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受潮湿影响的混凝土/环氧树脂界面的断裂特性

摘要：

随着在诸如纤维增强聚合物（FRP）的应用中将这些系统用于增强混凝土结构，在混凝土/环氧树脂粘结系统的耐久性方面的知识变得至关重要。该领域的先前研究表明，水分对这些系统的耐久性起着重要作用。无论形成材料系统的各个组成材料的耐久性如何，都可能发生粘合系统的过早失效，并且整个FRP粘合系统的耐久性可能受界面完整性的支配。在这项研究中，混凝土/环氧树脂界面的断裂韧性受不同程度的水分进入和温度水平的组合影响。为此，使用断裂力学的概念对包含混凝土/环氧树脂界面的夹层梁试样进行了测试和分析。还对构成界面的各种材料（混凝土和环氧树脂）的机械性能进行了表征，以评估相应的界面断裂韧性。实验结果表明，在模式I和混合模式条件下，选择的水分含量和温度调节条件下，混凝土/环氧树脂的界面断裂韧性显着降低，最高可降低约50％，并且水分影响脱胶性发生在界面区域，涉及从材料脱粘（混凝土脱层）到界面分离的明显的干湿脱模模式转变。本文介绍的机械知识和实验数据将作为在包含此类界面的材料系统的设计改进中使用的基础，以实现更好的系统耐用性。

正文：

1.引言与目的

由不同材料组成的层状复合材料在各种结构应用中以不同的长度比例使用。用于各种目的的薄膜涂覆元件是小规模应用的示例。纤维增强聚合物（FRP）粘结的混凝土系统是一种由FRP，环氧树脂和混凝土组成的多层材料，是一种大规模的应用（Buyukozturk and Hearing，1998a）。在该系统中，与许多现有的FRP粘结混凝土梁的破坏数据相比，通常认为与混凝土的强度相比，混凝土与环氧树脂之间的界面更牢固（Teng等，2002）。实验证明，当界面处于干燥条件下时，通常是这样。然而，这种双材料系统在潮湿条件下的耐久性尚待了解。界面退化可以通过基于强度或基于断裂的方法来量化。基于界面应力，强度和表面互锁概念的基于强度的模型（Smith和Teng，2001； Frigione等，2006）已被广泛用于预测双层材料系统的整体脱粘破坏。但是，这种方法本质上忽略了局部剥离区域的破坏过程，这与双材料系统的断裂特性密切相关。界面断裂韧性是双层材料系统中的一种粘结性能，可用于量化局部区域对裂纹萌生的抵抗力，并基于扭结准则来预测裂纹扩展（He and Hutchinson，1989）。基于断裂的力学测试旨在确定在双层材料系统中产生脱粘失败所需的断裂韧性（C）。已经提出了不同的基于断裂的测试程序来确定复合层状材料的粘结性能。这些程序及其在预测键行为方面的适用性的详细讨论可以在各种出版物中找到（Taljsten，1996； Buyukozturk和Hearing，1998b； Giurgiutiu等人，2001； Buyukozturk等人，2004； Qiao和Xu，2004； Daniel等，2004）。 Yuan等人，2004; Au和Buuml;yuuml;kouml;ztuuml;rk，2006a，b; Coronado和Lopez，2008; Gunes等人，2009; Lau和Buyukozturk，2009）。

为了评估双层材料系统中的界面断裂韧性，事先需要几个关键的材料特性，即组成材料的杨氏模量和泊松比。同样，应该获得基材的断裂韧性，以研究裂纹引发后这种系统的行为。水分对混凝土力学性能的影响已由许多研究小组进行了研究（Bazant和Thonguthai，1978； Bazant和Prat，1988； Ross等，1996； Konvalinka，2002）。相关研究工作得出结论，一般来说，混凝土的机械性能（包括I型断裂韧性和抗压强度）会随着含水量的增加而降低（Bazant和Thonguthai，1978； Ross等，1996）。但是，需要进一步量化水分和温度如何影响裂缝的萌生和扩展，直至混凝土破坏。环氧树脂的材料特性在不同类型的环氧树脂之间差异很大。同样，水分对机械性能的影响程度对于不同的环氧类型也是高度可变的。由于其机械性能存在此类不确定性，因此在双材料系统中全面表征环氧树脂的水分影响性能非常重要。

为了研究FRP与混凝土之间的粘结，通常采用改进的双悬臂梁（MDCB）进行断裂试验（Karbhari and Engineer，1996; Karbhari et al。，1997; Wan et al。，2006; Ouyang and Wan，2008，2009） ）。使用这些样品，可以在玻璃钢带的末端轻松施加载荷。然而，通过这些测试估计的界面断裂能通常比混凝土基体的断裂能高一个数量级。实际上，由于诸如弯曲导致的裂纹尖端附近的可塑性之类的多种因素，通常涉及膜的主要弯曲的普通剥离试验可能不能代表量化粘合系统的界面断裂能。在夹层梁试件上进行四点弯曲和剪切试验已显示出对定量双层材料界面断裂韧性的鲁棒性，因此已被本研究采用。通过结合界面断裂韧性之间的关系，这些测试可用于确定双材料系统界面的I型和混合模式断裂韧性（Lee和Buyukozturk，1992，1995； Trende和Buyukozturk，1998）。和相位角。

