不同膠層厚度條件下CFRP－混凝土粘結界面的疲勞性能

李樹霖，王 博

自20世紀40年代以來，纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡稱為FRP）被廣泛地應用于航空、船舶、汽車、化工、醫(yī)學及機械等工業(yè)領域。近些年來，由于FRP材料在價格等方面的變化，并且FRP具有相對于鋼材的質(zhì)輕、強度高、耐腐蝕以及抗疲勞等優(yōu)越性能，已經(jīng)被土木工程界的學者們所關注，并嘗試將其用在加固混凝土結構或舊橋維修工程之中［1］。FRP加固技術有兩種：①外貼法，即利用特制的粘結劑將纖維布材或板材粘貼于混凝土構件表面的加固方法；②內(nèi)嵌法，即將纖維材料用粘結劑嵌入預先開出的槽洞中的方法。由于外貼FRP加固混凝土結構的工藝簡單、施工方便，因此外貼FRP加固混凝土結構成為國內(nèi)、外十分熱門研究課題，并且主要集中于靜載作用下FRP加固混凝土結構構件的粘結性能和力學性能的研究［2－4］。對于在疲勞荷載作用下粘結界面抗疲勞性能的研究，還是鮮見的。

在現(xiàn)實生活中，結構構件發(fā)生的破壞很大一部分原因是疲勞破壞，即結構承載能力退化導致破壞。而由疲勞破壞造成的重大事故有許多，如：美國的Yellow Mill Pond大橋和韓國的圣水大橋坍塌，以及中國的臺灣高屏大橋橋面斷裂和宜賓金沙江大橋橋面坍陷等，它們都是因為疲勞損傷引起結構承載能力退化而造成的，并且疲勞損傷很難被人們注意和發(fā)現(xiàn)。關于FRP加固混凝土結構粘結界面疲勞性能的主要參數(shù)有疲勞循環(huán)幅值、FRP材料的厚度和寬度、FRP的有效粘結長度以及粘結劑的種類等。Carloni［5］等人采用CFRP加固混凝土結構進行單剪試驗得到：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，CFRP－混凝土的粘結界面剛度逐漸退化；劉沐宇［6］等人用CFRP加固混凝土梁進行疲勞試驗得到：加固后混凝土梁的疲勞壽命和疲勞抗裂性能有明顯的提高；Gheorghiu［7］等人在高水平循環(huán)荷載下CFRP和混凝土粘結處的應變大于低水平循環(huán)荷載下的，且在較高的循環(huán)荷載作用下，梁的界面粘結退化更加明顯；Bizindavyi［8］等人用FRP加固的素混凝土構件進行單剪試驗得出：循環(huán)應力越高，滑移就越大，粘結界面的疲勞壽命就越短；Kim［9］等人通過FRP和混凝土構件界面之間能量消散的變化情況來探討疲勞損傷的累積和粘結界面剝離的擴展；Yun［10］等人采用素混凝土雙剪試驗研究不同的疲勞循環(huán)幅值上、下限的荷載－滑移滯回曲線得出：隨循環(huán)幅值的增大，1萬次后的循環(huán)回路包含區(qū)域逐漸增大。這表明能量消散逐漸增大，因此關于粘結界面的滯回能在不同循環(huán)幅值下的變化規(guī)律還存在一定的分歧。作者擬從能量的角度出發(fā)，研究膠層厚度外貼CFRP－混凝土粘結界面的疲勞性能，為深入了解CFRP－混凝土粘結界面的疲勞性能起到一定的作用，以期對加固工程提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗方案概述

1.1 試件概況

為了研究CFRP－混凝土粘結界面的疲勞性能，本次試驗采用雙剪試驗模型，試件示意如圖1所示。試件結構為兩塊尺寸（150mm×150mm×300mm）相同的混凝土和CFRP板材，用粘結劑（Sika－Sikadur－30）將 CFRP板粘結在混凝土的一對對立面上。混凝土塊在預制時，一端埋入一根φ20的螺紋桿件，另一端在混凝土的四角附近埋入4根鋼釘。拼裝試件時，用套筒連接兩個混凝土塊，形成鋼導向桿。在試驗過程中，要避免試件上、下混凝土塊發(fā)生錯位，否則，會使CFRP板發(fā)生扭轉，影響試驗的結果。

圖1 試件結構示意（單位：mm）Fig.1 The schematic diagram of specimen（unit：mm）

試驗中所用到的混凝土、CFRP板及粘結劑的參數(shù)見表1。

表1 混凝土、CFRP板及粘結劑的參數(shù)Table 1 The parameters of the concrete，CFRP plate and the binder

1.2 試驗參數(shù)設計

設置3組試件進行疲勞試驗，每組試件3個，試驗的變化參數(shù)為粘結劑膠層厚度（1，2和3mm）。試驗區(qū)CFRP板的粘結長度均為150mm，非試驗區(qū)CFRP板的粘結長度均為200mm，并用碳纖維布進行包裹，保證破壞出現(xiàn)于試驗區(qū)位置。

