硫酸鹽干濕循環作用下CFRP-黏土磚界面粘結性能退化規律分析

董 磊，趙 坤，靳文強,2，聶 丹，張家瑋,2，郭樂樂

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，蘭州 730070； 3.中國市政工程西北設計研究院有限公司，蘭州 730030)

0 引 言

碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)加固技術已廣泛用于實際工程中，CFRP加固砌體結構是在砌體表面粘貼CFRP片材，使其形成一個整體，協同工作、共同受力。因此，加固效果取決于CFRP與黏土磚界面的粘結性能[1-3]。截至目前，關于CFRP與黏土磚界面的粘結性能已有學者做了相應研究[4-6]，對其界面力學行為進行了分析，提出了相應的界面粘結-滑移模型，但大多數都是基于標準環境下的試驗研究。在實際工程應用中，被加固磚砌體古建筑以及其他砌體結構都處于室外環境，長期經受酸、堿、凍融、紫外線等惡劣環境的影響，國內外已有學者展開了一些考慮不同侵蝕環境對加固砌體結構影響的試驗研究[7-9]，其中硫酸鹽侵蝕環境是對加固砌體結構危害的侵蝕環境之一，硫酸鹽侵蝕引起CFRP加固砌體結構損傷或失效已經成為一種常見和嚴重的工程問題[10-11]。因此研究硫酸鹽侵蝕環境對CFRP-黏土磚界面粘結性能的影響具有重要意義。

本文利用硫酸鹽加速侵蝕的方法，對CFRP-黏土磚界面在硫酸鹽干濕循環作用下粘結性能展開研究，在試驗基礎上利用有限元ABAQUS軟件采用內聚力本構關系模型對CFRP-黏土磚單剪試驗進行數值模擬[12-14]，充分發揮有限元分析的優勢，對界面發展各階段進行詳細地描述，通過與試驗結果對比，分析模擬結果的準確性，為探索硫酸鹽侵蝕環境下CFRP-黏土磚界面的粘結性能退化規律提供一種有效的方法。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗所用的黏土磚為表面平整、質地均勻且邊角完整的既有建筑黏土磚，使用質量分數為5%的硫酸鈉溶液。試驗所用CFRP片材及浸漬膠(CFSR A/B)由上海卡本(Carbon)復合材料有限公司生產，主要性能實測值詳見表1、表2。

表1 CFRP片材主要性能參數Table 1 Main performance parameters of CFRP sheet

表2 浸漬膠的主要性能參數Table 2 Main performance parameters of impregnating glue

1.2 試驗設計

試驗考慮硫酸鹽干濕循環作用，同時以實驗室環境(稱為室溫)作為對比環境。硫酸鹽干濕循環具體設計如下所示。

圖1 CFRP片材與浸漬膠試件Fig.1 CFRP sheet and impregnating glue specimen

(1)試驗共制作140個試件，其中70個為黏土磚試件，另外70個為CFRP試件與浸漬膠試件。黏土磚試件中35個粘貼CFRP片材作為加固試件，粘結長度為180 mm,寬度為50 mm，靠近加載端預留30 mm非粘結區，CFRP片材加載端50 mm范圍進行加強處理，另外35個黏土磚作為輔助試件，以測得不同循環周期下黏土磚抗壓強度。參照《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》(GB 1447—2005)[15]與《樹脂澆鑄體性能試驗方法》(GB/T 2567—2021)[16]，制作CFRP試件與浸漬膠試件各35個，如圖1所示，所有試件都分7組，每組5個試件，其中一組為對比試件。

(2)干濕循環試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[17]的抗硫酸鹽腐蝕試驗方法進行，干濕循環周期為24 h，在質量分數為5%、溫度為(20±2) ℃的Na2SO4溶液中浸泡12 h，風干2 h,烘干8 h(40 ℃)，冷卻2 h。當試件循環次數達到20次、40次、60次、80次、100次、120次時各取出一組試件進行試驗。

1.3 加載方案

試驗采用WDW-50型電子萬能試驗機，以0.5 mm/min的恒定速率進行位移加載，直至試件破壞。DH3816靜態信號采集系統按每5 s采集1次應變。CFRP試件和浸漬膠試件，應變片沿試件長度方向中線中心位置布置一個應變片，加固試件應變片沿CFRP片材中線每20 mm布置一個應變片。

