基于湿热环境耦合荷载作用的CFRP加固RC梁抗弯性能研究

姚国文，刘明旭，吴树杭，陈雪松

(1.重庆交通大学 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

碳纤维复合材料(CFRP)是以碳纤维为增强材料、合成树脂为基体材料，掺入适当辅助剂，加工成型的复合材料，它具有轻质高强、抗疲劳、耐高温等优点[1]。CFRP加固RC梁的服役环境复杂多样，在我国西南地区，加固结构长期处于高温、高湿和荷载作用环境中，易发生结构腐蚀疲劳、黏结界面湿热塑化、混凝土碳化、钢筋锈蚀等病害；同时，荷载使结构产生裂缝，加速了腐蚀介质的渗入，导致结构力学性能衰减，结构整体耐久性能降低。

目前，国内外学者针对CFRP加固钢筋混凝土梁的耐久性开展了大量研究。巩天琛等[2]综述了湿热环境对CFRP材料的吸湿特性、力学性能的影响；岳清瑞等[3]对200个碳纤维复合材料试件开展了自然老化试验，得出CFRP耐久性能满足桥梁加固工程要求，但加固结构的力学性能有待深入研究的结论；江胜华等[4]开展了CFRP加固RC梁抗弯性能试验，从梁体破坏形态和承载力方面描述了湿热环境下加固结构耐久性能的变化；邹今航等[5]对湿热环境作用后的CFRP试验梁进行三点加载试验，发现湿热环境会降低CFRP-混凝土黏结界面性能，从而降低结构耐久性；谷卫敏等[6]通过高速冲击试验研究了湿热环境下碳纤维复合板的抗冲击性能，证实湿热环境会影响碳纤维复合板的损伤空洞面积和层间性能；马明等[7]通过双剪试验研究了持续荷载作用下CFRP加固RC梁的黏结界面性能并给出黏结滑移本构模型，研究得到持续荷载会降低界面初始剥离荷载的结论；付俊俊等[8]、王新玲等[9]、王志杰等[10]对CFRP-混凝土黏结界面的疲劳寿命、本构模型等开展了研究；姜明[11]通过高低温交变加速湿热循环老化试验，研究了不同孔隙率的CFRP层合板在外加荷载下的力学性能演变规律；周昊[12]提出湿热环境和荷载耦合作用下RC构件的耐久性试验方法；S.CHOI等[13]、ZHANG Pu等[14]研究表明，黏结界面的环氧体系是决定CFRP加固RC梁耐久性的主要因素；多数学者的耐久性试验研究集中于CFRP试验梁在冻融环境[15-16]、盐雾环境[17]、湿热环境[18-19]等方面；陈雪松[20]、刘超越[21]针对湿热环境耦合荷载作用下CFRP加固RC梁的破坏模式、力学性能和本构关系开展了试验研究，得到荷载与湿热耦合作用会降低组合结构耐久性和抗弯承载能力的结论。

笔者针对湿热环境耦合荷载作用下CFRP加固RC梁的耐腐蚀性能开展了试验研究，探讨了湿热环境耦合空载、静载和交变荷载3种工况CFRP加固RC梁的破坏形态、极限荷载、黏结界面剪切应力传递规律，分析了CFRP加固RC梁在湿热环境耦合荷载作用下的腐蚀损伤机理。结果表明：黏结胶层塑化与基体水解是导致CFRP加固RC梁耐腐蚀性能降低的主要原因，当耦合荷载尤其是交变荷载作用时，CFRP加固RC梁组合结构的耐腐蚀性能将大大降低。

1 试 验

1.1 试验材料与试验梁制作

1.1.1 试验材料

1)采用P.O.42.5拉法基水泥；细度模数Mx=2.74的中砂；粒径为5～20 mm的花岗岩碎石。按照水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.38∶1.11∶2.72的配合比配制C30混凝土。

