FRP加固金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用研究進展

余周輝，胡芳友，崔愛永，何西常，趙培仲

（1.海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū) 航空機械系，山東 青島 266041；2.陸軍工程大學(xué)，江蘇 徐州 221004）

金屬結(jié)構(gòu)在服役過程中，經(jīng)常出現(xiàn)由于自然環(huán)境腐蝕、外部交變載荷或人為因素的破壞而引發(fā)的各種損傷。若不對這些損傷部位進行及時的修復(fù)，就會降低金屬結(jié)構(gòu)的使用性能，同時對結(jié)構(gòu)的安全留下隱患，容易引發(fā)嚴重的工程事故。傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)方法包括鉚接、螺接或焊接修復(fù)等，雖然在一定程度上可以恢復(fù)原結(jié)構(gòu)的承載能力，但這些修復(fù)方法又給修復(fù)結(jié)構(gòu)帶來新的問題[1-2]。如采用鉚接或螺接的修復(fù)方法，需要在損傷部位進行開孔、銼銑等工藝，不僅工藝復(fù)雜，效率低，還會削弱原結(jié)構(gòu)的受力界面，形成新的應(yīng)力集中[3-4]。采用焊接時產(chǎn)生的高溫作用容易造成焊接部位組織劣化、韌性下降，抵抗脆性斷裂的能力變差且焊后結(jié)構(gòu)內(nèi)部留有殘余應(yīng)力。纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymers, 簡稱FRP）的出現(xiàn)為修復(fù)金屬損傷結(jié)構(gòu)提供了全新的研究方向，F(xiàn)RP加固修復(fù)損傷金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)利用膠粘劑將 FRP粘貼在損傷金屬表面，通過一定的固化方式將損傷金屬與 FRP粘結(jié)成整體，在外部載荷作用下，通過膠層的傳遞作用使部分載荷傳遞到FRP，降低金屬結(jié)構(gòu)損傷部位的應(yīng)力集中，制止或緩解損傷處裂紋擴展速率，恢復(fù)或提高金屬結(jié)構(gòu)的承載能力。與傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)相比，F(xiàn)RP修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)具有以下明顯優(yōu)勢[5-8]。

1）FRP采用直接粘貼的形式修復(fù)損傷結(jié)構(gòu)，因而對原結(jié)構(gòu)損傷小，基本不破壞原結(jié)構(gòu)的整體性，不會形成新的應(yīng)力集中，對母材無二次損傷。

2）FRP材料具有密度低、比強度和比剛度高、抗疲勞性能好等特點。在達到同等修復(fù)效果情況下，F(xiàn)RP修復(fù)結(jié)構(gòu)幾乎不增加原結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3）FRP具有優(yōu)異的抗酸、堿、鹽等腐蝕能力。在保證有效粘貼的情況下，F(xiàn)RP對損傷區(qū)域形成封閉結(jié)構(gòu)，對腐蝕環(huán)境起到很好的隔離保護作用。

4）FRP可設(shè)計性強，因而對于不同的損傷可通過改變修復(fù)工藝來提高結(jié)構(gòu)的修復(fù)效果，豐富了修復(fù)手段。

5）FRP具有操作簡單和可成形性強等特點，通常 FRP為柔性，采用手糊粘貼的方式就可以修復(fù)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，這對于傳統(tǒng)的焊接工藝具有明顯優(yōu)勢。

目前，F(xiàn)RP加固金屬結(jié)構(gòu)按加固形式可分為兩類：FRP加固無損傷結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)表面無明顯損傷，但在服役過程中出現(xiàn)承載力無法滿足使用要求的情況；FRP加固損傷金屬結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)局部表面帶有明顯損傷，如表面劃痕、腐蝕凹坑、裂紋等，其承載力已明顯不足。通過在損傷構(gòu)件表面粘貼 FRP可恢復(fù)或提高損傷結(jié)構(gòu)的拉伸性能[9]、彎曲性能[10]、受壓性能[11]或疲勞性能[12]等。FRP加固金屬結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容主要包括以下幾方面研究： FRP加固金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計研究、FRP加固金屬結(jié)構(gòu)界面性能研究、FRP加固金屬結(jié)構(gòu)粘結(jié)工藝研究、FRP加固金屬結(jié)構(gòu)耐久性能等。文中將從以上幾個方面回顧 FRP加固金屬結(jié)構(gòu)的研究。

