恶劣环境下CFRP-混凝土界面粘结性能的研究进展

张荣振，王玉田 （青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

0 引言

碳纤维增强复合材料（简称CFRP）制品是增强和改善混凝土结构、砌体结构、钢及木结构的一种新型优良材料。世界各国对基础设施加固、修复和改造的巨大需求以及CFRP材料耐腐蚀、轻质、施工便捷等优点是CFRP制品得到广泛应用和CFRP加固技术得以迅速发展的主要原因。

CFRP与混凝土之间的粘结界面扮演了一个重要的角色。在力的传递方面，CFRP加固混凝土结构往往不是由于CFRP材料拉断破坏，而是由于CFRP与混凝土间的界面强度不足导致剥离破坏，甚至在恶劣环境下，又会进一步加剧结构的破坏，因此，研究环境因素对CFRP粘结界面的影响，对于评价CFRP粘结修复的长期性能和推广CFRP材料的应用具有十分重要的意义。下面介绍了恶劣环境下CFRP与混凝土界面的粘结耐久性研究现状，并对进一步的研究提出了建议。

1 试验研究进展

1.1 界面破坏的研究

1.1.1 冻融环境的影响

张静轩［1］、王玉田［2］、王苏岩［3］等的试验结果表明，在冻融环境侵蚀下，普通混凝土的典型破坏方式主要有2种：剪切破坏和粘结界面剥离破坏，并且随着冻融侵蚀龄期的增加，破坏层向胶层转移。在后续研究中，隋莉莉［4］、李趁趁［5］等学者开始采用高强混凝土，高强混凝土虽然具有较好的致密性，但在冻融和持续荷载的共同作用下，破坏模式会发生转变，由内聚破坏（粘结强度大于混凝土自身强度引起的混凝土破坏）转变为粘结界面破坏（粘结强度小于混凝土自身强度引起的界面破坏），发生转变的主导因素是混凝土强度的下降，冻融循环对混凝土结构的不利影响逐渐由粘结界面转向混凝土本身［6］。

1.1.2 干湿、浸泡等环境的影响

多位学者［7-9］认为，干湿循环在90~120次时开始发生破坏模式的转变，由混凝土的剪切破坏转向粘结面破坏，且高强混凝土的破坏更为突然，且持续荷载的存在，会加快此破坏方式的转变速度，持载越大，转变速度越快；刘生纬等［10］认为，当硫酸盐浸泡时间较短时，试件发生剪切破坏，浸泡时间较长时，试件发生界面剥离破坏和粘结胶层破坏；在侵蚀介质对破坏方式的影响方面，隋莉莉［4］指出，酸性物质的侵蚀作用大于碱性物质和盐类；殷彦波［2］认为，由于氯盐会抑制硫酸盐的侵蚀，单纯硫酸盐对界面破坏的影响最大，其次是氯盐，最后是复合环境，树脂层的老化是导致最终界面粘结强度降低的主要原因。

1.1.3 其他因素的影响

黄鲁玉［11］认为，不同温度循环作用下的试件最终的破坏形态是相同的，均为CFRP与混凝土的剥离破坏，剥离下的CFRP布表面黏附的混凝土质量随着混凝土过火温度的升高而增加［10-13］；胡克旭［14］试验表明，胶体在温度升高的过程中逐渐软化，经历固态-黏塑态-流塑态的转化过程，在湿热老化试验前，CFRP与混凝土的粘结破坏形式全部为混凝土的剪切破坏，经过湿热老化试验后，混凝土试件的破坏形式全部为CFRP与混凝土的剥离破坏，环氧树脂在湿热试验后性能下降，这是造成CFRP与混凝土粘结强度下降的主要原因。此外，混凝土强度、CFRP粘结长度、粘结剂、材料刚度等也会影响破坏方式。王苏岩［3］研究表明，混凝土的强度等级对破坏的影响较大，强度越高，破坏越突然，CFRP片材表面的混凝土颗粒越少；刘生纬［10］研究发现，CFRP的粘贴长度对破坏模式的影响较大，大体表现为粘结长度越长的试件，加载端的三角剪切区域越小，自由端剥离层更加靠近胶层且表面的混凝土颗粒较少。

