濕熱環(huán)境下粘鋼加固混凝土界面的粘結(jié)性能

姚國文，劉宇森，吳甜宇，李世亞

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地；土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

粘貼鋼板加固法是修復(fù)受損混凝土結(jié)構(gòu)并延長其剩余使用壽命的常用加固方法，在廣泛使用的同時存在著諸多耐久性問題[1]。而在西南地區(qū)的濕熱環(huán)境長期作用下，膠粘劑的抗拉強(qiáng)度、彈性模量明顯降低，環(huán)氧樹脂的變形性能也會發(fā)生改變[2]，使得帶裂縫工作的混凝土結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生碳化、化學(xué)腐蝕、鋼筋銹蝕及粘鋼材料界面滑移等耐久性能的劣化，對加固結(jié)構(gòu)的耐久性極為不利，不能滿足正常使用壽命周期內(nèi)的安全性、可靠性[3]。因此，濕熱環(huán)境下粘鋼加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究，具有重要的指導(dǎo)意義和工程價值。

鋼板和混凝土之間良好的粘結(jié)性能保證了兩者之間的荷載傳遞，直接關(guān)系著加固結(jié)構(gòu)的效果[4]。 已有研究表明[5]，粘鋼加固混凝土界面的粘結(jié)應(yīng)力主要為剪應(yīng)力，加固構(gòu)件的失效形式不是加固材料的受拉破壞，而是在外貼鋼板和混凝土界面粘結(jié)處，因抗剪承載力不足而引起的剝離失效。而實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的腐蝕劣化環(huán)境會加速其脆性破壞，這種破壞不同于粘貼纖維補(bǔ)強(qiáng)聚合物(FRP)加固的軟化段破壞,不僅造成鋼材的浪費(fèi)，而且影響加固結(jié)構(gòu)的安全性。近年來，學(xué)者們采用試驗(yàn)方法和有限元模擬對粘鋼加固混凝土結(jié)構(gòu)的整體受力特性[6-7]、界面剝離行為[8]、疲勞性能[9]進(jìn)行了研究，但考慮濕熱環(huán)境下粘鋼加固耐久性的研究較少，而纖維粘貼加固在這方面的研究較多：Shrestha等[10]通過潮濕環(huán)境作用下的FRP與混凝土試樣，研究了濕度對界面粘結(jié)強(qiáng)度及組成材料耐久性的影響；Dai等[11]考慮高溫環(huán)境對FRP與混凝土界面粘結(jié)滑移行為的影響，從斷裂力學(xué)角度確定了界面斷裂能和脆性系數(shù)的雙參數(shù)曲線模型；胡克旭等[12]研究了溫度作用下膠粘劑性能對碳纖維(CFRP)-混凝土界面有效黏結(jié)長度的影響，并以膠粘劑玻璃化溫度與試驗(yàn)溫度的溫差值參數(shù)對存在膠體軟化段的界面剪切性能進(jìn)行修正及預(yù)測。然而，加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性試驗(yàn)研究都集中于單一環(huán)境溫度或濕度，考慮溫濕度耦合作用的試驗(yàn)研究較少。

為探明實(shí)際服役環(huán)境尤其是濕熱耦合環(huán)境對粘鋼加固結(jié)構(gòu)造成的耐久性損傷，以鋼板-混凝土為研究對象，在環(huán)境溫度、濕度的耦合作用下，對鋼板-混凝土試件進(jìn)行雙剪試驗(yàn)，測量鋼板應(yīng)變分布，并分析粘結(jié)界面在濕熱環(huán)境中的剪切性能，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果提出考慮環(huán)境折減系數(shù)的粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型，以評價濕熱環(huán)境對界面耐久性能的影響。

