基于濕熱環(huán)境耦合荷載作用的CFRP加固RC梁抗彎性能研究

姚國文，劉明旭，吳樹杭，陳雪松

(1.重慶交通大學 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

碳纖維復合材料(CFRP)是以碳纖維為增強材料、合成樹脂為基體材料，摻入適當輔助劑，加工成型的復合材料，它具有輕質(zhì)高強、抗疲勞、耐高溫等優(yōu)點[1]。CFRP加固RC梁的服役環(huán)境復雜多樣，在我國西南地區(qū)，加固結(jié)構(gòu)長期處于高溫、高濕和荷載作用環(huán)境中，易發(fā)生結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞、黏結(jié)界面濕熱塑化、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等病害；同時，荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，加速了腐蝕介質(zhì)的滲入，導致結(jié)構(gòu)力學性能衰減，結(jié)構(gòu)整體耐久性能降低。

目前，國內(nèi)外學者針對CFRP加固鋼筋混凝土梁的耐久性開展了大量研究。鞏天琛等[2]綜述了濕熱環(huán)境對CFRP材料的吸濕特性、力學性能的影響；岳清瑞等[3]對200個碳纖維復合材料試件開展了自然老化試驗，得出CFRP耐久性能滿足橋梁加固工程要求，但加固結(jié)構(gòu)的力學性能有待深入研究的結(jié)論；江勝華等[4]開展了CFRP加固RC梁抗彎性能試驗，從梁體破壞形態(tài)和承載力方面描述了濕熱環(huán)境下加固結(jié)構(gòu)耐久性能的變化；鄒今航等[5]對濕熱環(huán)境作用后的CFRP試驗梁進行三點加載試驗，發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境會降低CFRP-混凝土黏結(jié)界面性能，從而降低結(jié)構(gòu)耐久性；谷衛(wèi)敏等[6]通過高速沖擊試驗研究了濕熱環(huán)境下碳纖維復合板的抗沖擊性能，證實濕熱環(huán)境會影響碳纖維復合板的損傷空洞面積和層間性能；馬明等[7]通過雙剪試驗研究了持續(xù)荷載作用下CFRP加固RC梁的黏結(jié)界面性能并給出黏結(jié)滑移本構(gòu)模型，研究得到持續(xù)荷載會降低界面初始剝離荷載的結(jié)論；付俊俊等[8]、王新玲等[9]、王志杰等[10]對CFRP-混凝土黏結(jié)界面的疲勞壽命、本構(gòu)模型等開展了研究；姜明[11]通過高低溫交變加速濕熱循環(huán)老化試驗，研究了不同孔隙率的CFRP層合板在外加荷載下的力學性能演變規(guī)律；周昊[12]提出濕熱環(huán)境和荷載耦合作用下RC構(gòu)件的耐久性試驗方法；S.CHOI等[13]、ZHANG Pu等[14]研究表明，黏結(jié)界面的環(huán)氧體系是決定CFRP加固RC梁耐久性的主要因素；多數(shù)學者的耐久性試驗研究集中于CFRP試驗梁在凍融環(huán)境[15-16]、鹽霧環(huán)境[17]、濕熱環(huán)境[18-19]等方面；陳雪松[20]、劉超越[21]針對濕熱環(huán)境耦合荷載作用下CFRP加固RC梁的破壞模式、力學性能和本構(gòu)關(guān)系開展了試驗研究，得到荷載與濕熱耦合作用會降低組合結(jié)構(gòu)耐久性和抗彎承載能力的結(jié)論。

筆者針對濕熱環(huán)境耦合荷載作用下CFRP加固RC梁的耐腐蝕性能開展了試驗研究，探討了濕熱環(huán)境耦合空載、靜載和交變荷載3種工況CFRP加固RC梁的破壞形態(tài)、極限荷載、黏結(jié)界面剪切應力傳遞規(guī)律，分析了CFRP加固RC梁在濕熱環(huán)境耦合荷載作用下的腐蝕損傷機理。結(jié)果表明：黏結(jié)膠層塑化與基體水解是導致CFRP加固RC梁耐腐蝕性能降低的主要原因，當耦合荷載尤其是交變荷載作用時，CFRP加固RC梁組合結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能將大大降低。