1.2 界面有效粘结长度的研究

1.2.1 冻融环境的影响

王苏岩［6］、洪雷［15］、Yu-Fei Wu［16］、陈雨唐［17］等学者均认为，随着冻融循环次数的增加，CFRP与高强混凝土之间的有效粘结长度增加。Subramaniam等［18］人进行了冻融循环作用下FRP与混凝土粘结耐久性的试验研究，结果表明，随着冻融循环次数的增加，FRP-混凝土界面粘结强度、有效粘结长度增加，高等混凝土相对低等混凝土来说强度下降更明显。

1.2.2 干湿、浸泡等环境的影响

Sharma等［19］最早研究了FRP-混凝土界面的粘结强度和有效粘结长度的关系，研究发现界面的极限荷载不会随着粘贴长度的增加而持续增大，“有效粘结长度”的概念首次产生；王苏岩［20］提到，有效粘结长度是保证界面有效承载的最短长度，可以利用应力分布曲线和应变分布曲线获得，且两种方法是等效的；管天成［21］认为，粘结长度不超过150 mm的试件，随着粘结长度的增加，破坏时的极限荷载和极限位移越大，界面延性越大。

1.2.3 其他因素的影响

界面粘结的影响因素较多，比如水胶比、粘结长度和宽度、混凝土强度、粉煤灰掺量、硫酸盐浓度等，不同强度混凝土的最小粘结长度和有效粘结长度之间的关系并不一致［15］。孙琳［22］认为，有效粘结长度与混凝土强度呈反比，加固时的粘结长度应超过最小粘结长度，结构才偏安全；王吉忠［22］认为，粘结长度超过一定值后，继续增加粘结长度不能再提供更高的剥离承载力，在保证粘结长度的情况下，增加粘结宽度未对平均粘结强度产生太大影响；刘生纬［10］通过比较发现，随着混凝土水胶比、粉煤灰掺量和硫酸盐浓度的增大，有效粘结长度不断增加；何栋尔等［13］认为，提高混凝土强度等级会减小有效粘结长度，并且随过火温度的升高，有效粘结长度显著增加。

1.3 剥离承载力的研究

1.3.1 冻融环境的影响

冻融环境下粘结性能的好坏，剥离承载力是个重要指标，孙琳［23］指出，不同强度的混凝土试件，在冻融循环中承载力的下降趋势一致，且在冻融后期的下降速率明显快于前期。Subramaniam［18］的试验表明，经300次冻融循环，最大极限承载力降低了17 %；王玉田［2］、王苏岩［6］的试验表明，在冻融循环次数较少时，极限承载力的提高，是由于二次水化引起的混凝土强度的提高和树脂胶体弹性模量的提高，此阶段是否持载对剥离承载力的影响不大；在较多的冻融循环次数下，极限承载力呈线性下降趋势，并且胶层的阻隔作用抑制了水泥的二次水化，混凝土强度下降，混凝土的受冻伤害程度远超对树脂胶本身的伤害，此阶段的持载对剥离承载力有不利影响，会导致混凝土基层剥离破坏。混凝土强度对粘结力有积极影响，底层涂料的渗透能力较强，修复强化混凝土表面，有利于界面粘结强度的提升［20］。

1.3.2 干湿、浸泡等环境的影响

在浸泡、干湿循环和湿热环境下，胶层的物理性质会发生变化，界面极限承载力整体上呈现先增加后下降的趋势，持载的存在会进一步加剧界面损伤［7-8，10］。承载力上升的原因，一方面是混凝土的后期水化，另一方面是后固化反应增大了树脂层的强度及界面粘结力。在承载力下降阶段，混凝土吸水膨胀再干燥收缩，内外产生氯离子浓度差，降低了胶层与混凝土之间的抗剪强度［24］。在环境侵蚀初期，树脂弹性模量变化小，树脂的抗剪强度下降小，当抗剪强度下降到接近或小于混凝土本身的抗剪强度时，极限承载力突然下降，因此，树脂的剪切模量和剪切强度的变化在很大程度上影响了界面剥离承载力。

