外贴碳纤维布加固桥梁结构失效原因与对策分析

吴智深

(东南大学城市工程科学技术研究院,南京 211100)

外贴碳纤维布加固技术是利用胶黏剂(常用环氧树脂)将碳纤维布现场浸渍并粘贴至加固混凝土结构表面,以提高结构承载力的一种高性能加固技术,具有适用范围广、承载力提升大、施工工期短以及耐久性能好等优点。该加固方法经过20 世纪90年代初的早期研究,于1995 年日本阪神大地震后开始大规模应用,在受灾桥梁等各类建筑结构的修复以及既有结构性能提升中发挥了极大作用[1]。1996 年,结合试验研究与实践经验,日本土木工程学会(JSCE)发布了第一本碳纤维加固设计施工指南[2]。随后欧美国家、澳大利亚以及我国都陆续发布了相关的设计施工标准和指南[3-6]。该加固技术在规范发布后发展迅速,由于对结构性能提升显著且施工便捷,逐渐成为国际主流的加固技术之一。二十多年来,我国大量工程结构的加固中也广泛采用了外贴碳纤维布加固技术[1,7]。

我国《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2013)规定,当加固材料中含有合成树脂或其他聚合物成分时,结构加固后使用年限宜按30 年考虑[8]。然而随着外贴碳纤维布加固技术的不断实践,在工程中依然发现少数加固年限较短(5～10年)的桥梁结构出现外贴的碳纤维增强复合材料断裂或剥离等质量问题,远未达到规范规定的加固后设计使用年限要求。因此,本文结合国内外既有研究成果对部分工程中出现的CFRP 加固的早期失效原因进行梳理分析,探讨避免“短命”问题的相关对策和减缓加固系统服役期性能退化的相关措施,并给出进一步实现加固系统长寿命的方法,为相关工程结构加固实践提供依据与参考。

1 外贴碳纤维布加固结构标准施工工艺

工程实践中外贴碳纤维布加固结构主要包含抗弯加固、抗剪加固、抗震加固以及混凝土抗剥落等基本形式,外贴碳纤维布加固结构基本形式如图1 所示。不论何种加固形式,为保证外贴碳纤维布的良好加固效果,除了依据相关加固设计规范进行合理设计之外,其加固施工工艺必须满足相应的标准要求。目前国内外相关规范关于外贴碳纤维布加固混凝土结构标准施工工艺的规定基本上比较类似[4,6],主要包含6 个步骤:①清理混凝土基层,将被粘贴的混凝土表面打磨平整,并除去表层浮浆和油污等杂质,直至完全露出混凝土结构新面;②配制并涂刷底层树脂(底胶),并采用滚筒刷将配制好的底层树脂均匀涂刷于原结构表面;③配制找平材料并对不平整处进行找平处理,对原结构表面凹陷部位应采用找平材料填补平整,不应有棱角;④采用滚筒刷将配制好的浸渍树脂均匀涂刷于粘贴部位;⑤将纤维布轻压贴于需粘贴的位置,应采用专用的滚子顺纤维方向多次滚压,并应挤除气泡,滚压时不得损伤纤维布;⑥所有纤维布粘贴完成后,进行表面防护处理。

需要注意的是,若步骤①～步骤③处理不当,则易造成后来粘贴的碳纤维布剥离或形成空鼓,而若步骤④～步骤⑤未达到要求,则会极大降低碳纤维布与浸渍树脂固化形成的CFRP 强度。显然,各步骤对加固效果都有重要影响,需要进行严格的质量控制。

2 外贴碳纤维布加固系统“短命”问题分析与对策

目前国内外加固工程实践中,前述标准施工工艺在实际操作中往往都存在一定缺陷,导致加固效果不尽如人意,部分桥梁加固结构仅服役5～10 年就出现CFRP 局部断裂或剥落等“短命”情况,严重影响结构安全,某高速公路桥梁外贴碳纤维布加固工程如图2 所示。由于外贴碳纤维布加固技术通过在混凝土结构表面粘贴碳纤维布以改善结构受力状态,因此实现结构有效加固的关键在于碳纤维布与现场浸渍树脂形成的CFRP 所达到的强度以及CFRP -混凝土界面的可靠黏结。若不满足上述条件,加固系统则可能出现“短命”问题,以下分别对影响CFRP 强度及其与混凝土界面黏结性能的因素进行分析,在此基础上提出相关对策。