1 鋼板-混凝土界面雙剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及試件制作

鋼板-混凝土試件由混凝土、鋼板、粘鋼膠、鋼筋4種材料構(gòu)成。參照《道路建筑材料》確定試驗(yàn)混凝土配合比為水泥∶碎石∶砂∶水=1∶1.33∶3.10∶ 0.39，采用重慶市拉法水泥有限公司生產(chǎn)的LARFAGE牌P.O 42.5R型普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑5～20 mm的碎石，細(xì)骨料為細(xì)砂，制備強(qiáng)度等級為C40的混凝土立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)，通過液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行立方體試件的力學(xué)性能試驗(yàn)，實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度fcu,k為42.5 MPa，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50367—2013)換算得到混凝土力學(xué)性能參數(shù)，見表1。鋼板采用重慶鋼鐵有限公司生產(chǎn)的Q235B熱軋普碳鋼板，厚度為3 mm，針對西南地區(qū)高溫、潮濕、多雨的氣候特點(diǎn)，采用可在濕熱環(huán)境中正常粘接的普通粘結(jié)劑——四川隆昌承華牌CH-2C手涂式環(huán)氧粘鋼AB膠，按重量比10∶3配制，鋼板和環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑的力學(xué)性能見表2、表3。采用公稱直徑22 mm的HRB400級月牙肋鋼筋，長度為460 mm，起輔助加載作用。

表1 混凝土的力學(xué)性能Table 1 Measured mechanical property of concrete

表2 鋼板的力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of steel plate

混凝土試塊截面尺寸為150 mm×150 mm，長度為300 mm，由兩個帶有鋼筋的混凝土試塊組成雙剪試驗(yàn)試件，如圖1。在澆筑試塊前埋入帶肋鋼筋，埋入混凝土長度為300 mm，并將其穿過截面形心處預(yù)留的鋼筋外徑大小的木模板，從孔口延伸出150 mm ，便于加載，也使兩個混凝土試塊中用來實(shí)施加載的鋼筋保持在同一直線上，保證界面在加載過程中處于純剪狀態(tài)，避免所測試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

圖1 雙剪試件(單位：mm)Fig. 1 Double-shear specimens

根據(jù)《鋼材力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)取樣規(guī)定》(GB 2975—1982)裁制鋼板，鋼板長度290 mm，厚度3 mm，鋼板與混凝土粘結(jié)寬度80 mm，混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，在混凝土表面進(jìn)行打磨并采用丙酮清洗，用滾筒刷涂抹底膠，待底膠干燥后混凝土表面無氣泡、無缺漏時雙面粘貼鋼板，并采用加壓工具壓實(shí)24 h，再置于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)10 d，直至環(huán)氧樹脂粘結(jié)膠完全固化，如圖2。

圖2 粘貼鋼板制作過程Fig.2 Manufacturing process of bonded steel

1.2 試驗(yàn)方案

為避免室外環(huán)境暴露使試驗(yàn)針對性不強(qiáng)、可重復(fù)性不高，采用室內(nèi)加速試驗(yàn)，分析界面在濕熱環(huán)境中的剪切粘結(jié)耐久性能。根據(jù)西南地區(qū)亞熱帶氣候高溫、潮濕、多雨的大氣環(huán)境，選取試驗(yàn)特征溫度為8(冬季室溫)、25、60 ℃，濕度為78%(冬季室內(nèi)濕度)、85% RH、95% RH，模擬濕熱環(huán)境。同時，考慮到溫度與濕度的耦合作用，采用全面試驗(yàn)，因素為環(huán)境變量中的溫度、濕度、腐蝕時間，將兩對濕熱環(huán)境(25 ℃/85%RH)、(60 ℃/95%RH)交叉組合，設(shè)置4種工況(25 ℃/85%RH)、(25℃/95%RH)、(60 ℃/85%RH)、(60℃/95%RH)，將鋼板-混凝土試件分批次置于高低溫濕熱環(huán)境試驗(yàn)箱中，該儀器是上海多禾試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DSCR-53-4 0-P-A型步入式高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱，可在1 h內(nèi)提高精準(zhǔn)的試驗(yàn)環(huán)境，并通過放置于試驗(yàn)箱的溫度計、濕度計，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如圖3。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367—2013)及《纖維增強(qiáng)塑料性能實(shí)驗(yàn)方法總則》(GB/T 1446—2005)對恒溫恒濕處理?xiàng)l件的規(guī)定，分別進(jìn)行5、10、15 d的加速濕熱老化，并與未經(jīng)過濕熱處理的室溫組試件(8 ℃/78%RH) 對比，共9組，每組3個試件，試驗(yàn)分組見表4。試驗(yàn)主要考慮高溫高濕的最不利環(huán)境，對(25 ℃/85%RH)、(60 ℃/85%RH)試件組僅開展5 d的濕熱老化試驗(yàn)。