2 結果與討論

2.1 原材料性能

(1)硫酸鹽干濕循環0次、20次、40次、60次、80次、100次、120次下黏土磚平均抗壓強度如表3所示，分別為13.03 MPa、14.83 MPa、18.92 MPa、16.90 MPa、15.03 MPa、12.74 MPa、10.09 MPa，可以看出黏土磚的抗壓強度隨循環次數的增長呈先增大后減小的趨勢。循環40次之前，黏土磚抗壓強度小幅度增大，在循環40次時達到極值，相較于0次，上升了45.26%；循環40次之后，黏土磚的抗壓強度呈現下降趨勢，隨循環次數的增加而降低，在循環120次后，相比0次下降了22.55%。侵蝕前期(40次之前)抗壓強度增大，由于前期隨著試驗的進行，黏土磚內部不斷有硫酸鹽晶體填充孔隙，使孔隙密實，黏土磚強度增加；但循環后期，晶體在孔隙中累積、膨脹，使黏土磚產生微裂縫，最終導致黏土磚強度下降。

表3 黏土磚隨硫酸鹽干濕循環周期增加抗壓強度變化情況Table 3 Changes of compressive strength of clay brick with the increase of sufate drying and wetting cycles

(2)硫酸鹽干濕循環120次后，CFRP片材與浸漬膠試件試驗結果如表4所示，CFRP片材抗拉強度、伸長率、彈性模量試驗結果為5個試件試驗平均值，相較于0次分別降低了3.67%、2.99%、6.79%，下降幅度在7%以內；浸漬膠試件的抗拉強度、伸長率以及彈性模量相較于0次分別降低了7.24%、4.37%、5.58%，浸漬膠性能有所降低，但下降幅度均在8%以內。由此表明，硫酸鹽干濕循環作用對CFRP片材與浸漬膠試件性能影響并不大。

表4 CFRP片材和浸漬膠試件性能試驗結果Table 4 Performance test results of CFRP sheet and impregnating glue

2.2 破壞模式及界面承載力

通過觀察35個加固試件的破壞過程得出，在硫酸鹽干濕循環不同周期下，破壞模式不盡相同，主要有剪切破壞和剝離破壞兩種模式。圖2為硫酸鹽干濕循環作用下加固試件破壞形態，由圖2可以看出在侵蝕前期(40次之前)，界面的破壞形態以CFRP片材下方黏土磚剪切破壞為主，剪切破環發生在距加載端3～5 cm，且與黏土磚粘貼一側的CFRP片材上被粘下一層較厚的黏土磚碎屑，黏土磚表面會粗糙不平，且有坑槽(圖2(a)、(b))；當循環次數較高(約為80次之后)時，CFRP-黏土磚界面的破壞以剝離破壞為主，且隨著循環次數的增加CFRP片材上粘下來的黏土磚碎屑越來越薄，當循環周期達到120次時，CFRP上被粘下來的黏土磚碎屑只有薄薄一層，隱約可以看到CFRP片材下的浸漬膠。

圖2 硫酸鹽干濕循環作用下加固試件破壞形態Fig.2 Failure mode of strengthened specimens under sulfate drying and wetting cycles

圖3 硫酸鹽干濕循環不同周期下單剪極限承載力Fig.3 Single shear ultimate bearing capacity under different sulfate drying and wetting cycles

界面極限承載力在不同循環周期下變化如圖3所示，由試驗結果分析可得，界面極限承載力變化趨勢與黏土磚強度變化一致。由此表明，在硫酸鹽干濕循環作用下，加固試件界面極限承載力隨循環次數變化主要取決于黏土磚自身強度變化，循環后期(約80次之后)黏土磚強度下降較快，同時CFRP片材與浸漬膠試件性能也有所下降，極限承載力也隨之下降。

3 CFRP-黏土磚界面粘結-滑移模型

界面粘結滑移關系可以反映界面的性能變化規律。Popovics模型[18](見式(1))通過延性參數n來反映界面延性的變化情況，n越小則表明界面的延性越好。本文基于Popovics模型，通過對硫酸鹽干濕循環作用下CFRP-黏土磚的性能試驗數據進行歸納分析，探討CFRP-黏土磚界面的粘結-滑移關系。

