硫酸盐干湿循环作用下CFRP-黏土砖界面黏结性能试验研究

靳文强 ，聂丹，王琦，张家玮 ，赵建昌，郭乐乐

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070；3.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

碳纤维复合材料(CFRP)因其具有拉伸强度高、耐腐蚀等良好性能，目前在砌体结构加固中被广泛应用，通过黏贴CFRP 加固的方法能够提高砌体墙的整体抗震和抗裂性能[1−3]。使用CFRP对黏土砖砌体结构加固时，用黏结树脂把CFRP 片材黏贴在结构表面，通过黏结界面传递剪应力，让CFRP 与黏土砖结构共同受力，从而起到结构加固的作用。对于CFRP 与黏土砖界面的黏结强度的研究，目前国内外众多学者主要集中在标准养护条件下黏结强度与黏土砖、CFRP、黏结树脂等材料性能的对应关系上[4−9]，没有考虑诸如硫酸盐、冻融、紫外线等环境因素对黏结界面的影响。由于被加固的砌体结构一般均处于自然环境中，加固结构的耐久性会受到酸碱等恶劣环境的影响，因此研究考虑恶劣环境下界面的黏结性能十分必要。硫酸盐对黏土砖具有很强的腐蚀性[10]，但关于硫酸盐对CFRP-黏土砖界面的黏结性能的影响，目前文献研究极少，也未见到相应的退化模型，而许多建筑，特别是黏土砖古建筑处于硫酸盐环境中，硫酸盐环境必然会对使用CFRP 加固的黏土砖结构产生影响[11−13]。本文使用硫酸盐溶液对黏贴CFRP 的黏土砖试件进行加速腐蚀试验，通过单剪方式，研究CFRP 与黏土砖界面的黏结性能退化情况，为日益增多的加固技术提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验选取了表面平整、无明显裂纹并且边角完整的普通烧结黏土砖作为试件，经测定黏土砖的平均抗压强度值为16.54 MPa。试验选用的碳纤维布和黏结树脂性能分别见表1 和表2，使用的硫酸盐溶液为浓度1.887 mol/L 的Na2SO4溶液，Na2SO4质量分数为10%。

表1 碳纤维布主要性能参数Table 1 Main performance parameters of CFRP

表2 黏结树脂主要性能参数Table 2 Main performance parameters of the resin

1.2 试验设计

试验共制作粘贴纤维布黏土砖试件35 个，作为主试件，共分7 组，每组5 个试件。试验还同时选取35个没有粘贴纤维布的黏土砖作为辅助试件，以测试硫酸盐干湿循环不同次数下的强度等参数，也分为7 组，每组5 个试件。试验还制作CFRP 片材试件21个，分为7组，每组3个试件，以测试硫酸盐干湿循环作用下弹性模量的变化情况。

主试件所使用纤维布的黏结宽度均为50 mm，黏结长度均为180 mm。纤维布粘贴在黏土砖沿着长边居中部位。制作试件时，在黏土砖靠近加载端设置20 mm 的非黏结段防止应力集中，如图1(a)所示，并在CFRP加载端头进行加固。

图1 CFRP-黏土砖单剪试件示意图Fig.1 Picture of CFRP-brick single shear specimen

试验干湿循环参照GB/T50082—2009标准[14]的试验方法进行，对试件浸泡12 h，温度控制在(20±2) ℃，然后风干2 h，再以40 ℃的温度烘干8 h，最后冷却2 h，如此24 h 为1 个循环。为方便试验，定制自动循环试验箱，按照设定时间自动循环。每种试件各留出1组作为对比试件，其余试件全部放入循环试验箱内，在循环分别达到20次，40次，60 次，80 次，100 次和120 次时各取出1 组试件 进行测试。