圖3 放置于高低溫濕熱環(huán)境箱的雙剪試件Fig.3 Double-shear specimens placed in the high and low temperature hydrothermal environment

1.3 試驗(yàn)加載及測試內(nèi)容

雙剪試驗(yàn)的加載是通過兩個混凝土試件中間的千斤頂向兩端推出來實(shí)現(xiàn)，但較難準(zhǔn)確控制加載過程的荷載步。試驗(yàn)對此做了改進(jìn)，利用帶肋鋼筋表面凸起的肋紋與試塊混凝土的機(jī)械咬合力及接觸面上的摩擦力，由試塊兩端伸出的鋼筋實(shí)現(xiàn)間接加載。加載前，通過夾具將混凝土試塊的上下端夾緊，將電子數(shù)顯千分表布置在兩個混凝土塊中間；加載開始，對下夾頭施加荷載，鋼筋與混凝土的粘結(jié)作用將鋼筋的受力傳給混凝土；荷載增加，鋼板與混凝土試塊產(chǎn)生相對位移，實(shí)現(xiàn)界面在加載過程中純剪切狀態(tài)。

表4 試驗(yàn)分組Table 4 Test groupings

注：試件編號首字母S表示試件進(jìn)行的雙剪試驗(yàn)，各數(shù)字表示每種工況下有3個獨(dú)立試件、濕熱環(huán)境、老化時間。

濕熱老化后，在室溫條件下，待試件自然曬干，在100 t微機(jī)控制電液伺候萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載試驗(yàn)，如圖4。采用荷載控制，分級荷載取S組試件極限荷載的5%，5 kN為一級，下夾頭以0.5 kN/s的加速度向下施加荷載，每級荷載穩(wěn)定15 s，記錄破壞過程；鋼板外表面布置應(yīng)變片，通過YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，并用電子數(shù)顯千分表測量兩個混凝土試塊間的相對位移；分級加載至鋼板與混凝土試塊完全脫離，觀察試件粘結(jié)面、混凝土的破壞形態(tài)，并記錄界面破壞時的極限荷載。其中，混凝土塊間距為50 mm，沿試件間隔中線(加載端)向一側(cè)混凝土試塊方向(自由端)均勻布置應(yīng)變片，間距為35 mm，在選取的5個測點(diǎn)截面上橫向布置3個應(yīng)變片，進(jìn)行數(shù)據(jù)校核，測點(diǎn)布置如圖5。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備及加載

圖5 應(yīng)變測點(diǎn)布置Fig.5 Measurement point arrangement of

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞模式

所有試件都表現(xiàn)為鋼板與混凝土粘結(jié)面的剪切剝離破壞。加載初期，鋼板應(yīng)變值很小，僅在加載端附近的1～2個應(yīng)變片約45 mm范圍內(nèi)有讀數(shù)；隨著荷載增加，千分表讀數(shù)變大，鋼板與混凝土間的滑移更加明顯，加載端附近應(yīng)變急劇增加，并能聽到輕微響聲；繼續(xù)加載，接近界面粘結(jié)強(qiáng)度時，千分表讀數(shù)急劇上升，鋼板與混凝土間相對位移凸顯。最終，“咔嗒”一聲，試件由于界面剪應(yīng)力過高而產(chǎn)生剝離破壞，鋼板與混凝土完全脫離，不再有殘余應(yīng)變，膠層保留在鋼板和混凝土上。

