的条件下进行分析的粘结性能和具有可变层编号，织物的类型，键的宽度和长度，温度，和其它环境条件的玻璃钢格栅混凝土界面的失效模式。然而，玻璃钢格栅混凝土界面疲劳性能试验报告几乎和他们的疲劳行为仍然知之甚少。

在这项研究中，我们在静态加载试验结果的基础上对不同的应力水平条件下的FRP网格 - 混凝土界面的疲劳行为进行了实验，以分析失效模式，获得失效寿命（S-N.）的表达式，并调查了界面的相对滑移现象。我们使用这些结果来进一步分析疲劳和有效粘结长度的变化期间的FRP格栅混凝土接口应变演化的法律。

2.材料和方法

2.1。样品制备

混凝土试样是商业混凝土C40，截面尺寸为150×250毫米，长度为400毫米。底部的纵向钢条是2c16，顶部的辅助钢筋配备有2c10。旋转毛刺在距离标本的两端50毫米的距离，保护层厚度为20毫米（图1）.在浇注过程中，6个方块，随机选择作为标准样品用于抗压强度试验。的dimensions of the cube specimens were 150 mm × 150 mm × 150 mm, in accordance with the Chinese design specification of concrete structures [35.］．将这些样品置于恒温（20±2℃）的保守条件下，相对湿度为95％或更高。固化28天后，测量这些立方体的平均抗压强度为45.1MPa。

通过BFRP栅格和聚合物砂浆加固混凝土试样。BFRP网格由江苏绿色材料Vally新材料技术开发有限公司生产，该技术和发展有限公司采用连续玄武岩无捻纱作为原料。将原料形成为栅格，用树脂渗透，然后干燥以形成。采用双向方形栅格，厚度为3mm，啮合为50×50mm。每个BFRP网格标本的宽度为150毫米，长度为800毫米（图2）.

为了获得BFRP网格的材料参数，使用与单个网格标本相同的大小相同的BFRP网格的五个轴向拉伸试样（图2)，其标称截面积为36毫米²．在拉伸试件的两端分别粘贴均匀的四层玻璃钢布，以保证BFRP格栅受力均匀。按照标准试验方法(ASTM D3039/D3039M-17)的建议，这些玻璃钢布以45°向加载方向施加，以提供一个软界面。[36.］．FRP布锚固长度为200 mm。胶粘剂为三油环氧树脂，树脂与固化剂的比例为2:1。轴向拉伸试验按照薄塑料板拉伸性能标准试验方法(ASTM D882-18)进行[37.］．获得以下结果：BFRP网格的平均拉伸强度为583MPa，平均弹性模量为38GPa，平均伸长率为1.46％。相关的轴向拉伸应力 - 应变曲线如图所示3(一个)．所有五个BFRP网格标本在轴向拉伸下表现出线性变化，最终的故障模式是纵向拉伸纤维肋的拉伸失效（图3 (b)）.该砂浆为湖南万益科技有限公司生产的结构加固用聚合物改性胶凝砂浆，是一种聚合物乳液改性的双组分水泥基复合材料。在恒温(20±2℃)和相对湿度(>95%)条件下，测得28d后抗压强度为46.1 MPa，抗弯强度为11.5 MPa，与混凝土的拉伸粘结强度为2.7 MPa。

当混凝土结构采用FRP格栅和聚合物砂浆加固时，FRP格栅与混凝土界面的有效应力传递主要取决于混凝土与砂浆和砂浆与FRP之间的粘结应力。为保证最佳的粘结性能，BFRP网筋混凝土制备流程的具体步骤如下。(1)将养护28天的混凝土表面凿至约2mm深，去除薄弱的面层，露出坚实的混凝土。(2)混凝土加固面周围采用薄木板安装模板。(3)将配制好的聚合物砂浆完全浸湿在厚度为1mm的混凝土表面。(4)安装BFRP网格。试样尺寸小，粘贴面积小(150 × 400mm)，暂不使用铆钉进行固定。(5)将聚合物砂浆涂抹在网格表面，用抹刀填充、压实、光滑。砂浆层厚度固定在约20毫米。上述准备过程如图所示4．完成这些步骤后，将标本覆盖上一层薄膜，一天后浇水，并固化28天。

2.2。实验程序

在测试中使用伺服液动态疲劳检测系统。钢筋混凝土试样通过螺钉固定在上钢板之间。下钢板通过锚螺栓连接到仪器。开槽上钢板的中心以突出BFRP栅格的未粘附端。该末端通过与BFRP格雷的轴向拉伸试样的锚固方法相同的方法锚固，这对于仪器卡盘的夹紧和装载方便。标本安装如图所示5．