1.3 试验加载装置及数据采集系统

试验加载采用的设备为WDW−50 微机控制电子万能试验机，数据通过DH3816 静态应变测试系统采集，如图2所示。

图2 单剪试验加载装置Fig.2 Single shear test loading device

在CFRP 的表面沿长度方向粘贴电阻应变片，以加载端黏结起点作为坐标0点，向自由端记为坐标正值，向加载端记为坐标负值，应变片沿CFRP布中线在−10 mm 到180 mm 粘贴长度范围内按每20 mm 布置1个应变片，应变片分别贴在−10，10，30，…，170 mm 处，共10 个应变片。粘贴应变片在试件硫酸盐干湿循环完成后进行，应变片布置及应变测点编号详见图1(b)。根据硫酸盐干湿循环次数对试件进行编号，如LSY80−3 表示经受干湿循环80次的第3个试件。

2 试验结果与分析

2.1 材料性能变化

为更准确分析硫酸盐对界面的影响，本文试验同步测试了组成试件材料在硫酸盐干湿循环作用下的性能变化，考虑到酸、碱环境对黏结树脂的强度影响不明显[11]，因此本文未对黏结树脂作进一步研究，主要研究黏土砖抗压强度和CFRP 的弹性模量随硫酸盐干湿循环的次数影响情况，结果见表3。由表3可知，CFRP弹性模量随硫酸盐干湿循环变化幅度均小于5%，可以认为硫酸盐干湿循环对CFRP 弹性模量没有影响。由表3 可知在循环初期，黏土砖抗压强度随着循环次数的增大而增大，在循环40 次时达到极值后逐步下降，相比较标准养护环境，抗压强度在循环120次时下降幅度达30%。

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表3 CFRP弹性模量、黏土砖抗压强度随硫酸盐干湿循环变化幅度Table 3 Elastic modulus of CFRP and compressive strength of clay brick vary with the variation range ofsulfate dry-wet cycle

对黏土砖材料进行核磁共振实验，得到图3所示的硫酸盐干湿循环作用后黏土砖材料T2谱曲线，T2 谱曲线可以很好的反映黏土砖孔隙的孔径及不同孔径的孔隙所占的比例。图3中横坐标即弛豫时间的长短反映了黏土砖孔隙的大小，纵坐标即信号幅度代表了该种孔隙所占的量。黏土砖中的孔隙为硫酸盐侵入腐蚀和破坏提供了条件，分析认为，在硫酸盐干湿循环初期，硫酸盐与黏土砖材料分子发生反应生成物填充孔隙，使孔隙密实，而后期大孔径增多主要是孔隙中生成物的膨胀力超过砖材料本身抗拉强度，孔隙破坏所致。而孔隙破坏又加剧硫酸盐的侵蚀，从而使破坏越来越严重。

图3 硫酸盐干湿循环作用后黏土砖材料T2图Fig.3 T2 diagram of clay brick after the wet and dry cycle of sulfate

2.2 界面破坏现象

图4为硫酸盐干湿循环作用下黏土砖界面典型破坏现象。由图4可知，硫酸盐干湿循环次数较低时(本试验为40次之前)，试件的剥离发生在黏土砖层上，CFRP 上黏下来的黏土砖层厚度约为2～3 mm(图4(a)和4(b))；循环次数较高时，破坏发生在黏结胶与黏土砖之间的浸润层上(图4(c)和4(d))，CFRP 黏结下来的黏土砖层越来越薄，到循环120次时，仅仅是一些碎屑或薄薄的面层，隐约能看见黏土砖黏结过的痕迹(图4(d))。表明硫酸盐干湿循环对CFRP-黏土砖界面影响较大。

图4 硫酸盐循环作用下黏土砖界面破坏现象Fig.4 Destruction of clay brick interface under the action of sulfate cycle

随着循环次数的增加，CFRP 两侧剥离的迹象越来越明显，说明CFRP 边缘最先劣化，黏结力变小，在外力作用下最先剥离。同时也说明CFRP 与黏结胶对于硫酸盐的侵蚀黏土砖起了一定的保护作用，但随着循环次数的增加，界面内部仍然受到较大的腐蚀与劣化。