試件界面的破壞模式可能表現(xiàn)為鋼板破壞、膠層破壞、界面表層混凝土破壞。圖6(a)為室溫環(huán)境下的破壞形態(tài)，鋼板表面粘有一層骨料混凝土，破壞發(fā)生在表層混凝土；對比圖6(b)濕熱老化后的試件，可看見混凝土表面灰色的環(huán)氧粘鋼膠，部分混凝土沒有被粘下，試件破壞是膠層內(nèi)部與表層混凝土的綜合表現(xiàn)，說明濕熱環(huán)境對粘結(jié)樹脂產(chǎn)生了腐蝕，粘結(jié)樹脂強(qiáng)度降低，濕熱老化作用對界面粘結(jié)性能有不利影響。若在界面粘結(jié)剪切應(yīng)力達(dá)到膠層抗剪強(qiáng)度前，鋼板達(dá)到其極限拉應(yīng)變，則會發(fā)生鋼板被拉斷的破壞，但鋼板強(qiáng)度較大，不同的濕熱老化環(huán)境和環(huán)境作用時間下，并未出現(xiàn)鋼板被拉斷的現(xiàn)象。因此，鋼板-混凝土試件界面的破壞模式與濕熱老化條件和膠層的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，與鋼板強(qiáng)度、混凝土性能、環(huán)境作用時間沒有明顯的相關(guān)性。

圖6 試件破壞模式Fig.6 The failure pattern of

2.2 剪切粘結(jié)強(qiáng)度

表5中剪切粘結(jié)強(qiáng)度τavg直接反映了鋼板-混凝土界面的粘結(jié)性能，其計算公式為

(1)

式中：Pu為界面破壞時的極限承載力；S為界面粘結(jié)面積。

由于25 ℃試件組所處環(huán)境對膠體的后固化作用[13]，未完全固化的膠體隨溫度升高而加速固化，這對界面粘結(jié)強(qiáng)度的有利影響大于濕熱老化的不利因素，故相比于室溫S組試件，A1、B1組的粘結(jié)強(qiáng)度有所提升。但是，膠體和混凝土具有不同的熱膨脹系數(shù)，隨著腐蝕時間延長，吸水老化后的膠體會在界面產(chǎn)生應(yīng)力，濕熱劣化因子對界面的影響逐漸占主導(dǎo)，引起界面粘結(jié)力退化，10、15 d濕熱作用的B2、B3組粘結(jié)強(qiáng)度有明顯下降；從60 ℃試件組來看，高溫高濕狀態(tài)下的C1、D1組試件，粘結(jié)強(qiáng)度相比于A1、B1組下降更為顯著，說明實(shí)際環(huán)境中的溫度、濕度不利因素，兩者耦合作用下的影響比單一不利因素更大，隨著劣化時間增加，這種濕熱老化更為明顯，15 d濕熱處理的D3組試件粘結(jié)強(qiáng)度較室溫S組試件下降最大，達(dá)到9.32%。

另一方面，分別對比腐蝕5 d的試驗(yàn)組，僅在濕度變化下，A1和B1粘結(jié)強(qiáng)度較室溫組試件分別提高了7.49%和7.16%，C1和D1分別降低了7.12%、8.19%，但兩組對比都變化不大。這意味著濕度的改變對界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響不敏感；但是，60 ℃濕熱作用下的C1、D1組粘結(jié)強(qiáng)度較25 ℃作用的A1、B1組分別下降更多，說明隨著溫度的上升，粘結(jié)強(qiáng)度下降凸顯，溫度劣化對界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響更為敏感，且大于25 ℃環(huán)境的后固化作用。同時，10、15 d腐蝕的D2、D3組試件在高溫高濕條件下，環(huán)境中大量的水分子熱作用加速，進(jìn)入鋼板與混凝土粘結(jié)界面的微小孔隙，擴(kuò)散進(jìn)入樹脂后與環(huán)氧樹脂大分子相結(jié)合，產(chǎn)生新的關(guān)聯(lián)而引起大分子溶脹，使樹脂材料變脆[14]，宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)在極限荷載下降顯著，導(dǎo)致粘鋼界面粘結(jié)性能的退化，直接影響粘鋼加固結(jié)構(gòu)的效果，這也進(jìn)一步說明高溫高濕環(huán)境耦合作用加速了界面剪切粘結(jié)強(qiáng)度的下降，本文從試件的宏觀力學(xué)行為證明了這一點(diǎn)。