1 FRP加固金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

FRP加固結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究對 FRP更廣泛的應(yīng)用具有很強的指導(dǎo)意義，是FRP加固應(yīng)用的基礎(chǔ)。FRP修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)最先應(yīng)用于航空領(lǐng)域的金屬薄壁結(jié)構(gòu)，修復(fù)的方式是將 FRP粘貼于損傷處以恢復(fù)或提高結(jié)構(gòu)的承載能力，加固方式較為簡單。這一類加固方式也是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的。應(yīng)用范圍包括：軸向拉伸構(gòu)件表面粘貼 FRP提高拉伸性能[13-14]；受彎構(gòu)件表面粘貼 FRP恢復(fù)構(gòu)件剛度和承載能力[15-16]；軸心受壓構(gòu)件表面粘貼 FRP提高構(gòu)件抗壓極限承載力和受壓穩(wěn)定性[17-18]；金屬管外表面包裹粘貼 FRP提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[19-20]等，這類試樣加固形式如圖1所示。

隨著研究的深入，F(xiàn)RP加固形式也呈多樣式發(fā)展。沙吾列提·拜開依等[11]采用 GFRP套管包裹加固

角鋼構(gòu)件，對比研究了未加固試樣、僅GFRP套管加固和GFRP套管加固同時在GFRP套管與角鋼間填充竹篾三種類型試樣的抗壓性能，如圖2所示。

研究結(jié)果表明，GFRP套管加固后，試樣破壞形態(tài)由一階彎曲失穩(wěn)破壞向構(gòu)件端部局部變形破壞轉(zhuǎn)變，僅GFRP套管加固對承載力影響不大，GFRP填充加固可大幅提高構(gòu)件的承載能力，最大提高 2.86倍。Teng等[21-22]利用FRP與混凝土和鋼材相互組合，設(shè)計了一種FRP-混凝土-鋼雙臂空心構(gòu)件取代現(xiàn)有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。與原鋼筋混凝土比較，新型構(gòu)件具有自重輕、施工方便、耐腐性強、抗壓強度高、抗震性能好等優(yōu)點。盡管初始造價要略高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但從長遠利益來看，具有很好的發(fā)展前景。在此基礎(chǔ)上上，張磊等[23]研究了一種快速 FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，可在幾小時內(nèi)完成對損傷結(jié)構(gòu)的修復(fù)和養(yǎng)護。筆者首先利用已經(jīng)完成的 FRP預(yù)浸板和薄膜膠，然后在損傷位置粘貼 FRP并同時抽真空加溫養(yǎng)護。通過雙蓋板搭接節(jié)點的拉伸試驗，測量了 FRP與鋼板界面的粘結(jié)性能，研究了該種方法加固的抗彎性能。結(jié)果表明，采用該技術(shù)經(jīng)過80 ℃/4 h養(yǎng)護，F(xiàn)RP與鋼板間粘結(jié)性能良好。同時，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用高模量CFRP加固鋼梁結(jié)構(gòu)對提高鋼梁結(jié)構(gòu)的極限承載力并不一定有益，采用較低模量GFRP與高模量CFRP交替作用效果更為明顯。

FRP預(yù)應(yīng)力加固或預(yù)應(yīng)力和錨固組合加固是在無預(yù)應(yīng)力加固的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型修復(fù)技術(shù)，其目的是增大FRP的拉應(yīng)變，減小或消除FRP應(yīng)變滯后現(xiàn)象，避免 FRP過早的產(chǎn)生剝離破壞，提高 FRP的使用效率。該技術(shù)首先利用輔助設(shè)備張拉FRP到一定值后再粘貼到加固結(jié)構(gòu)表面或利用輔助設(shè)備對加固結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個受力狀態(tài)相反的變形后再粘貼FRP，從而達到抵消部分初始載荷的作用。吳濤[24]的研究結(jié)果表明，與無預(yù)應(yīng)力加固鋼梁相比，預(yù)應(yīng)力加固鋼梁結(jié)構(gòu)的剛度、屈服載荷和極限載荷都有更為明顯的提高，其提高幅度隨 CFRP用量和預(yù)應(yīng)力水平的提高而提高。彭福明等[25]利用有限元軟件對比分析了CFRP有無預(yù)應(yīng)力加固修復(fù)金屬管線的修復(fù)效果。研究結(jié)果表明：與損傷金屬管線相比，CFRP無預(yù)應(yīng)力加固后鋼管的環(huán)向應(yīng)力下降 14.8%，采用預(yù)應(yīng)力加固鋼管的環(huán)向應(yīng)力下降 47.6%。這表明相同加固材料下，采用預(yù)應(yīng)力加固可大幅提高加固效果，經(jīng)濟效果顯著。