1.3.3 其他因素的影响

影响界面剥离承载力的因素有很多，比如粘结长度、片材宽度、混凝土本身因素、树脂胶等等。李趁趁等［5］认为，在片材和混凝土的几何尺寸一定的情况下，随着片材刚度、混凝土强度的增大，剥离承载力也增大，CFRP粘结长度增加，试件极限承载力也有所提高，但当CFRP片材粘结长度超过某一定值后，界面剥离承载力将保持不变。试验发现［22］，C60混凝土试件剥离承载力更大，盐溶液干湿循环对试件的剥离承载力有显著的影响，当粘结长度超过一定值后，粘结宽度成为粘结力的主要影响因素，水胶比越大，极限承载力下降的速率越快。

1.4 粘结滑移关系的研究

王玉田［2］、王苏岩［6］、朱晓玲［25］、马明［26］等学者认为，粘结滑移过程可分为以下几个阶段：（1）弹性阶段：荷载与滑移呈线性关系；（2）软化阶段：界面出现初始裂缝，荷载与滑移呈非线性关系，当荷载增大时，位移增大迅速，为界面弹性和非弹性阶段的分界点，将软化段的起始荷载定义为初始剥离荷载；（3）剥离阶段：随着荷载增加，软化区域片材完全剥离，荷载大小不变，定义为破坏荷载，当片材完全剥离时，对应的端部滑移定义为极限端部滑移，其值越大，界面的延性就越好。张迪等［27］实测的界面粘结滑移关系曲线确实存在上升段和下降段，但关键参数离散性较大，难以得到准确的界面极限滑移量；Kang Liu等［28］认为，在利用加载端荷载-滑移曲线来获取界面粘结-滑移曲线时，不能忽略自由端的滑移量，否则会引起较大的误差，由此提出了考虑自由端滑移量的界面粘结-滑移模型。

1.4.1 冻融环境的影响

王苏岩［3］的研究表明，受到冻融影响的CFRP-混凝土粘结界面试件，在较低的荷载下曲线关系就出现了明显的转折点，试件便开始剥离。Chajes等［29］的研究表明，经氯盐冻融循环作用后，界面粘结性能有轻微下降，试件的极限端部滑移均呈下降趋势，延性逐渐降低，在持载和环境的共同作用下，破坏进一步加剧［10］。高强混凝土与普通混凝土相比有较大不同，试件未经冻融和持载作用，剥离开始时，荷载才加载到破坏荷载的80 %［6］，王苏岩等［3，7，20］研究发现，CFRP-高强混凝土的界面，很小的滑移，荷载就达到了极限荷载的70 %以上，而普通混凝土在破坏荷载的40 %~60 %才开始发生剥离，高强混凝土与CFRP的粘结破坏更为突然，脆性更大。

1.4.2 其他因素的影响

影响粘结滑移的因素有很多，混凝土强度、CFRP片材的粘结长度、宽度、持载等级、侵蚀介质类型等。洪雷［15］、王苏岩［3，6，20］认为，影响粘结滑移关系的最主要因素是混凝土在冻融作用下的自身损伤，对于高强混凝土，前期的冻融会提高混凝土的自身强度，但接近混凝土极限冻融次数后，界面的粘结性能急剧下降。冯展磊［30］认为，随着混凝土强度的提高，碳纤维布与混凝土间达到最大粘结力时的相对滑移逐渐增大。持载作用下的干湿循环试件，持载等级越高，截面粘结滑移程度也就越大［7］；粘贴长度增加，滑移量显著增加；在侵蚀介质方面，腐蚀溶液确实弱化了CFRP-混凝土的粘结界面，且复合侵蚀环境对界面粘结耐久性的影响是最严重的［22］，隋莉莉认为，酸性介质对CFRP-混凝土界面粘结性能的影响最大，其影响程度大于碱和盐［4］。