表5 試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results

續(xù)表5

注：極限荷載為試件破壞時的荷載值，界面承載力Pu為3個試件極限荷載的平均值，粘結(jié)強(qiáng)度相對變化率為A、B、C、D濕熱組試件分別與室溫S組試件剪切粘結(jié)強(qiáng)度的差值與室溫S組試件剪切粘結(jié)強(qiáng)度的比值。

2.3 局部剪應(yīng)力

鋼板與混凝土粘結(jié)界面在長度和寬度方向上存在不均勻分布的局部剪應(yīng)力，為說明濕熱老化環(huán)境對界面剪力傳遞的劣化作用，假定相鄰應(yīng)變片間的軸力線性變化，其局部平均剪應(yīng)力可由式(2)計算[15]。

(2)

式中：ΔF為由兩個相鄰應(yīng)變測點(diǎn)的應(yīng)變求得的軸力差值；Δl為兩個相鄰應(yīng)變測點(diǎn)的距離；b為鋼板和混凝土的粘結(jié)寬度。

圖7所示為不同荷載水平下，試件各個應(yīng)變測點(diǎn)間鋼板與混凝土粘結(jié)面上局部平均剪應(yīng)力隨荷載變化的曲線。從圖7中可以看出：1)同一荷載等級下，剪應(yīng)力主要分布在加載端45 mm范圍內(nèi)，遠(yuǎn)離加載端的剪應(yīng)力偏小，呈現(xiàn)指數(shù)遞減的趨勢；2)隨著荷載等級增加，膠層約束了鋼板與混凝土間的相對位移并將荷載傳遞給鋼板，距加載端45 mm范圍內(nèi)的剪應(yīng)力增加迅速，距加載端越遠(yuǎn)，膠層傳遞作用越弱，鋼板傳力區(qū)域即鋼板量測到的應(yīng)變向兩端延伸；3)外荷載40 kN作用下，相比于室溫組試件，經(jīng)過60 ℃/95%RH高溫高濕環(huán)境處理15 d的D3組試件在加固端45、45～80、80～115 mm范圍內(nèi)的局部平均剪應(yīng)力變化較大，分別從3.302、1.624、1.457 MPa變?yōu)?.707、1.925、1.471 MPa，說明高溫高濕耦合作用下，界面從加載端向自由端的剪力傳遞更顯著。

總體上看，試件加載端45 mm范圍內(nèi)主要承受外部荷載，濕熱作用使得加載端45～115 mm范圍內(nèi)的局部剪應(yīng)力增長加快，剪應(yīng)力的傳遞路徑更快向自由端發(fā)展，并且在高溫高濕環(huán)境作用下，靠近加載端的界面承擔(dān)剪應(yīng)力作用變小，較早出現(xiàn)損傷，進(jìn)而導(dǎo)致粘鋼界面的抗剪性能退化。

圖7 鋼板與混凝土之間的局部剪應(yīng)力分布Fig. 7 Local shear stress distribution between steel

2.4 相對位移

圖8為試件加載全過程中實(shí)測的荷載F與混凝土塊相對位移x的關(guān)系曲線圖，F(xiàn)-x曲線的斜率體現(xiàn)粘鋼界面抵抗滑移變形的能力。加載初期，界面的變形隨著荷載的增加而呈現(xiàn)線性變化；當(dāng)荷載達(dá)到40 kN 以后，粘結(jié)界面開始出現(xiàn)損傷，位移呈現(xiàn)非線性增長，剛度減弱；加載至極限荷載，界面剝離破壞。

圖8 不同濕熱環(huán)境下的荷載-位移(F-x)曲線Fig.8 Relative displacement evolution under different

