温度循环作用后CFRP-混凝土界面黏结性能研究

赵少伟，任梓炜，郭 蓉，张家赫，陈 冰

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

0 引 言

随着相关加固规范与技术规程颁布，纤维增强复合材料(fiber reinforced plastic，FRP)已经成为工程应用较为成熟的结构加固材料[1]，广泛应用于房屋建筑工程、市政桥梁工程等领域。FRP与混凝土之间良好的界面黏结性能是FRP加固技术的关键[2-3]。研究表明FRP加固常用的环氧类胶黏剂对温度变化较为敏感，在60 ℃时其黏结强度是常温下的50%，在90 ℃时则降为常温下的24%～29%[4-5]。根据相关资料显示：我国北方地区季节性气温变化差异明显[6-7]，FRP加固结构在季节性温度循环作用后，对界面黏结性能影响程度如何，是否存在安全隐患，因此有必要对温度循环作用后的FRP-混凝土界面的黏结性能进行研究。

国内外学者开展了不同温度情况作用下FRP-混凝土界面黏结性能的研究，并取得一定的进展。目前的研究表明：由于环氧树脂对于温度敏感性较强，温度变化对FRP-混凝土界面的黏结性能会有显著影响。现有研究[8-10]发现在环氧树脂玻璃化转变温度之前，随着温度的增加，界面的黏结强度会增加，当超过Tg后，界面的黏结强度会大幅下降。此外，不同温度作用下FRP-混凝土界面的破坏形态也不同，例如W.Y.GAO等[11]研究了在不同温度下FRP与混凝土界面黏结性能的变化规律，结果表明：当温度为-10～40 ℃时，试件发生混凝土表层内聚破坏，表层混凝土被扯下；环境温度为50～75 ℃时，试件发生FRP-环氧树脂的界面黏附失效。值得注意的是，胡克旭[12]等发现高温固化能够提高胶黏剂的玻璃化转变温度Tg，较高的温度(

对于实际服役的FRP加固混凝土结构来说，需要承受较大的季节性温差的循环作用，因此本研究模拟长期处于季节温度循环作用后的FRP加固混凝土结构所处的温度环境，研究外贴FRP板的混凝土双剪试件界面黏结性能的变化规律，在经典模型的基础上考虑环氧树脂胶体材料性能和FRP板厚度的影响，建立起温度循环作用后的黏结-滑移模型，为FRP板加固混凝土结构在北方地区的应用提供理论参考。

1 试验设计

1.1 试件制作

1.1.1 试验材料

混凝土试块采用C30和C50两种强度等级，实测立方体抗压强度值分别为38、55 MPa；CFRP板的力学性能参数见表1；界面黏结剂采用双组份环氧树脂胶，主要力学性能见表2。

表1 CFRP板力学性能

表2 环氧树脂胶力学性能

1.1.2 试件制作

为保证CFRP板与混凝土之间的黏结长度大于有效黏结长度(通常不大于200 mm)因此将混凝土试件尺寸设置为150 mm×150 mm×300 mm，其中CFRP板黏结长度为250 mm，为了避免应力集中，在试件端部设置50 mm的非黏结区，示意见图1。

图1 试件示意(单位：mm)

混凝土养护28 d后，在混凝土表面进行打磨并采用无水乙醇进行清洗，根据CFRP板宽度，在混凝土表面画出需要黏贴的区域，并在非黏结区贴上防水胶带。均匀涂抹环氧树脂胶并采用铜丝控制胶层厚度为2 mm，然后黏贴CFRP板，用滚筒在CFRP板上多次滚压，使CFRP板充分浸润环氧树脂。黏贴好两侧CFRP板以后，将试块在室温条件下养护7 d，再进行后续试验。

图2 试件制作

1.2 温度循环设置

试验采用GDW-3000高低温试验箱对试块进行温度处理，试验箱温度控制精度为 ±1 ℃，试验预定温控区间为-20～60 ℃，分别对试件进行0、50、100、150次的温度循环处理。循环方式为升温恒温4 h,降温恒温4 h，保证混凝土内部受热均匀，避免试块内部出现温度梯度，8 h为一个循环，每天循环3次。