(1)

式中:τ為界面剪應力；τmax為峰值剪應力；S為界面滑移量；S0為τmax所對應的滑移量；n為界面延性系數。

由式(1)可知，CFRP-黏土磚界面的粘結性能需考慮界面應力峰值τmax及對應的滑移量S0和界面延性系數n這三個參數，而Popovics模型反映的為自然條件下界面延性的變化情況，黏土磚在硫酸鹽干濕循環作用下界面的變化情況無法準確表達，因此本文在已有的Popovics模型的基礎上，引入硫酸鹽干濕循環時間t的函數τmax(t)和S0(t)來代替模型中的τmax和S0，用延性參數n(t)來代替n，由此得到硫酸鹽干濕循環作用下CFRP-黏土磚界面粘結-滑移表達式[19](見式(2))。

(2)

由于黏土磚具有非均勻性及離散性較大等特點，為保證試驗結果的準確性，以室溫(0次循環)下試件的最大剪應力和滑移量為基準，引入硫酸鹽干濕循環作用下粘結-滑移綜合影響系數φi(t)(i表示峰值剪應力及其對應的滑移量)，得到硫酸鹽干濕循環作用下界面特征值的變化趨勢，將試驗數據進行擬合(見圖4)，得到硫酸鹽干濕循環作用下粘結-滑移綜合影響系數φi(t)表達式(3)、(4)。

φτ(t)=e(-0.002 63+0.006 96t-7.054×10-5t2)

(3)

φS(t)=e(-0.005 98+0.007 98t-7.828×10-5t2)

(4)

其中，τmax(t)和S0(t)通過式(3)、(4)計算得到表達式如式(5)、(6)所示。

τmax(t)=φτ(t)τmax,0=e(-0.002 63+0.006 96t-7.054×10-5t2)·τmax,0

(5)

S0(t)=φS(t)·S0,0=e(-0.005 98+0.007 98t-7.828×10-5t2)·S0,0

(6)

根據黃奕輝[20]研究可知延性參數n與黏土磚強度有關，如式(7)所示。

(7)

室溫環境下界面最大剪應力τmax試驗值為3.003 MPa，τmax對應的滑移量S0取0.086 3 mm，由式(7)得到室溫環境下界面延性參數n=6.726。

圖4 界面特征值隨干濕循環次數的變化趨勢Fig.4 Variation trend of interface characteristic value with different drying and wetting cycles

為避免黏土磚材料不均勻性導致試驗數據離散，本文以室溫環境下的延性參數為基準，對不同循環周期下的試驗數據進行無量綱分析。如圖5所示，對延性參數與硫酸鹽干濕循環進行擬合，得到界面延性參數隨循環次數的變化規律，根據式(8)可得到界面延性影響系數，由此得到不同循環次數下界面延性參數表達式(見式(9))。

φn(t)=1.000 2+0.001 2t-1.237×10-4t2+3.005 1×10-6t3-2.775 3×10-8t4+8.851 7×10-11t5

(8)

n(t)=φn(t)n0=(1.000 2+0.001 2t-1.237×10-4t2+3.005 1×10-6t3- 2.775 3×10-8t4+8.851 7×10-11t5)·n0

(9)

將式(5)、(6)以及(9)得到的τmax(t)、S0(t)以及n(t)代入式(2)得到硫酸鹽干濕循環作用下CFRP-黏土磚界面粘結-滑移模型。將經歷0次、40次、80次以及120次硫酸鹽干濕循環后的模型預測值與試驗值對比,結果如圖6所示。

圖5 界面延性參數隨硫酸鹽干濕循環變化曲線Fig.5 Curve of interfacial ductility parameter changing with sulfate drying and wetting cycles

圖6 硫酸鹽干濕循環不同周期下試驗值與模型計算值對比Fig.6 Comparison between experimental value and model calculation value under different sulfate drying and wetting cycles

4 有限元模擬

4.1 有限元模型建立

本文基于ABAQUS軟件對CFRP-黏土磚界面進行數值模擬，黏土磚單元采用實體單元C3D8R(8節點六面體線性減縮積分單元)進行模擬。由于碳纖維布沒有抗彎剛度，因此選用S4R殼單元(4節點四邊形有限薄膜應變性完全積分單元)來進行模擬，該單元是一種通用的殼單元，且具有良好的適應性。CFRP-黏土磚界面層采用COH3D單元(八結點三維粘結單元)，該單元適用于材料斷裂問題。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