1 試 驗

1.1 試驗材料與試驗梁制作

1.1.1 試驗材料

1)采用P.O.42.5拉法基水泥；細度模數(shù)Mx=2.74的中砂；粒徑為5～20 mm的花崗巖碎石。按照水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.38∶1.11∶2.72的配合比配制C30混凝土。

2)采用HPB335普通光圓鋼筋，縱筋屈服強度為333.3 MPa、極限強度為506.5 MPa、彈性模量為204 GPa。

3)CFRP為威德力新材料公司生產(chǎn)的WF300，其性能指標見表1。

4)將四川省隆昌縣承華膠業(yè)有限責任公司生產(chǎn)的CH-1A浸漬A、B膠，按照2∶1的重量比調(diào)制得到試驗所用黏結(jié)劑(AHS)，其力學性能指標見表1。

表1 CFRP及AHS性能指標

1.1.2 試驗梁制作

共制作了7根200 mm×100 mm×1 850 mm CFRP加固RC試驗梁(以下簡稱試驗梁)，編號為L1～L7。CFRP粘貼步驟如下：

1)在RC梁的鋼筋骨架縱筋受拉區(qū)跨中位置粘貼應變片；然后，將鋼筋骨架置于梁的鋼模板中，澆注混凝土并振搗；24 h后拆模，在室內(nèi)自然養(yǎng)護28天。

2)用砂輪機打磨RC梁底部，并用丙酮清洗，然后涂抹一層AHS黏結(jié)劑，緊密粘貼長度為1 580 mm的CFRP。

3)分別在距試驗梁底部跨中截面距離s=0、100、200、300、500、700 mm處的CFRP表面粘貼應變片(圖1)，然后繼續(xù)自然養(yǎng)護5天。

圖1 試驗梁應變片粘貼示意

1.2 濕熱環(huán)境設定

考慮到結(jié)構(gòu)吸能會出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，設定試驗的濕熱環(huán)境為：溫度60 ℃，相對濕度95%。采用上海多禾試驗設備有限公司生產(chǎn)的DSCR-53-40-P-A型步入式高低溫環(huán)境試驗箱進行濕熱環(huán)境控制。

試驗梁經(jīng)歷的濕熱作用齡期t= 0、15、30 d。

1.3 濕熱環(huán)境耦合荷載加載

1.3.1 加載工況及跨中持載值

7根試驗梁中，L1為自然狀態(tài)，未經(jīng)歷濕熱環(huán)境耦合荷載加載，L2～L7為經(jīng)歷了不同的濕熱環(huán)境耦合荷載加載，荷載包括空載、靜載及交變載。

先對自然狀態(tài)的試驗梁L1進行三點加載試驗，得到極限荷載Pu=40 kN；在濕熱環(huán)境耦合荷載加載時，選取靜載、交變載的跨中持載值F=60%Pu=24 kN[15]。交變載加載制度為：0 → 24 kN、4 h → 0 kN、4 h。

加載工況詳見表2。表中“加載工況”英文字母表示加載方式：NL—空載，SL—靜載，AL—交變載；數(shù)字表示濕熱作用齡期：0、15、30天。

表2 濕熱-荷載耦合加載工況

1.3.2 濕熱環(huán)境耦合荷載加載

首先，將L2～L7置于環(huán)境試驗箱里(圖2)，在試驗梁的跨中位置施加荷載F，直至設定的齡期t，完成本次濕熱環(huán)境耦合荷載加載試驗；然后，取出試驗梁，進行三點加載試驗。