除了温度循环次数之外，试件设计还考虑了另外3种影响因子：①混凝土强度(C30、C50)、②CFRP板宽度(50、75、100 mm)、③CFRP板厚度(1.2、1.4、2.0 mm)。试件参数见表3。

表3 试件参数

1.3 加载方案及测试内容

1.3.1 加载方案

本试验自行设计了一套夹持装置(图3)，装置分为夹具主体、橡胶夹片、铁质夹片和螺栓4个部分：其中橡胶夹片放置在铁质夹片与夹具主体之间，用于增大CFRP板与夹具之间的摩阻力；为了增强加持力，在夹具主体和夹片上等距离预留8个高强螺栓穿孔；将CFRP板放置于夹具和橡胶夹片之间再安装铁质夹片，最后拧紧螺栓固定。

图3 夹持装置

为避免试验过程中CRRP板和混凝土间正应力的影响，只受到面内剪切力作用，采用10 t级液压分离式千斤顶作为加载装置，试验加载装置见图4。加载前，在地面放置钢梁并在其上放置尺寸为150 mm×150 mm×20 mm的找平钢板。在双剪试件上部放置同等尺寸的钢板，使混凝土面受力均匀并依次放置千斤顶、力传感器。

图4 加载装置

1.3.2 测试内容

本试验主要测量内容包括：CFRP板表面应变、CFRP板与混凝土相对滑移以及荷载。

应变测量：采用电阻应变片，其电阻值为120±0.1% Ω，灵敏系数为2.12±1.3%，栅长5 mm，栅宽3 mm。沿CFRP板中心轴线位置黏贴应变片，为减小应变差分和积分过程中产生的误差，应变片布置的间距不宜过大，本试验设置的间距为30 mm，测点布置图见图5，同时在混凝土两面的非黏结区域各黏贴一个应变片，测量非黏结区域CFRP板应变的变化。位移测量：在CFRP板黏结区最靠近加载端的位置固定一角钢，在角钢和混凝土上各架设一台位移传感器，通过两个位移传感器的位移差得到加载端CFRP板与混凝土之间的相对位移。荷载测量：采用华东电子仪器厂生产的BHR-4型力传感器，量程为20 t，放置于千斤顶和夹具之间(图4)。所有测量数据均使用型号为DH3816N的静态应变测试仪进行采集。

图5 应变测点布置(单位：mm)

2 试验结果及其分析

2.1 试验现象及主要破坏形态

加载初期，CFRP板只有靠近加载端的2～3个应变片有读数，应变很小，CFRP板基本没有滑移；随着荷载的增大，应力逐渐向自由端传递，当荷载继续增加至极限荷载40%左右时，靠近加载端附近的应变片读数增长速率明显加快，能够听到轻微界面剥离的声音；继续增大荷载，远端应变片读数开始明显增大，而加载端应变不再继续增大，靠近加载端的CFRP板从非黏结区出现局部剥离；当荷载继续增加至极限荷载时，发出“砰”的巨响，双剪试件破坏。

所有的双剪试件中，出现了两种主要的破坏形态(图6)：其中采用C30的双剪试件均发生混凝土表层破坏如图6(a)，即混凝土表层被黏下薄薄一层，这是由于环氧树脂渗透进混凝土表面，形成了环氧树脂胶-混凝土渗透层，胶体的抗剪性能比混凝土自身的抗剪性能强，所以破坏发生于环氧树脂胶-混凝土渗透层的混凝土一侧；采用C50的双剪试件均发生了界面脱黏破坏如图6(b)，即界面脱黏破坏，胶层上还残留部分CFRP板的纤维丝，这是由于胶体的内聚力优于界面黏结力，故发生了界面脱黏。

