惡劣環(huán)境下CFRP-混凝土界面粘結(jié)性能的研究進(jìn)展

張榮振，王玉田 （青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱CFRP）制品是增強(qiáng)和改善混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼及木結(jié)構(gòu)的一種新型優(yōu)良材料。世界各國(guó)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施加固、修復(fù)和改造的巨大需求以及CFRP材料耐腐蝕、輕質(zhì)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)是CFRP制品得到廣泛應(yīng)用和CFRP加固技術(shù)得以迅速發(fā)展的主要原因。

CFRP與混凝土之間的粘結(jié)界面扮演了一個(gè)重要的角色。在力的傳遞方面，CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)往往不是由于CFRP材料拉斷破壞，而是由于CFRP與混凝土間的界面強(qiáng)度不足導(dǎo)致剝離破壞，甚至在惡劣環(huán)境下，又會(huì)進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的破壞，因此，研究環(huán)境因素對(duì)CFRP粘結(jié)界面的影響，對(duì)于評(píng)價(jià)CFRP粘結(jié)修復(fù)的長(zhǎng)期性能和推廣CFRP材料的應(yīng)用具有十分重要的意義。下面介紹了惡劣環(huán)境下CFRP與混凝土界面的粘結(jié)耐久性研究現(xiàn)狀，并對(duì)進(jìn)一步的研究提出了建議。

1 試驗(yàn)研究進(jìn)展

1.1 界面破壞的研究

1.1.1 凍融環(huán)境的影響

張靜軒［1］、王玉田［2］、王蘇巖［3］等的試驗(yàn)結(jié)果表明，在凍融環(huán)境侵蝕下，普通混凝土的典型破壞方式主要有2種：剪切破壞和粘結(jié)界面剝離破壞，并且隨著凍融侵蝕齡期的增加，破壞層向膠層轉(zhuǎn)移。在后續(xù)研究中，隋莉莉［4］、李趁趁［5］等學(xué)者開始采用高強(qiáng)混凝土，高強(qiáng)混凝土雖然具有較好的致密性，但在凍融和持續(xù)荷載的共同作用下，破壞模式會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，由內(nèi)聚破壞（粘結(jié)強(qiáng)度大于混凝土自身強(qiáng)度引起的混凝土破壞）轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰Y(jié)界面破壞（粘結(jié)強(qiáng)度小于混凝土自身強(qiáng)度引起的界面破壞），發(fā)生轉(zhuǎn)變的主導(dǎo)因素是混凝土強(qiáng)度的下降，凍融循環(huán)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響逐漸由粘結(jié)界面轉(zhuǎn)向混凝土本身［6］。

1.1.2 干濕、浸泡等環(huán)境的影響

多位學(xué)者［7-9］認(rèn)為，干濕循環(huán)在90~120次時(shí)開始發(fā)生破壞模式的轉(zhuǎn)變，由混凝土的剪切破壞轉(zhuǎn)向粘結(jié)面破壞，且高強(qiáng)混凝土的破壞更為突然，且持續(xù)荷載的存在，會(huì)加快此破壞方式的轉(zhuǎn)變速度，持載越大，轉(zhuǎn)變速度越快；劉生緯等［10］認(rèn)為，當(dāng)硫酸鹽浸泡時(shí)間較短時(shí)，試件發(fā)生剪切破壞，浸泡時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，試件發(fā)生界面剝離破壞和粘結(jié)膠層破壞；在侵蝕介質(zhì)對(duì)破壞方式的影響方面，隋莉莉［4］指出，酸性物質(zhì)的侵蝕作用大于堿性物質(zhì)和鹽類；殷彥波［2］認(rèn)為，由于氯鹽會(huì)抑制硫酸鹽的侵蝕，單純硫酸鹽對(duì)界面破壞的影響最大，其次是氯鹽，最后是復(fù)合環(huán)境，樹脂層的老化是導(dǎo)致最終界面粘結(jié)強(qiáng)度降低的主要原因。