2.1 CFRP 强度影响因素

CFRP 片材由碳纤维布与浸渍树脂复合而成,因此CFRP 的力学性能主要受碳纤维布与树脂质量及其浸渍与固化程度影响。通常CFRP 需要在工厂通过碳纤维和树脂复合成型的严格规范加工过程制造而成。若工程中采用的碳纤维布或树脂不满足设计要求,则必然严重影响CFRP 的强度及黏结性能,导致加固系统出现“短命”问题。同时即使碳纤维和树脂两种材料均满足设计要求,CFRP 的强度也未必达到设计强度,这主要是受下列因素影响。

2.1.1 树脂浸渍程度

CFRP 受到拉伸荷载作用时,荷载主要由增强纤维承担,而树脂基体起纤维整合和传递应力的作用,树脂含量对CFRP 受力性能的影响如图3 所示。

当没有足够的浸渍树脂浸透纤维时,将造成纤维贫胶且在CFRP 中产生空隙,纤维浸渍效果对比如图3(a)所示。这种情况下纤维整体性差,纤维之间的应力无法被有效传递,荷载作用下CFRP 横截面存在明显的应力集中现象,从而削弱了复合材料的整体拉伸强度。CFRP 拉伸强度随浸渍树脂含量的变化[9]如图3(b)所示,只有当CFRP 中浸渍树脂含量达到某一值时,碳纤维的高强性能才得以发挥。作者研究团队曾开展10 m 长碳纤维布的张拉性能试验[10],结果表明未浸渍树脂的碳纤维布其张拉强度仅为浸渍树脂后CFRP 片材的40%左右,而通过间隔浸渍树脂等手段可显著提高碳纤维布的张拉强度,从而提升预应力碳纤维布的张拉性能。因此,在加固施工时应注意保证纤维布的有效浸渍,以有效保障加固质量。

2.1.2 浸渍树脂黏度

浸渍树脂是粘贴纤维布的主要黏结材料,其作用是使碳纤维丝之间以及与混凝土之间充分黏结,起共同承受结构的作用,浸渍树脂主要性能指标[4]如表1 所示[6]。浸渍树脂不仅要具备良好的力学性能,还应具有良好的工艺性能,即混合后黏度。若浸渍树脂黏度过小,可能从纤维布中析出,而浸渍树脂黏度过大,则不利于对纤维布的浸透且易夹带气泡,因此浸渍树脂应具有合适的黏度。值得注意的是,浸渍树脂黏度受环境温度影响大,冬季施工时低温下浸渍树脂的黏度与表面张力增大[11]。浸渍树脂黏度对CFRP 拉伸强度的影响[12]如图4 所示,高黏度的浸渍树脂流动性差,不利于对纤维的浸润,因此与碳纤维布复合后形成的CFRP 强度较低[12]。

表1 浸渍树脂主要性能指标

2.1.3 纤维弯曲

碳纤维布在施工现场通过树脂浸渍并粘贴于混凝土结构表面,在形成的CFRP 中易出现纤维弯曲的现象。纤维弯曲会导致纤维增强复合材料(FRP)在受力过程中纤维束之间受力不均匀,导致拉伸强度降低并出现较大离散性,因此碳纤维外贴施工过程中需要一定的预张力。此外,纤维弯曲还是导致长期荷载作用下FRP 产生较大蠕变变形的主要原因,当采用预张拉对纤维调直后可显著降低FRP 材料的蠕变率[13],纤维弯曲对FRP 力学性能的影响如图5 所示。

以上分析表明,如果能够在施工阶段保证纤维平顺,避免弯曲,将有效保证纤维增强复合材料的短长期力学性能。因此,外贴碳纤维布施工过程中导入一定的预张力是进行施工质量保障的有效方法。

2.1.4 尺寸效应

随长度、宽度及厚度的增加,CFRP 性能将出现一定程度的下降,即出现尺寸效应。长度方向的尺寸效应由纤维沿纵向的不均匀性和气泡等缺陷造成,且这种不均匀性和缺陷随着长度的增加,呈现比例增大的趋势,从而造成CFRP 的强度下降。研究表明,受尺寸效应影响,自由长度为2 m 的CFRP试件的拉伸强度仅为通常材性试件(长度为200 mm)的80%[14]。作者研究团队的研究表明,10 m 长碳纤维布的拉伸强度仅为材性试件的40%左右[15]。除了长度方面即纤维方向的尺寸效应,CFRP 在宽度方向上也存在尺寸效应。宽度对CFRP 拉伸性能的影响如图6 所示,随着宽度的增加,CFRP 强度有所降低[14]。此外,CFRP 厚度增加也将增加服役过程中发生沿复合材料厚度方向层状撕裂或层间剥离破坏的可能性,降低加固效果。因此,应用规范要求采用粘贴纤维布加固修复板、壳、墙与筒体结构时,应选择多密布的方式进行粘贴,而不得使用未经裁剪成条的整幅织物满贴,一定程度上降低宽度方向的尺寸效应对纤维复合材料拉伸强度的影响,并控制纤维布的粘贴层数。

