持載與干濕作用下CFRP－高強混凝土黏結性能研究

王蘇巖，張所東，李璐希，洪雷

(大連理工大學建設工程學部，遼寧大連116024)

高強混凝土自問世以來，以其優良的技術經濟指標而備受矚目，廣泛應用于碼頭、船塢等近海工程。目前大量近海工程已逐漸腐蝕老化，對它們加固補強具有重要的現實意義。纖維增強復合材料作為一種新型的復合材料以其輕質、高強等優點廣泛應用于結構補強領域。然而目前國內外對CFRP加固混凝土結構的研究僅僅局限于普通混凝土，只有少數研究［1－4］涉足高強混凝土結構，而對其耐久性的研究更是寥寥無幾。因此，十分有必要對CFRP加固高強混凝土結構的耐久性能進行研究。

采用CFRP加固后的近海工程在使用過程中，不僅經受海水干濕循環的不斷侵蝕，還要經受自身荷載作用。目前國內外對干濕循環作用下CFRP加固混凝土的耐久性研究大都未考慮結構自身荷載的不利影響，因此這些研究得出的結論可能會過高地估算加固后性能。基于以上考慮，采用發明的持載裝置，對海水干濕循環與荷載耦合作用下的CFRP—高強混凝土界面的黏結性能進行了詳細的研究。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗中采用C60高強混凝土，性能指標見表1。碳纖維布由大連凱華新技術工程有限公司生產，性能指標見表2。

表1 混凝土性能指標Table 1 Parameters of concrete

表2 碳纖維布性能指標Table 2 Parameters of CFRP sheet

1.2 試驗環境

試驗在恒溫恒濕實驗室中進行，利用全自動溫濕度控制儀控制，溫度20℃，濕度30%。為保證試件充分干燥，采用8 h飽水狀態、16 h干燥狀態的干濕循環機制，干濕循環次數分別為30次、60次、90次、120次。采用的腐蝕介質為5%的NaCl溶液模擬海水。

1.3 試件制作

采用混凝土棱柱體試塊，尺寸為100 mm×100 mm×150 mm，將矩形條帶狀CFRP(寬50 mm)的兩端黏貼在混凝土試塊2個相對側表面，形成雙面剪切試件，見圖1(a)。測試面黏貼長度為120 mm，為防止端部邊界效應［5］，加載端邊界預留25 mm非黏結區域，并對非測試面進行加固防止其先于破壞。

圖1 試驗試件Fig.1 Test Specimens

利用發明的持載裝置施加持續荷載，如圖1(b)。經過試驗驗證，180 d持載損失率不超過5%。

1.4 加載及測量裝置

試驗采用1 000 kN電液伺服試驗機進行加載，加載速率約為0.005 mm/s;采用德國制造IMC動態數據采集器采集數據;采用5 kN荷載傳感器測量荷載;采用弓形應變計測量端部滑移;采用應變片測量應變分布，應變片黏貼位置如圖2。

圖2 應變片位置Fig.2 Strain gauge layout

2 結果和分析

2.1 試驗結果

試驗測量數據包括剝離荷載、極限荷載、端部滑移、平均最大應變、有效黏結長度等，測量試驗結果統計如表3，變化規律分析詳細見下文分析。其中試件編號中，N表示常溫對比試件，數字表示相應干濕次數;S表示海水干濕循環，數字表示干濕循環次數;L表示施加持續荷載，數字表示施加持續荷載的大小，單位kN。

表3 試驗結果Table 3 Test results

2.2 界面破壞方式

通過觀察統計，試件破壞主要有2種:1)混凝土的剪切破壞，破壞特征為CFRP片材上拉下很薄的一層混凝土，混凝土表面有大量不規則裂縫;2)樹脂膠與混凝土的界面黏結破壞，破壞特征為CFRP片材上黏有零散混凝土顆粒，混凝土表面平整，如圖3。

對比試件、30次和60次干濕試件，破壞方式均為混凝土剪切破壞。90次干濕試件中多數發生混凝土剪切破壞，但CFRP片材上零散的部位已經露出膠層，混凝土表面裂縫淺而稀少，而少量試件發生黏結破壞，說明在90次干濕作用下破壞方式開始發生改變。120次干濕試件均發生黏結破壞，說明破壞方式已經發生改變。此外對比有無持載作用的干濕試件，可以發現當同為混凝土剪切破壞時，有持載作用的干濕試件在距離加載端約20 mm的局部區域里CFRP片材上黏結的混凝土相對較少，混凝土表面相對較平整，個別試件甚至發生黏結破壞，如圖3(c)。說明在持載作用下破壞方式的轉變速度加快。因此得出結論，隨著干濕次數的增加，破壞方式由混凝土的剪切破壞逐漸向樹脂膠與混凝土的黏結破壞方式轉變，而持載作用將會加快破壞方式的轉變速度，這可能是由于持續荷載的作用擴大了初始裂縫，加速了惡劣環境的腐蝕程度所致。

圖3 破壞形態Fig.3 Failure modes

2.3 典型的荷載—端部滑移曲線

圖4以試件N30為例給出了荷載—端部滑移曲線，曲線發展規律大致分為3個階段。第1階段，在加載初期，荷載滑移曲線近似線性規律發展，即CFRP與高強混凝土界面的剪切應力與剪切應變呈線性變化，滑移量非常小，約0.03～0.14 mm;第2階段，曲線曲率明顯下降，荷載略有下降而滑移卻突然增加很多，表明加載端黏結界面發生剝離，此時荷載稱為初始剝離荷載，如圖A點。第3階段，剝離將從加載端部逐漸向自由端發展直至破壞，而荷載最終穩定在某個值附近，定義為極限荷載，如圖B點，可以作為反映界面黏結強度的指標。試件破壞時所對應的端部滑移定義為極限端部滑移，如圖C點，極限端部滑移值越大，界面的延性就越好，反之延性就越差。由于實際測量的極限荷載有一定的波動，因此分析中將第3階段的荷載平均值作為極限荷載。所有試件測試結果見表3。