黃麗華等[26]對比了鋼筋混凝土梁端部局部 U型錨固和全梁 U型錨固兩種布置方式對加固效果的影響。結(jié)果表明，全梁U型錨固鋼筋混凝土開裂載荷、屈服載荷和極限載荷都低于端部局部 U型錨固，全梁 U型錨固的加固方式不但造成經(jīng)濟的浪費，而且使得結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)性能下降。劉君等[27]研究了 U形纖維布加預(yù)應(yīng)力加固對鋼筋混凝土梁性能的影響，證明了施工工藝的可行性。研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力加固大幅提高了 FRP的強度使用效率，最大可達96.1%，破壞形態(tài)由剝離破壞向FRP拉斷破壞轉(zhuǎn)變。當(dāng)抗剪FRP的預(yù)應(yīng)力值超過244.84 MPa時，修復(fù)結(jié)構(gòu)長期預(yù)應(yīng)力損失約為15%。

2 FRP加固金屬結(jié)構(gòu)界面性能研究

FRP加固金屬結(jié)構(gòu)，部分載荷是通過膠層的剪切變形傳遞到FRP補片，因而FRP與金屬界面的有效粘結(jié)是保證有效修復(fù)的前提?，F(xiàn)有的研究表明，F(xiàn)RP粘結(jié)修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)常見的破壞形式主要有：膠層與金屬界面剝離破壞、膠層與 FRP界面剝離破壞、膠層內(nèi)聚破壞、FRP內(nèi)部分層破壞、FRP斷裂破壞。按目前有機樹脂性能而言，樹脂與纖維間浸潤性較好，很少出現(xiàn)第四種破壞。由于纖維材料具有高強度、高模量的特點，也較少出現(xiàn)第一種破壞。前三種是實際工程中最常出現(xiàn)的三種界面剪切破壞，因而纖維布-金屬構(gòu)件間的界面性能也成為一個主要研究熱點。國內(nèi)外也進行了大量的纖維布-金屬構(gòu)件界面粘接性能試驗，取得了較為豐富的研究成果。影響 FRP-金屬界面粘結(jié)性能的因素很多，包括纖維布和樹脂種類、補片粘結(jié)長度、補片粘結(jié)寬度、補片層數(shù)、金屬與FRP表面處理工藝、粘結(jié)工藝以及固化工藝等，且各因素之間存在相互耦合，因而問題較為復(fù)雜。研究方法包括試驗研究和理論研究兩方面，所用試驗研究方法主要有剪切粘結(jié)強度試驗、正拉粘結(jié)強度試驗和簡支梁試驗等[28-29]，如圖3所示。

馬建勛[30]等采用單剪試驗方法研究了碳纖維布-鋼構(gòu)件的抗剪粘結(jié)性能，分析了碳纖維布的粘結(jié)長度、寬度比、層數(shù)以及粘結(jié)工藝等參數(shù)對復(fù)合構(gòu)件粘結(jié)性能的影響，并對碳纖維布-鋼構(gòu)件截面應(yīng)力分布進行了分析。試驗過程發(fā)現(xiàn)，碳纖維布與鋼構(gòu)件的粘結(jié)強度隨粘結(jié)長度增加呈非線性增加，從應(yīng)力分析來看，纖維布存在“有效粘結(jié)長度”，超過一定長度后應(yīng)力梯度基本不再變化，未起到傳遞載荷作用。纖維布粘結(jié)寬度與帶加固鋼板寬度比對粘結(jié)應(yīng)力有一定影響，但效果要比粘結(jié)長度小得多。相比較而言，碳纖維層數(shù)對粘結(jié)強度影響較大，粘貼兩層碳纖維布比粘貼一層碳纖維布粘結(jié)強度提高 76.9%～104.3%。由于各影響因素并非獨立存在，兩兩之間相互耦合。筆者通過理論分析采用應(yīng)力集中系數(shù)η綜合考慮各因素對加固效果的影響，表達式為：

式中：λ為膠層最大剪應(yīng)力；E1，E2分別為FRP和鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量；t1，t2分別為FRP和鋼結(jié)構(gòu)厚度。按照盡量降低界面應(yīng)力集中系數(shù)的原則，文獻給出了工程應(yīng)用中應(yīng)盡量選取高模量的 FRP和低剪切模量的膠粘結(jié)，同時適量增加 FRP和膠層的厚度等非常具有指導(dǎo)意義的建設(shè)意見。