静态力和疲劳被武力控制。的loading rate of static loading was 10 kN/min until the specimen failed. In the fatigue tests, before the fatigue loading, static loading was performed twice from 0 to the upper limit疲劳负荷，然后卸载至0.疲劳负荷在正弦法中改变，载荷频率为5Hz。对于所有疲劳标本，下限疲劳载荷取为峰值静载荷的15％的 ．疲劳负荷的上限分别为0.84 ，0.80 ，0.76 ，0.72 ，0.68 ，和0.646组样品，符合标准试验方法(ASTM D3479/D3479M-12) [38.］．为了在静态和疲劳负载下获得BFRP网格的应变规则，电阻应变仪（G₁- - - - - -G₈）沿粘合区域中的BFRP网格的中间依次布置在50mm的相等距离​​。一个应变仪G₀布置在装载锚固末端和粘合区域之间的非粘结区域的中间。应变仪的详细布置如图所示6．疲劳试验的整个测试过程是由一个电动液压伺服测试系统控制。装载值实时测量由力传感器，以及一个多通道数据采集系统用于监控的实时应变数据G₀- - - - - -G₈．

3。结果与讨论

3.1。静态加载测试

如图所示，获得了静电负荷下标本的加载-BFRP网格曲线和样品失效模式7对于标本年代₁．在静载荷，相对滑移可以计算混凝土的BFRP网格可以计算为 在哪里是负载下装载端的总滑动，在应变由应变计测量在BFRP网格的非粘附区域，和为非粘结区长度，取值为200mm。

在初始加载阶段，随荷载增加近似线性增大，说明BFRP网格与混凝土界面处于弹性状态。此时粘结状态良好，界面无裂缝，砂浆表面无裂缝。当载荷达到失效载荷的66%左右时，滑移量存在一个较小的平台。第一道裂缝出现在加载端附近的砂浆外表面，第一道裂缝上方的界面处出现局部剥落继续随着负荷增加线性增加。当负载达到故障加载的约75％时，在滑动量中再次出现一个小平台，在外部砂浆表面上发生第二裂缝，并且界面剥离第二裂缝。因为BFRP网格从混凝土的直接剥离是不连续的，因此平台相位在负载滑动曲线上间歇出现继续在每个阶段加载线性增加，直到出现下一个平台。当装载增加到故障加载的86％时，出现第三个小平台，这对应于外砂浆表面上的第三裂缝。随着负荷增加，BFRP网格和混凝土之间的界面裂缝膨胀到一定长度。在这种情况下，剩余的粘接长度不足以支撑增加的负载和在粘合端的滑动迅速增加，直至发生玻璃钢格栅剥离失效。当荷载达到剥离荷载时，砂浆表面在破坏时刻又出现了两条裂缝。

3.2。疲劳试验

根据静载试验结果，界面的平均极限粘结载荷为20.1 kN。对F-1-F-6试件进行了BFRP网格-混凝土界面疲劳试验。测试程序和结果如表所示1．

高负载条件下BFRP电网混凝土界面的疲劳失效模式是剥离故障，这与静电负载下的故障模式一致。当装载水平低时，疲劳失效模式变换为BFRP网格的疲劳断裂。这两个故障模式如图所示8．材料和组件的疲劳失效通常发生在其最弱点，并且是由疲劳损伤的积累引起的。和分别表示BFRP网格和BFRP网格-混凝土界面疲劳过程中的累积损伤。当负载水平较高时 ，接口失效模式为接口脱皮失效。当负载水平较低时 ，界面故障模式是BFRP网格的疲劳骨折。

的S-N.曲线（疲劳寿命曲线），首先由“疲劳试验之父”8月Wöhler代表了应用材料应力和疲劳寿命之间的关系，是预测疲劳寿命和相关组分的疲劳设计的基础。更先进年代-N曲线表达式涉及幂函数式（双对数式）和指数函数式（单对数式）。然而，先前的研究已经表明，FRP混凝土接口和应力水平的疲劳寿命服从单个对数式[39.，40］．因此，我们也使用一个对数公式来描述年代-NFRP网格混凝土界面的曲线（图9）.

figure9表明线性律法年代-N对于不同的疲劳破坏模式，曲线是不同的。对具有界面剥离失效(F-1、F-2、F-3)和BFRP栅格疲劳断裂(F-4、F-5、F-6)的疲劳试样进行数值分离，得到BFRP栅格疲劳断裂(F-4、F-5、F-6)年代-N下不同的故障模式曲线的表达式。两者的交点年代-N曲线被解释为两种疲劳失效模式的临界点(其中年代= 0.721,N= 10⁶）.表达年代-N界面疲劳寿命与应力水平之间的曲线可表示为

3.3。疲劳期间相对界面滑动的演变

不同的疲劳失效模式不可避免地导致疲劳过程中界面相对滑移的演变的差异。疲劳期间BFRP栅格 - 混凝土界面的实时相对滑移也可以通过等式计算（1）.BFRP栅格 - 混凝土界面的相对滑移曲线与每个样本的疲劳时间显示在图中10．对于这三个疲劳试样，显示界面剥离失效模式（F-1，F-2和F-3）（年代 > 0.721),随着疲劳时间的增加，可以分为三个阶段。相对滑移的相位特征类似于郑等人获得的结果。[41.］．第一阶段为初始滑移阶段，约占疲劳寿命的10%。在这个阶段,随着疲劳时间迅速增加。这是由初始界面裂纹下初始疲劳载荷的外观和快速发展引起的。第二阶段是稳定的滑移阶段，占疲劳寿命的约80％。随着疲劳时间的增加而稳步增大，与初始滑动阶段相比，增加的速度减慢。在该阶段，BFRP电网混凝土粘合界面的界面裂纹增长趋于稳定。第三阶段是加速的失败阶段，占疲劳生活的约10％。在这个阶段,随着疲劳时间显著增加。这是因为BFRP网格混凝土界面剥离发展迅速，界面的剩余键合长度不足以支持的剥离负荷。

