抗弯加固中CFRP片材-混凝土界面结合技术对比分析

陆巍天

（北京理工大学珠海学院，广东 珠海 519000）

碳纤维复合材料CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）具有轻质、高强、抗疲劳、耐腐蚀、易加工等特点，CFRP失效的方式分为CFRP片材与混凝土界面的剥离破坏和CFRP片材的拉断破坏。剥离破坏的产生是由于CFRP或混凝土与胶结剂界面的粘接力不足，导致CFRP在到达极限工作状态前就与混凝土界面剥离，剥离破坏是最常见的破坏形式，但不是最理想的破坏形式。因此，如何提高CFRP与混凝土界面之间的粘接力，延缓甚至避免剥离破坏的发生，是当今众多学者研究的主要问题之一。

1 CFRP片材与混凝土的结合技术分类

针对上述问题，前人已对界面处理技术做了大量的研究。本文分别从在混凝土界面上进行处理、在结合方式上进行处理这两大类别对各种结合技术进行综述，如图1所示。

图1 CFRP-混凝土界面结合技术分类

1.1 在混凝土界面上进行处理的技术

1.1.1 物理糙化

物理糙化是指采用人工、机械等工具增加混凝土构件表面的粗糙度。目前，物理糙化有四种方法。一是高压水枪喷射处理法。相比人工凿毛法和砂轮打磨法，该方法更能提高混凝土的粘接强度，而且工作效率高。二是手工凿毛处理法。该方法不需要设备，因此在实际工程中应用较多，常用于多层CFRP片材复合加固，但CFRP材料容易被过早地拉断。三是砂轮打磨处理法。与手工凿毛法相比，在使用单层CFRP片材进行加固的情况下，该方法对被加固构件延性的提高幅度较大。四是机械喷砂处理。该方法需要配备机械设备，目前较少使用。

1.1.2 化学糙化

化学糙化方法使用酸性物质或碱性物质进行糙化，但已有研究表明，上述方法都会使粘接强度降低。因此，目前，化学糙化方法在工程中较少应用。

1.1.3 总结对比

上述几种方法都是通过提高混凝土的粗糙度来实现对粘接力的提升。王先伟等[1]研究发现，在冻融循环环境下，当混凝土表面粗糙度为0.33时，混凝土表面对CFRP-混凝土界面的粘接效果最好，但该研究只考虑了冻融环境。目前，通过量化粗糙度来分析粗糙度与CFRP-混凝土界面剪切强度关系的研究相对缺乏，发展潜力很大。

1.2 在结合方式上进行处理

在钢筋混凝土（RC）构件的抗弯加固中，CFRP片材-混凝土界面的结合方法可以分为三大类，即外贴法、表面嵌贴法和新型锚固法。外贴法是采用环氧树脂等粘接剂把CFRP外贴在构件受力区的加固方法。表面嵌贴法是将CFRP片材嵌入混凝土表层的预开槽中，使其与混凝土共同受力的技术，影响粘接强度的主要影响因素有槽宽、槽边距。新型锚固法又可以细分为五种。

一是混合锚固法（Hybrid Bonding of FRP，HBFRP）。在使用粘接树脂把CFRP片材粘贴在混凝土构件上后，沿其长度方向按照一定的间距布置机械锚固构件。二是U型锚固法。在外贴法的基础上，沿梁的纵向方向按一定的距离设置U形箍。三是CFRP缠绕锚固法。把被环氧树脂浸湿的CFRP布条缠绕到铁片上，然后通过螺杆固定在钢筋混凝土梁底。四是CFRP条带锚固法。使用外贴法粘贴CFRP片材后，再使用CFRP条带横向粘贴到使用外贴法粘贴的CFRP片材上。五是波形夹具锚固法。使用该方法粘贴的CFRP布层数可达10层。

已有试验结果表明，在不同的锚固方法条件下，CFRP片材的抗剥离能力主要由CFRP片材的层数、锚固构件的个数等控制。CFRP片材的层数越多，被加固梁的极限承载力越大，延性增大，但随之CFRP-混凝土界面之间的粘接强度会降低。在RC梁剪跨段布置的锚具越多，越可以延缓裂缝的发展甚至避免裂缝的产生，CFRP材料不容易剥离，加固效果更好；RC梁的配筋率低，CFRP片材承担混凝土的拉应力大，CFRP强度利用率高。

2 各种结合方法对比分析

本文从CFRP片材强度利用率、RC结构极限承载力提高幅度、RC架构跨中挠度的提高以及对RC构件的损伤程度四个因素出发，对上文提出的不同锚固方法进行对比分析，但影响以上四种变量的因素较多（如RC结构配筋率、CFRP片材规格等），而且每位学者的研究中变量也不尽相同，所以只能作为辅助衡量标准。不同锚固方法的加固效果对比如表1所示[2-7]。从对RC构件的损伤程度来看，表面嵌贴法为10～30 mm，常用20 mm；U型锚固法为0 mm；HB-FRP法为30～70 mm，常用40 mm；FRP缠绕锚固法为10～60 mm，常用50 mm；CFRP条带锚固法为0 mm；波形夹具锚固法需要对夹具预埋，对RC构件损伤程度较大。

表1 不同锚固方法的加固效果对比

由表1可见，混合锚固方式（HB-FRP）与波形夹具锚固法的加固效果最理想，而且适用于多层CFRP片材的加固中。而U型锚固法与其他几种锚固方法相比，加固效果比较不理想。

U型锚固法与CFRP条带法对混凝土结构的损伤最小，而波形夹具锚固法对混凝土结构的损伤最大。对上述几种因素进行对比，混合锚固法是目前最理想的连接方式，而波形夹具锚固法具有很大的发展潜力，但需要解决对混凝土结构造成损伤较大的问题。

3 结论

目前，主流的糙化法为手工凿毛法，但此方法对均匀度难以控制，容易产生应力集中，在不考虑使用机械设备等的条件下，高压水枪喷射法的处理效果最理想；在使用多层CFRP对构件进行加固而且被加固梁跨度较小时，较理想的界面糙化法为手工凿毛法；当需要加固构件跨度较大时，可以选择砂轮打磨进行处理。从构件承载力提高幅度考虑，混合锚固法和波形夹具锚固法的效果最好；波形夹具锚固法在允许锚固CFRP片材层数上更有优势，但对混凝土损伤程度也最大；当需要对混凝土构件进行保护时，最理想的锚固方法为CFRP条带锚固法。目前，粗糙度的评判标准繁多，尚未形成统一的标准，而量化粗糙度来研究粗糙度与粘接力的关系的相关研究较少。此外，目前还缺少CFRP锚固方法的设计规范。U型锚固法具有很大的发展潜力，但夹具与混凝土表面的连接方法还需要进一步的改进。