1.1.3 其他因素的影響

黃魯玉［11］認(rèn)為，不同溫度循環(huán)作用下的試件最終的破壞形態(tài)是相同的，均為CFRP與混凝土的剝離破壞，剝離下的CFRP布表面黏附的混凝土質(zhì)量隨著混凝土過(guò)火溫度的升高而增加［10-13］；胡克旭［14］試驗(yàn)表明，膠體在溫度升高的過(guò)程中逐漸軟化，經(jīng)歷固態(tài)-黏塑態(tài)-流塑態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，在濕熱老化試驗(yàn)前，CFRP與混凝土的粘結(jié)破壞形式全部為混凝土的剪切破壞，經(jīng)過(guò)濕熱老化試驗(yàn)后，混凝土試件的破壞形式全部為CFRP與混凝土的剝離破壞，環(huán)氧樹脂在濕熱試驗(yàn)后性能下降，這是造成CFRP與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度下降的主要原因。此外，混凝土強(qiáng)度、CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度、粘結(jié)劑、材料剛度等也會(huì)影響破壞方式。王蘇巖［3］研究表明，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)對(duì)破壞的影響較大，強(qiáng)度越高，破壞越突然，CFRP片材表面的混凝土顆粒越少；劉生緯［10］研究發(fā)現(xiàn)，CFRP的粘貼長(zhǎng)度對(duì)破壞模式的影響較大，大體表現(xiàn)為粘結(jié)長(zhǎng)度越長(zhǎng)的試件，加載端的三角剪切區(qū)域越小，自由端剝離層更加靠近膠層且表面的混凝土顆粒較少。

1.2 界面有效粘結(jié)長(zhǎng)度的研究

1.2.1 凍融環(huán)境的影響

王蘇巖［6］、洪雷［15］、Yu-Fei Wu［16］、陳雨唐［17］等學(xué)者均認(rèn)為，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CFRP與高強(qiáng)混凝土之間的有效粘結(jié)長(zhǎng)度增加。Subramaniam等［18］人進(jìn)行了凍融循環(huán)作用下FRP與混凝土粘結(jié)耐久性的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，F(xiàn)RP-混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度、有效粘結(jié)長(zhǎng)度增加，高等混凝土相對(duì)低等混凝土來(lái)說(shuō)強(qiáng)度下降更明顯。

1.2.2 干濕、浸泡等環(huán)境的影響

Sharma等［19］最早研究了FRP-混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度和有效粘結(jié)長(zhǎng)度的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)界面的極限荷載不會(huì)隨著粘貼長(zhǎng)度的增加而持續(xù)增大，“有效粘結(jié)長(zhǎng)度”的概念首次產(chǎn)生；王蘇巖［20］提到，有效粘結(jié)長(zhǎng)度是保證界面有效承載的最短長(zhǎng)度，可以利用應(yīng)力分布曲線和應(yīng)變分布曲線獲得，且兩種方法是等效的；管天成［21］認(rèn)為，粘結(jié)長(zhǎng)度不超過(guò)150 mm的試件，隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加，破壞時(shí)的極限荷載和極限位移越大，界面延性越大。

1.2.3 其他因素的影響

界面粘結(jié)的影響因素較多，比如水膠比、粘結(jié)長(zhǎng)度和寬度、混凝土強(qiáng)度、粉煤灰摻量、硫酸鹽濃度等，不同強(qiáng)度混凝土的最小粘結(jié)長(zhǎng)度和有效粘結(jié)長(zhǎng)度之間的關(guān)系并不一致［15］。孫琳［22］認(rèn)為，有效粘結(jié)長(zhǎng)度與混凝土強(qiáng)度呈反比，加固時(shí)的粘結(jié)長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)最小粘結(jié)長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)才偏安全；王吉忠［22］認(rèn)為，粘結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)一定值后，繼續(xù)增加粘結(jié)長(zhǎng)度不能再提供更高的剝離承載力，在保證粘結(jié)長(zhǎng)度的情況下，增加粘結(jié)寬度未對(duì)平均粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生太大影響；劉生緯［10］通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土水膠比、粉煤灰摻量和硫酸鹽濃度的增大，有效粘結(jié)長(zhǎng)度不斷增加；何棟爾等［13］認(rèn)為，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)會(huì)減小有效粘結(jié)長(zhǎng)度，并且隨過(guò)火溫度的升高，有效粘結(jié)長(zhǎng)度顯著增加。

