不同胶层厚度条件下CFRP－混凝土粘结界面的疲劳性能

李树霖，王 博

自20世纪40年代以来，纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称为FRP）被广泛地应用于航空、船舶、汽车、化工、医学及机械等工业领域。近些年来，由于FRP材料在价格等方面的变化，并且FRP具有相对于钢材的质轻、强度高、耐腐蚀以及抗疲劳等优越性能，已经被土木工程界的学者们所关注，并尝试将其用在加固混凝土结构或旧桥维修工程之中［1］。FRP加固技术有两种：①外贴法，即利用特制的粘结剂将纤维布材或板材粘贴于混凝土构件表面的加固方法；②内嵌法，即将纤维材料用粘结剂嵌入预先开出的槽洞中的方法。由于外贴FRP加固混凝土结构的工艺简单、施工方便，因此外贴FRP加固混凝土结构成为国内、外十分热门研究课题，并且主要集中于静载作用下FRP加固混凝土结构构件的粘结性能和力学性能的研究［2－4］。对于在疲劳荷载作用下粘结界面抗疲劳性能的研究，还是鲜见的。

在现实生活中，结构构件发生的破坏很大一部分原因是疲劳破坏，即结构承载能力退化导致破坏。而由疲劳破坏造成的重大事故有许多，如：美国的Yellow Mill Pond大桥和韩国的圣水大桥坍塌，以及中国的台湾高屏大桥桥面断裂和宜宾金沙江大桥桥面坍陷等，它们都是因为疲劳损伤引起结构承载能力退化而造成的，并且疲劳损伤很难被人们注意和发现。关于FRP加固混凝土结构粘结界面疲劳性能的主要参数有疲劳循环幅值、FRP材料的厚度和宽度、FRP的有效粘结长度以及粘结剂的种类等。Carloni［5］等人采用CFRP加固混凝土结构进行单剪试验得到：随着循环次数的增加，CFRP－混凝土的粘结界面刚度逐渐退化；刘沐宇［6］等人用CFRP加固混凝土梁进行疲劳试验得到：加固后混凝土梁的疲劳寿命和疲劳抗裂性能有明显的提高；Gheorghiu［7］等人在高水平循环荷载下CFRP和混凝土粘结处的应变大于低水平循环荷载下的，且在较高的循环荷载作用下，梁的界面粘结退化更加明显；Bizindavyi［8］等人用FRP加固的素混凝土构件进行单剪试验得出：循环应力越高，滑移就越大，粘结界面的疲劳寿命就越短；Kim［9］等人通过FRP和混凝土构件界面之间能量消散的变化情况来探讨疲劳损伤的累积和粘结界面剥离的扩展；Yun［10］等人采用素混凝土双剪试验研究不同的疲劳循环幅值上、下限的荷载－滑移滞回曲线得出：随循环幅值的增大，1万次后的循环回路包含区域逐渐增大。这表明能量消散逐渐增大，因此关于粘结界面的滞回能在不同循环幅值下的变化规律还存在一定的分歧。作者拟从能量的角度出发，研究胶层厚度外贴CFRP－混凝土粘结界面的疲劳性能，为深入了解CFRP－混凝土粘结界面的疲劳性能起到一定的作用，以期对加固工程提供一定的参考依据。

1 试验方案概述

1.1 试件概况

为了研究CFRP－混凝土粘结界面的疲劳性能，本次试验采用双剪试验模型，试件示意如图1所示。试件结构为两块尺寸（150mm×150mm×300mm）相同的混凝土和CFRP板材，用粘结剂（Sika－Sikadur－30）将 CFRP板粘结在混凝土的一对对立面上。混凝土块在预制时，一端埋入一根φ20的螺纹杆件，另一端在混凝土的四角附近埋入4根钢钉。拼装试件时，用套筒连接两个混凝土块，形成钢导向杆。在试验过程中，要避免试件上、下混凝土块发生错位，否则，会使CFRP板发生扭转，影响试验的结果。

图1 试件结构示意（单位：mm）Fig.1 The schematic diagram of specimen（unit：mm）

试验中所用到的混凝土、CFRP板及粘结剂的参数见表1。

表1 混凝土、CFRP板及粘结剂的参数Table 1 The parameters of the concrete，CFRP plate and the binder

1.2 试验参数设计

设置3组试件进行疲劳试验，每组试件3个，试验的变化参数为粘结剂胶层厚度（1，2和3mm）。试验区CFRP板的粘结长度均为150mm，非试验区CFRP板的粘结长度均为200mm，并用碳纤维布进行包裹，保证破坏出现于试验区位置。