2.2 CFRP-混凝土界面黏结影响因素

现场树脂浸渍固化形成的CFRP 片材与混凝土表面之间的可靠黏结是保证加固结构性能的另一关键因素。若结构加固后CFRP 片材与混凝土界面黏结性能未达到设计要求,则加固系统将出现界面剥离等“短命”问题。一般而言,CFRP 与混凝土界面的黏结性能主要受以下现场施工工序影响。

2.2.1 黏结面表面处理

结构加固前应清除黏结面表层浮浆与油污等杂质,直至完全露出混凝土结构新面。通过开展CFRP-混凝土单剪试验,发现黏结面进行处理后试件破坏时混凝土骨料拔出,而未进行表面处理的的试件仅表面砂浆层剥离。混凝土黏结面处理对黏结性能的影响如图7 所示。

由图7 中CFRP-混凝土单剪试验的荷载滑移曲线可知,与未进行表面处理的试件相比,进行过表面处理的试件的界面黏结荷载提高了约20%[15]。因此,粘贴面表面处理能有效增强CFRP与混凝土的黏结性能。

2.2.2 黏结树脂刚度

目前市场上适用于外贴碳纤维布的环氧树脂黏结剂种类较多,不同黏结树脂性能差异较大。作者研究团队曾采用不同刚度的黏结树脂对CFRP-混凝土界面黏结性能进行试验测试[16],发现在市场上常见的树脂种类中,黏结树脂越柔软(弹性模量低),界面黏结强度与延性越高,对常规环氧树脂进行增韧处理可有效提升界面黏结性能,黏结树脂刚度对界面性能的影响如图8 所示。但黏结树脂也不是越柔软越好,太柔软的树脂往往拉伸强度较低,在较大荷载下容易造成树脂层内破坏,削弱界面黏结强度。因此,在选用外贴碳纤维布的黏结树脂时应在保证树脂拉伸强度的前提下,尽量选用柔软的树脂,也可在常规树脂的基础上进行增韧处理。

2.2.3 涂刷底胶

底胶是一种低黏度和高浸润性材料,既可以渗透到混凝土内部强化薄弱表面层,还能与上层找平胶之间形成化学键来辅助粘贴。CFRP 与混凝土试块的正拉黏结强度的试验现象显示,当混凝土表面涂底胶、试件破坏时混凝土骨料被拔出,CFRP-混凝土界面表现出较大的正拉黏结强度;未涂底胶、试件破坏时混凝土表面没有骨料拔出,界面的正拉黏结强度相对较小[17]。底胶对CFRP-混凝土界面剪应力和界面断裂能的影响如图9 所示,通过单剪试验对底涂作用进一步研究[18],发现涂刷底胶后CFRP-混凝土界面的剪应力为10.9 MPa,而未涂底胶的界面剪应力仅为5.6 MPa,界面剪应力如图9(a)所示。因此,在待加固结构表面均匀涂刷一层低黏度与高浸润性的底胶,能有效强化混凝土表面,提高CFRP 与混凝土界面的黏结性能。此外需要注意的是,单位面积内底胶用量对界面黏结影响很大[19],界面断裂能如图9(b)所示,只有底胶达到一定用量时,才能有效提升界面断裂能,改善CFRP-混凝土界面黏结性能。

2.2.4 涂刷找平胶

未涂刷找平胶的结构黏结面可能存在局部凹陷或凸起,混凝土表面缺陷的影响如图10 所示。混凝土结构变形时,凹陷处的CFRP 将受到转向力[18],表面凹陷处局部剥离如图10(a)所示。在该转向力作用下,凹陷处的CFRP-混凝土界面由于较高的正拉应力易发生剥离,从而导致加固系统局部失效。而当结构黏结面存在凸起时,该区域的CFRP 将受到挤压力作用,表面凸起处局部挤压破坏如图10(b)所示。对于承受动荷载作用的桥面板或主梁,凸起处的挤压力会不断冲击CFRP,从而在材料中产生垂直于材料表面的应力波,应力波会转化成层间应力,引起材料内部损伤,从而产生层间裂纹。随树脂基体裂纹的扩展,大部分纤维被拔出或断裂,导致CFRP 破断。

