硫酸鹽環境下CFRP-混凝土界面黏結強度試驗研究

劉生緯, 趙建昌, 張家瑋, 王作偉, 楊子江

(蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥采用祁連山牌42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料采用天然黃河砂，細度模數為3.0；粗骨料采用最大粒徑為20 mm的卵石(5～10 mm粒徑與10～20 mm粒徑的質量比為1∶2)；拌合水為自來水。水泥各項指標見表1，混凝土配合比見表2，標準養護28 d后測得混凝土立方體平均抗壓強度為32.8 MPa。試驗采用上海產的SKO(賽克)牌一級碳纖維布和黏結樹脂，其力學性能見表3。

表1 水泥性能指標

表2 混凝土配合比

表3 CFRP和黏結樹脂的力學性能參數

1.2 試件制作及試驗方案

雙剪試件所用混凝土試塊截面為100 mm×100 mm，長度為220 mm的棱柱體。CFRP的粘貼長度為180 mm，黏結寬度為50 mm，并且在加載端處預留了一個20 mm的非黏結段，以防止加載過程中加載端處出現應力集中而破壞。在混凝土試件兩側對稱粘貼CFRP，并在一側粘貼一個寬度為50 mm的加強片，以保證測試一側的CFRP先發生剝離。雙剪試件的尺寸和應變片布置見圖1。

2 試驗結果分析

2.1 界面承載力

由于雙剪試件兩側CFRP傳遞的荷載相同，取雙剪試件的極限荷載的一半作為CFRP-混凝土界面的極限承載力Pu。為了方便比較，將不同侵蝕時間T獲得的界面極限承載力的平均值Pu,T以未受硫酸鹽侵蝕時的界面極限承載力的平均值Pu,0進行歸一化處理，這樣可以消除混凝土試件制作和粘貼CFRP時各種因素造成的誤差。極限承載力隨侵蝕時間T的變化曲線，見圖2。從圖2中可以看出：在侵蝕初期，界面承載力隨侵蝕時間的延長略有增加或保持不變，這是由于硫酸根離子與混凝土中水泥的水化產物反應生成的膨脹產物的量較少，未引起界面損傷；但隨著膨脹產物的不斷積累，混凝土孔隙被填實，從而產生較大的膨脹力，當其大于混凝土抗拉強度時混凝土隨即開裂，而裂縫的開展加速了硫酸根離子向混凝土內部的傳輸，侵蝕邊界不斷向混凝土內部移動，混凝土損傷加劇，最終導致CFRP-混凝土界面承載力下降。

從曲線的走勢看，曲線在侵蝕前期變化較小，在侵蝕時間超過60 d后曲線開始下降，當侵蝕時間超過120 d后，曲線斜率變大，說明在侵蝕后期界面極限承載力下降速率加快。當侵蝕試件為150 d時，界面極限承載力下降了約35%，說明硫酸鹽侵蝕引起了CFRP-混凝土界面黏結性能的退化。

2.2 界面斷裂能

界面斷裂能是表征CFRP-混凝土界面韌性的一個重要指標[20-21]，界面斷裂能Gf為黏結-滑移曲線所圍成的面積，并且與黏結-滑移曲線的具體形式無關。目前，基于斷裂力學許多學者提出了界面斷裂能的計算公式，文獻[22]的研究表明CFRP-混凝土界面斷裂能Gf的平方根與界面承載力成正比，具體式為

( 1 )

式中:bf，tf，Ef分別為CFRP片材的寬度、厚度、彈性模量。

不同侵蝕時間對應各試件的界面斷裂能見圖3。由圖3可知，在侵蝕初期試件的最大界面斷裂能隨侵蝕時間的增加基本保持不變，隨后隨侵蝕時間的增加最大界面斷裂能逐漸降低，并且隨侵蝕時間的增加試驗數據的離散性逐漸變大。在試驗后期，界面斷裂能下降幅度更為顯著。這也反應出隨硫酸鹽干濕循環作用時間的延長，界面黏結性能的退化速度加快。

通過對界面斷裂能隨侵蝕時間的變化趨勢進行非線性擬合，得到了硫酸鹽環境下界面斷裂能隨侵蝕時間變化的函數表達式為

( 2 )

硫酸鹽對界面斷裂能影響系數ηG的表達式為

ηG=1.499 4e2.269 7+0.001 62T-0.000 029 55T2

( 3 )

式中：Gf,T為侵蝕時間為T時的界面斷裂能。式( 2 )得到的界面斷裂能與試驗值對比見圖4，由圖4可以看出，預測值與試驗值吻合較好。

2.3 界面應變分布及有效黏結長度

典型時間點對應各級荷載下CFRP表面應變分布，見圖5，不同侵蝕時間對應的應變曲線形狀基本相同，整個加載過程可以分為3各階段：(1)在加載初期，只在加載端處產生應變，遠離加載端處應變為零，隨著荷載的增加，CFRP應變由加載端逐漸向自由端擴展；(2)當荷載達到剝離荷載后，加載端處界面開始剝離，剝離處應變在一個范圍內波動，應變達到最大值，此時，自由端處應變仍為零，隨著加載的進行，應變峰值不斷向自由端移動，應變曲線靠近加載端一側出現平行段，曲線整體呈兩頭平行中間傾斜的近“S”形，在剝離過程中，曲線傾斜區域迅速向自由端等長移動，但荷載幾乎不增加；(3)當剝離發展到自由端時，由于端部黏結增強作用，荷載略微增加，界面破壞時伴有一聲巨響。