1.3 試驗加載方案

1）預加載階段

與靜載試驗相類似，進行疲勞試驗之前，先分級加載至6kN，然后卸載。通過調(diào)試，以保證CFRP板A和B二面應變的一致性。

2）疲勞加載試驗階段

預加載完成后，在MTS中設定疲勞幅值的上、下限分別為20kN和6kN，加載頻率為5Hz，開始進行疲勞循環(huán)試驗。

在疲勞循環(huán)試驗過程中，分別測出試驗粘結區(qū)自由端在1次、1萬次、10萬次、25萬次、50萬次、100萬次、150萬次及200萬次時的動態(tài)滑移量。

2 試驗結果與分析

2.1 疲勞試驗循環(huán)能分析

結構構件在疲勞荷載反復作用過程中，會出現(xiàn)一定的變形特征、剛度退化及能量的消耗等，可以通過荷載－滑移關系曲線來表示，即滯回曲線。疲勞荷載作用一個周期，滯回曲線所形成的閉合曲線稱滯回環(huán)，滯回環(huán)的面積S滯代表著在加、卸載過程中能量的消耗，即循環(huán)消耗能，在加載曲線與橫軸所圍得的面積稱為單位體積能S加［11－12］，而卸載曲線和橫軸圍成的面積代表單位體積變形能S卸，由此可以得到S滯＝S加－S卸。

在不同的膠層厚度下，3組試件的單位體積能和單位體積變形能隨循環(huán)次數(shù)的變化關系分別如圖2，3所示。

圖2 單位體積能與循環(huán)次數(shù)的關系Fig.2 Relationships between the energy per unit volume and cycles

從圖2中可以看出，在200萬次循環(huán)過程中，試件F－150－1和F－150－2的CFRP－混凝土粘結界面的單位體積能S加隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈增長趨勢，而試件F－150－3的S加隨著循環(huán)次數(shù)的增加保持穩(wěn)定。試件F－150－1粘結界面單位體積能S加的增長速率較試件F－150－2的快；由圖3可知，CFRP－混凝土粘結界面上單位體積變形能S卸隨循環(huán)次數(shù)的增加而增長，試件F－150－3的CFRP－混凝土粘結界面的單位體積變形能S卸維持穩(wěn)定。通過對比不同膠層厚度下試件的單位體積能S加和單位體積變形能S卸隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，同一膠層厚度試件的單位體積能S加和單位體積變形能S卸隨循環(huán)次數(shù)的增加有相同的變化趨勢；通過對比可知，在相同的循環(huán)次數(shù)時，不同膠層厚度試件的單位體積能S加和單位體積變形能S卸均隨膠層厚度的增加而減小。

圖3 單位體積變形能與循環(huán)次數(shù)的關系Fig.3 Relationships between the deformation energy per unit volume and cycles

基于能量的觀點，對界面的疲勞性能研究集中于疲勞荷載上、下幅值的變化。本試驗主要考察粘結劑厚度的變化對CFRP－混凝土粘結界面在疲勞循環(huán)過程中截面滯回能S滯的影響。在200萬次疲勞循環(huán)過程中，分別選取膠層厚度為1，2和3mm，試件粘結界面的循環(huán)消耗能S滯隨循環(huán)次數(shù)的變化情況（如圖4所示）作為分析界面疲勞損傷程度和速率的依據(jù)。從圖4中可以看出，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，試件F－150－1和F－150－2粘結界面的循環(huán)消耗能S滯均有所增長，而試件F－150－3粘結界面的循環(huán)消耗能S滯略微有所下降；CFRP－混凝土粘結界面的循環(huán)消耗能S滯隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增長。增長幅度最大的為試件F－150－1，試件F－150－2次之，而試件F－150－3的增長幅度最小；在循環(huán)加載過程中，各試件在相同循環(huán)次數(shù)時的循環(huán)消耗能S滯隨著膠層厚度的增加而減小，即在相同循環(huán)次數(shù)下，CFRP－混凝土粘結界面疲勞損傷程度隨試件膠層厚度的增加而減小。這說明膠層厚度的增加能夠?qū)σ种艭FRP－混凝土粘結界面的剛性退化起到積極的作用；試件F－150－3的S滯隨著循環(huán)次數(shù)的增長穩(wěn)定而略有降低。這說明CFRP－混凝土粘結界面的剛性在均勻退化，疲勞損傷均勻累積。

圖4 不同膠層厚度下消耗能與循環(huán)次數(shù)的關系Fig.4 Relationships between the dissipation energy per unit volume and cycles under different adhesive thickness

2.2 粘結界面自由端循環(huán)最大滑移量分析

在疲勞荷載循環(huán)作用下，CFRP－混凝土粘結界面的剛度在逐漸退化。對于不同膠層厚度的試件，CFRP－混凝土試驗區(qū)粘結界面自由端每一個循環(huán)周期內(nèi)的最大滑移量與循環(huán)次數(shù)的關系如圖5所示。

圖5 試件試驗粘結區(qū)自由端最大滑移量與循環(huán)次數(shù)的關系Fig.5 Relationships between the largest free end slip of specimen bonded area and cycles