1.3 试验加载方案

1）预加载阶段

与静载试验相类似，进行疲劳试验之前，先分级加载至6kN，然后卸载。通过调试，以保证CFRP板A和B二面应变的一致性。

2）疲劳加载试验阶段

预加载完成后，在MTS中设定疲劳幅值的上、下限分别为20kN和6kN，加载频率为5Hz，开始进行疲劳循环试验。

在疲劳循环试验过程中，分别测出试验粘结区自由端在1次、1万次、10万次、25万次、50万次、100万次、150万次及200万次时的动态滑移量。

2 试验结果与分析

2.1 疲劳试验循环能分析

结构构件在疲劳荷载反复作用过程中，会出现一定的变形特征、刚度退化及能量的消耗等，可以通过荷载－滑移关系曲线来表示，即滞回曲线。疲劳荷载作用一个周期，滞回曲线所形成的闭合曲线称滞回环，滞回环的面积S滞代表着在加、卸载过程中能量的消耗，即循环消耗能，在加载曲线与横轴所围得的面积称为单位体积能S加［11－12］，而卸载曲线和横轴围成的面积代表单位体积变形能S卸，由此可以得到S滞＝S加－S卸。

在不同的胶层厚度下，3组试件的单位体积能和单位体积变形能随循环次数的变化关系分别如图2，3所示。

图2 单位体积能与循环次数的关系Fig.2 Relationships between the energy per unit volume and cycles

从图2中可以看出，在200万次循环过程中，试件F－150－1和F－150－2的CFRP－混凝土粘结界面的单位体积能S加随着循环次数的增加呈增长趋势，而试件F－150－3的S加随着循环次数的增加保持稳定。试件F－150－1粘结界面单位体积能S加的增长速率较试件F－150－2的快；由图3可知，CFRP－混凝土粘结界面上单位体积变形能S卸随循环次数的增加而增长，试件F－150－3的CFRP－混凝土粘结界面的单位体积变形能S卸维持稳定。通过对比不同胶层厚度下试件的单位体积能S加和单位体积变形能S卸随循环次数的变化规律，同一胶层厚度试件的单位体积能S加和单位体积变形能S卸随循环次数的增加有相同的变化趋势；通过对比可知，在相同的循环次数时，不同胶层厚度试件的单位体积能S加和单位体积变形能S卸均随胶层厚度的增加而减小。

图3 单位体积变形能与循环次数的关系Fig.3 Relationships between the deformation energy per unit volume and cycles

基于能量的观点，对界面的疲劳性能研究集中于疲劳荷载上、下幅值的变化。本试验主要考察粘结剂厚度的变化对CFRP－混凝土粘结界面在疲劳循环过程中截面滞回能S滞的影响。在200万次疲劳循环过程中，分别选取胶层厚度为1，2和3mm，试件粘结界面的循环消耗能S滞随循环次数的变化情况（如图4所示）作为分析界面疲劳损伤程度和速率的依据。从图4中可以看出，随着疲劳循环次数的增加，试件F－150－1和F－150－2粘结界面的循环消耗能S滞均有所增长，而试件F－150－3粘结界面的循环消耗能S滞略微有所下降；CFRP－混凝土粘结界面的循环消耗能S滞随着循环次数的增加而增长。增长幅度最大的为试件F－150－1，试件F－150－2次之，而试件F－150－3的增长幅度最小；在循环加载过程中，各试件在相同循环次数时的循环消耗能S滞随着胶层厚度的增加而减小，即在相同循环次数下，CFRP－混凝土粘结界面疲劳损伤程度随试件胶层厚度的增加而减小。这说明胶层厚度的增加能够对抑制CFRP－混凝土粘结界面的刚性退化起到积极的作用；试件F－150－3的S滞随着循环次数的增长稳定而略有降低。这说明CFRP－混凝土粘结界面的刚性在均匀退化，疲劳损伤均匀累积。

图4 不同胶层厚度下消耗能与循环次数的关系Fig.4 Relationships between the dissipation energy per unit volume and cycles under different adhesive thickness

2.2 粘结界面自由端循环最大滑移量分析

在疲劳荷载循环作用下，CFRP－混凝土粘结界面的刚度在逐渐退化。对于不同胶层厚度的试件，CFRP－混凝土试验区粘结界面自由端每一个循环周期内的最大滑移量与循环次数的关系如图5所示。

图5 试件试验粘结区自由端最大滑移量与循环次数的关系Fig.5 Relationships between the largest free end slip of specimen bonded area and cycles