對比不同侵蝕時間對應的應變曲線可以看出，隨著硫酸鹽干濕循環作用時間的延長，CFRP表面最大應變逐漸降低，而且曲線傾斜段的斜率也隨著侵蝕時間的增加而逐漸減小。說明硫酸鹽干濕循環作用導致CFRP-混凝土界面的黏結性能出現退化，界面延性逐漸降低。

CFRP與混凝土的黏結強度并不是總隨著黏結長度的增加而增加，很多研究表明CFRP-混凝土界面存在一個有效黏結長度Le[11,22]。Yuan等[23]建議的有效黏結長度為該長度上界面所能夠提供的剪切力至少能夠承受界面極限荷載的97%。但是試驗中很難直接測得達到極限荷載時的有效黏結長度。Nakaba等[24]將界面有效黏結長度定義為以峰值剪應力的10%畫直線，與剪應力分布曲線的上升段和下降段相交，交點之間的長度為有效黏結長度，即應力傳遞長度，見圖6(a)所示。由于應力傳遞長度與應變上升段對應的長度相一致，因此將應變曲線的上升段對應的黏結長度定義為有效黏結長度，見6(b)。

由于材料的不均勻性，已剝離部位CFRP的應變并不完全相等，而是呈鋸齒狀分布。為了更好地考察應變分布規律，采用退化式( 4 )[25]對圖5中荷載分別為9.5，6.0 kN對應的應變分布曲線進行擬合，見圖7。

( 4 )

式中：ε(x)為距自由端x處的應變值；ε0，x0，α，β根據已有應變值通過非線性回歸方法確定出的使曲線能很好吻合實測應變的參數。

通過對試件應變曲線的分析可知，由于界面摩擦力的存在，當界面剝離后CFRP應變還有一個小幅上升的過程。因此，取擬合曲線上應變值為最大應變2%和98%的兩點間的長度作為有效黏結長度。通過對剝離過程中所有試件應變擬合曲線的分析，未受侵蝕的試件有效黏結長度為60～70 mm，隨著侵蝕時間的延長，有效黏結長度逐漸增加，侵蝕150 d后有效黏結長度增加至90～100 mm。有效黏結長度與侵蝕時間的變化關系見圖8。

很多研究表明有效黏結長度與CFRP的厚度、彈性模量及混凝土的強度有關[11,26]，在文獻[7]有效黏結長度計算公式的基礎上建立考慮硫酸鹽侵蝕作用的有效黏結長度計算式為

( 5 )

式中：Le,T為侵蝕時間為T時的有效黏結長度；ηL為有效黏結長度影響系數；fc為混凝土抗壓強度。通過對圖8數據進行擬合，可得到硫酸鹽干濕循環作用下有效黏結長度影響系數ηL的表達式

ηL=0.015 15e4.192 5-0.000 83T-0.000 023T2

( 6 )

式( 5 )計算得到的界面有效黏結長度與試驗值對比見圖9，公式預測值與試驗值吻合較好，預測值與試驗值均分布在45°線周圍。

3 黏結強度模型

目前已有的界面黏結強度模型主要是針對未考慮環境因素時提出的，通過對已有界面承載力模型的分析，界面黏結強度與纖維片材的剛度、混凝土強度密切相關，但經硫酸鹽侵蝕作用后，各組成材料的力學性能會出現不同程度的退化，因此已有的界面黏結強度模型均不能準確反映經硫酸鹽侵蝕后界面黏結強度的退化。基于文獻[7]的界面黏結強度模型，引入硫酸鹽干濕循環作用下界面黏結強度影響系數ηq，建立考慮硫酸鹽侵蝕影響的界面黏結強度模型

( 7 )

式中：qu,T為侵蝕時間為T時的界面黏結強度(即為受剪破壞時CFRP-混凝土界面單位寬度所承受的極限荷載)，N/mm；ηq為界面黏結強度影響系數；βl為黏結長度影響系數；βw為寬度影響系數。

( 8 )

( 9 )

不同侵蝕時間下界面黏結強度分布，見圖10，通過對圖中數據的擬合，可得到硫酸鹽干濕循環作用下界面黏結強度影響系數ηq為

ηq=0.005 11e5.265 4+0.001 62T-0.000 029 55T2

(10)

式(7)得到的界面黏結強度與試驗值對比見圖11，模型預測值與試驗值吻合較好，預測值與試驗值均分布在45°線周圍。說明本文建立的硫酸鹽環境下CFRP-混凝土界面黏結強度預測模型能夠反映界面黏結強度隨硫酸鹽侵蝕時間的退化規律。

4 結論

(1) 硫酸鹽干濕循環作用對CFRP-混凝土界面的黏結性能產生不利影響，界面黏結強度和界面斷裂能均表現出：在侵蝕初期，隨侵蝕時間的增加而略有增加或保持不變，達到一定侵蝕時間后，隨侵蝕時間的增加而下降，且下降速率隨侵蝕時間的增加而逐漸加快。

(2) 在硫酸鹽干濕循環作用下，CFRP-混凝土界面有效黏結長度隨侵蝕時間的增加而逐漸增加，因此，在實際工程中CFRP的錨固長度應大于最大有效黏結長度。

(3) 建立了硫酸鹽干濕循環作用下CFRP-混凝土界面的黏結強度模型，給出了界面斷裂能、有效黏結長度隨硫酸鹽侵蝕時間T的函數表達式，通過預測模型與試驗結果的對比分析，預測模型能夠很好的反映界面黏結強度、斷裂能、有效黏結長度隨硫酸鹽侵蝕時間的退化規律。