圖2 濕熱環(huán)境耦合荷載加載示意

1.3.3 三點加載

在自制反力架上，利用千斤頂對濕熱環(huán)境耦合荷載加載后的試驗梁進行三點加載試驗，測得試驗梁的跨中極限撓度Du、極限荷載Pu，及CFRP從混凝土表面初始剝離時的荷載Psplit，CFRP極限應變εCFRP, u、受拉縱筋極限應變εbar, u。結(jié)果見表3。

表3 三點加載試驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果分析

1)對比L2、L3的Pu值和Psplit值發(fā)現(xiàn)，L2的均比L3的大，表明濕熱作用時間越長，試驗梁的極限荷載降低越多，黏結(jié)膠層性能劣化越嚴重。

2)對比L3、L5、L7的Pu值和Psplit值發(fā)現(xiàn)，L3的最大，L7的最小，L5的居中，表明濕熱環(huán)境耦合荷載時，交變荷載更容易降低CFRP的加固效果，從而大幅降低CFRP加固RC梁的抗彎性能。

3)對比L3、L5、L7的εCFRP，u值發(fā)現(xiàn)，L3的最大，L7的最小，L5的居中，表明濕熱環(huán)境耦合荷載作用下，交變荷載更容易降低CFRP的抗拉性能，致使CFRP加固RC梁更早的發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。

綜上，當濕熱環(huán)境耦合荷載尤其是交變荷載加載時，CFRP加固RC梁的極限荷載退化速率顯著加快，退化速率與時間呈正相關(guān)關(guān)系。原因可能是：①濕熱環(huán)境耦合荷載作用過程中，試驗梁帶裂縫工作，為空氣中的H2O、CO2等腐蝕物質(zhì)進入混凝土和黏結(jié)膠層提供了通道，導致混凝土內(nèi)部碳化，增大了梁體剛度；②由于CFRP和黏結(jié)膠層熱膨脹系數(shù)不匹配，當試驗梁處于高溫環(huán)境時，CFRP與黏結(jié)膠層脫粘，降低了結(jié)構(gòu)剛度；③水分子在黏結(jié)膠層中符合Fick擴散規(guī)律，裂縫通道和荷載的共同作用增大了黏結(jié)膠層的吸濕率，引起黏結(jié)膠層塑化，加快了黏結(jié)界面性能的退化[22]，最終降低了黏結(jié)界面?zhèn)鬟f荷載的能力?；炷猎黾拥膭偠葘φw結(jié)構(gòu)的貢獻不及黏結(jié)界面性能退化引起結(jié)構(gòu)剛度的衰減，所以CFRP會更早發(fā)生剝離破壞。

2.3 CFRP加固RC梁的破壞形態(tài)

試驗梁的破壞形態(tài)和裂縫分布如圖3。

圖3 試驗梁的破壞形態(tài)

由圖3可見：

1)7根試驗梁均在跨中位置出現(xiàn)豎向裂縫，混凝土受壓區(qū)完好而受拉縱筋屈服，破壞模式均為CFRP剝離。

2)加載初期，在L1兩個支點附近出現(xiàn)了裂縫；隨著荷載的增大，兩支點間產(chǎn)生大量細小裂縫；當荷載達到39.50 kN時，可聽見CFRP從混凝土表面開始剝離發(fā)出的輕微“噼啪”聲；荷載繼續(xù)增大，L1跨中底部一條斜裂縫不斷發(fā)展，直至發(fā)生CFRP剝離破壞，如圖3(a)。

3)L2～L5發(fā)生CFRP剝離破壞時，混凝土保護層界面完整，試驗梁頂部混凝土無壓潰跡象。

4)L6、L7發(fā)生CFRP剝離破壞時，大量黏結(jié)膠層殘留在碳布上，部分CFRP呈片狀被縱向撕裂、剪斷。

分析原因是：①逐漸增大的荷載導致試驗梁體裂縫不斷發(fā)展、裂縫數(shù)量不斷增加，當裂縫寬度大于CFRP與試驗梁底部混凝土的滑移量時，出現(xiàn)CFRP剝離跡象，直至黏結(jié)界面抗剪強度達到極限，發(fā)生CFRP剝離破壞；②因裂縫處應力集中與黏結(jié)膠層的共同作用，裂縫處的混凝土更易被CFRP扯下；③荷載作用使CFRP和黏結(jié)膠層的孔隙率不斷改變[23]，進而影響了黏結(jié)界面的性能。