通過千分表量測得到的兩個混凝土試塊之間的相對位移，雖不能精確地反映鋼板-混凝土界面總的滑移量，卻可以看出不同工況下的劣化規(guī)律。從圖10中可以看出：1)處于高溫高濕狀態(tài)60 ℃/95%RH條件下的D1組試件的F-x曲線斜率最大，即相同荷載下，鋼板與混凝土結(jié)合面產(chǎn)生更大的位移，剛度變小，這是粘鋼界面粘結(jié)性能退化的體現(xiàn)；2)D1組試件的極限荷載較其他工況試件最小，卻在更小的極限荷載作用下，產(chǎn)生更大的極限位移，試件更易變形，說明高溫高濕環(huán)境下，界面層受到的濕熱腐蝕比其他組更嚴(yán)重；3)將60 ℃工況的高溫高濕C1、D1組與25 ℃的常溫高濕A1、B1組對比，C1、D1組的F-x曲線斜率更大，極限荷載更小，界面抵抗變形能力更弱，這是因?yàn)殡S著濕熱劣化程度加深，在高溫高濕耦合腐蝕下，相對位移更快地發(fā)展，粘鋼界面的粘結(jié)性能退化更為嚴(yán)重。

3 粘結(jié)滑移模型

3.1 單線性的粘結(jié)-滑移模型

通過面內(nèi)雙剪試驗(yàn)測得鋼板-混凝土界面剪切粘結(jié)強(qiáng)度，鋼板厚度很小，可以認(rèn)為鋼板內(nèi)的拉應(yīng)力均勻分布，即鋼板表面應(yīng)變可以代表鋼板內(nèi)的拉伸應(yīng)變。同時，考慮鋼板和膠層為線彈性材料，鋼板很薄，忽略抗彎剛度，僅考慮界面剪力傳遞作用[16]。圖9為鋼板微元體的靜力平衡條件，推導(dǎo)出式(3)來計算鋼板與混凝土界面某點(diǎn)i處的粘結(jié)剪應(yīng)力。

(3)

式中：τx為測點(diǎn)i和測點(diǎn)i-1之間的粘結(jié)剪應(yīng)力；εi、εi-1為鋼板在i、i-1處的應(yīng)變；Δx為兩個測點(diǎn)間的距離；tf為鋼板的計算厚度；Ex為鋼板彈性模量。

圖9 鋼板微元體受力圖Fig.9 The force diagram of the plate

界面某點(diǎn)i的滑移量si是該點(diǎn)處鋼板的滑移量與混凝土、環(huán)氧粘鋼膠結(jié)合面滑移量的差值。已有研究表明，鋼板截斷處的相對滑移為0[1，17]，基于濕熱老化試件的破壞模式是界面表層混凝土與膠層的綜合表現(xiàn)，忽略界面較遠(yuǎn)處混凝土的剪切變形，界面膠層作為連接媒介，其粘結(jié)強(qiáng)度較鋼板抗拉強(qiáng)度很小，忽略鋼板變形。通過鋼板上的應(yīng)變(環(huán)氧粘鋼膠界面結(jié)合層在混凝土塊受拉后的總變形)，從鋼板自由端向加載端，按公式(4)數(shù)值積分得到界面某點(diǎn)i處粘結(jié)滑移。

(4)

式中：si、si-1為測點(diǎn)i、i-1處滑移量；εx為測點(diǎn)i、i-1間的應(yīng)變(i=1，2，3，4，5)。

按式(3)、式(4)計算不同荷載等級下粘結(jié)界面的滑移和粘結(jié)剪應(yīng)力，得到粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移關(guān)系曲線，圖10為兩個室溫組試件的粘結(jié)-滑移曲線，其擬合參數(shù)R2為0.98，SSE非常接近0。從圖10中看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均勻分布在擬合直線附近，隨著滑移量的增加，粘結(jié)剪應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的線性特征，貼合相對位移的發(fā)展規(guī)律。當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大值時，試件直接剝離破壞，鋼板上量測不到應(yīng)變，滑移量為0，這不同于FRP加固時軟化段破壞的下降段。

圖10 室溫組試件粘結(jié)-滑移曲線Fig.10 Bond-slip curve of room

圖11為鋼板-混凝土界面粘結(jié)滑移模式，主要有3個參數(shù)：粘結(jié)剪應(yīng)力峰值τmax；粘結(jié)應(yīng)力最大值對應(yīng)的極限滑移su；曲線的斜率為等效抗剪剛度kT，H，表征粘鋼界面抵抗變形能力。

圖11 粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型Fig.11 Bond-slip constitutive

