硫酸盐环境下CFRP-混凝土界面黏结强度试验研究

刘生纬, 赵建昌, 张家玮, 王作伟, 杨子江

(兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070)

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥采用祁连山牌42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料采用天然黄河砂，细度模数为3.0；粗骨料采用最大粒径为20 mm的卵石(5～10 mm粒径与10～20 mm粒径的质量比为1∶2)；拌合水为自来水。水泥各项指标见表1，混凝土配合比见表2，标准养护28 d后测得混凝土立方体平均抗压强度为32.8 MPa。试验采用上海产的SKO(赛克)牌一级碳纤维布和黏结树脂，其力学性能见表3。

表1 水泥性能指标

表2 混凝土配合比

表3 CFRP和黏结树脂的力学性能参数

1.2 试件制作及试验方案

双剪试件所用混凝土试块截面为100 mm×100 mm，长度为220 mm的棱柱体。CFRP的粘贴长度为180 mm，黏结宽度为50 mm，并且在加载端处预留了一个20 mm的非黏结段，以防止加载过程中加载端处出现应力集中而破坏。在混凝土试件两侧对称粘贴CFRP，并在一侧粘贴一个宽度为50 mm的加强片，以保证测试一侧的CFRP先发生剥离。双剪试件的尺寸和应变片布置见图1。

2 试验结果分析

2.1 界面承载力

由于双剪试件两侧CFRP传递的荷载相同，取双剪试件的极限荷载的一半作为CFRP-混凝土界面的极限承载力Pu。为了方便比较，将不同侵蚀时间T获得的界面极限承载力的平均值Pu,T以未受硫酸盐侵蚀时的界面极限承载力的平均值Pu,0进行归一化处理，这样可以消除混凝土试件制作和粘贴CFRP时各种因素造成的误差。极限承载力随侵蚀时间T的变化曲线，见图2。从图2中可以看出：在侵蚀初期，界面承载力随侵蚀时间的延长略有增加或保持不变，这是由于硫酸根离子与混凝土中水泥的水化产物反应生成的膨胀产物的量较少，未引起界面损伤；但随着膨胀产物的不断积累，混凝土孔隙被填实，从而产生较大的膨胀力，当其大于混凝土抗拉强度时混凝土随即开裂，而裂缝的开展加速了硫酸根离子向混凝土内部的传输，侵蚀边界不断向混凝土内部移动，混凝土损伤加剧，最终导致CFRP-混凝土界面承载力下降。

从曲线的走势看，曲线在侵蚀前期变化较小，在侵蚀时间超过60 d后曲线开始下降，当侵蚀时间超过120 d后，曲线斜率变大，说明在侵蚀后期界面极限承载力下降速率加快。当侵蚀试件为150 d时，界面极限承载力下降了约35%，说明硫酸盐侵蚀引起了CFRP-混凝土界面黏结性能的退化。

2.2 界面断裂能

界面断裂能是表征CFRP-混凝土界面韧性的一个重要指标[20-21]，界面断裂能Gf为黏结-滑移曲线所围成的面积，并且与黏结-滑移曲线的具体形式无关。目前，基于断裂力学许多学者提出了界面断裂能的计算公式，文献[22]的研究表明CFRP-混凝土界面断裂能Gf的平方根与界面承载力成正比，具体式为

( 1 )

式中:bf，tf，Ef分别为CFRP片材的宽度、厚度、弹性模量。

不同侵蚀时间对应各试件的界面断裂能见图3。由图3可知，在侵蚀初期试件的最大界面断裂能随侵蚀时间的增加基本保持不变，随后随侵蚀时间的增加最大界面断裂能逐渐降低，并且随侵蚀时间的增加试验数据的离散性逐渐变大。在试验后期，界面断裂能下降幅度更为显著。这也反应出随硫酸盐干湿循环作用时间的延长，界面黏结性能的退化速度加快。

通过对界面断裂能随侵蚀时间的变化趋势进行非线性拟合，得到了硫酸盐环境下界面断裂能随侵蚀时间变化的函数表达式为

( 2 )

硫酸盐对界面断裂能影响系数ηG的表达式为

ηG=1.499 4e2.269 7+0.001 62T-0.000 029 55T2

( 3 )

式中：Gf,T为侵蚀时间为T时的界面断裂能。式( 2 )得到的界面断裂能与试验值对比见图4，由图4可以看出，预测值与试验值吻合较好。

2.3 界面应变分布及有效黏结长度

典型时间点对应各级荷载下CFRP表面应变分布，见图5，不同侵蚀时间对应的应变曲线形状基本相同，整个加载过程可以分为3各阶段：(1)在加载初期，只在加载端处产生应变，远离加载端处应变为零，随着荷载的增加，CFRP应变由加载端逐渐向自由端扩展；(2)当荷载达到剥离荷载后，加载端处界面开始剥离，剥离处应变在一个范围内波动，应变达到最大值，此时，自由端处应变仍为零，随着加载的进行，应变峰值不断向自由端移动，应变曲线靠近加载端一侧出现平行段，曲线整体呈两头平行中间倾斜的近“S”形，在剥离过程中，曲线倾斜区域迅速向自由端等长移动，但荷载几乎不增加；(3)当剥离发展到自由端时，由于端部黏结增强作用，荷载略微增加，界面破坏时伴有一声巨响。