1.5 应力应变分布的研究

1.5.1 冻融环境的影响

冻融循环后，沿粘结长度上的CFRP的应变发展规律是相似的，加载端附近的应变大，距加载端越远，应变越小。孙家国等［31］的纤维应变分布图呈二次曲线形状，曲线的斜率反映了界面传递粘结剪应力的大小；王苏岩［20］认为，冻融循环对片材的弹性模量影响很小，当荷载值小于软化荷载时，应变基本呈指数平滑分布，当荷载达到软化荷载时，靠近加载端的粘结区域应变值产生突变和波动；Bisby L A等［32］的研究结果表明，200次或300次冻融循环作用对试件的应力和应变影响较小；孙琳［23］指出，硫酸冻融循环下CFRP上的应变分布不均匀，后期下降速率明显加快。不同侵蚀介质下，CFRP-混凝土界面应变分布规律相同，但氯盐的加入使得粘结界面劣化得更严重［1］。

1.5.2 干湿、浸泡等环境的影响

随着干湿循环次数的增加，试件的平均最大应变呈下降趋势，达到极限荷载后基本保持不变，不同海水干湿循环次数的试件中均发生这种现象，说明有效粘结区域在破坏过程中以不变的长度平行向试件自由端移动［7］。张迪［27］通过分析不同荷载水平下应变的分布规律发现，在试验的各种环境类别下，CFRP片材的应变分布曲线形状基本相同；张香岩［33］对比了不同的应变曲线，发现极限应变、混凝土立方体抗压度和双剪试验破坏荷载三者的变化规律相似；樊付权［8］分析了不同腐蚀环境下CFRP的应变沿粘结长度的分布规律，得出侵蚀速度由快到慢的顺序依次为：复合环境＞硫酸盐环境＞氯盐环境。

1.5.3 其他因素的影响

影响应变分布的其他因素有外掺物、粘结长度、水胶比、环境湿热、持载等。当混凝土水胶比和硫酸盐浓度越大，CFRP极限应变值的降低幅度就越大；当粉煤灰掺量越大，CFRP极限应变值降低的速率则越大［10］；随着碳纤维布粘结长度的增加，试件的粘结应力减小，滑移量轻微增加［34］。刘宇森［35］认为，不同湿热环境作用后，并不会对CFRP应变的整体分布规律产生太大影响，当温度较低，环境湿度相差不大时，对极限承载能力的影响很小；在高温条件下，湿度的影响非常大，极限承载能力明显降低。盐溶液干湿循环对试件的应变分布影响较小［23］，无持载干湿试件界面损伤程度有限且速度缓慢，而持载干湿试件的界面损伤程度显著且速度较快［7］。

2 结语

（1） 在冻融循环后期，混凝土本身的破坏程度比粘结界面更严重；有效粘结长度降低是结构性能降低的重要原因；剥离承载力和最大应变值的下降速率要快于前期，且后期持载对结构更加不利。

（2） 在干湿循环和浸泡环境下，环氧树脂力学性能的下降是造成结构性能劣化的重要原因，剥离层由混凝土表层转移到胶层，界面剥离承载力整体上呈现先增加后降低的趋势，平均最大应变呈降低趋势。

（3） 与普通混凝土相比，高强混凝土的力学性能更优，在相同荷载下，高强混凝土的滑移要低于普通混凝土，但破坏时更为突然，脆性大，与普通混凝土有较大区别。

3 建议

（1） 目前CFRP-混凝土界面耐久性研究主要通过实验室模拟环境进行，而现场环境复杂，研究环境和结构承载共同作用下CFRP-混凝土界面的耐久性显得非常有必要，进而真实地反映结构加固补强后的性能。

（2） 我国碳纤维布和混凝土的界面双剪试验方法缺乏统一规范，不同学者采用的试验方法和测量手段各不相同，应制定一系列统一规范，便于比较和研究。

（3） 树脂粘结胶传递界面剪应力，连接混凝土与片材，影响粘结效果，应选用验证过的耐久性好的粘结树脂，同时在进行界面承载力设计时，考虑混凝土强度折减，以此保证界面耐久性。因此，树脂的结构特性及其耐久性能也是一个重要的研究课题。