2.2.5 局部浸渍树脂聚集

对于不存在凹陷或凸起的平整混凝土表面,加固系统依然可能发生如图10 所示的破坏,这是由于混凝土表面浸渍树脂未均匀涂刷或碳纤维布粘贴后多方向滚压,可能导致局部浸渍树脂聚集成团,浸渍树脂聚集引起局部挤压破坏如图11 所示。这种情况下CFRP 依然存在弯曲,当结构受到动荷载不断冲击时,聚集的树脂团会挤压CFRP,致使CFRP 内部产生裂纹。

2.3 避免“短命”问题的相关对策

上述分析表明,当加固设计合理且所用加固材料质量合格时,加固系统仍然可能出现“短命”问题,这主要与CFRP 未达到设计强度以及CFRP 与混凝土界面未形成可靠黏结有关。为避免这两种情况出现,本文结合前述分析及规范条款,提出以下对策,需要予以特别关注。

2.3.1 CFRP 强度测试及碳纤维布预张力控制

为确保CFRP 强度满足设计要求,施工前应对碳纤维布与浸渍树脂进行复合并测试,以确定CFRP 达到设计强度时单位面积碳纤维布需要的浸渍树脂用量。施工时,根据所裁剪的单片碳纤维布的面积计算浸渍树脂用量,并将其均匀涂覆于纤维布表面。若浸渍树脂滴落,需要进行适当补胶。此外,每次配制的浸渍树脂须在短时间内用完,这是由于浸渍树脂长时间放置时其黏度将会增大,从而影响碳纤维布的浸润效果。前文分析表明,纤维弯曲将显著影响CFRP 的短长期受力性能。在碳纤维布外贴施工时,可通过夹具装置对碳纤维布施加一定预张力来消除纤维弯曲的影响,提高CFRP 的强度。

2.3.2 CFRP-混凝土界面黏结性能测试

为确保加固后CFRP 与混凝土界面能够形成有效黏结,加固施工前,宜按标准施工工艺在结构上进行碳纤维布试粘贴。达到养护期后,采用现场黏结强度检测方法对CFRP-混凝土界面黏结性能进行测试[6],现场黏结强度检测方法如图12 所示,测试具体步骤为:①清理被测部位表面的污渍并保持干燥;②从加固表面向混凝土基体内部切割预切缝,切入混凝土深度为2～3 mm,宽度为1～2 mm,预切缝为直径40 mm 的圆形;③采用取样黏结剂粘贴直径为40 mm 的圆形钢标准块与CFRP,其中取样黏结剂的正拉黏结强度应大于CFRP 浸渍树脂的正拉黏结强度。若满足发生混凝土内聚破坏或正拉黏结强度不小于2.5 MPa,表明所用施工工艺可以使CFRP 与混凝土形成有效黏结。加固施工结束后,仍须采用该测试方法对CFRP-混凝土界面黏结性能进行随机取样抽查。其中,500 m2以下的加固工程取一组试样,每组3 个试样;500～1 000 m2的加固工程取两组试样;1 000 m2以上的加固工程每1 000 m2取两组试样。

需要说明的是,在结构表面粘贴碳纤维布前,应涂刷找平胶平整黏结面,以避免结构黏结面局部凹陷或凸起引起的CFRP 剥离或断裂。目前对于外贴碳纤维布加固工程,我国规范仅要求粘贴面平整,但没有提出平整的具体指标。而国际FRP 加固技术报告Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures[3]中对此做了详细规定,即当黏结长度为0.3 m 时,黏结面深度变化应小于2 mm;而黏结长度为2 m 时,黏结面深度变化应小于4 mm;其余黏结长度时黏结面深度变化可按插值计算。

2.3.3 施工过程中的树脂浸渍质量把控

在施工过程中有效把控树脂浸渍质量可保证CFRP 的设计强度及其混凝土黏结性能。根据我国规范规定的施工工艺[6],在粘贴碳纤维布之前应采用滚筒刷将配制好的浸渍树脂均匀涂刷于粘贴部位,再将纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置,应采用专用的滚子顺纤维方向多次滚压,并应挤除气泡,滚压时不得损伤纤维布。需多层粘贴碳纤维布时,应重复上述步骤,并应在纤维表面的浸渍树脂指触干燥后尽快进行下一层粘贴。