采用內聚力單元來實現 CFRP-黏土磚界面剝離破壞的模擬，為保證模擬的精度，對網格進行編輯，由于單元的行為在厚度和面內方向上不同，因此采用掃略的網格劃分技術，定義掃略路徑的方式確定單元方向。模型在 CFRP片材與界面層、黏土磚基體與界面層的接觸面上設置綁定約束。本次模擬建立了一個分析步，在初始分析步上設置約束邊界條件，限制前后端面的三個方向的位移自由度，即U1=U2=U3=0；在第一個分析步(“step-1”)上對CFRP 片材加載端設置縱向的位移邊界條件，有限元模型如圖7所示。

4.2 材料參數設置

本文假定CFRP與黏土磚在界面層發生破壞，界面層的屬性通過內聚力本構關系模型來體現，通過最大名義準則(maxs damage)來表達界面的初始損傷，采用BK準則來描述界面損傷的發展情況，根據上文對CFRP-黏土磚界面粘結-滑移關系曲線的分析確定內聚力模型所需參數，界面斷裂能臨界值Gf、界面最大剪應力τmax、S0和初始剛度k0，由斷裂能的定義可知，界面的斷裂能為曲線與x坐標軸所圍成的面積。硫酸鹽干濕循環不同周期下界面控制參數如表5所示。

彈性模量是重要的力學性能指標，是進行結構變形驗算、動力分析以及有限元模擬的一個重要參數。因此本文采用彈性模量作為體現硫酸鹽干濕循環對黏土磚力學性能的影響參數。劉桂秋[21]研究表明，黏土磚的彈性模量與抗壓強度密切相關，且隨黏土磚抗壓強度的增大而增大，黏土磚的彈性模量表達式如式(10)所示。

(10)

式中：Eb為黏土磚的彈性模量；fm為黏土磚抗壓強度。

表5 硫酸鹽干濕循環不同周期下界面控制參數Table 5 Interface control parameters under different sulfate drying and wetting cycles

根據式(10)得到不同循環周期下黏土磚的彈性模量，對不同循環周期下黏土磚的彈性模量進行無量綱處理得到硫酸鹽干濕循環作用下黏土磚彈性模量與侵蝕時間之間的關系式周期(見式(11))。

(11)

式中：Et為經硫酸鹽循環t次后黏土磚的彈性模量；E0為自然條件下黏土磚的彈性模量。

本文中自然條件下黏土磚的彈性模量為7.873×103MPa，根據式(11)可以得到硫酸鹽干濕循環40次、80次、120次的黏土磚彈性模量，分別為8.360×103MPa、8.181×103MPa、7.372×103MPa。

4.3 CFRP表面應變分布

圖8分別給出了不同荷載作用下硫酸鹽干濕循環40次和80次的試件沿長度方向的CFRP應變分布曲線，觀察圖8(a)、(b)，在荷載水平較低時，只有靠近加載端附近的應變值較大，而距離加載端越遠，應變值越小，此時荷載只是在加載端附近傳遞，隨著荷載的增加，相鄰兩測點間的應變差增大，此時界面的粘結剪應力也在增大，當荷載增加到一定值時離加載端最近的測點處的應變值達到最大，而相鄰測點間的應變值在減小，如果繼續加載，CFRP片材將從加載端開始向遠端剝離，當剩余部分的CFRP片材粘結力不足以抵擋外荷載時，試件被破壞。

從圖8可以看出，試驗所得應變分布曲線與有限元模擬所得應變分布曲線的吻合良好，因此可以用本文建立的有限元模型來分析CFRP-黏土磚界面的粘結性能。對于存在的誤差分析原因有以下兩點：其一，本文采用的內聚力本構關系模型相較于實際具有一定的假設性與適用性；其二，有限元模型中各材料滿足均勻性與同向性的要求，但實際上黏土磚的非均勻性會使得試驗值與模擬值存在一定的誤差。

圖8 CFRP應變試驗與數值模擬結果對比Fig.8 Comparison between CFRP strain test and numerical simulation results