楊勇新[31]等通過CFRP與鋼板的拉伸剪切試驗，研究了粘結(jié)劑種類、CFRP層數(shù)、粘結(jié)寬度、鋼板材質(zhì)、鋼板厚度及養(yǎng)護溫度等因素對界面粘結(jié)性能的影響，對探討了不同因素對試樣破壞過程、破壞形態(tài)、粘結(jié)界面應(yīng)力分布特點和CFRP應(yīng)變分布的影響。結(jié)果表明，鋼板的材質(zhì)和鋼板厚度對有效粘結(jié)長度和極限承載力基本沒有影響。在其他條件一致的情況下，選擇不同的粘結(jié)劑，試樣的有效粘結(jié)長度與極限載荷有明顯不同。增加CFRP的粘結(jié)寬度，有效粘結(jié)長度也基本未發(fā)生變化，但極限載荷有明顯提高。增加CFRP的粘結(jié)層數(shù)，試驗破壞形態(tài)由CFRP于鋼板界面剝離破壞向CFRP層間破壞轉(zhuǎn)變，有效粘結(jié)長度和極限承載能力都有增大趨勢。

彭福明[32]等采用有限元軟件分析了鋼板的性能、FRP材料的性能、粘結(jié)劑的性能、FRP厚度、粘結(jié)劑厚度、溫度等參數(shù)對粘結(jié)界面應(yīng)力的影響，根據(jù)分析結(jié)果給出了幾種改善界面應(yīng)力傳遞的措施。分析結(jié)構(gòu)表明，增加 FRP與鋼板剛度比，F(xiàn)RP端部剪應(yīng)力與剝離應(yīng)力增加，減小 FRP與鋼板剛度比，F(xiàn)RP端部剪應(yīng)力與剝離應(yīng)力減小。選擇剪切模量更大的粘結(jié)劑，界面剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力增加而應(yīng)力分布長度減小。增加粘結(jié)劑的厚度，界面剪應(yīng)力和剝離應(yīng)力減小，應(yīng)力分布長度增加。當(dāng) FRP端部界面應(yīng)力較大時，容易引起粘結(jié)界面的剝離破壞，因而在工程實際中可采用一定的措施降低端部界面的應(yīng)力集中。筆者建議采用FRP端部錨固、FRP端部溢膠、FRP端部45 ℃倒角等措施在一定程度上可以降低 FRP端部界面應(yīng)力集中。

文獻[33-34]基于斷裂力學(xué)法對 FRP加固鋼結(jié)構(gòu)界面進行了理論研究。斷裂力學(xué)法通過比較裂紋擴展過程的能量釋放率G和裂紋擴展所需臨界能量釋放率Gcr的大小，確定膠層裂紋是否穩(wěn)定。臨界能量釋放率Gcr通過材料試驗獲得，能量釋放率G通過分析方法或有限元計算獲得，簡化的能量釋放率G表達式為：

式中：bf表示FRP寬度；Δb表示膠層粘結(jié)界面裂紋擴展長度；U(b)為膠層裂紋長度為b時的總應(yīng)變能；U(b+Δb)為膠層界面裂紋長度為b+Δb時的總應(yīng)變能。當(dāng)b足夠小時，通過計算膠層界面裂紋長度從b到b+Δb的總應(yīng)變能即可得到能量釋放率。研究結(jié)果表明，增加 FRP的長度可以降低能量釋放率，緩解膠層裂紋擴展。增大 FRP的彈性模量和厚度，加固效果越好，但膠層界面能量釋放率也逐漸增加，容易達到臨界能量釋放率引發(fā)膠層界面裂紋擴展，粘結(jié)界面變得不穩(wěn)定。因而，F(xiàn)RP的彈性模量和厚度也并非越大越好。

3 FRP加固金屬結(jié)構(gòu)粘結(jié)工藝研究

國內(nèi)外對 FRP加固結(jié)構(gòu)的粘結(jié)工藝研究較多，按研究的內(nèi)容可以分為：FRP材料的性能、尺寸、厚度、膠層的屬性及待加固材料自身性能對加固效果的影響[35-38]；金屬和 FRP表面處理工藝對加固效果的影響[39-46]；粘貼方式對加固效果的影響[47-50]。

3.1 工藝參數(shù)

楊勇新等[35]通過 FRP加固未損傷鋼板和損傷鋼板的靜力拉伸試驗，探討了不同纖維布及不同粘結(jié)工藝對修復(fù)效果的影響，測量了碳纖維的應(yīng)力分布，并對不同破壞形態(tài)進行了分析。試驗結(jié)果表明，損傷鋼板加固后的屈服載荷得到明顯提高，極限載荷提升較小，而未損傷加固試樣的屈服載荷和極限載荷變化均不明顯。相同載荷下，高模量碳纖維布加固的試件粘結(jié)應(yīng)力較高，F(xiàn)RP與鋼板之間的粘結(jié)應(yīng)力主要集中在端部區(qū)域。當(dāng)采用 FRP端部無錨固時，鋼板發(fā)生屈服后碳纖維布很快發(fā)生剝離破壞，此時碳纖維布利用率較低。當(dāng)采用 FRP端部壓條錨固或纏繞錨固時，碳纖維布剝離破壞延后，修復(fù)構(gòu)件屈服載荷得到更為明顯的提高。此外，對于采用端部錨固的未損傷試樣，未粘結(jié)區(qū)域鋼板拉斷時碳纖維布仍未發(fā)生剝離。

