凍融循環下CFRP高性能混凝土的粘結性能

摘 要：通過雙面剪切試驗，研究了凍融環境下CFRP-高性能混凝土界面粘結性能的發展規律。對比分析了未經凍融和經歷25、50、100、150、200及300次凍融循環作用試件的破壞特征、剪應變分布、荷載滑移曲線、粘結承載力以及粘結破壞機理。結果表明，所有試件的界面破壞均發生在混凝土表層內，但隨著凍融循環次數的增加，破壞界面有向膠層發展的趨勢；經受凍融循環次數較少時（25、50次），界面的粘結強度、剛度及開裂荷載的變化不明顯，甚至略微提高；但隨著凍融循環次數的進一步增加，界面粘結性能有明顯的變化，界面粘結強度、端部滑移量減小，剛度退化，初始開裂荷載水平降低，非線性特征增強。粘結極限承載力與混凝土立方體抗壓強度均隨凍融循環次數的增長存在先提高后下降的趨勢，混凝土強度變化是界面粘結性能變化的最重要因素。

關鍵詞：碳纖維增強復合材料（CFRP）；高性能混凝土；凍融循環；粘結性能；耐久性

中圖分類號：TU528. 572 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）02-0085-07

近年來，纖維增強聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）在混凝土結構的加固和改造工程中得到了越來越廣泛的應用[1]。CFRP與混凝土的粘結界面對傳遞有效應力、保證加固結構的完整性和可靠性起到重要的作用[2-4]。有關統計表明，FRP加固混凝土梁的破壞約有63%是由于FRP與混凝土界面粘結失效造成的[5]。然而，實際加固工程結構常處于惡劣的環境下，粘結界面的長期性能受到威脅，從而影響加固結構的可靠性。在寒冷地區，凍融破壞是普遍存在的混凝土結構病害，CFRP加固混凝土結構也不可避免地受到凍融循環作用的影響，導致其耐久性劣化進程加快。

對外貼FRP加固混凝土結構耐久性的研究開始于20世紀90年代初，但迄今為止針對其在凍融壞境下粘結破壞機理的研究仍不夠充分[6-9]。Bisby等[6]研究了3類CFRP混凝土界面的抗凍性能，發現200次或300次凍融循環作用對界面性能沒有太大的影響。Ahmad等[7]的研究則表明凍融循環作用大大降低了試件的承載能力。中國在這方面的研究相對較晚，文獻[10-12]等的研究發現，凍融循環作用對界面粘結有不利影響。王蘇巖[13]的研究則發現，經受過凍融循環作用后的CFRP與高強混凝土的粘結強度有一定的增長。可見，有關凍融循環作用對CFRP混凝土界面粘結性能影響的研究結論存在分歧，而對于高性能混凝土的相關研究很少。這勢必在一定程度上制約CFRP材料在寒冷地區高性能混凝土結構中的推廣應用。

筆者利用雙面剪切試驗，重點研究凍融循環作用對CFRP與高性能混凝土界面粘結性能的影響。通過分析粘結區CFRP的應變、加載端的端部粘結滑移、極限粘結承載力發展規律，研究凍融循環下碳纖維與高性能混凝土界面粘結的耐久性退化規律和機理。

王玉田，等：凍融循環下CFRP高性能混凝土的粘結性能

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用混凝土為雙摻粉煤灰和礦粉的高性能混凝土，設計強度等級為C50。原材料包括P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，Ⅱ級粉煤灰，S95級礦粉，粒徑5～25 mm連續級配的碎石作為粗骨料，青島大沽河河砂作為細骨料（最大粒徑5 mm，細度模數2.4，中砂），攪拌水為普通自來水。另外，還使用了減水率為25%的HSC-A型聚羧酸高效減水劑。具體配合比見表1。

試驗采用上海優士康化工有限公司生產的YC-190-300g單向CFRP片材，實測抗拉強度為3 356 MPa，彈性模量2.16×105 MPa，伸長率1.62%，名義厚度0.167 mm。浸漬膠為該廠生產的YC-189-A膠（由甲、乙兩組份按2∶1質量比混合而成）。抗拉強度40 MPa，彈性模量 2 500 MPa，伸長率1.5%。