4.4 CFRP-黏土磚荷載-滑移曲線對比分析

將硫酸鹽干濕循環作用下的荷載-滑移曲線與有限元模擬值進行比較,結果如圖9所示。圖9表明，有限元模擬結果與試驗所得荷載-滑移曲線吻合較好，經歷0次、40次、80次、120次的界面承載力相對誤差分別為3.26%、9.52%、0.79%、7.77%，在合理范圍之內。對比圖9中(b)、(d)曲線，可以看出經歷40次循環和120次循環的試驗結果與有限元模擬結果誤差較大，分析原因可能是40次循環前，黏土磚的抗壓強度增大對其產生了強化作用，致使界面的承載能力增強；而試件遭受硫酸鹽長期作用時，黏土磚抗壓強度下降較大，使得界面承載力降低，因此在硫酸鹽干濕循環次數達到120次時，從加載初期就出現較大的滑移且極限荷載低于有限元模擬結果。

圖9 不同硫酸鹽干濕循環次數下試件的荷載-滑移曲線Fig.9 Load-slip curves of specimens under different sulfate drying and wetting cycles

通過圖9可得，荷載較小時加固試件的荷載與滑移量呈近似線性關系，表明這一階段CFRP-黏土磚界面粘結處于彈性階段；隨著荷載增加，荷載-滑移曲線開始出現拐點，此時荷載保持不變而滑移量迅速增加，說明界面開始剝離；繼續加載，當界面達到極限荷載時，CFRP-黏土磚界面處發生剝離破壞。

4.5 CFRP-黏土磚界面損傷分析

試驗中很難直接觀察界面從加載開始到破壞時的整個損傷演化過程，因此本文以硫酸鹽干濕循環0次及120次后的CFRP-黏土磚界面應力分布云圖為例，對其界面損傷演化過程進行分析。對比圖10(a)、(b)可以看出界面損傷變化趨勢基本相同， CFRP 與黏土磚界面的剪應力均表現為在加載初期，界面受力區段較小，界面層端部應力較大，此時界面處于彈性階段；隨著加載進行，應力開始增大，當剪應力滿足起裂準則后，界面開始出現損傷，隨著荷載的進一步增加，剪應力峰值開始右移，加載端的應力開始減小，界面處于彈性-塑性階段；到加載的后期，界面進入塑性-剝離階段，此時表現為在靠近加載端一側的界面已經產生剝離，當荷載達到極限荷載時，在加載端附近的界面剪應力幾乎為零，而界面自由端達到峰值剪應力，界面瀕臨破壞。

圖10 界面剪應力分布云圖Fig.10 Cloud maps of interfacial shear stress distribution

5 結 論

(1)硫酸鹽干濕循環作用對CFRP片材與浸漬膠試件性能影響并不大，且兩者經過120次循環后抗拉強度、伸長率、彈性模量性能與0次相比下降幅度均在8%以內。

(2)硫酸鹽干濕循環作用對黏土磚抗壓強度與加固試件界面極限承載力影響較大，且均隨著循環次數的增加呈現先小幅度上升后明顯下降的趨勢，侵蝕前期有加強作用，但循環40次之后劣化影響較大，后期黏土磚抗壓強度與極限承載力下降很明顯。

(3)在已有的標準環境下CFRP與黏土磚界面粘結-滑移模型的基礎上引入硫酸鹽干濕循環綜合影響系數φi(t)，得到硫酸鹽干濕循環作用下CFRP與黏土磚界面粘結-滑移模型，通過對比分析此模型能準確反映硫酸鹽環境下CFRP-黏土磚界面粘結性能退化規律。

(4)在已有試驗的基礎上，利用ABAQUS軟件對硫酸鹽干濕循環作用下CFRP-黏土磚界面進行數值模擬，試驗所得應變分布曲線、荷載-滑移曲線與有限元模擬結果吻合度較好，可以用該有限元模型分析CFRP-黏土磚界面的粘結性能。

(5)數值模擬結果表明，CFRP-黏土磚界面的剝離破壞分為三個階段，分別是彈性階段，彈性-塑性共存階段以及塑性-剝離階段，且在整個剝離破壞過程中界面應力峰值基本保持不變。