綜上，一方面，隨著濕熱作用齡期的延長，試驗梁的黏結(jié)膠層發(fā)生了氧化、熱降解、脫粘等，劣化了CFRP加固RC梁的強度[2]；另一方面，空載、靜載、交變載加速了裂縫的發(fā)展，降低了CFRP的加固效果。最終，在溫度應力、濕度應力、持載應力共同作用下，黏結(jié)界面的樹脂老化[17]程度成為判斷CFRP發(fā)生剝離破壞的關(guān)鍵指標。

2.4 荷載-撓度曲線

濕熱環(huán)境耦合荷載作用30 d后，試驗梁的荷載-跨中撓度(P-D)關(guān)系曲線如圖4。

圖4 試驗梁的P-D曲線

由圖4可見：

1)空載、靜載、交變載加載工況下，試驗梁的P-D曲線變化趨勢相似。曲線分為3個階段：第1階段，當三點加載試驗的加載值P<7 kN時，D隨P呈線性增大；第2階段，當P=7～35 kN時，試驗梁上的裂縫快速發(fā)展，且在梁體跨中位置產(chǎn)生了豎向裂縫，D快速增大；第3階段，當P>35 kN時，縱向受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土中裂縫急劇發(fā)展，黏結(jié)膠層抗剪強度達到極限，試驗梁發(fā)生CFRP剝離破壞。

2)結(jié)合表3中L1、L2、L3的跨中極限撓度Du值，可見粘貼CFRP會降低混凝土延性，且高溫高濕作用時間越久，混凝土延性越差；而從L3、L5、L7的跨中極限撓度Du值可以看出荷載作用會降低試驗梁的撓度，交變荷載下?lián)隙冉档妥畲蟆?/p>

分析原因可能是：帶裂縫工作的CFRP加固RC梁的密實性較低，空氣中H2O、CO2等易滲進黏結(jié)膠層和混凝土內(nèi)部，從而加速黏結(jié)膠層老化和混凝土碳化，降低黏結(jié)膠層的粘結(jié)能力和混凝土延性，發(fā)生脫粘現(xiàn)象，且交變荷載的破壞作用比靜載的大。

2.5 CFRP和鋼筋的荷載-拉應變(P-ε)曲線

2.5.1 基于試驗值的P-ε曲線

加載初期，試驗梁CFRP的整體粘結(jié)性能較好，若不考慮黏結(jié)膠層和混凝土內(nèi)部微小裂縫的變化，受拉縱筋與CFRP具備協(xié)調(diào)的變形關(guān)系，兩者的P-ε曲線變化趨勢極為接近，如圖5。