Tavakkolizadeh等[36]通過四點彎曲試驗，探討了CFRP加固完好鋼-梁結(jié)構(gòu)及損傷結(jié)構(gòu)的加固效果，研究了CFRP粘貼層數(shù)、預(yù)損傷等級等因素對CFRP加固修復(fù)鋼-梁混凝土結(jié)構(gòu)加固效果的影響。多層粘貼時采用逐層內(nèi)收的方式，三層粘貼時補片長度分別為3.95，3.65，3.35 cm，五層粘貼時補片長度分別為3.95，3.80，3.65，3.50，3.35 cm。與未加固梁相比，加固完好鋼-梁結(jié)構(gòu)粘貼一層、三層、五層 CFRP的加固結(jié)構(gòu)極限承載力分別提高44%，51%和76%，破壞形態(tài)也由一層混凝土壓碎破壞向三層補片剝離破壞和五層腹板破壞轉(zhuǎn)變。當(dāng)分別采用一層、三層和五層加固預(yù)損傷等級為 25%，50%和 100%的損傷結(jié)構(gòu)時，修復(fù)結(jié)構(gòu)的彈性模量分別提高 91%，102%和 86%，承載能力分別提高20%，80%和10%，表明當(dāng)損傷等級較大時，加固效果明顯下降。

馬建勛等[37]對粘貼不同面積 CFRP加固的鋼板進行了單軸拉伸試驗，研究了CFRP粘結(jié)面積對修復(fù)結(jié)構(gòu)承載力和延性的影響，并對CFRP與鋼板之間協(xié)調(diào)變形、破壞機理進行了分析。實驗結(jié)果表明，與未粘貼碳纖維布的試件相比，粘貼碳纖維布試件的屈服載荷和極限載荷都有較大提高，其提高幅度隨粘結(jié)面積增加而增大。修復(fù)試樣的破壞模式是補片發(fā)生剝離破壞，未能充分發(fā)揮補片的作用，因而良好的粘結(jié)工藝和膠的粘結(jié)強度是保證有效修復(fù)的前提。

Sean C等[38]進行了8個含中心裂紋和21個邊裂紋CFRP加固鋼板的疲勞試驗，分析了CFRP類型、長度、寬度粘貼方式等因素對加固效果的影響。結(jié)果表明，采用高模量的CFRP具有更好的加固效果，F(xiàn)RP雙面加固剩余疲勞壽命提高幅度大于單面加固。

3.2 表面處理工藝

表面處理工藝（包括待加固金屬表面處理和FRP表面處理）的選擇對界面性能有重要影響，是 FRP修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟之一。常見的金屬表面處理工藝主要包括機械處理、化學(xué)處理和電化學(xué)處理。纖維表面處理主要包括氧化處理、表面涂層處理、等離子處理、化學(xué)接枝等。

趙培仲等[39]通過 GFRP修復(fù)損傷鋁板的拉伸試驗，研究了外場環(huán)境下采用丙酮清洗、砂紙打磨、噴砂、酸洗等多種工藝處理待修復(fù)鋁合金表面對修復(fù)效果的影響。結(jié)果表明，不同的表面處理工藝對修復(fù)效果有很大影響。簡單的溶劑清洗修復(fù)效果較差，酸洗容易對原結(jié)構(gòu)造成額外損傷，采用砂紙打磨或噴砂+溶液清洗可達到較好的修復(fù)效果。蔡洪能等[40]采用CFRP加固張開型裂紋鋼結(jié)構(gòu)，比較了10%鉻酸腐蝕、80#砂紙打磨、5%硝酸腐蝕、隨機打洋眼+5%硝酸腐蝕和 100#金剛砂噴砂等不同鋼結(jié)構(gòu)表面處理對 FRP-鋼粘結(jié)接頭剪切強度的影響，對比了加固前后裂紋擴展和疲勞壽命。試驗結(jié)果表明，采用隨機打洋眼+5%硝酸腐蝕和 100#金剛砂噴砂處理可獲得較好的粘結(jié)性能，加固結(jié)構(gòu)裂紋擴展速率得到抑制，疲勞循環(huán)次數(shù)得到明顯提高。Liu J和Zhang Jinsheng等[41-42]研究結(jié)果也表明，表面處理工藝對加固結(jié)構(gòu)的初始加固效果和耐久性能都有重要影響。