3 外贴碳纤维布加固系统设计年限内正常使用影响因素与保障措施

当碳纤维布与浸渍树脂共同形成的CFRP 达到设计强度,且CFRP 与混凝土界面具有可靠黏结时,加固系统一般不会出现“短命”问题。但是,加固系统长期服役时依然存在CFRP 力学性能和CFRP-混凝土界面黏结性能退化的问题,若退化程度较大,则将导致加固系统失效。因此,为保障外贴碳纤维布加固系统30～50 年设计使用年限还需要一些耐久性设计。以下将分别对引起CFRP 力学性能和CFRP-混凝土界面黏结性能退化的因素进行分析,并给出保障加固系统设计年限内正常使用的耐久性保障措施。

3.1 CFRP 性能退化影响因素

普通自然环境作用下,CFRP 性能在设计使用年限内基本保持稳定。但对于在恶劣环境中服役的结构,外贴于结构表面的CFRP 可能遭受如强紫外线、冻融循环以及酸碱盐溶液腐蚀等作用。此外用于桥梁桥面板与主梁等结构加固时,CFRP 还将受到疲劳荷载作用。上述恶劣服役环境中CFRP 的性能退化已被国内外学者广泛探讨。

3.1.1 紫外线作用

紫外线长期照射下,CFRP 的退化表现为表面光泽降低、表层树脂剥落,产生微裂纹和气泡,外层树脂损失严重、纤维外露于表层以及片材分层等。但对于自然环境下暴露的无机纤维复合材料,紫外线作用主要集中在复合材料表层,对材料整体性能影响较小,而水分和温度的变化会诱发性能进一步劣化。紫外线与水汽对碳纤维增强复合材料拉伸性能影响[20]如图13 所示。在50 ℃环境中,经紫外线作用500 h 后,CFRP 的拉伸强度基本不变,而在紫外线与水汽耦合作用下,CFRP 的拉伸强度下降了1%～3%。

3.1.2 冻融循环作用

当CFRP 应用于寒冷地区桥梁加固时,长期冻融循环作用可能造成树脂与纤维的界面上产生往复交变的温度应力,造成黏结性能退化。此外,树脂基体易于吸收环境中的水汽,冻融循环过程中水的涨缩作用可能降低树脂基体及纤维-树脂基体的界面性能。研究发现CFRP 在-17 ±2 ℃～8 ±2 ℃之间冻融循环200 次后,拉伸强度下降了12%,弹性模量有变大的趋势,导致材料变脆[21],冻融循环对CFRP 力学性能的影响如图14 所示。

3.1.3 酸碱盐作用

目前,酸碱盐对CFRP 的影响从纤维、基体和复合材料3 个层次展开。碳纤维由于具有极为稳定的化学结构,纤维浸泡在腐蚀环境下不会发生明显的侵蚀现象。不同腐蚀溶液作用后碳纤维的表面形态如图15 所示,由图15 可知,碳纤维在55 ℃下暴露于4 种溶液66 d 后,除了附着在纤维表面的沉淀物外,未观察到腐蚀或点蚀,这表明碳纤维对其接触的不同腐蚀元素具有很强的抵抗力[22]。对于树脂基体,相关试验表明酸碱盐腐蚀溶液作用后树脂拉伸强度下降可达20%左右。而对于CFRP 复合材料,酸碱盐腐蚀的影响则相对较小。

3.1.4 疲劳荷载作用

纤维增强复合材料在疲劳荷载作用下会发生基体开裂、脱粘、分层和纤维断裂等损伤,从而导致材料力学性能逐渐退化,相关试验表明经过200 万次疲劳荷载作用后,CFRP 的拉伸强度由3 900 MPa下降至3 200 MPa[23]。CFRP 单轴拉伸疲劳的SN曲线如图16 所示,由图16 可知,CFRP 具有优异的疲劳受力性能,若施工工艺满足相应标准要求,则CFRP 能够满足加固结构中的疲劳受力需求。

3.2 CFRP-混凝土界面性能退化影响因素

在长期服役过程中,CFRP-混凝土界面性能退化速度比单纯CFRP 性能退化的速度更快。CFRP-混凝土界面性能退化问题已被国内外学者广泛探讨,旨在为加固设计提供参考,确保界面黏结长期可靠。根据既有文献资料,CFRP-混凝土界面性能的退化主要受以下服役环境因素影响。

3.2.1 冻融循环作用

冻融循环对CFRP-混凝土界面的影响主要表现在两个方面:其一,CFRP 与混凝土的热膨胀系数差异较大,冻融循环作用下CFRP 与混凝土的变形差异引起的内应力将损伤界面;其二,黏结树脂会吸收环境中的水汽,水在冻融循环过程中的涨缩作用将导致树脂出现损伤。因此CFRP-混凝土界面在冻融循环作用下,界面黏结性能将逐渐退化。冻融循环对界面黏结性能的影响如图17 所示,图17中相关曲线为FRP-混凝土界面在-17 ℃～ +8 ℃之间冻融循环0 次、100 次、200 次和300 次后的黏结滑移曲线[24]。经历300 次冻融循环后,CFRP-混凝土界面的黏结应力下降了约40%。

