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

摘 要：鋼板-混凝土界面粘結(jié)性能是粘貼鋼板加固混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在。通過對濕熱環(huán)境下27個(gè)鋼板-混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別進(jìn)行5天、10天、15天的加速濕熱老化，然后進(jìn)行雙剪試驗(yàn)，獲得了鋼板-混凝土界面發(fā)生剪切剝離破壞過程中的極限荷載、鋼板應(yīng)變分布及荷載-位移關(guān)系，分析了環(huán)境溫度、濕度耦合作用對鋼板-混凝土界面粘結(jié)耐久性能的影響，并綜合考慮鋼板-混凝土的粘結(jié)破壞模式、受力過程、粘結(jié)界面相對位移發(fā)展規(guī)律，提出了粘結(jié)界面剪應(yīng)力、滑移與溫度和濕度相關(guān)的表達(dá)式，最后建立了考慮溫度、濕度影響的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系模型，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，論文結(jié)果可為指導(dǎo)粘鋼加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及耐久性理論研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：粘貼鋼板;濕熱環(huán)境;粘結(jié)耐久性能;粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系模型

中圖分類號：TU511.352? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The interface performance between steel plate and concrete is the key to strengthened concrete structure. In this paper， there were 27 specimens carried out for steel plate bonded concrete under hydrothermal environment. And accelerated hydrothermal aging was respectively conducted in 5 days， 10 days and 15 days. Then the double- shear test was performed to obtain the ultimate load， strain distribution and relationship of load-displacement during the shear failure process on steel plate-concrete interface. After long term temperature and humidity coupling， the durability of the steel plate-concrete interface was studied. Considering the analysis of bond failure mode， loading process and the relative displacement evolution on bonding interface， the expression of shear stress and slip was proposed， which was related to temperature and humidity. Finally， the bond-slip constitutive model was established in consideration of the temperature and humidity. The numerical simulation results were in good agreement with the experimental results. The results of the paper provide reference for the design of the concrete structure with bonded steel plate and the durability theory.

Key words：bonded steel plate; hydrothermal environment; bonding durability; bond-slip constitutive model

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(shí)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)的碳化、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過程更容易進(jìn)行，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(jià)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，國內(nèi)外學(xué)者采用試驗(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)境下粘鋼加固的耐久性研究較少涉足，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]研究了溫度作用下的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)研究較少涉及。

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(shí)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(shí)間沒有明顯的相關(guān)性。

2.2 剪切粘結(jié)強(qiáng)度

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(shí)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天、15天濕熱作用的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(shí)間增加，這種濕熱老化更為明顯，15天濕熱處理的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天的試驗(yàn)組A1和B1、C1和D1，僅在濕度變化下，粘結(jié)強(qiáng)度較室溫組試件分別提高了7.49%和7.16%，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，溫度劣化對界面的粘結(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(shí)，10天、15天腐蝕的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)。

2.3 局部剪應(yīng)力

圖7示出了不同荷載水平下，試件各個(gè)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45mm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45mm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40kN作用下，相比于室溫組試件，60℃/95%RH高溫高濕環(huán)境處理15天的D3組試件在加固端45mm、45～80mm、80～115mm范圍內(nèi)的局部平均剪應(yīng)力變化較大，分別從3.302MPa、1.624MPa、1.457MPa變?yōu)?.707MPa、1.925MPa、1.471MPa，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。

從總體上看，試件加載端45mm內(nèi)主要承受外部荷載，濕熱作用使得加載端45～115mm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。

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40kN以后，粘結(jié)界面開始出現(xiàn)損傷，位移呈現(xiàn)非線性的增長，剛度減弱;加載至極限荷載，界面剝離破壞。

通過千分表量測得到兩個(gè)混凝土試塊之間相對位移，不能精確地作為鋼板-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(shí)，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7為鋼板微元體的靜力平衡條件，推導(dǎo)出公式（3）來計(jì)算鋼板與混凝土界面某點(diǎn)i處的粘結(jié)剪應(yīng)力：

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)合面的滑移量的差值。已有研究表明鋼板截?cái)嗵幍南鄬茷?[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：

按式（3）、（4）計(jì)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(gè)室溫組試件的粘結(jié)-滑移曲線，其擬合參數(shù)的R2為0.98，SSE非常接近0。從圖中看出，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(shí)，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(shí)軟化段破壞的下降段。

3.2 濕熱環(huán)境粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型

從圖中看出，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天、15天的粘結(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天、15作用的試件具有更大的位移，說明濕熱作用時(shí)間對粘結(jié)界面的強(qiáng)度有影響，本文模型能準(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(shí)間因素。同時(shí)，在鋼板剝離發(fā)生脆性破壞時(shí)存在很強(qiáng)的離散性，隨著濕熱環(huán)境作用時(shí)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）本文提出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，該模型與試驗(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。

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（編輯：胡玲）