1.3 剝離承載力的研究

1.3.1 凍融環(huán)境的影響

凍融環(huán)境下粘結(jié)性能的好壞，剝離承載力是個(gè)重要指標(biāo)，孫琳［23］指出，不同強(qiáng)度的混凝土試件，在凍融循環(huán)中承載力的下降趨勢(shì)一致，且在凍融后期的下降速率明顯快于前期。Subramaniam［18］的試驗(yàn)表明，經(jīng)300次凍融循環(huán)，最大極限承載力降低了17 %；王玉田［2］、王蘇巖［6］的試驗(yàn)表明，在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，極限承載力的提高，是由于二次水化引起的混凝土強(qiáng)度的提高和樹脂膠體彈性模量的提高，此階段是否持載對(duì)剝離承載力的影響不大；在較多的凍融循環(huán)次數(shù)下，極限承載力呈線性下降趨勢(shì)，并且膠層的阻隔作用抑制了水泥的二次水化，混凝土強(qiáng)度下降，混凝土的受凍傷害程度遠(yuǎn)超對(duì)樹脂膠本身的傷害，此階段的持載對(duì)剝離承載力有不利影響，會(huì)導(dǎo)致混凝土基層剝離破壞。混凝土強(qiáng)度對(duì)粘結(jié)力有積極影響，底層涂料的滲透能力較強(qiáng)，修復(fù)強(qiáng)化混凝土表面，有利于界面粘結(jié)強(qiáng)度的提升［20］。

1.3.2 干濕、浸泡等環(huán)境的影響

在浸泡、干濕循環(huán)和濕熱環(huán)境下，膠層的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，界面極限承載力整體上呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，持載的存在會(huì)進(jìn)一步加劇界面損傷［7-8，10］。承載力上升的原因，一方面是混凝土的后期水化，另一方面是后固化反應(yīng)增大了樹脂層的強(qiáng)度及界面粘結(jié)力。在承載力下降階段，混凝土吸水膨脹再干燥收縮，內(nèi)外產(chǎn)生氯離子濃度差，降低了膠層與混凝土之間的抗剪強(qiáng)度［24］。在環(huán)境侵蝕初期，樹脂彈性模量變化小，樹脂的抗剪強(qiáng)度下降小，當(dāng)抗剪強(qiáng)度下降到接近或小于混凝土本身的抗剪強(qiáng)度時(shí)，極限承載力突然下降，因此，樹脂的剪切模量和剪切強(qiáng)度的變化在很大程度上影響了界面剝離承載力。

1.3.3 其他因素的影響

影響界面剝離承載力的因素有很多，比如粘結(jié)長(zhǎng)度、片材寬度、混凝土本身因素、樹脂膠等等。李趁趁等［5］認(rèn)為，在片材和混凝土的幾何尺寸一定的情況下，隨著片材剛度、混凝土強(qiáng)度的增大，剝離承載力也增大，CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度增加，試件極限承載力也有所提高，但當(dāng)CFRP片材粘結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)某一定值后，界面剝離承載力將保持不變。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)［22］，C60混凝土試件剝離承載力更大，鹽溶液干濕循環(huán)對(duì)試件的剝離承載力有顯著的影響，當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)一定值后，粘結(jié)寬度成為粘結(jié)力的主要影響因素，水膠比越大，極限承載力下降的速率越快。

1.4 粘結(jié)滑移關(guān)系的研究

王玉田［2］、王蘇巖［6］、朱曉玲［25］、馬明［26］等學(xué)者認(rèn)為，粘結(jié)滑移過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段：（1）彈性階段：荷載與滑移呈線性關(guān)系；（2）軟化階段：界面出現(xiàn)初始裂縫，荷載與滑移呈非線性關(guān)系，當(dāng)荷載增大時(shí)，位移增大迅速，為界面彈性和非彈性階段的分界點(diǎn)，將軟化段的起始荷載定義為初始剝離荷載；（3）剝離階段：隨著荷載增加，軟化區(qū)域片材完全剝離，荷載大小不變，定義為破壞荷載，當(dāng)片材完全剝離時(shí)，對(duì)應(yīng)的端部滑移定義為極限端部滑移，其值越大，界面的延性就越好。張迪等［27］實(shí)測(cè)的界面粘結(jié)滑移關(guān)系曲線確實(shí)存在上升段和下降段，但關(guān)鍵參數(shù)離散性較大，難以得到準(zhǔn)確的界面極限滑移量；Kang Liu等［28］認(rèn)為，在利用加載端荷載-滑移曲線來(lái)獲取界面粘結(jié)-滑移曲線時(shí)，不能忽略自由端的滑移量，否則會(huì)引起較大的誤差，由此提出了考慮自由端滑移量的界面粘結(jié)-滑移模型。