1.2 試件設計

混凝土立方體抗壓強度采用100 mm×100 mm×100 mm試件。粘結性能采用雙面剪切試件[3，14]，混凝土的試件尺寸為100 mm×100 mm×150 mm，CFRP布總長度為540 mm，寬度為50 mm，粘結區的長度為100 mm，加載端邊界上留有30 mm的非粘結區。將CFRP布按U型粘貼在混凝土試件的兩個相對側面上，粘貼層數為一層，如圖1所示。碳纖維布的具體粘貼方法按《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》（CECS 146∶2003）的要求進行。立方體試件和粘結試件每組均為3個試件。

1.3 凍融試驗方案

立方體試件拆模后，標準養護（溫度20±2 ℃，相對濕度95%以上）24 d后從養護室取出，放在20±2 ℃水中浸泡4 d，在28 d齡期時開始進行凍融試驗。粘結試件標準養護28 d，置于常溫環境中3 d達到面干后，粘貼CFRP布，繼續在室溫下養護7 d，飽水4 d，再進行快速凍融試驗。凍融試驗依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）建議的快速凍融法，采用KDR-V9型混凝土快速凍融試驗機進行。每個凍融循環周期約為3 h，試件中心最低和最高溫度分別控制在-18±2℃和5±2℃。待凍融循環次數達到25、50、100、150、200、300次后，分別從凍融箱中取出立方體試件和粘結試件，自然晾干后進行立方體抗壓強度試驗和雙面剪切試驗。

1.4 加載裝置及測試內容

凍融循環達到預定次數后，將立方體試件從凍融箱中取出，進行抗壓強度測試。

粘結試件則待其自然晾干后，沿CFRP中心方向依次粘貼應變片，用于加載過程中測定粘結區域內CFRP的應變值，具體粘貼位置見圖1。采用引伸計（見圖2）測量CFRP自由端部與混凝土的相對滑移（端部滑移量），數據通過電腦自動采集，取用兩側的平均值作為最終值。

粘結試件加載采用日本津島SES-1000型電子拉伸試驗機（250 kN）實施。拉伸荷載通過自行設計的CFRP混凝土界面雙面剪切試驗加載裝置施加于試件，見圖2。試驗中，加載速率為0.1 mm/min。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土立方體抗壓強度

經觀察，在預定凍融循環次數下，各混凝土試塊均無明顯的表面剝落現象（參見圖4）。混凝土立方體抗壓強度依據常規方法測試，結果列于表2。

試驗結果表明，經過較少次數的凍融循環后，混凝土立方體抗壓強度與28 d抗壓強度相比有一定程度的提高，文獻[15-16]的研究也有類似的現象。經25次和50次凍融循環后，混凝土抗壓強度分別提高了9.7%和7.2%。分析原因，一方面是由于試驗采用了C50高性能混凝土，粉煤灰和礦粉雙摻配合比設計，使得混凝土孔隙率低、密實性較高，從而使該混凝土具有良好的抗凍性（另文介紹）。另一方面，隨著凍融循環次數的增加，在靜水壓和滲透壓作用下，混凝土內部孔隙及微裂縫逐漸擴展，外部水分就會沿微缺陷滲透到混凝土內部，從而加速水泥的二次水化。混凝土的水膠比為0.33（低于水泥顆粒完全水化而無毛細孔所需的理論水膠比0.38）二次水化效果較為明顯。

圖3所示為混凝土抗壓強度fd隨凍融循環次數N的變化情況。可見，隨著凍融循環次數的增加，水泥繼續水化對混凝土強度增長的作用越來越低于凍融損傷導致的混凝土強度損失，抗壓強度總體呈下降的趨勢。經歷100次凍融循環時，混凝土強度開始低于28 d抗壓強度。凍融循環300次后，強度已經降低為28 d強度的62.2%。