許小芳等[43]采用硅烷偶聯(lián)劑 KH550，KH560，KH570對玄武巖纖維進行表面處理，研究了不同表面處理對玄武巖纖維增強復(fù)合材料界面粘結(jié)性能的影響。結(jié)果表明，纖維表面的偶聯(lián)劑與樹脂形成化學(xué)鍵合或IDIPN，F(xiàn)RP界面粘結(jié)性能和耐水性能都得到不同程度的提高。Yuan等[44]采用浸漬法研究了硅烷偶聯(lián)劑處理對鋁合金氧化膜性能的影響。結(jié)果表明，偶聯(lián)劑溶液浸泡5 s所得氧化膜的強度與鉻酸鹽溶液處理30 min效果相當(dāng)，具有廣闊的發(fā)展前景。

易增博等[45]研究了去離子水超聲、濃硝酸浸泡、濃硝酸超聲等表面處理工藝對CFRP結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，表面處理增強了碳纖維與樹脂界面間的機械和化學(xué)作用，界面粘結(jié)強度和抗拉強度得到明顯提高。Peng等[46]采用等離子和超聲技術(shù)對CFRP進行表面處理。結(jié)果表明，等離子和超聲處理使得聚合物的分布更加均勻，提高了聚合物對纖維的浸潤性，界面缺陷減少，CFRP的性能得到大幅提升。

3.3 粘貼方式

FRP加固方式主要可以分為外貼法和嵌入式貼法兩種，每種方法具體又可分為好幾種，同一損傷試樣，采用不同的粘貼方式對加固效果有很大影響。與外貼法相比，嵌入式貼法與修復(fù)結(jié)構(gòu)整體性更強，有效克服了由于補片粘結(jié)失效引起的剝離破壞，F(xiàn)RP利用率明顯提高。目前，外貼法在混凝土和金屬結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域都有應(yīng)用，嵌入式貼法還主要應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)，金屬結(jié)構(gòu)加固研究還很少。王海濤等[47]研究了以等剛度為原則，采用 FRP平鋪和疊加兩種外貼加固方式對含中心裂紋和單邊裂紋鋼板的應(yīng)力強度因子和裂紋擴展壽命的影響。結(jié)果表明，同一加固方式下，F(xiàn)RP厚度與裂紋初始長度對加固鋼板的裂紋擴展壽命有較大影響。對于含中心裂紋鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng) FRP厚度較小時，疊加方式的加固效果優(yōu)于平鋪方式；反之當(dāng) FRP厚度較大時，平鋪方式的加固效果優(yōu)于疊加方式。對于含單邊裂紋結(jié)構(gòu)，疊加加固方式的裂紋擴展壽命要遠高于平鋪方式。因而在實際工程中，應(yīng)根據(jù)損傷類型選擇相對應(yīng)的加固方式。

Blaschko等[48]對比了采用碳纖維布外貼加固和嵌入式加固的雙剪試驗。結(jié)果表明，嵌入式加固的粘結(jié)強度要明顯高于外貼加固。Tarek等[49]的研究結(jié)果也表明，采用嵌入式加固，纖維布與待加固結(jié)構(gòu)的有效粘結(jié)面積增加，纖維布的利用率得到有效提高。當(dāng)其他條件一致時，CFRP嵌入式的加固效率是外貼加固的3倍，嵌入式加固試樣的性能明顯高于外貼加固試樣。曾憲桃等[50]通過CFRP加固鋼筋混凝土的彎曲試驗，分析了內(nèi)嵌加固對加固結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)、開裂彎矩、極限載荷的影響，并對比了內(nèi)嵌加固與外貼加固對修復(fù)結(jié)構(gòu)的區(qū)別。結(jié)果表明，與外貼加固相比，內(nèi)嵌加固具有更好的加固效果，極限載荷提高 15.5%～22.7%。

4 FRP加固金屬結(jié)構(gòu)耐久性能

大多數(shù)FRP修復(fù)結(jié)構(gòu)在使用過程中都暴露在各種環(huán)境下，不同的環(huán)境會對修復(fù)結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生明顯的影響。20世紀80年代，國外學(xué)者已展開FRP加固結(jié)構(gòu)的耐久性研究，國內(nèi)起步較晚，研究的內(nèi)容包括樹脂和FRP等加固材料的耐久性[51]、FRP與待修復(fù)結(jié)構(gòu)粘結(jié)界面的耐久性[52]、FRP修復(fù)結(jié)構(gòu)的耐久性[53]。