3.2.2 海水干湿循环作用

当采用外贴碳纤维布加固处于海洋环境中的混凝土结构时(如港口与海岸结构),CFRP-混凝土界面通常会长期受到海水干湿循环作用,导致界面黏结性能退化。目前,对CFRP-混凝土黏结界面在海水干湿环境条件下的长期耐久性的认识依然有限。试验室中一般通过盐溶液干湿循环模拟海水干湿循环。干湿循环对界面黏结性能的影响[25]如图18 所示,表明CFRP-混凝土界面经历0 次、60次、120 次和180 次盐溶液干湿循环后界面黏结荷载的变化情况。经历180 次盐溶液干湿循环后,CFRP-混凝土界面的黏结荷载下降了约30%[25]。

3.2.3 疲劳荷载作用

当CFRP-混凝土界面受到疲劳荷载作用时,界面的初始缺陷与新产生的微裂纹将逐渐扩展,导致CFRP-混凝土界面黏结性能退化[26]。疲劳荷载对界面黏结性能的影响如图19 所示,相关试验表明[27-28],界面黏结-滑移曲线刚度将随着疲劳循环次数的增加而显著降低,卸载后的残余滑移量也呈现增加的趋势[如图19(a)所示];随着疲劳荷载次数的增加,界面将发生初始剥离并不断扩展,FRP应变分布逐渐向远离加载端扩展,并且疲劳荷载作用后界面有效黏结长度变大[如图19(b)所示];疲劳荷载下界面的破坏形态也将发生显著改变,由静力荷载下的混凝土层内剥离转变为树脂-混凝土界面层剥离[如图19(c)所示],表明黏结树脂的力学性能在疲劳加载的过程中出现了显著退化,从而导致界面传力性能降低。

3.3 保障正常使用的相关对策

前述分析表明,恶劣环境影响下CFRP 力学性能以及CFRP-混凝土界面黏结性能将随服役时间的增加而逐渐退化。为保障加固系统在设计使用年限内正常发挥作用,既有研究与设计规范中提出了以下对策。

3.3.1 材料与黏结性能折减

1) CFRP 强度折减

加固设计时需根据结构实际服役环境对CFRP性能进行折减。对于在恶劣环境中服役的CFRP,美国ACI 440.2R 指南建议环境折减系数为0.85[4],我国规范中环境折减系数约为0.83[6]。此外为防止服役期间CFRP 发生疲劳破坏,ACI 440.2R 指南建议CFRP 的许用应力水平为0.55fu(fu为CFRP 的设计极限强度)。

2) CFRP-混凝土界面黏结性能折减

我国规范中采用FRP 进行抗弯加固、受弯剥离时的有效拉应变计算公式如式(1)所示。其中γei为FRP-混凝土界面的环境影响因素,室内环境取1.0,室外环境取1.2,对海洋环境和侵蚀环境取1.4[6]。

当受到疲劳荷载作用的结构采用外贴碳纤维布加固时,意大利国家研究委员会指南CNR 2004[7]建议设计时将FRP-混凝土界面静力黏结强度的50%作为疲劳荷载的限值,以防止FRP-混凝土界面疲劳破坏,我国规范暂无相关规定。

3.3.2 锚固措施

为避免正常使用条件下CFRP 的剥离破坏,除通过上述计算设计,国内外相关规范[2-6]还推荐进一步采用纤维布U 形箍、纤维布压条、机械锚具以及纤维锚钉等锚固措施,国内外规范中的各类锚固措施如图20 所示。相关研究表明,静力荷载下上述锚固措施能够提升加固结构中CFRP 的有效应变,延缓甚至避免剥离破坏,使加固材料利用率显著提高。目前关于疲劳荷载及恶劣环境下这些锚固措施的效果还有待进一步研究。

值得注意的是,相关研究表明采用机械锚具等锚固措施时在高应力作用下易存在切口效应,在锚具安装施工时由于锚具刚度较大可能对碳纤维布造成一定初始损伤,在较大荷载下锚固区碳纤维布的变形会受到锚具的限制,导致碳纤维布局部拉应力集中,提前发生断裂破坏[29]。相比而言,碳纤维布加固混凝土结构的锚固更适宜采用相对柔性的纤维锚钉锚具[29-31],纤维锚钉是由卷制松散的纤维束制成,其一端插入混凝土预钻孔中,另一端则用环氧树脂粘在FRP 的表面,纤维锚钉锚固碳纤维布如图21 所示。粘贴于FRP 表面的纤维一般分散形成一个锚扇,可有效减小锚固区碳纤维布的局部应力集中,其锚固效果已被大量试验证实,目前已经被纳入美国混凝土协会ACI 440.2R 设计指南中[4]。