2)采用HPB335普通光圆钢筋，纵筋屈服强度为333.3 MPa、极限强度为506.5 MPa、弹性模量为204 GPa。

3)CFRP为威德力新材料公司生产的WF300，其性能指标见表1。

4)将四川省隆昌县承华胶业有限责任公司生产的CH-1A浸渍A、B胶，按照2∶1的重量比调制得到试验所用黏结剂(AHS)，其力学性能指标见表1。

表1 CFRP及AHS性能指标

1.1.2 试验梁制作

共制作了7根200 mm×100 mm×1 850 mm CFRP加固RC试验梁(以下简称试验梁)，编号为L1～L7。CFRP粘贴步骤如下：

1)在RC梁的钢筋骨架纵筋受拉区跨中位置粘贴应变片；然后，将钢筋骨架置于梁的钢模板中，浇注混凝土并振捣；24 h后拆模，在室内自然养护28天。

2)用砂轮机打磨RC梁底部，并用丙酮清洗，然后涂抹一层AHS黏结剂，紧密粘贴长度为1 580 mm的CFRP。

3)分别在距试验梁底部跨中截面距离s=0、100、200、300、500、700 mm处的CFRP表面粘贴应变片(图1)，然后继续自然养护5天。

图1 试验梁应变片粘贴示意

1.2 湿热环境设定

考虑到结构吸能会出现升温现象，设定试验的湿热环境为：温度60 ℃，相对湿度95%。采用上海多禾试验设备有限公司生产的DSCR-53-40-P-A型步入式高低温环境试验箱进行湿热环境控制。

试验梁经历的湿热作用龄期t= 0、15、30 d。

1.3 湿热环境耦合荷载加载

1.3.1 加载工况及跨中持载值

7根试验梁中，L1为自然状态，未经历湿热环境耦合荷载加载，L2～L7为经历了不同的湿热环境耦合荷载加载，荷载包括空载、静载及交变载。

先对自然状态的试验梁L1进行三点加载试验，得到极限荷载Pu=40 kN；在湿热环境耦合荷载加载时，选取静载、交变载的跨中持载值F=60%Pu=24 kN[15]。交变载加载制度为：0 → 24 kN、4 h → 0 kN、4 h。

加载工况详见表2。表中“加载工况”英文字母表示加载方式：NL—空载，SL—静载，AL—交变载；数字表示湿热作用龄期：0、15、30天。

表2 湿热-荷载耦合加载工况

1.3.2 湿热环境耦合荷载加载

首先，将L2～L7置于环境试验箱里(图2)，在试验梁的跨中位置施加荷载F，直至设定的龄期t，完成本次湿热环境耦合荷载加载试验；然后，取出试验梁，进行三点加载试验。

图2 湿热环境耦合荷载加载示意

1.3.3 三点加载

在自制反力架上，利用千斤顶对湿热环境耦合荷载加载后的试验梁进行三点加载试验，测得试验梁的跨中极限挠度Du、极限荷载Pu，及CFRP从混凝土表面初始剥离时的荷载Psplit，CFRP极限应变εCFRP, u、受拉纵筋极限应变εbar, u。结果见表3。

表3 三点加载试验结果

2 试验结果分析

1)对比L2、L3的Pu值和Psplit值发现，L2的均比L3的大，表明湿热作用时间越长，试验梁的极限荷载降低越多，黏结胶层性能劣化越严重。

2)对比L3、L5、L7的Pu值和Psplit值发现，L3的最大，L7的最小，L5的居中，表明湿热环境耦合荷载时，交变荷载更容易降低CFRP的加固效果，从而大幅降低CFRP加固RC梁的抗弯性能。

3)对比L3、L5、L7的εCFRP，u值发现，L3的最大，L7的最小，L5的居中，表明湿热环境耦合荷载作用下，交变荷载更容易降低CFRP的抗拉性能，致使CFRP加固RC梁更早的发生结构失效。

综上，当湿热环境耦合荷载尤其是交变荷载加载时，CFRP加固RC梁的极限荷载退化速率显著加快，退化速率与时间呈正相关关系。原因可能是：①湿热环境耦合荷载作用过程中，试验梁带裂缝工作，为空气中的H2O、CO2等腐蚀物质进入混凝土和黏结胶层提供了通道，导致混凝土内部碳化，增大了梁体刚度；②由于CFRP和黏结胶层热膨胀系数不匹配，当试验梁处于高温环境时，CFRP与黏结胶层脱粘，降低了结构刚度；③水分子在黏结胶层中符合Fick扩散规律，裂缝通道和荷载的共同作用增大了黏结胶层的吸湿率，引起黏结胶层塑化，加快了黏结界面性能的退化[22]，最终降低了黏结界面传递荷载的能力。混凝土增加的刚度对整体结构的贡献不及黏结界面性能退化引起结构刚度的衰减，所以CFRP会更早发生剥离破坏。