任慧韜等[51]采用人工加速老化試驗方法，通過對比老化前后的拉伸試驗，研究了采用膠粘劑 A和 B浸漬的GFRP和CFRP在凍融環(huán)境、堿性環(huán)境、濕熱環(huán)境、浸水環(huán)境下其性能的變化。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)劑在人工加速老化（試驗箱溫度45 ℃，相對濕度70%，降雨周期20～120 min，氙燈功率6 kW）1000 h后，膠粘劑拉伸性能未出現(xiàn)明顯退化，壓縮性能和彎曲性能均有一定下降。23 ℃環(huán)境下FRP自來水浸泡30 d，CFRP的拉伸性能基本沒有發(fā)生明顯變化，而GFRP的抗拉強度和極限應(yīng)變分別下降 10%和 8%，彈性模量變化不大，CFRP的耐水性能明顯優(yōu)于GFRP。凍融循環(huán)（溫度為－17～8 ℃）100次后，CFRP的抗拉強度和極限應(yīng)變分別下降4.4%和5.1%，GFRP的抗拉強度和極限應(yīng)變分別下降10%，彈性模量未發(fā)生明顯變化。濕熱環(huán)境（溫度40 ℃，濕度98%）下老化1000 h后，CFRP拉伸性能變化不大，GFRP出現(xiàn)明顯下降。其中，采用膠粘結(jié) A浸漬的 GFRP抗拉強度下降26%，彈性模量下降12%，采用膠粘劑B浸漬的GFRP抗拉強度下降16%，彈性模量下降17%。25 ℃氫氧化鈣飽和溶液浸泡30 d，未預(yù)涂粘結(jié)劑的CFRP和GFRP抗拉強度分別下降35%和74%，預(yù)涂膠粘劑的CFRP抗拉強度基本不變，GFRP抗拉強度下降52%，表明堿性環(huán)境對 FRP片材有明顯的侵蝕作用，CFRP的耐堿性能優(yōu)于 GFRP，同時采用表面預(yù)涂粘結(jié)劑的方式可有效提高FRP的耐堿性能。

Jonathan等[52]研究了pH為8.5的海水環(huán)境、pH為3的酸性環(huán)境、pH為12的堿性環(huán)境、pH為7的水環(huán)境、60 ℃和72 ℃的高溫環(huán)境和38 ℃/濕度100%的濕熱環(huán)境對樹脂、FRP與混凝土界面和 FRP與鋼結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的影響。研究結(jié)果表明，紫外線輻照后，樹脂的脆性增加。隨著溫度、濕度的增加，樹脂的彈性模量、抗拉強度逐漸下降，而斷裂延伸率有所增加。堿性環(huán)境、酸性環(huán)境和水環(huán)境對 FRP-混凝土結(jié)構(gòu)和FRP-鋼結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能都有一定的不利影響，其中，堿性環(huán)境下 FRP粘結(jié)結(jié)構(gòu)界面性能最大，酸性環(huán)境和水環(huán)境次之。

胡安妮[53]分別研究了載荷和腐蝕環(huán)境共同作用對FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)和FRP加固鋼結(jié)構(gòu)耐久性的影響。試驗表明，干濕循環(huán)對 FRP-混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能有一定不利影響，粘結(jié)試件極限載荷隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈逐漸下降趨勢。當(dāng)預(yù)加載荷與腐蝕環(huán)境共同作用時，與只有干濕環(huán)境作用試件相比，相同干濕循環(huán)次數(shù)內(nèi)，當(dāng)預(yù)加載荷（低于30%極限載荷）較小時，極限載荷并未出現(xiàn)明顯下降；當(dāng)預(yù)加載荷（大于50%極限載荷）較大時，試樣極限載荷出現(xiàn)較大幅度下降。FRP和鋼結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)和干濕循環(huán)環(huán)境下的界面粘結(jié)性能試驗表明，凍融循環(huán)和干濕循環(huán)處理后，F(xiàn)RP加固鋼結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)性能出現(xiàn)大幅下降。干濕循環(huán)15次試樣粘結(jié)極限載荷下降57%，凍融循環(huán)25次試樣粘結(jié)極限載荷下降 60%。當(dāng)預(yù)加載荷與干濕環(huán)境共同作用 FRP-鋼結(jié)構(gòu)時，F(xiàn)RP-鋼結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能變得不穩(wěn)定，極限載荷大幅下降，當(dāng)預(yù)加載荷為極限載荷30%時，干濕循環(huán)120次后試樣極限載荷下降幅度達78%。