对于经过BFRP网格（F-4，F-5和F-6）的疲劳骨折的三种疲劳样本（年代 ≤ 0.721),随着疲劳时间的增加，还表现出初始滑移阶段和稳定滑移阶段。由于没有发生接口剥离故障，稳定滑移后期变化不大，未出现加速破坏阶段。

3.4。而有效的界面应变的演变粘贴长度

figure11给出了疲劳加载下BFRP网格的应变分布曲线与粘接长度的函数关系。各曲线表明，在一定的疲劳时间后，疲劳载荷达到了极限。在高负荷下(年代> 0.721)，试件F-1、F-2、F-3在第一次加载过程中BFRP格栅与混凝土粘结良好，应变随距离BFRP格栅粘结端距离的增大而迅速减小。当疲劳荷载达到一定值时，由于粘结端附近的BFRP网格与混凝土之间的粘结作用逐渐退化，剪切应力传递能力降低。在结合端附近，应变衰减在一定范围内减慢，有效力传递区(从界面剥离裂纹前端到应变接近零的区域)开始向自由端移动。随着疲劳时间的增加，粘接端区发生粘接失效，界面仅通过摩擦传递剪应力。有效力传递区域也向自由端移动，应变衰减继续减慢，最终导致界面完全剥落失效。这一现象也被其他研究者证实[42.］．在低负载（年代≤0.721)，试件F-4、F-5、F-6初始加载界面应变演化与高加载界面应变演化相似。但随着疲劳时间的增加，有效传力区域缓慢向自由端发展。有效力传递面积的长度保持不变。当疲劳破坏发生时，自由端应变仅与疲劳前略有变化。

疲劳荷载作用下界面的有效结合长度可由疲劳过程中BFRP网格应变沿结合长度的分布曲线确定[43.］．有效力传输区域的长度可用于表征界面的有效键合长度l_e．figure11表明l_e由于界面裂缝和界面剥离的连续膨胀，高负荷下的样品随着疲劳时间而逐渐降低。当剩余的粘接长度不足以承受剥离负荷时，发生界面的剥离故障。低负荷样品的有效粘合长度随着疲劳时间略微增加，然后基本保持不变。这可以通过在粘合区域末端的低负载下发生的少量剥离失败来解释。随着疲劳时间的增加，界面的键合性能保持稳定，并且界面疲劳逐渐改变了BFRP网格疲劳，与剥离故障的无限区域的长度和粘合端。

4.结论

采用伺服液压动态疲劳试验系统，对BFRP网格和聚合物砂浆加固的混凝土试件进行了静载和疲劳加载试验。在静载试验的基础上，对BFRP网格与混凝土界面在不同加载水平下进行了各种疲劳试验。在高荷载水平下，BFRP网格-混凝土界面发生剥离破坏，在低荷载水平下，BFRP网格的疲劳破坏模式转变为疲劳断裂。的年代-N获得了不同故障模式下的曲线。两者的交点年代-N曲线被解释为代表两个疲劳失效模式的临界点。可以描述在具有高负荷水平的疲劳期间界面相对滑移的演变可以具有三个阶段。在初始滑动阶段，相对滑动首先迅速增加，然后在稳定的滑动阶段期间稳定地增加，然后在加速故障阶段中显着增加。对于低负荷水平的标本，相对速度也经历前两个阶段，然后变化很少。

研究了疲劳过程中界面应变的变化规律。试件在高载荷水平下，有效传力区向自由端移动，随着疲劳时间的增加，应变衰减继续减慢，最终导致界面完全剥落失效。结果表明，在高加载水平下，界面有效结合长度随疲劳时间的增加基本不变，而在低加载水平下，界面有效结合长度随疲劳时间的增加呈增加趋势。

未来的研究应包括使用各种类型的钢筋混凝土在更广泛的装载条件下进行测试，以调查界面疲劳性能并验证本研究中绘制的初步结论。可以进一步开发粘合滑移模型来研究防滑机构。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

利益冲突

提交人声明有关本文的出版物没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家重点研发计划项目(no. 5130429);江苏省自然科学基金(批准号:2017YFC0805900);基金资助:国家自然科学基金资助项目(no. BK20191302)，湖南省创新创业技术投资项目(no. 2018GK5028)，江苏省杰出青年基金资助项目(no. BK20190013)，国家自然科学基金资助项目(no. BK20191302);基金资助:国家自然科学基金资助项目(51578140);江苏省研究生科研创新计划资助项目;东南大学基本科研业务费资助项目(51578140);江苏省高等学校学术发展重点项目(ppapd, no. KYLX15_0084)资助。CE02-2-8)。

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