圖4 N30荷載—端部滑移曲線Fig.4 N30 Load － slip test result

對于高強混凝土而言，當荷載達到極限荷載80%左右時開始發生剝離，對比文獻［6］和文獻［7］可以發現，普通混凝土一般在極限荷載40% ～60%時開始發生剝離，這說明高強混凝土與CFRP的黏結破壞更為突然，脆性更大。表3中實驗結果表明在較高的干濕次數作用下界面黏結性能已經發生了嚴重的退化，且隨著干濕次數的增加，界面黏結性能退化的速度越來越快，而持載作用下的干濕試件，界面黏結性能退化程度更為突出，退化速度更快，持載等級越高，退化程度也就越嚴重。

2.4 應變變化規律分析

圖5為干濕循環120次試件在各級荷載水平下的應變分布規律，圖中荷載水平前面的“+”表示極限荷載后的下降段。在較低的荷載水平下，靠近加載端的應力應變呈線性關系，零應變逐漸向自由端移動。當達到極限荷載(100%荷載水平)后，加載端區域的應變基本不變，有效黏結區域(應變增加的區域)長度保持不變并逐漸向后平行移動，直至破壞。很顯然，本文中120 mm黏結長度已經超過有效黏結長度。圖中試件變化波動非常顯著，這是由混凝土中材料的不均勻性以及局部的開裂引起的［8］。由于應變的波動很難計算有效黏結長度，為研究應變變化規律，利用式⑴［9，10］進行非線性擬合。

式⑴的參數均采用非線性回歸確定。擬合結果見圖6。可以發現當達到極限荷載(100%荷載水平)時應變分布可以分為3個區域:a無應力區域;b有效黏結區域Le;c完全剝離區域。有效黏結區域外的黏結應力傳遞可以被忽略，因為CFRP與混凝土之間在這些位置的滑移要么是太小要么是太大，都不能產生顯著的剪應力。所有試件的Le值和平均最大應變εmax見表3。可以看出，隨著干濕循環次數的增加和持續荷載的增加，Le逐漸變長，而εmax卻逐漸變小，正如之前提到的，這種現象是由混凝土的不均勻性以及黏結界面的損傷導致局部開裂引起的。

2.5 持載對界面性能的影響分析

考慮應變發展充分及持載作用顯著，故選擇靠近加載端的1、2測點(距離加載端距離分別為5，12 mm)應變變化規律為例分析持載對黏結性能的影響，如圖7為干濕循環120次試件的1，2測點應變規律，可以發現，加載初期應變隨荷載的增加呈線性增長，當荷載達到某一定值時，第1測點應變突然急劇上升，第2測點應變不同程度下降，這可能是因為第2測點與第1測點之間出現開裂或者初始裂縫擴大，導致第2測點的應變下降。其中線性段應變曲線斜率的大小變化反映了界面損傷程度，斜率越大，說明界面的損傷就越大。為準確表示線性段斜率的變化，用k1和k2表示2測點線性段斜率，見表4和表5，表中數據均為試件與相應對比試件的k1和k2的比值，L0，L4和 L7.5表示持載等級。從表中可以看出，隨著干濕次數的增加和持續荷載的增加，線性段斜率k1和k2均不同程度的變大，持載干濕試件斜率變化程度遠大于無持載干濕試件。以上現象說明，無持載干濕試件界面損傷程度有限且損傷速度緩慢，而持載干濕試件的界面損傷程度顯著并且速度較快，持載越大，這種現象越明顯。產生這種現象的原因，一方面由于材料缺陷、制作工藝等因素，黏結界面不可避免的存在初始微裂縫，干濕循環中Nacl離子在裂縫中結晶析出產生的膨脹力加劇了微觀裂縫的發展，但這種膨脹力有限，裂縫發展速度相對緩慢。另一方面持載使端部處于較高應力作用下，微裂縫又更進一步開裂擴張，發展速度相對較快，且施加的持續荷載越大，端部的應力越大，裂縫發展速度就越快，對界面損傷也就越大。

圖5 各級荷載下CFRP應變分布規律Fig.5 CFRP strain distribution under every grade of load

圖7 1，2測點應變變化Fig.7 Variation of strain at point 1，2

因此，在實際的海工結構補強加固中，僅考慮環境作用對補強性能的影響，會過高地估算加固后的結構性能，必須考慮環境與結構自身承載的共同作用，才能真實的反應結構加固補強后的性能。

表4 k1統計結果Table 4 k1 statistical results

表5 k2統計結果Table 5 k2 statistical results

3 結論

1)海水干濕循環作用對CFRP－高強混凝土的黏結性能造成顯著損傷。隨著干濕循環次數的增加，黏結面的初始剝離荷載、極限荷載、極限端部滑移等界面參數逐漸降低。

2)在持載和干濕循環耦合作用下，CFRP—高強混凝土的界面黏結性能進一步降低，且下降速度加快。因此在模擬環境作用對CFRP加固補強性能的研究中，必須考慮環境作用和結構自身承載的共同作用，才能真實的反應結構加固補強后的性能。

3)界面的破壞方式在干濕循環90次時開始發生改變，由混凝土的剪切破壞向樹脂膠與混凝土的黏結破壞轉變。持續荷載作用的存在，加速了破壞方式的轉變速度，并且持載越大，轉變速度越快。

4)混凝土的應變發展規律大致呈S型，隨著干濕循環次數的增加和持續荷載的增加，有效黏結長度Le逐漸變大而最大應變逐漸降低。

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