總結(jié)已有的部分研究成果，可將環(huán)境因素對FRP加固結(jié)構(gòu)的影響歸為以下幾類[54-57]。

1）溫度、水分、化學(xué)介質(zhì)等環(huán)境因素對粘結(jié)劑都有較為明顯的劣化作用，膠粘結(jié)的抗拉強度、抗壓強度和彈性模量等都逐漸下降。酸、堿性環(huán)境對CFRP有一定的劣化作用，干濕環(huán)境、凍融環(huán)境、溫度、濕度等對CFRP的抗拉強度、彈性模量和斷裂延伸率影響則很小，某些性能還有所提高。與CFRP相比，GFRP受酸、堿性環(huán)境影響更大。在干濕環(huán)境、凍融環(huán)境、高溫高濕環(huán)境作用下，GFRP的抗拉強度、彈性模量和斷裂延伸率都有不同程度的下降。總體而言，加固材料中，粘結(jié)劑性能受環(huán)境影響最大，CFRP的耐久性能優(yōu)于GFRP。

2）酸性環(huán)境、堿性環(huán)境、干濕環(huán)境、凍融環(huán)境、濕熱環(huán)境、應(yīng)力環(huán)境等對 FRP加固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)性能都有較為明顯的不利影響。老化處理后，界面粘結(jié)強度下降明顯，原因主要是環(huán)境因素的作用使得膠粘劑產(chǎn)生膨脹、溶解、龜裂等，使得膠粘劑自身粘結(jié)性能下降明顯。其次，侵蝕介質(zhì)滲入粘結(jié)界面取代粘結(jié)劑，削弱界面的粘結(jié)強度。與單一環(huán)境因素作用試樣作對比，當(dāng)兩種或兩種以上環(huán)境共同作用時，界面粘結(jié)性能下降速率呈上升趨勢，粘結(jié)界面性能變得非常不穩(wěn)定。

3）酸性環(huán)境、堿性環(huán)境、干濕環(huán)境、凍融環(huán)境、濕熱環(huán)境、應(yīng)力環(huán)境等對 FRP加固結(jié)構(gòu)的抗拉、抗彎或抗壓性能都有一定的不利影響。老化處理后，粘結(jié)界面成為加固結(jié)構(gòu)的薄弱單元，F(xiàn)RP與加固結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)能力下降，容易過早地發(fā)生 FRP與加固結(jié)構(gòu)界面剝離破壞，F(xiàn)RP的利用率嚴重下降。選擇不同的膠粘結(jié)、不同的表面處理工藝以及加固工藝等對加固結(jié)構(gòu)的耐久性能也有一定影響。

上述研究成果也為將來如何提高加固結(jié)構(gòu)的耐久性能提供了研究方向。

1）研制性能更優(yōu)異的膠粘劑，提高膠粘劑的交聯(lián)度、耐水性能、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及與被粘物的粘結(jié)性能等。

2）選擇更好的工藝對被粘材料進行表面處理，使膠粘劑與被粘物表面充分浸潤，減少界面粘結(jié)缺陷，提高粘結(jié)劑與被粘物界面的物理或化學(xué)連接。

3）選擇合理的粘結(jié)工藝。粘結(jié)工藝的不同對加固結(jié)構(gòu)耐久性也有一定的影響，如含膠量、FRP尺寸、補片層數(shù)、粘貼方式等。

4）加固后的表面防護措施。采用防腐涂層對粘結(jié)區(qū)域進行表面防護可在一定程度上延緩水或其他腐蝕對FRP的侵蝕，改善加固結(jié)構(gòu)的耐久性。

5 結(jié)論與展望

FRP加固金屬結(jié)構(gòu)作為一種新型修理技術(shù)，已經(jīng)得到越來越多的研究和應(yīng)用，盡管已取得一定的成就，但作為一種新技術(shù)，仍有很多問題亟待解決。未來應(yīng)重點研究以下幾個方面的內(nèi)容：盡快制定相應(yīng)的行業(yè)標準和具體的修理準則，使修理過程規(guī)范化；新型加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究，使 FRP修復(fù)金屬技術(shù)得到更廣闊的應(yīng)用；研制新型高性能材料，包括提高FRP材料和粘結(jié)劑性能，降低 FRP價格等；表面不規(guī)則構(gòu)件的損傷修理研究；表面處理工藝的研究，提高修理結(jié)構(gòu)粘接性能；修復(fù)效果的評估準則和測試方法的研究。

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