對25 ～300次凍融循環后的試驗數據進行線性擬合，得到關系式為

2.2 界面粘結破壞特征

經預定凍融循環次數作用后，各剪切試件也均未見明顯的混凝土表面剝落現象。界面剪切破壞后，觀察CFRP片材的表面，發現所有粘結試件的破壞均發生在粘結界面下較淺的混凝土表層內。可見，剝離破壞模式在高強混凝土情況下，不僅僅取決于混凝土，與膠層也有很大的關系。隨著凍融循環次數的增加，片材表面粘附的混凝土顆粒自厚變薄。可見，對比試件和凍融循環100次以下的試件在破壞時CFRP表面粘有大量的混凝土顆粒，被剪下的混凝土層相對較厚。隨著凍融循環次數的增加，破壞界面逐漸向膠層發展，當凍融循環次數達到200次和300次時，CFRP表面只能看到少量的混凝土顆粒，破壞層接近膠層。分析原因，主要是由于CFRP與混凝土的粘結界面存在氣孔、裂紋等缺陷，融解狀態時水分易于侵入。隨凍融次數增加，界面裂縫逐漸發展，導致界面粘結性能逐漸降低，且相比而言，其影響超過了混凝土強度降低的影響，從而導致破壞面逐漸向膠層發展。文獻[10]和[17]得到類似的結論，典型的破壞形態如圖4所示。

2.3 界面粘結極限承載力

表3所列為試驗所得不同凍融次數下CFRP-混凝土粘結試件的破壞極限承載力（Fb）。

從表3可以看出，粘結極限承載力隨凍融循環次數的變化與混凝土抗壓強度變化存在類似的規律，即在凍融循環次數較少（≤50次）時，極限承載力有所提高。25次和50次時，分別提高了2.3%和2.9%。在凍融循環50次以上，則呈線性下降的趨勢（如圖5，線性相關系數為0.996）。凍融循環達300次時，極限荷載降低了19.9%。

圖5 極限承載力隨凍融次數的變化

Fig.5 The ultimate bearing capacity along with the change of freezing-thawing cycles

已有研究表明[11，13，18]，混凝土強度越高，CFRP與混凝土之間的粘結強度也越高。圖6所示為凍融循環作用下混凝土立方體抗壓強度與界面粘結承載力下降百分比。可見，兩者的變化規律類似，但前者比后者的變化幅度大。分析原因，凍融循環初期，粘結承載力的提高，主要是由此階段二次水化引起的混凝土強度提高決定的。但由于膠層的包裹作用，一定程度上阻止了水泥的二次水化，所以，此階段粘結承載力提高的幅度低于表面裸露混凝土強度的提高的幅度，且粘結承載力最大峰值出現的時間較晚（凍融循環50次）。隨著凍融循環次數的增加，混凝土強度進入下降段。同時，凍融循環作用會擴大膠層表面初始的微缺陷，由于CFRP與混凝土的熱膨脹系數差別較大[19]，溫度在升降過程中膠層與混凝土會產生周期性的溫度應力，降低其與混凝土的粘結效果，當達到一定程度即表現為粘結強度的降低。但由于膠層對混凝土的保護作用，界面層受凍融作用的損傷程度也低于表面裸露的混凝土，即界面粘結承載力下降的百分比小于相同循環次數下立方體抗壓強度下降的百分比。

2.3 CFRP的應變分布

圖7和圖8分別給出了未經受凍融損傷的試件和經受不同次數凍融循環作用的CFRP應變分布情況，應變曲線的斜率反映了相應階段界面應變發展的速率。

圖6 立方體抗壓強度與界面粘結承載力下降百分比對比圖

由圖可見，各個試件沿粘結長度上的CFRP應變分布及發展規律大致相同。在加載初始階段，與加載端較近部位的 CFRP拉應變較大，距加載端較遠處CFRP拉應變較小，荷載為4 kN時傳遞長度均約為30 mm。這是因為此時荷載較小，只需距加載端較近局部區域內粘結界面的剪應力合力與之達到平衡。應變分布呈明顯的下凹型曲線，應變發展較慢。隨著荷載的增加，應變逐漸向距加載端較遠處的自由端傳遞，應變分布曲線的下凹趨勢逐漸減弱，加載端應變值的增長速度明顯加快。從圖5和圖6中均可看出，距加載端最近的兩個測點之間應變的斜率隨荷載的增大先增大后減小，斜率達到最大時，表明加載端的剪應力達到峰值，裂縫開始出現，裂縫處CFRP 與混凝土的有效粘結被破壞，CFRP將拉力傳向了未破壞的粘結界面，此時，界面的粘結滑移開始加快。荷載再繼續增大，應變分布曲線開始向上凸，剪應力的分布也越來越均勻，應力由加載端快速向自由端傳遞。最終，CFRP 與混凝土之間發生一次性剝離破壞。