3.3.3 表面防护

利用外贴碳纤维布加固的结构在其服役过程中可能会遭受环境侵蚀,因此为延缓加固系统性能退化,CFRP 表面应进行涂层处理。正常服役环境下,加固系统通常所需考虑的环境因素有湿度(水分和盐分)、碱环境、温度作用以及紫外线暴露等。根据服役环境,可以选择不同功能的表面涂层,但常用的表面防护方法是在CFRP 表面抹水泥砂浆。根据现场实际情况可以采用人工涂抹或机器喷射的方式。因树脂完全固化后表面非常光滑,水泥砂浆很难挂住,可以在表层树脂没有完全固化的时候,在纤维布表面撒一些细砂,使其表面有一定的粗糙度。

4 外贴碳纤维布加固系统长寿命提升方法探讨

目前外贴碳纤维布加固的设计使用年限为30年,而国内外桥梁设计使用年限通常在100 年以上。若要加固系统在桥梁整个服役期内发挥加固效果,则外贴碳纤维布加固技术的长期性能还需要进一步提升。如前所述,碳纤维本身是一种较为稳定的材料,加固系统性能退化主要是由于浸渍树脂老化。基于此,为实现外贴碳纤维布加固系统长寿命服役,可采用以下方式对加固系统进行改进。

4.1 环氧树脂改性

环氧树脂分子链中存在强吸水的羟基,在湿热环境中易吸收环境中的水分。同时环氧树脂为高分子有机物,在强紫外线照射环境下内部分子链易发生断裂。长期服役于上述环境中的环氧树脂性能将逐渐劣化,即出现材料老化现象。为减缓环氧树脂老化速度,既有研究对环氧树脂做了以下三方面改进,可有效提升环氧树脂的耐老化性能[32-33]。

4.1.1 抗裂纹扩展

通过对树脂基体进行增韧改性处理,可以提高树脂的抗裂能力,降低腐蚀溶液在树脂中的传播速率,从而提升树脂的长期耐久性。目前,研究中常用的增韧材料有蒙脱石、SiO2和ZrO2等纳米颗粒。纳米颗粒加入环氧树脂后,当主裂纹尖端在扩展过程中接触到刚性颗粒时,裂纹会发生倾斜或者扭转而偏离原来的方向,这将导致裂纹的扩展路径变长,且尖端的应力被削弱,从而消耗主裂纹上的能量。因此,纳米颗粒加入环氧树脂后能有效提高材料内部对裂纹扩展的抵抗能力,即提升了环氧树脂的韧性。

4.1.2 抗湿热老化

改善环氧树脂抗湿热老化性能主要有两个途径:其一,降低树脂内部强吸水基团的数量;其二,在树脂中添加相物质阻挡水分子渗入树脂内部。然而,环氧树脂内部的强吸水基团使其具有较高的黏结性能,降低强吸水基团数量将直接影响环氧树脂性能,因此国内外学者常采用第二个途径。既有研究发现在环氧树脂中添加层状硅酸盐、薄片状有机黏土、纳米管状的高岭土和纳米颗粒状的碳化硅均能不同程度提升树脂的抗湿热老化性能,且纳米颗粒状的碳化硅提升效果最佳。

4.1.3 抗紫外线老化

为提升环氧树脂的抗紫外线老化性能,既有研究中主要采用以下方法:①在环氧树脂中添加二苯甲酮和苯并三唑类有机化合物,这些化合物能有效吸收环境中的紫外线,将高能量的紫外线转换为低能量的热能或波长较短的电磁波;②在环氧树脂中添加以2,2,6,6-四甲基哌啶为母体的光稳定剂,抑制已经形成自由基的聚合物的降解;③在环氧树脂中添加屏蔽剂吸收、反射和散射紫外线,例如ZnO、TiO2、Al3O3、高岭土、碳化钙以及滑石粉等,其中ZnO 与TiO2等纳米无机氧化物紫外线屏蔽性能相对优异。