本文的目的是通过采用界面断裂方法对相关界面及其组成材料进行全面表征，以了解水分对混凝土/环氧树脂体系中脱胶的影响。描述了混凝土和环氧树脂的机械性能的实验研究，以及确定界面断裂韧性的组合实验/分析方法。该研究还着重研究了一旦启动剥离后沿界面的剥离机制。

2.研究范围

本文报道的工作主要涉及实验研究。它由两个主要部分组成，即（i）混凝土和环氧树脂的机械性能表征，以及（ii）混凝土/环氧树脂界面的表征。在第（i）部分中，确定了在不同含水量和温度下，混凝土的抗压强度，杨氏模量，I和II型断裂韧性，以及环氧树脂的拉伸强度和杨氏模量。在第（ii）部分中，配备了混凝土和环氧树脂的机械性能，在第（ii）部分中，在一致的湿度和温度条件下，通过夹层梁试件计算了模I和混合模界面断裂韧性。断裂韧性被用作关键参数，以研究界面裂纹萌生，并使用扭结准则的概念来研究脱胶和裂纹扩展（He and Hutchinson，1989）。

3.组成材料：混凝土和环氧树脂

根据以前的发现，在水分作用下泊松比的变化可能被认为是微不足道的（Bazant和Prat，1988； Ross等，1996）。因此，本文使用混凝土和环氧树脂的泊松比的常数值。通过单轴试验测量混凝土的杨氏模量和抗压强度，以及环氧树脂的杨氏模量和抗拉强度。当研究沿两种材料之间的界面的裂纹扩展时，需要基底的断裂韧性，因此，还可以获得混凝土的I型和II型断裂韧性。为了确定随含水量增加的混凝土的抗压强度和杨氏模量，根据ASTM C39进行了抗压试验。混凝土的I和II型断裂韧性是通过本领域常用的断裂试验来量化的（Bazant和Prat，1988； Reinhardt和Xu，1998）。环氧树脂的拉伸强度和杨氏模量根据ASTM D638进行了表征。

3.1标本

本研究使用了等级40的普通强度混凝土（95％的测试混凝土样品强度超过40 N / mm2）。最大骨料尺寸为10毫米。有三种不同类型的标本用于混凝土的机械表征。圆柱体1032 D. Lau，O.Buuml;yuuml;kouml;ztuuml;rk/材料力学42（2010）1031–1042尺寸为50 mm（直径）times;100 mm（高度）的试样根据ASTM C39在单轴压缩下进行了测试，以找到压缩物。强度和混凝土的杨氏模量。模式I断裂的梁样品的尺寸为100毫米（长度）times; 37.5毫米（高）times;37.5毫米（厚度），中心厚度为6.25毫米。根据先前的研究建议（Bazant和Prat，1988），在I型断裂条件下测试了1.6mm宽（见图1）。断裂梁样品的跨度长度为93.75 mm，是梁高度的2.5倍。 II型骨折块标本，尺寸为200毫米（宽2w）times; 200毫米（高2h）。根据以前的研究（Xu等，1995； Reinhardt等，1997）的建议，在模式下测试了100毫米（厚度）和深度为50毫米的贯穿厚度双刃口（见图2）。

这项研究中使用了一种商用的两组分100％固体含量的非流挂环氧树脂。这种环氧在当前的建筑行业中通常用作混凝土粘结粘合剂。由制造商提供的该环氧树脂的测试数据示于表1中。应当指出，热变形温度（HDT）53℃是玻璃化转变温度Tg的指标。

从历史上看，最早的确定Tg的方法之一是通过注意浇铸的环氧棒的热变形温度。表1所示数据是在23°C下进行的测试，相应的试样在室温下固化7天。表1所示的机械性能已得到验证。在表1所示的相同固化和测试条件下，我们测得的环氧树脂的拉伸强度为13.2 MPa，相应的杨氏模量为2.8 GPa。在本文中，该环氧树脂在不同条件下的拉伸强度和杨氏模量为使用符合ASTM D638的I型哑铃状样品进行表征。试样的形状如图3所示。