2.3 CFRP加固RC梁的破坏形态

试验梁的破坏形态和裂缝分布如图3。

图3 试验梁的破坏形态

由图3可见：

1)7根试验梁均在跨中位置出现竖向裂缝，混凝土受压区完好而受拉纵筋屈服，破坏模式均为CFRP剥离。

2)加载初期，在L1两个支点附近出现了裂缝；随着荷载的增大，两支点间产生大量细小裂缝；当荷载达到39.50 kN时，可听见CFRP从混凝土表面开始剥离发出的轻微“噼啪”声；荷载继续增大，L1跨中底部一条斜裂缝不断发展，直至发生CFRP剥离破坏，如图3(a)。

3)L2～L5发生CFRP剥离破坏时，混凝土保护层界面完整，试验梁顶部混凝土无压溃迹象。

4)L6、L7发生CFRP剥离破坏时，大量黏结胶层残留在碳布上，部分CFRP呈片状被纵向撕裂、剪断。

分析原因是：①逐渐增大的荷载导致试验梁体裂缝不断发展、裂缝数量不断增加，当裂缝宽度大于CFRP与试验梁底部混凝土的滑移量时，出现CFRP剥离迹象，直至黏结界面抗剪强度达到极限，发生CFRP剥离破坏；②因裂缝处应力集中与黏结胶层的共同作用，裂缝处的混凝土更易被CFRP扯下；③荷载作用使CFRP和黏结胶层的孔隙率不断改变[23]，进而影响了黏结界面的性能。

综上，一方面，随着湿热作用龄期的延长，试验梁的黏结胶层发生了氧化、热降解、脱粘等，劣化了CFRP加固RC梁的强度[2]；另一方面，空载、静载、交变载加速了裂缝的发展，降低了CFRP的加固效果。最终，在温度应力、湿度应力、持载应力共同作用下，黏结界面的树脂老化[17]程度成为判断CFRP发生剥离破坏的关键指标。

2.4 荷载-挠度曲线

湿热环境耦合荷载作用30 d后，试验梁的荷载-跨中挠度(P-D)关系曲线如图4。

图4 试验梁的P-D曲线

由图4可见：

1)空载、静载、交变载加载工况下，试验梁的P-D曲线变化趋势相似。曲线分为3个阶段：第1阶段，当三点加载试验的加载值P<7 kN时，D随P呈线性增大；第2阶段，当P=7～35 kN时，试验梁上的裂缝快速发展，且在梁体跨中位置产生了竖向裂缝，D快速增大；第3阶段，当P>35 kN时，纵向受拉钢筋屈服，受压区混凝土中裂缝急剧发展，黏结胶层抗剪强度达到极限，试验梁发生CFRP剥离破坏。

2)结合表3中L1、L2、L3的跨中极限挠度Du值，可见粘贴CFRP会降低混凝土延性，且高温高湿作用时间越久，混凝土延性越差；而从L3、L5、L7的跨中极限挠度Du值可以看出荷载作用会降低试验梁的挠度，交变荷载下挠度降低最大。

分析原因可能是：带裂缝工作的CFRP加固RC梁的密实性较低，空气中H2O、CO2等易渗进黏结胶层和混凝土内部，从而加速黏结胶层老化和混凝土碳化，降低黏结胶层的粘结能力和混凝土延性，发生脱粘现象，且交变荷载的破坏作用比静载的大。

2.5 CFRP和钢筋的荷载-拉应变(P-ε)曲线

2.5.1 基于试验值的P-ε曲线

加载初期，试验梁CFRP的整体粘结性能较好，若不考虑黏结胶层和混凝土内部微小裂缝的变化，受拉纵筋与CFRP具备协调的变形关系，两者的P-ε曲线变化趋势极为接近，如图5。