4.2 CFRP 的长寿命设计

外贴碳纤维布加固系统在长期服役过程中,疲劳损伤累积将导致CFRP 性能退化甚至发生断裂破坏。通常疲劳试验的测试终止条件定义为试件破坏或到达200 万次循环,这是沿用了金属材料的试验经验,然而FRP 与金属材料的疲劳退化机理有很大不同,且在服役过程中以低应力水平为主,服役期疲劳荷载循环可达千万次级别。为此,近年来作者研究团队开展了FRP 片材超长周期(1 000 万次)疲劳性能及其与腐蚀环境耦合的疲劳试验[34-35],FRP 超长周期疲劳性能试验如图22 所示,研究结果显示,在高应力水平下纤维断裂占主导地位,而基体开裂和界面脱粘则是低/中疲劳应力水平下FRP 的主要破坏模式[如图22(a)所示],腐蚀环境耦合作用进一步加剧了FRP 的疲劳损伤,通过对浸渍树脂进行增韧改性处理可有效提升FRP 在超长周期循环荷载下的疲劳受力性能[如图22(b)所示],可实现CFRP 的长寿命设计。

4.3 预浸渍FRP 筋布体系

为解决外贴碳纤维布在加固施工中易存在的黏结界面空鼓和空洞等缺陷问题,有研究者提出采用预浸渍树脂的FRP 筋布加固体系[36-37],预浸渍FRP 筋布加固体系如图23 所示。

FRP 筋布是由含浸硬化的FRP 筋通过横向纬线联系形成的一种特殊FRP 片材,沿FRP 筋方向具有较高的抗拉强度,FRP 筋布构造如图23(a)所示。由于FRP 筋之间存在的间距空隙,加固时不必完全浸渍黏结材也可大大减少空鼓、孔洞和气泡的产生,有效避免粘贴不均匀、施工气泡等因素导致的界面黏结失效等问题。试验研究表明[36-38],相比传统的外贴纤维布与碳纤维板加固手段,同等加固量下FRP 筋布加固梁具有更高的承载能力和更好的位移延性,界面黏结性能更好,加固混凝土梁的受力性能如图23(b)所示。该加固体系能够有效避免施工中易于出现的纤维布浸渍与黏结缺陷,配合前述锚固与表面防护等措施将有效保证加固系统的长寿命使用需求。

4.4 薄面FRP 网格黏结加固体系

针对外贴碳纤维布在施工中易存在缺陷及严酷环境下环氧树脂黏结性能退化较大的问题,近年来作者研究团队开发了薄面FRP 网格黏结加固体系[39],通过涂抹或喷射高性能无机黏结材料(如聚合物砂浆等)将FRP 网格与既有结构形成整体,施工便捷,界面质量易于保证。黏结用的薄面无机黏结材料具有优异的耐久性,可有效保障严酷环境下FRP 网格加固体系的长寿命。薄面FRP 网格黏结加固体系如图24 所示,FRP 网格是将连续纤维与浸润树脂按一定工艺生产制作的连续网格状复合材料制品[如图24(a)所示],其无浸润性问题,拉伸强度高,硬质的纵横向网格筋在黏结材料中能够协同受力。相关研究表明,FRP 网格-混凝土界面断裂能显著高于同等纤维含量的FRP 片材-混凝土界面[40]。FRP 网格加固混凝土受弯构件能够有效提升其刚度与极限承载力[如图24(b)所示],并可有效避免外贴碳纤维布加固体系中常见的剥离破坏[41]。该加固体系能够有效保障施工中易于出现的纤维布浸渍与黏结缺陷,尤其适用于严酷环境下各类工程结构的加固,有效保证加固系统的长寿命使用需求。

5 结语

为实现对结构的有效加固,施工过程中应确保由碳纤维布与浸渍树脂复合而成的CFRP 达到设计强度,且CFRP 与混凝土界面形成可靠黏结。由于现场施工过程中碳纤维布浸渍、混凝土黏结面处理、涂刷底胶和找平胶这几道工序对CFRP 强度及其与混凝土界面的黏结有很大影响,因此现场施工监理应对这几道工序予以重点检查,验收合格后方可进行下一道工序施工。现场严格的施工验收标准可有效降低加固系统出现“短命”问题。

对于服役于恶劣环境中的加固系统,其在设计使用年限内会出现性能退化,为避免性能退化导致加固系统失效,加固设计时应重视CFRP 锚固与表面防护措施。同时须充分考虑CFRP-混凝土界面黏结性能折减这一新条文。此外为避免加固系统性能退化,实现长寿命服役,可进一步对浸渍树脂进行增韧改性,或采用预浸渍FRP 筋布及薄面FRP网格加固体系等,为实现外贴碳纤维加固技术的长寿命提供切实可行的途径。