3.2水分调节和温度水平

在调湿之前，所有标本（包括混凝土和环氧树脂）在环境温度下均固化28天。固化后，将所有试样在50°C的烘箱中干燥3天，以最大程度地减少混凝土试样内部的游离水量。在此阶段，测量样品的初始机械性能。本研究采用的混凝土和环氧树脂的固化工艺均符合现有标准和制造商提供的指导原则。然后在温度控制的水浴中对样品进行连续的湿度调节。我们考虑了六个湿度调节时间：0（干燥），2、4、6、8和10周；和两个水浴温度：23°C和50°C。高温条件代表了在钢筋混凝土梁拱腹处可以达到的实际使用温度上限（Mays和Hutchinson，1992）。对于每种条件（湿度持续时间和水浴温度），准备了三个相同的样品并进行了实验测试。使用Q-Fog CCT 1100环境室在水浴中进行高温（50°C）湿法调节，而在带有温度控制的实验室中，在水浴中进行室温（23°C）湿法调节。

3.3实验程序

混凝土的压缩试验是在60千桶Baldwin机器上进行的。借助于安装在弯曲表面的相对侧上的一对夹式引伸计来测量压缩缸的轴向应变。压缩试验根据ASTM C39进行位移控制。

I型断裂试验是在Instron通用试验机1331型上进行的。试验以0.1 mm / min的速度进行位移控制（Bazant和Prat，1988年）。图1显示了用于表征I型应力强度因子的三点弯曲断裂试验的示意图。

使用双刃缺口试样在混凝土的II型断裂试验中，在开环液压200 kip Baldwin机器中进行了试验。图2显示了示意性测试布置。将具有光滑表面的钢板放置在一半试样的下方和上方。小心地将包括钢板和试样在内的整个装置放置在试验机的加载压板之间，以避免任何可能的偏心。以0.3 mm / min的恒定十字头位移速率施加载荷（Xu等，1995； Reinhardt等，1997）。这种样品的几何形状和载荷安排（见图2）的适用性已显示出产生剪切断裂并确定混凝土的II型断裂韧性（Xu等，1995； Reinhardt等，1997）。

使用I型哑铃状样品（参见图3）和Instron通用型1331型测试机（安装有50 kN称重传感器和一对自紧夹具）来表征环氧树脂的拉伸强度和杨氏模量。十字头速度设定为1mm / min。使用标距长度为50 mm的夹式Instron引伸计来测量样品中的应变。

3.4混凝土的KI和KII的计算

I型应力强度因子KI可以从裂缝的应力分析中获得（Tada等，1985），其公式如下：

其中= b2（每单位厚度的应力），其中M为施加力矩，a和b分别为裂纹长度和试样高度，如图1所示，F（a / b）为构型校正系数取决于a / b（Tada et al。，1985）。

基于图2所示的样本得出的模式II应力强度因子KII可以表示为（Xu et al。，1995）：

均匀的压应力r施加在长度为w的一半试样上。

4.混凝土/环氧树脂界面

为了量化界面断裂性能，使用了由嵌入混凝土块中的环氧树脂层组成的夹层试样。各种研究人员已经使用了几种类型的夹心样本，例如，用于I模式和混合模式载荷测试的夹层梁样本，以及用于混合模式和剪切载荷测试的巴西盘状样本（Lee和Buyukozturk，1992， 1995； Trende和Buyukozturk，1998）。对于这项研究，选择夹层梁样本用于实验，因为它们既可用于研究I型裂缝，也可用于混合模式裂缝。夹层试样的分析简述如下。

在双材料系统的表征中，使用了双材料组合的Dundurs参数a和b，振动指数e和夹心样本x中的位移角（Dundurs，1969）。这些参数是无量纲的量，它们是两种材料的弹性模量的组合。通常，在混凝土/环氧树脂双材料体系的情况下，a接近1，而b接近零。

我们考虑如图4所示的带有夹层环氧层的四点弯曲试样。需要适当的技术将环氧层夹在两个混凝土砌块之间，并在界面处产生理想的预裂纹。表观应力强度因子KI可以由Tada等人获得。 （1985）

其中= 6M / bd2，其中M为作用力矩，a为裂纹长度，b为宽度，d为试样高度。在此，f1是四点纯弯曲的校正因子，可以用相对裂纹长度（a / d）表示：

假设b = 0，可以简化界面应力强度因子的复杂形式（Suo和Hutchinson，1989），得到：

相应的I型断裂能释放率可计算为

其中E1是普通应变条件下混凝土基材的杨氏模量。由于样品处于纯弯曲状态，因此可以使用以下公式计算相角（W）（Suo和Hutchinson，1989; Lee和Buyukozturk，1992，1995; Trende和Buyukozturk，1998）：

计算出的数值介于0到15°它很小，因此可以认为样本基本上处于模式I。

接下来，考虑图5所示的四点剪切试样。对该样品进行了严格的混合模式断裂测试分析（Suo和Hutchinson，1989）。对于四点剪切试样，与载荷和试样几何形状有关的表观应力强度因子为

其中fb

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