1.4.1 凍融環(huán)境的影響

王蘇巖［3］的研究表明，受到凍融影響的CFRP-混凝土粘結(jié)界面試件，在較低的荷載下曲線關(guān)系就出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，試件便開始剝離。Chajes等［29］的研究表明，經(jīng)氯鹽凍融循環(huán)作用后，界面粘結(jié)性能有輕微下降，試件的極限端部滑移均呈下降趨勢(shì)，延性逐漸降低，在持載和環(huán)境的共同作用下，破壞進(jìn)一步加?。?0］。高強(qiáng)混凝土與普通混凝土相比有較大不同，試件未經(jīng)凍融和持載作用，剝離開始時(shí)，荷載才加載到破壞荷載的80 %［6］，王蘇巖等［3，7，20］研究發(fā)現(xiàn)，CFRP-高強(qiáng)混凝土的界面，很小的滑移，荷載就達(dá)到了極限荷載的70 %以上，而普通混凝土在破壞荷載的40 %~60 %才開始發(fā)生剝離，高強(qiáng)混凝土與CFRP的粘結(jié)破壞更為突然，脆性更大。

1.4.2 其他因素的影響

影響粘結(jié)滑移的因素有很多，混凝土強(qiáng)度、CFRP片材的粘結(jié)長(zhǎng)度、寬度、持載等級(jí)、侵蝕介質(zhì)類型等。洪雷［15］、王蘇巖［3，6，20］認(rèn)為，影響粘結(jié)滑移關(guān)系的最主要因素是混凝土在凍融作用下的自身?yè)p傷，對(duì)于高強(qiáng)混凝土，前期的凍融會(huì)提高混凝土的自身強(qiáng)度，但接近混凝土極限凍融次數(shù)后，界面的粘結(jié)性能急劇下降。馮展磊［30］認(rèn)為，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，碳纖維布與混凝土間達(dá)到最大粘結(jié)力時(shí)的相對(duì)滑移逐漸增大。持載作用下的干濕循環(huán)試件，持載等級(jí)越高，截面粘結(jié)滑移程度也就越大［7］；粘貼長(zhǎng)度增加，滑移量顯著增加；在侵蝕介質(zhì)方面，腐蝕溶液確實(shí)弱化了CFRP-混凝土的粘結(jié)界面，且復(fù)合侵蝕環(huán)境對(duì)界面粘結(jié)耐久性的影響是最嚴(yán)重的［22］，隋莉莉認(rèn)為，酸性介質(zhì)對(duì)CFRP-混凝土界面粘結(jié)性能的影響最大，其影響程度大于堿和鹽［4］。

1.5 應(yīng)力應(yīng)變分布的研究

1.5.1 凍融環(huán)境的影響

凍融循環(huán)后，沿粘結(jié)長(zhǎng)度上的CFRP的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律是相似的，加載端附近的應(yīng)變大，距加載端越遠(yuǎn)，應(yīng)變?cè)叫?。孫家國(guó)等［31］的纖維應(yīng)變分布圖呈二次曲線形狀，曲線的斜率反映了界面?zhèn)鬟f粘結(jié)剪應(yīng)力的大??；王蘇巖［20］認(rèn)為，凍融循環(huán)對(duì)片材的彈性模量影響很小，當(dāng)荷載值小于軟化荷載時(shí)，應(yīng)變基本呈指數(shù)平滑分布，當(dāng)荷載達(dá)到軟化荷載時(shí)，靠近加載端的粘結(jié)區(qū)域應(yīng)變值產(chǎn)生突變和波動(dòng)；Bisby L A等［32］的研究結(jié)果表明，200次或300次凍融循環(huán)作用對(duì)試件的應(yīng)力和應(yīng)變影響較小；孫琳［23］指出，硫酸凍融循環(huán)下CFRP上的應(yīng)變分布不均勻，后期下降速率明顯加快。不同侵蝕介質(zhì)下，CFRP-混凝土界面應(yīng)變分布規(guī)律相同，但氯鹽的加入使得粘結(jié)界面劣化得更嚴(yán)重［1］。