圖5 鋼筋與CFRP的P-ε曲線

由圖5可見：

1)當鋼筋屈服時，CFRP成為試驗梁后續(xù)承載的主要結(jié)構(gòu)，因此，CFRP的應變增長速率比鋼筋的大。

2)濕熱環(huán)境耦合荷載作用降低了鋼筋和CFRP對試驗梁裂縫的約束能力，所以，當CFRP與鋼筋的極限荷載較為接近時，試驗梁能承受的極限荷載將達到極值。

2.5.2 屈服應變理論值與試驗值對比

1)CFRP和鋼筋的屈服應變理論值。由鋼筋及CFRP的屈服強度σy、彈性模量E，可計算出2種材料的屈服應變理論值εy理論，見表4。

表4 鋼筋和CFRP的屈服應變

2)試驗得到的L1、L3、L5、L7跨中截面鋼筋以及CFRP的荷載-拉應變(P-ε)關(guān)系曲線如圖6。

圖6 跨中截面鋼筋及CFRP的P-ε曲線

由圖6可見：4根試驗梁的承載能力和屈服應變均有所下降，下降程度依次為L7>L5>L3>L1，表明濕熱作用時間越久，試驗梁承載能力越低；相比靜載作用，交變載作用下試驗梁的承載能力降低更大；濕熱環(huán)境耦合荷載作用會大大試驗梁的承載能力。分析原因是：荷載作用使梁體產(chǎn)生裂縫；隨著荷載的增大，裂縫經(jīng)萌生、擴展，逐漸發(fā)展到中性軸附近，成長為Ⅰ型裂縫；隨著試驗梁剛度降低，中性軸上移，Ⅰ型裂縫穩(wěn)定擴展，此時，CFRP出現(xiàn)初始剝離現(xiàn)象并產(chǎn)生沿梁的端部擴展的Ⅱ型裂縫，降低了黏結(jié)膠層傳遞荷載的能力，導致結(jié)構(gòu)性能下降。相對而言，交變載更容易使試驗梁結(jié)構(gòu)失效。

結(jié)合圖6和表4知，鋼筋的屈服應變試驗值稍大于理論值，而CFRP的屈服應變試驗值遠小于理論值。分析原因可能是：一方面，CFRP加固RC梁具有剛度大的優(yōu)點，鋼筋易進入屈服、強化階段，其抗拉作用得以充分發(fā)揮；另一方面，由于CFRP加固RC梁的黏結(jié)膠層不是固結(jié)約束，CFRP的抗拉性能無法得到充分發(fā)揮，導致CFRP的屈服應變大幅降低。

2.6 CFRP拉應變與剪應力的縱向分布規(guī)律

沿試驗梁縱向取CFRP微元體進行受力分析(圖7)，由CFRP的受力平衡知：

圖7 CFRP微元體受力分析

(1)

式中：τCFRP為CFRP的剪應力。

圖8為不同加載荷載下，L3、L5、L7不同應變測點的拉應變ε與測點距加載端距離s的關(guān)系曲線。

圖8 CFRP測點的應變ε與測點距加載端距離s的關(guān)系曲線

由圖8可見：

1)當s=0～700 mm，L7的CFRP拉應變值下降速度最快，L3的最慢。可以看出，該過程是逐漸向梁體端部發(fā)展的，表明加載端的剪應力在達到峰值后，會逐漸減小且會向梁體端部移動。

2)越靠近試驗梁梁端，CFRP的拉應變值越趨近“0”，表明施加給試驗梁的能量被逐漸消耗，直至混凝土所承受的荷載無法向CFRP傳遞，發(fā)生CFRP剝離破壞，引起結(jié)構(gòu)失效。

綜上，濕熱環(huán)境對黏結(jié)膠層有劣化作用，導致試驗梁跨中承載能力下降，跨中附近的截面會更快、更多地參與結(jié)構(gòu)受力，并向端部衰減傳遞；濕熱環(huán)境耦合荷載作用則加劇了黏結(jié)膠層劣化，交變荷載的破壞作用最大。

3 結(jié) 論

針對服役環(huán)境下CFRP加固RC梁的耐久性問題，開展了濕熱環(huán)境耦合荷載作用的試驗研究。得到以下主要結(jié)論：

1)濕熱環(huán)境耦合荷載作用加速了黏結(jié)膠層劣化，降低了試驗梁的極限承載力、跨中撓度和應變；交變荷載的破壞作用最大。

2)梁體和黏結(jié)膠層內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫成為H2O、CO2等滲入的通道，黏結(jié)膠層的脫粘及混凝土的碳化降低了試驗梁的抗彎性能。

3)濕熱環(huán)境耦合荷載作用加速了黏結(jié)膠層性能劣化，降低了粘結(jié)界面?zhèn)鬟f荷載的能力，導致試驗梁更易發(fā)生CFRP剝離破壞。