從圖5中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件F－150－1和F－150－2在每一循環(huán)周期內(nèi)自由端最大滑移量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。而試件F－150－3在每一循環(huán)周期內(nèi)自由端最大滑移量隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出緩慢增長趨勢；對于不同膠層厚度的試件，其試驗粘結區(qū)自由端在一個循環(huán)周期內(nèi)最大滑移量均隨膠層厚度的增加而增長。這說明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件CFRP－混凝土粘結界面存在著疲勞損傷的積累。膠層厚度較大的試件其粘結界面疲勞損傷程度較小。這說明膠層厚度的增加能夠抑制粘結區(qū)剛度的退化，降低界面疲勞損傷的程度。

3 結論

從能量的角度來探究疲勞損傷是一種很有效的方法。通過試驗，得到的循環(huán)消耗能和試驗區(qū)粘結界面自由端循環(huán)最大滑移量等一系列數(shù)據(jù)，得到的結論為：

1）對于3種不同膠層厚度的試件，其試驗區(qū)CFRP－混凝土粘結界面的單位體積能S加和單位體積變形能S卸都隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，膠層厚度越大，其增長速度越慢。

2）試件試驗區(qū)CFRP－混凝土粘結界面的循環(huán)消耗能S滯隨著粘結界面膠層厚度的增加而減小，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。膠層厚度越大，其增長速度越慢。這說明膠層厚度對粘結界面剛度的退化起到抑制作用，且膠層厚度越大，粘結界面疲勞損傷程度越均勻。

3）試件試驗區(qū)CFRP－混凝土粘結界面自由端每一循環(huán)周期內(nèi)的最大滑移量隨循環(huán)次數(shù)的增加均呈上升趨勢；對于同一循環(huán)周期，試件自由端每一循環(huán)周期內(nèi)的最大滑移量隨膠層厚度的增加而減小。膠層厚度越大，其增長速度越慢。這說明膠層厚度越大，疲勞損傷的累積越均勻。

（

）：

［1］ Hollaway L C，Cadei J.Progress in the technique of upgrading metallic structures with advanced polymer composites［J］.Progress in Structural Engineering and Materials，2002，4（2）：131－148.

［2］ Nigro E，Ludovico M D，Bilotta A.Experimental investigation of FRP－concrete debonding under cyclic actions［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2011（4）：360－371.

［3］ 姚諫，滕錦光.FRP復合材料與混凝土的粘結強度試驗研究［J］.建筑結構學報，2003（5）：10－18.（YAO Jian，TENG Jin－guang.Experimental study on bond strength between FRP－composite materials and the concrete［J］.Journal of Building Structures，2003（5）：10－18.（in Chinese））

［4］ 李艷，劉澤軍，胡春紅.碳纖維片材抗彎加固鋼筋混凝土梁剝離界面剪應力試驗研究［J］.河南理工大學學報：自然科學版，2007，26（6）：700－706.（LI Yan，LIU Ze－jun，HU Chun－h(huán)ong.Study on the shear of debonding plate－end of RC beam strengthened with CFRP［J］.Journal of Henan Polytechnic University：Natural Science，2007，26（6）：700－706.（in Chinese））

［5］ Carloni C，Subramaniam K V，Savoia M，et al.Experimental determination of FRP－concrete cohesive interface properties under fatigue loading［J］.Composite Structures，2012，94：1288－1296.

［6］ 劉沐宇，李開兵.碳纖維布加固混凝土梁的疲勞性能試驗研究［J］.土木工程學報，2005，38（9）：32－36.（LIU Mu－yu，LI Kai－bing.Fatigue performance of RC beams strengthened with CFRP－sheets［J］.China Civil Engineering Journal，2005，38（9）：32－36.（in Chinese））

［7］ Gheorghiu C，Labossiere P，Proulx J.Response of CFRP－strengthened beams under fatigue with different load amplitudes［J］.Construction and Building Materials，2007，21：756－763.

［8］ Bizindavyi L，Neale K W，Erki M A.Experimental investigation of bonded fiber reinforced polymer－concrete joints under cyclic loading［J］.Journal of Composites for Construction，2003，7（2）：127－134.

［9］ Kim Y J，Heffernan P J.Fatigue behavior of externally strengthened concrete beams with fiber－reinforced polymers：state of the art［J］.Journal of composites for construction，2008，12：246－256.

［10］ Yanchun Y，Yufei W，Waiching T.Performance of FRP bonding systems under fatigue loading［J］.Engineering Structures，2008，30：3129－3140.

［11］ 謝和平，鞠楊，黎立云，等.巖體變形破壞過程的能量機制［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（9）：1729－1740.（XIE He－ping，JU Yang，LI Li－yun，et al.Energy mechanism of deformation and failure of rock masses［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（9）：1729－1740.（in Chinese））

［12］ Bizindavyi L，Neale K W，Erki M A.Experimental investigation of bonded fiber reinforced polymerconcrete joints under cyclic loading［J］.Journal of Composites for Construction，2003（7）：127－134.