同時，通過對比圖7和圖8還可以發現，在加載早期（見圖中4～12 kN曲線），隨著凍融循環次數的增加，CFRP應變更早地向自由端發展，這說明凍融循環作用對CFRP-混凝土的粘結界面產生了不利的影響，降低了粘結界面的抗剪能力；而最終界面剝離時的應變發展（見圖中第一測點的應變最大值）則有逐漸降低的趨勢，這主要是由凍融循環對粘結面的破壞導致界面承載能力的降低造成的。

2.4 荷載端部滑移曲線

圖9所示為典型的荷載端部滑移關系曲線。可以看出，在加載初期，各曲線基本重合，但隨著荷載的增加，不同次數凍融循環下荷載滑移曲線的發展規律存在明顯的差異。

經受凍融次數較少（對比試件、凍融25次以及凍融50次）的試件，界面發生很小的滑移后荷載就達到了極限荷載的90%左右，這與文獻[13]關于高強混混凝土的試驗結果類似。此階段荷載滑移曲線近似呈線性變化，由此可知，CFRP-混凝土界面的剪切應變與剪切應力呈線性變化，界面一直處于彈性狀態。當荷載增加到某一臨界值時，曲線上出現一個明顯的拐點（圖9中圓圈所示），表明界面上出現初始裂縫，粘結面發生剝離，所對應的荷載為初始開裂荷載。之后滑移量迅速增大，荷載則增加很少，甚至略有下降，直到界面完全破壞。另外，凍融25次和凍融50次試件的開裂荷載比對比試件有所提高，分別提高了16%和14%，對剛度的影響則不明顯。

經受100次以上凍融循環的試件，當荷載增加到30%～50%時，試件的端部滑移開始逐漸大于對比試件，剛度明顯弱化，并逐漸表現出明顯的非線性特征。與之前的試件相比，荷載滑移曲線的形狀發生了明顯的變化。在較低的荷載水平下（約為極限荷載的60%左右），曲線就出現了明顯的轉折點，即出現初始裂縫，界面開始發生剝離。這與文獻[11]和[13]所得普通混凝土的分析結果類似，實際上，由混凝土抗壓強度試驗結果（見表2）可知，此時混凝土強度已降至普通混凝土的水平。隨凍融次數的增加，破壞時的極限荷載和初始開裂荷載均有逐漸降低的趨勢。但發生剝離后，隨著滑移量的增加，荷載仍有較大幅度的增長。

另外，試驗結果還表明，隨著凍融次數的增加，達到破壞時，試件的端部最大滑移量總體上呈逐漸降低的趨勢，如凍融300次后降低了25%左右，這說明凍融循環使CFRP-混凝土粘結界面的脆性增高，變形能力降低。

3 結論

1）由于水泥二次水化和凍融損傷的雙重作用，隨凍融循環次數的增加，高性能混凝土立方體抗壓強度經歷先增長后下降的變化過程。經歷25次凍融循環后，混凝土抗壓強度總體呈線性下降的趨勢。

2）各凍融循環次數下，CFRP-高性能混凝土界面破壞均發生在粘結界面下的混凝土表層內。且隨著凍融循環次數的增加，破壞界面有向膠層發展的趨勢。

3）剪應力沿粘結長度的分布規律及端部滑移情況受凍融循環作用影響明顯。剪應變分布和端部粘結滑移共同反映出凍融循環對CFRP-高性能混凝土界面剛度及強度的損傷規律。

4）CFRP-混凝土界面粘結極限承載力隨凍融循環次數的變化與混凝土抗壓強度的變化規律類似，說明混凝土強度變化是粘結強度變化的重要因素，而其變化滯后及其變化幅度較小則是受膠層的作用影響。

參考文獻：

[1]張鵬，蒙文流，唐小林，等. 碳纖維加固修復混凝土結構的研究與應用[J]. 新型建筑材料，2005，32（2）：9-14.

Zhang P，Meng W L，Tang X L，et al. Research and application of carbon fiber reinforcement and repair of concrete structures [J]. New Building Materials，2005，32（2）：9-14.（in Chinese）

[2]陳華，張鵬，康侃，等. CFRP板與混凝土間粘結性能試驗[J]. 桂林理工大學學報，2010，30（1）：66-70.

Chen H，Zhang P，Kang K，et al. Experiment of delamination of CFRP plates bonded to concrete [J]. Journal of Guilin University of Technology，2010，30（1）：66-70.（in Chinese）

[3]Yao J，Teng J G，Chen J F，Experimental study on FRP to concrete bonded joints [J]. Composites Part B：Engineering，2005，36（2）：99-113.