对比不同侵蚀时间对应的应变曲线可以看出，随着硫酸盐干湿循环作用时间的延长，CFRP表面最大应变逐渐降低，而且曲线倾斜段的斜率也随着侵蚀时间的增加而逐渐减小。说明硫酸盐干湿循环作用导致CFRP-混凝土界面的黏结性能出现退化，界面延性逐渐降低。

CFRP与混凝土的黏结强度并不是总随着黏结长度的增加而增加，很多研究表明CFRP-混凝土界面存在一个有效黏结长度Le[11,22]。Yuan等[23]建议的有效黏结长度为该长度上界面所能够提供的剪切力至少能够承受界面极限荷载的97%。但是试验中很难直接测得达到极限荷载时的有效黏结长度。Nakaba等[24]将界面有效黏结长度定义为以峰值剪应力的10%画直线，与剪应力分布曲线的上升段和下降段相交，交点之间的长度为有效黏结长度，即应力传递长度，见图6(a)所示。由于应力传递长度与应变上升段对应的长度相一致，因此将应变曲线的上升段对应的黏结长度定义为有效黏结长度，见6(b)。

由于材料的不均匀性，已剥离部位CFRP的应变并不完全相等，而是呈锯齿状分布。为了更好地考察应变分布规律，采用退化式( 4 )[25]对图5中荷载分别为9.5，6.0 kN对应的应变分布曲线进行拟合，见图7。

( 4 )

式中：ε(x)为距自由端x处的应变值；ε0，x0，α，β根据已有应变值通过非线性回归方法确定出的使曲线能很好吻合实测应变的参数。

通过对试件应变曲线的分析可知，由于界面摩擦力的存在，当界面剥离后CFRP应变还有一个小幅上升的过程。因此，取拟合曲线上应变值为最大应变2%和98%的两点间的长度作为有效黏结长度。通过对剥离过程中所有试件应变拟合曲线的分析，未受侵蚀的试件有效黏结长度为60～70 mm，随着侵蚀时间的延长，有效黏结长度逐渐增加，侵蚀150 d后有效黏结长度增加至90～100 mm。有效黏结长度与侵蚀时间的变化关系见图8。

很多研究表明有效黏结长度与CFRP的厚度、弹性模量及混凝土的强度有关[11,26]，在文献[7]有效黏结长度计算公式的基础上建立考虑硫酸盐侵蚀作用的有效黏结长度计算式为

( 5 )

式中：Le,T为侵蚀时间为T时的有效黏结长度；ηL为有效黏结长度影响系数；fc为混凝土抗压强度。通过对图8数据进行拟合，可得到硫酸盐干湿循环作用下有效黏结长度影响系数ηL的表达式

ηL=0.015 15e4.192 5-0.000 83T-0.000 023T2

( 6 )

式( 5 )计算得到的界面有效黏结长度与试验值对比见图9，公式预测值与试验值吻合较好，预测值与试验值均分布在45°线周围。

3 黏结强度模型

目前已有的界面黏结强度模型主要是针对未考虑环境因素时提出的，通过对已有界面承载力模型的分析，界面黏结强度与纤维片材的刚度、混凝土强度密切相关，但经硫酸盐侵蚀作用后，各组成材料的力学性能会出现不同程度的退化，因此已有的界面黏结强度模型均不能准确反映经硫酸盐侵蚀后界面黏结强度的退化。基于文献[7]的界面黏结强度模型，引入硫酸盐干湿循环作用下界面黏结强度影响系数ηq，建立考虑硫酸盐侵蚀影响的界面黏结强度模型

( 7 )

式中：qu,T为侵蚀时间为T时的界面黏结强度(即为受剪破坏时CFRP-混凝土界面单位宽度所承受的极限荷载)，N/mm；ηq为界面黏结强度影响系数；βl为黏结长度影响系数；βw为宽度影响系数。

( 8 )

( 9 )

不同侵蚀时间下界面黏结强度分布，见图10，通过对图中数据的拟合，可得到硫酸盐干湿循环作用下界面黏结强度影响系数ηq为

ηq=0.005 11e5.265 4+0.001 62T-0.000 029 55T2

(10)

式(7)得到的界面黏结强度与试验值对比见图11，模型预测值与试验值吻合较好，预测值与试验值均分布在45°线周围。说明本文建立的硫酸盐环境下CFRP-混凝土界面黏结强度预测模型能够反映界面黏结强度随硫酸盐侵蚀时间的退化规律。

4 结论

(1) 硫酸盐干湿循环作用对CFRP-混凝土界面的黏结性能产生不利影响，界面黏结强度和界面断裂能均表现出：在侵蚀初期，随侵蚀时间的增加而略有增加或保持不变，达到一定侵蚀时间后，随侵蚀时间的增加而下降，且下降速率随侵蚀时间的增加而逐渐加快。

(2) 在硫酸盐干湿循环作用下，CFRP-混凝土界面有效黏结长度随侵蚀时间的增加而逐渐增加，因此，在实际工程中CFRP的锚固长度应大于最大有效黏结长度。

(3) 建立了硫酸盐干湿循环作用下CFRP-混凝土界面的黏结强度模型，给出了界面断裂能、有效黏结长度随硫酸盐侵蚀时间T的函数表达式，通过预测模型与试验结果的对比分析，预测模型能够很好的反映界面黏结强度、断裂能、有效黏结长度随硫酸盐侵蚀时间的退化规律。