从图5中可以看出，随着循环次数的增加，试件F－150－1和F－150－2在每一循环周期内自由端最大滑移量呈现出快速增长的趋势。而试件F－150－3在每一循环周期内自由端最大滑移量随循环次数的增加呈现出缓慢增长趋势；对于不同胶层厚度的试件，其试验粘结区自由端在一个循环周期内最大滑移量均随胶层厚度的增加而增长。这说明随着循环次数的增加，试件CFRP－混凝土粘结界面存在着疲劳损伤的积累。胶层厚度较大的试件其粘结界面疲劳损伤程度较小。这说明胶层厚度的增加能够抑制粘结区刚度的退化，降低界面疲劳损伤的程度。

3 结论

从能量的角度来探究疲劳损伤是一种很有效的方法。通过试验，得到的循环消耗能和试验区粘结界面自由端循环最大滑移量等一系列数据，得到的结论为：

1）对于3种不同胶层厚度的试件，其试验区CFRP－混凝土粘结界面的单位体积能S加和单位体积变形能S卸都随循环次数的增加而增大，胶层厚度越大，其增长速度越慢。

2）试件试验区CFRP－混凝土粘结界面的循环消耗能S滞随着粘结界面胶层厚度的增加而减小，随着循环次数的增加而增大。胶层厚度越大，其增长速度越慢。这说明胶层厚度对粘结界面刚度的退化起到抑制作用，且胶层厚度越大，粘结界面疲劳损伤程度越均匀。

3）试件试验区CFRP－混凝土粘结界面自由端每一循环周期内的最大滑移量随循环次数的增加均呈上升趋势；对于同一循环周期，试件自由端每一循环周期内的最大滑移量随胶层厚度的增加而减小。胶层厚度越大，其增长速度越慢。这说明胶层厚度越大，疲劳损伤的累积越均匀。

（

）：

［1］ Hollaway L C，Cadei J.Progress in the technique of upgrading metallic structures with advanced polymer composites［J］.Progress in Structural Engineering and Materials，2002，4（2）：131－148.

［2］ Nigro E，Ludovico M D，Bilotta A.Experimental investigation of FRP－concrete debonding under cyclic actions［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2011（4）：360－371.

［3］ 姚谏，滕锦光.FRP复合材料与混凝土的粘结强度试验研究［J］.建筑结构学报，2003（5）：10－18.（YAO Jian，TENG Jin－guang.Experimental study on bond strength between FRP－composite materials and the concrete［J］.Journal of Building Structures，2003（5）：10－18.（in Chinese））

［4］ 李艳，刘泽军，胡春红.碳纤维片材抗弯加固钢筋混凝土梁剥离界面剪应力试验研究［J］.河南理工大学学报：自然科学版，2007，26（6）：700－706.（LI Yan，LIU Ze－jun，HU Chun－hong.Study on the shear of debonding plate－end of RC beam strengthened with CFRP［J］.Journal of Henan Polytechnic University：Natural Science，2007，26（6）：700－706.（in Chinese））

［5］ Carloni C，Subramaniam K V，Savoia M，et al.Experimental determination of FRP－concrete cohesive interface properties under fatigue loading［J］.Composite Structures，2012，94：1288－1296.

［6］ 刘沐宇，李开兵.碳纤维布加固混凝土梁的疲劳性能试验研究［J］.土木工程学报，2005，38（9）：32－36.（LIU Mu－yu，LI Kai－bing.Fatigue performance of RC beams strengthened with CFRP－sheets［J］.China Civil Engineering Journal，2005，38（9）：32－36.（in Chinese））

［7］ Gheorghiu C，Labossiere P，Proulx J.Response of CFRP－strengthened beams under fatigue with different load amplitudes［J］.Construction and Building Materials，2007，21：756－763.

［8］ Bizindavyi L，Neale K W，Erki M A.Experimental investigation of bonded fiber reinforced polymer－concrete joints under cyclic loading［J］.Journal of Composites for Construction，2003，7（2）：127－134.

［9］ Kim Y J，Heffernan P J.Fatigue behavior of externally strengthened concrete beams with fiber－reinforced polymers：state of the art［J］.Journal of composites for construction，2008，12：246－256.

［10］ Yanchun Y，Yufei W，Waiching T.Performance of FRP bonding systems under fatigue loading［J］.Engineering Structures，2008，30：3129－3140.

［11］ 谢和平，鞠杨，黎立云，等.岩体变形破坏过程的能量机制［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（9）：1729－1740.（XIE He－ping，JU Yang，LI Li－yun，et al.Energy mechanism of deformation and failure of rock masses［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（9）：1729－1740.（in Chinese））

［12］ Bizindavyi L，Neale K W，Erki M A.Experimental investigation of bonded fiber reinforced polymerconcrete joints under cyclic loading［J］.Journal of Composites for Construction，2003（7）：127－134.