图5 钢筋与CFRP的P-ε曲线

由图5可见：

1)当钢筋屈服时，CFRP成为试验梁后续承载的主要结构，因此，CFRP的应变增长速率比钢筋的大。

2)湿热环境耦合荷载作用降低了钢筋和CFRP对试验梁裂缝的约束能力，所以，当CFRP与钢筋的极限荷载较为接近时，试验梁能承受的极限荷载将达到极值。

2.5.2 屈服应变理论值与试验值对比

1)CFRP和钢筋的屈服应变理论值。由钢筋及CFRP的屈服强度σy、弹性模量E，可计算出2种材料的屈服应变理论值εy理论，见表4。

表4 钢筋和CFRP的屈服应变

2)试验得到的L1、L3、L5、L7跨中截面钢筋以及CFRP的荷载-拉应变(P-ε)关系曲线如图6。

图6 跨中截面钢筋及CFRP的P-ε曲线

由图6可见：4根试验梁的承载能力和屈服应变均有所下降，下降程度依次为L7>L5>L3>L1，表明湿热作用时间越久，试验梁承载能力越低；相比静载作用，交变载作用下试验梁的承载能力降低更大；湿热环境耦合荷载作用会大大试验梁的承载能力。分析原因是：荷载作用使梁体产生裂缝；随着荷载的增大，裂缝经萌生、扩展，逐渐发展到中性轴附近，成长为Ⅰ型裂缝；随着试验梁刚度降低，中性轴上移，Ⅰ型裂缝稳定扩展，此时，CFRP出现初始剥离现象并产生沿梁的端部扩展的Ⅱ型裂缝，降低了黏结胶层传递荷载的能力，导致结构性能下降。相对而言，交变载更容易使试验梁结构失效。

结合图6和表4知，钢筋的屈服应变试验值稍大于理论值，而CFRP的屈服应变试验值远小于理论值。分析原因可能是：一方面，CFRP加固RC梁具有刚度大的优点，钢筋易进入屈服、强化阶段，其抗拉作用得以充分发挥；另一方面，由于CFRP加固RC梁的黏结胶层不是固结约束，CFRP的抗拉性能无法得到充分发挥，导致CFRP的屈服应变大幅降低。

2.6 CFRP拉应变与剪应力的纵向分布规律

沿试验梁纵向取CFRP微元体进行受力分析(图7)，由CFRP的受力平衡知：

图7 CFRP微元体受力分析

(1)

式中：τCFRP为CFRP的剪应力。

图8为不同加载荷载下，L3、L5、L7不同应变测点的拉应变ε与测点距加载端距离s的关系曲线。

图8 CFRP测点的应变ε与测点距加载端距离s的关系曲线

由图8可见：

1)当s=0～700 mm，L7的CFRP拉应变值下降速度最快，L3的最慢。可以看出，该过程是逐渐向梁体端部发展的，表明加载端的剪应力在达到峰值后，会逐渐减小且会向梁体端部移动。

2)越靠近试验梁梁端，CFRP的拉应变值越趋近“0”，表明施加给试验梁的能量被逐渐消耗，直至混凝土所承受的荷载无法向CFRP传递，发生CFRP剥离破坏，引起结构失效。

综上，湿热环境对黏结胶层有劣化作用，导致试验梁跨中承载能力下降，跨中附近的截面会更快、更多地参与结构受力，并向端部衰减传递；湿热环境耦合荷载作用则加剧了黏结胶层劣化，交变荷载的破坏作用最大。

3 结 论

针对服役环境下CFRP加固RC梁的耐久性问题，开展了湿热环境耦合荷载作用的试验研究。得到以下主要结论：

1)湿热环境耦合荷载作用加速了黏结胶层劣化，降低了试验梁的极限承载力、跨中挠度和应变；交变荷载的破坏作用最大。

2)梁体和黏结胶层内部产生的裂缝成为H2O、CO2等渗入的通道，黏结胶层的脱粘及混凝土的碳化降低了试验梁的抗弯性能。

3)湿热环境耦合荷载作用加速了黏结胶层性能劣化，降低了粘结界面传递荷载的能力，导致试验梁更易发生CFRP剥离破坏。