3.2 濕熱環(huán)境粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型

基于加載過程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及剪應(yīng)力-滑移單線性曲線的關(guān)系，同時，參考相關(guān)研究成果[18-19]，提出采用考慮與溫度、濕度相關(guān)的單線性模型來定義粘結(jié)界面的本構(gòu)關(guān)系，表達(dá)式為

(5)

式中：τ為界面粘結(jié)強(qiáng)度；s為界面滑移；su為界面破壞時的滑移，根據(jù)不同濕熱預(yù)處理試件的極限滑移平均值，試驗(yàn)取0.033 1 mm；kT，H為溫濕度相關(guān)系數(shù)，代表濕熱環(huán)境下界面的等效剛度。

考慮溫、濕度的耦合及單線性的本構(gòu)關(guān)系，假設(shè)系數(shù)kT，H的數(shù)學(xué)方程為

kT，H=k0+c1T+c2H+c3T·H

(6)

式中：k0為材料相關(guān)系數(shù)；c1為溫度系數(shù)；c2為濕度系數(shù)；c3為濕熱耦合系數(shù)。

選取4種5d試驗(yàn)工況的3個獨(dú)立試件中的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同濕熱環(huán)境粘結(jié)-滑移模型的直線斜率，即溫濕度相關(guān)系數(shù)k1、k2、k3、k4，其擬合參數(shù)R2保持在0.96以上，SSE非常接近0，如圖12。

圖12 不同濕熱環(huán)境擬合的k值Fig.12 The fitting k values under different hydrothermal

把代表4種濕熱工況下粘鋼界面等效剛度的擬合系數(shù)k1、k2、k3、k4代入式(5)，求解出

kT，H=136.3+1.432T+0.458H-0.021T·H

(7)

將式(7)代入表達(dá)式(5)得到本文模型，再把5 d試驗(yàn)組余下的一組數(shù)據(jù)及B組、D組的10、15 d試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入模型并進(jìn)行校核，如圖13。

圖13 不同濕熱環(huán)境的擬合模型Fig.13 The fitting models under different hydrothermal

從圖13可以看出，不同試驗(yàn)工況的溫度、濕度代入模型后，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，表明該本構(gòu)模型能夠正確描述濕熱環(huán)境影響下界面的抗剪受力行為。在圖13(b)、(d)中，B、D組10、15 d的粘結(jié)-滑移曲線大致符合模型規(guī)律，卻具有更小的斜率，即相同剪應(yīng)力作用下，10、15 d作用下的試件具有更大的位移，說明濕熱作用時間對粘結(jié)界面的強(qiáng)度有影響，模型能準(zhǔn)確描述不同濕熱耦合環(huán)境的影響，但不能精確考慮濕熱作用時間因素。同時，在鋼板剝離發(fā)生脆性破壞時存在很強(qiáng)的離散性，隨著濕熱環(huán)境作用時間的持續(xù)，混凝土材料的變形及測試中夾具滑移使試驗(yàn)離散性增強(qiáng)，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在跳躍。

4 結(jié)論

1)鋼板與混凝土界面的破壞模式為表層混凝土與膠層的綜合表現(xiàn)，界面達(dá)到粘結(jié)強(qiáng)度后直接剝離破壞，受濕熱作用影響，與結(jié)構(gòu)膠性能有關(guān)。

2)溫度劣化對鋼板-混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響敏感，而高溫高濕耦合作用會加速界面粘結(jié)性能的退化，粘結(jié)強(qiáng)度較室溫組試件最大降低9.32%；隨著濕熱老化天數(shù)延長，粘結(jié)性能進(jìn)一步劣化。

3)高溫高濕狀態(tài)對鋼板-混凝土界面粘結(jié)性能有較大不利影響，其實(shí)質(zhì)是界面粘結(jié)膠層在濕熱老化過程中性能退化，使剪應(yīng)力從加載端更快向自由端發(fā)展，粘結(jié)剛度下降，對界面耐久性損傷加劇。

4)提出的粘鋼加固界面在濕熱耦合作用下的粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可為實(shí)際加固工程應(yīng)用和相應(yīng)規(guī)范編制提供參考。