1.5.2 干濕、浸泡等環(huán)境的影響

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件的平均最大應(yīng)變呈下降趨勢(shì)，達(dá)到極限荷載后基本保持不變，不同海水干濕循環(huán)次數(shù)的試件中均發(fā)生這種現(xiàn)象，說(shuō)明有效粘結(jié)區(qū)域在破壞過(guò)程中以不變的長(zhǎng)度平行向試件自由端移動(dòng)［7］。張迪［27］通過(guò)分析不同荷載水平下應(yīng)變的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)的各種環(huán)境類別下，CFRP片材的應(yīng)變分布曲線形狀基本相同；張香巖［33］對(duì)比了不同的應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)極限應(yīng)變、混凝土立方體抗壓度和雙剪試驗(yàn)破壞荷載三者的變化規(guī)律相似；樊付權(quán)［8］分析了不同腐蝕環(huán)境下CFRP的應(yīng)變沿粘結(jié)長(zhǎng)度的分布規(guī)律，得出侵蝕速度由快到慢的順序依次為：復(fù)合環(huán)境＞硫酸鹽環(huán)境＞氯鹽環(huán)境。

1.5.3 其他因素的影響

影響應(yīng)變分布的其他因素有外摻物、粘結(jié)長(zhǎng)度、水膠比、環(huán)境濕熱、持載等。當(dāng)混凝土水膠比和硫酸鹽濃度越大，CFRP極限應(yīng)變值的降低幅度就越大；當(dāng)粉煤灰摻量越大，CFRP極限應(yīng)變值降低的速率則越大［10］；隨著碳纖維布粘結(jié)長(zhǎng)度的增加，試件的粘結(jié)應(yīng)力減小，滑移量輕微增加［34］。劉宇森［35］認(rèn)為，不同濕熱環(huán)境作用后，并不會(huì)對(duì)CFRP應(yīng)變的整體分布規(guī)律產(chǎn)生太大影響，當(dāng)溫度較低，環(huán)境濕度相差不大時(shí)，對(duì)極限承載能力的影響很?。辉诟邷貤l件下，濕度的影響非常大，極限承載能力明顯降低。鹽溶液干濕循環(huán)對(duì)試件的應(yīng)變分布影響較?。?3］，無(wú)持載干濕試件界面損傷程度有限且速度緩慢，而持載干濕試件的界面損傷程度顯著且速度較快［7］。

2 結(jié)語(yǔ)

（1） 在凍融循環(huán)后期，混凝土本身的破壞程度比粘結(jié)界面更嚴(yán)重；有效粘結(jié)長(zhǎng)度降低是結(jié)構(gòu)性能降低的重要原因；剝離承載力和最大應(yīng)變值的下降速率要快于前期，且后期持載對(duì)結(jié)構(gòu)更加不利。

（2） 在干濕循環(huán)和浸泡環(huán)境下，環(huán)氧樹脂力學(xué)性能的下降是造成結(jié)構(gòu)性能劣化的重要原因，剝離層由混凝土表層轉(zhuǎn)移到膠層，界面剝離承載力整體上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，平均最大應(yīng)變呈降低趨勢(shì)。

（3） 與普通混凝土相比，高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能更優(yōu)，在相同荷載下，高強(qiáng)混凝土的滑移要低于普通混凝土，但破壞時(shí)更為突然，脆性大，與普通混凝土有較大區(qū)別。

3 建議

（1） 目前CFRP-混凝土界面耐久性研究主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境進(jìn)行，而現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，研究環(huán)境和結(jié)構(gòu)承載共同作用下CFRP-混凝土界面的耐久性顯得非常有必要，進(jìn)而真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)后的性能。

（2） 我國(guó)碳纖維布和混凝土的界面雙剪試驗(yàn)方法缺乏統(tǒng)一規(guī)范，不同學(xué)者采用的試驗(yàn)方法和測(cè)量手段各不相同，應(yīng)制定一系列統(tǒng)一規(guī)范，便于比較和研究。

（3） 樹脂粘結(jié)膠傳遞界面剪應(yīng)力，連接混凝土與片材，影響粘結(jié)效果，應(yīng)選用驗(yàn)證過(guò)的耐久性好的粘結(jié)樹脂，同時(shí)在進(jìn)行界面承載力設(shè)計(jì)時(shí)，考慮混凝土強(qiáng)度折減，以此保證界面耐久性。因此，樹脂的結(jié)構(gòu)特性及其耐久性能也是一個(gè)重要的研究課題。