2.3 界面承载力

通过单剪试验装置可以直接获取CFRP 极限承载力PU，极限承载力随硫酸盐干湿循环次数的变化曲线如图5所示。

从图5 可以看出，在硫酸盐干湿循环初期(本试验约为40 次之前)，界面承载力随干湿循环次数的增加而增加，循环后期承载力随干湿循环次数的增加而不断减小。当循环时间达到80 次时，承载力的大小和标准养护环境下试件的承载力近似相等，当循环时间达到120次时，相对于标准养护环境下的试件，界面极限承载力下降了约27%，表明硫酸盐干湿循环短期内对CFRP-黏土砖界面有强化作用，但长期作用下对界面黏结性能起劣化作用，且随着循环时间的延长越发严重。

图5 破坏荷载与循环周期关系曲线Fig.5 Failure load-cycle relationship curve

界面承载力是通过纤维布和黏结胶将剪应力传递给黏土砖的。当剪应力超过黏土砖抗压强度时黏土砖开裂，纤维布和黏土砖界面破坏。根据文献[9]剪应力公式，详见式(1)，结合应变图形可以得到不同硫酸盐干湿循环次数下的黏结强度。

图6为黏土砖抗压强度和界面黏结强度分别随硫酸盐干湿循环变化趋势。由图6可知，两者随干湿循环次数变化走向基本一致，代表值均为干湿循环初期数据增大，后期呈下降趋势。由于纤维布和树脂胶的强度远大于黏土砖强度，因此，黏土砖的抗压强度决定着界面承载力的大小。由2.1可知，干湿循环初期，硫酸盐使得黏土砖孔隙密实，抗压强度增大，而后期黏土砖孔隙破裂，抗压强度下降，这也是承载力上升与下降的主要原因。

图6 黏土砖抗压强度与黏结强度关系图Fig.6 Relationship between compressive strength and bond strength of clay brick

2.4 界面有效黏结长度

通过剪切试验可以得到各试件随荷载变化的应变分布曲线，图7(a)，7(b)和7(c)分别为标准养护环境、硫酸盐干湿循环40 次和120 次下的试件典型应变图。由图7可知，硫酸盐干湿循环作用下不同时间对应的应变图形走向基本一致，根据试验加载过程，试件从开始受力到破坏总共经历了3个阶段。第1个阶段为应变增长阶段，只能在加载端附近测得应变值，远离加载端部分应变全部为零。第2阶段为初始剥离阶段，此阶段的特点是加载端处有相邻测点近似等值的情况，说明有部分界面开始剥离。第3 阶段为剥离破坏阶段，在第2阶段剥离的基础上等值测点不断增多，在达到一定程度时发生突然的破坏。观察第2阶段，发现在加载端剥离时，自由端处仍存在零应变区域，整个界面并没有全部破坏，此时应变曲线形状近似反向的“S”形。第3 阶段的应变图形与第2 阶段相似，只是靠近加载端的“S”形上肢平行段不断增长，而靠近自由端的水平段不断减少，说明在剥离的过程中，应变峰值向自由端移动，“S”曲线以等长的方式向自由端移动。根据相关文献[9,15]，这个“S”曲线的水平投影即为有效黏结长度。

图7 CFRP应变分布Fig.7 CFRP strain distribution

对于有效黏结长度的求解，已有部分学者进行了研究。SUBRAMANIAM 等[16]提出应变分布公式，在求解有效黏结长度时，是将实际应变分布曲线上零应变和最大应变拐点值分别向内偏差2%来确定，YUAN等[17]认为有效黏结长度至少承但极限荷载的97%，比较简单容易实现的方法是NAKABA 等[18]建议，他认为取最大剪应力τmax的10%相对应的2 个点之间的距离作为有效黏结长度，如图8所示。

本文以Nakaba 建议的方式进行测量有效黏结长度。根据2.3得到的剪应力，比照图8进行计算，求各批次图形中合理部分的平均值，得到硫酸盐不同循环次数下的黏结长度，如表4所示。

图8 有效黏结长度示意图Fig.8 Schematic diagram of effective bonding length

由表4 数据可知，在硫酸盐循环作用下，CFRP与黏土砖的有效黏结长度在40次之前随着循环次数的增加而增长，在循环40 次时达到极值，40次之后随循环次数增大而减小。文献[15]提出了有效黏结长度与组成材料之间的关系式，详见公式(2)。公式表明，有效黏结长度与黏土砖的强度成正比例关系，而本试验中黏土砖的抗压强度在40次达到最大值，本研究结果与文献[15]研究结果基本一致。