[4]王新玲，楊佳佳，孫宏運，等. 基于梁式試驗的CFRP布混凝土界面粘結滑移模型研究[J].防災減災工程學報，2014，34（3）：314-319.

Wang X L，Yang J J，Sun H Y，et al. Experimental study on bond-slip model for CFRP-concrete interface based on beam test [J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2014，34（3）：314-319.（in Chinese）

[5]Bonacci J F，Maalej M. Behavioral trends of RC beams strengthened with externally bonded FRP [J]. Journal of Composites for Construction，2001，5（2）：102-113.

[6]Bisby L A，Green M F. Resistance to freezing and thawing of fiber-reinforced polymer-concrete bond [J]. ACI Structure Journal，2002，99（2）：215-223.

[7]Ahmad M A. De-bonding of FRP from concrete in strengthening applications experimental investigation and theoretical validation [D]. New York：The City University of New York，2005.

[8]Mukhopadhyaya U P，Swamy R N，Lynsdale C J. Influence of aggressive exposure conditions on the behaviour of adhesive bonded concrete-GFRP joints [J]. Construction and Building Materials，1998，12（8）：427-446.

[9]Subramaniam K V，Ali-Ahmad M，Ghosn M. Freeze-thaw degradation of FRP-concrete interface：Impact on cohesive fracture response [J]. Engineering Fracture Mechanics，2008，75：3924-3940.

[10]管巧艷，高丹盈，李杉. 凍融循環作用后CFRP與混凝土粘結性能研究[J].工業建筑，2010，40（6）：9-11.

Guan Q Y，Gao D Y，Li S. Study on CFRP-concrete bond behavior subject to freeze-thaw cycles [J]. Industrial Construction，2010，40（6）：9-11.（in Chinese）

[11]張悅悅，黃登科. 凍融環境對CFRP-混凝土界面粘結性能影響試驗研究[J]. 公路交通科技，2014（5）：185-187.

Zhang Y Y，Huang D K. Experimental study on CFRP-concrete bond behavior under freeze-thaw environment [J]. Highway Traffic Science and Technology，2014（5）：185-187.（in Chinese）

[12]張勇，卜娜蕊，馬國慶. CFRP加固混凝土梁的凍融試驗研究[J]. 河北建筑工程學院學報，2012，30（1）：15-17.

Zhang Y，Bu N R，Ma G Q. Experiment with the freeze-thaw of the concrete beams reinforced by CFRP [J]. Journal of Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering，2012，30（1）：15-17.（in Chinese）

[13]王蘇巖，尹曉明，劉林.持載作用下CFRP-高強混凝土界面的抗凍性能[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版，2009，25（5）：834-841.

Wang S Y，Yin X M，Liu L. Research on freeze-thaw resistance behavior of bonded joints between CFRP and high strength concrete under sustained load [J]. Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2009，25（5）：834-841.（in Chinese）

[14]Tuakta C，Buyukozturk O. Deterioration of FRP/concrete bond system under variable moisture conditions quantified by fracture mechanics [J]. Composites Part B：Engineering，2011，42（2）：145-154.

[15]艾毅然，楊玉啟，胡耀林.高性能混凝土的抗凍性研究及其工程應用[J].建筑技術，2005，36（1）：54-56.

Ai Y R，Yang Y Q，Hu Y L. Research on project application on frost resistance of high performance concrete [J]. Architecture Technology，2005，36（1）：54-56.（in Chinese）

[16]尹曉明. 荷載和凍融循環雙重作用下CFRP-高強混凝土界面性能研究[D].遼寧 大連：大連理工大學， 2009.

[17]Wu Y F，Yun Y C. Durability of CFRP-concrete joints under freeze-thaw cycling [J]. Cold Regions Science and Technology，2011，65（3）：401-412.

[18]楊勇新，葉列平，岳清瑞.碳纖維布與混凝土的粘結強度指標[J].工業建筑，2003，33（2），5-8.

Yang Y X，Ye L P，Yue Q R. The bond strength index of CFRP and concrete [J]. Industrial Construction，2003，33（2）：5-8.（in Chinese）

[19]朱曉玲.CFRP-混凝土界面粘結性能試驗研究[D]. 長沙：中南大學， 2008.

（編輯 胡英奎）