表4 硫酸盐干湿循环不同次数下有效黏结长度Table 4 Effective bonding length under different times of sulfate wet and dry cycle

将本试验数据代入式(2)，并和表4数据进行对比，结果见图9。

式中：Le为有效黏结长度；fm为烧结黏土砖的抗压强度；Ef，tf分别为CFRP弹性模量和厚度。

由图9可知，本试验研究结果与文献研究结果基本一致。

图9 界面有效黏结长度Fig.9 Effective bonding length of interface

3 黏结强度模型

FRP 加固黏土砖砌体结构的关键是界面对荷载的传递，界面的良好黏结是加固结构共同受力变形的前提[9]，黏结滑移模型是研究界面黏结性能的基础，目前虽有关于CFRP-黏土砖界面黏结滑移模型的研究[4−8]，但这些模型都是基于标准养护环境下的，目前尚未发现对硫酸盐腐蚀环境下CFRP-黏土砖界面黏结滑移模型的研究。而黏土砖材料本身的性能会随着硫酸盐干湿循环而退化，势必会影响界面的黏结性能，从而影响CFRP 对结构加固的耐久性[19−20]。

根据马明等[21]提出的界面最大剪应力与黏结宽度和被加固材料强度的关系，结合黄奕辉[9]关于最大剪应力研究成果，利用本试验的数据进行拟合，最后得出符合本试验的峰值剪应力计算公式：

式中：fm为黏土砖抗压强度；bf为CFRP 黏结宽度；bm为黏土砖宽度。

在式(3)的基础上引入硫酸盐干湿循环作用下界面黏结强度影响系数kq，如式(4)所示。

此时，fm为CFRP加固前黏土砖的抗压强度。

对不同硫酸盐干湿循环次数下的剪应力进行拟合，可以得到与硫酸盐干湿循环次数相关的界面黏结强度影响系数kq：

通过式(4)可以得到的界面黏结强度计算值，并将试验值与计算值进行对比，如图10 所示。由对比图形可知，试验值与所建模型的计算值吻合较好，仅在循环后期计算值略低于试验值，这主要是在实际试验中CFRP 与黏土砖剥离面处存在摩擦力和咬合力所致，而推导得到的计算公式是理想化的模型，因而出现模型预测值小于试验值的情况。

图10 黏结强度与硫酸盐干湿循环作用时间关系曲线Fig.10 Bonding strength and sulfate wet and wet cycle effect time curve

4 结论

1)硫酸盐干湿循环对CFRP弹性模量几乎没有影响，但对黏土砖性能有显著影响。黏土砖抗压强度在硫酸盐干湿循环40 次之前，随着循环次数的增大而增大，在循环40 次时达到极值，后逐步下降，在循环120次时下降幅度达30%。

2) 黏土砖界面破坏形态随硫酸盐干湿循环作用而不同。在硫酸盐干湿循环次数较低时(本试验为40 次之前)，试件发生的主要是剪切破坏，剥离发生在黏土砖层上；而循环次数较高时，发生的主要是黏结破坏，破坏主要发生在碳纤维布与黏土砖之间的渗透层。

3) 界面承载力随干湿循环次数的增加呈现出先增长后下降的趋势。在硫酸盐干湿循环40 次之前，界面承载力随干湿循环次数的增加而增加，40 次之后承载力随干湿循环次数的增加而不断减小。当循环次数达到120次时，相对于标准养护环境下的试件，界面极限承载力下降了约27%。

4) 硫酸盐干湿循环作用对CFRP-黏土砖界面有效黏结长度有明显影响。有效黏结长度在循环初期略有增长，后期随循环次数的增加逐步减小，这一规律和黏土砖抗压强度变化相似，说明黏土砖材料强度与界面黏结性能密切相关。

5) 结合已有研究成果，引入硫酸盐干湿循环影响系数，建立了界面黏结−滑移模型。预测模型可以很好的反映界面黏结强度随硫酸盐干湿循环作用时间的退化规律。