图6 主要破坏形态

2.2 界面黏结-滑移关系

2.2.1 黏结剪应力

考虑CFRP板与胶层为线弹性材料，假定环氧树脂只起到将应力从混凝土传递到CFRP板的作用且应力不在厚度方向发生改变，剪应力在CFRP板上沿轴线方向均匀变化。图7为CFRP板微元体受力示意，图7中bf为CFRP板的计算亮度，σf为CFRP板所变拉应力，τ为剪切应力，可近似认为相邻两测点间的应变呈线性变化。因此将相邻两应变片之间的平均剪应力近似为某点i处的剪应力，推导出式(1)来计算CFRP板与混凝土界面某点i处的黏结剪应力为：

图7 CFRP板微元体受力示意

(1)

式中：Ef为CFRP板的受拉弹性模量；tf为CFRP板的计算厚度；εi和εi+1为CFRP板在i、i+1处的应变；Δx为相邻两测点的间距。

2.2.2 滑移量

界面某点i的滑移量si是该点处CFRP板与混凝土间的相对滑移。假定自由端处CFRP板相对滑移为0，CFRP板为各向同性的线弹性材料。则可通过CFRP板上的应变，自CFRP板自由端向加载端，按式(2)数值积分得到界面某点i处的黏结滑移si：

(2)

式中：εf为测点i，i-1间的平均应变；xi和xi-1分别为测定i,i-1距加载端的距离；si-1为测点i-1的滑移量。

2.3 界面剪应力分布

各级荷载下沿黏结长度方向的界面剪应力分布曲线见图8，各组试件最大剪应力τmax见表4。

表4 界面最大剪应力τmax

图8 界面剪应力分布

由于各个试件界面剪应力分布曲线形状基本相似，以图8中两个试件为例可知，在荷载较小的情况下，界面应力传递区较短，呈现出距加载端越远应力越小的特征；随着荷载的增加，黏结应力传递距离增加，加载端的应力快速增长，当超过了最大界面黏结应力时，该处应力出现了软化下降，应力向后方传递，后方应力逐渐增加，因此应力分布曲线出现先上升后下降的特征；随着荷载继续增加，靠近加载端处剪应力减小(<1 MPa)，界面开始出现剥离，剪应力峰值点也逐渐向自由端移动，从图上体现为整个曲线从加载端向自由端后移。

3 黏结-滑移模型

3.1 界面黏结-滑移曲线

按式(1)、式(2)计算黏结界面的剪应力和滑移量，得到各测点黏结-滑移关系曲线(图10)。由图10可以看出，虽然温度循环次数、CFRP板尺寸和混凝土强度不同，但是曲线基本形式相差不大，分为线性上升段、曲线上升段、曲线下降段和平稳段4个部分。

3.2 温度循环作用后的黏结-滑移模型

目前，国内外学者在分析FRP与混凝土之间的黏结滑移关系时，主要有双曲线模型[14-16]、双线性模型[17]、三线性模型[18-19]和指数函数模型[20]4种黏结滑移模型，这4种模型不仅很好地描述了界面在初始受力阶段线弹性的特点，还考虑了界面具有软化下降段的情况。其中，G.MONTI等[17]提出的双线性模型〔图9及式(3)～式(7)〕假设下降段为线性下降，模型简洁，便于计算，在实际工程中可以更好地应用。除此之外，双线性模型与坐标轴所围面积(断裂能)较另外3种模型更小，界面承载性能更加安全。加之试验所得的黏结-滑移曲线形式与Monti的双线性模型形式相近有较好的符合性，因此可以利用该双线性模型建立温度循环作用后界面黏结-滑移模型。

图9 Monti双线性模型

(3)

τmax=1.8βwfct

(4)

(5)

sf=0.33βw

(6)

(7)

式中：βw为FRP-混凝土宽度影响系数；fct为混凝土抗拉强度；sf为黏结剪应力为0时的极限滑移量；ta为胶层厚度；Ea为胶体弹性模量；Ec为混凝土弹性模量；s0为黏结剪应力达到峰值时所对应的滑移量；bc为混凝土的计算宽度。

然而在Monti双线性模型中，最大剪应力τmax的表达式在材料参数方面只考虑了混凝土强度的影响。这是由于以往研究认为胶体的黏结强度较大，混凝土强度较小，破坏形式一般为混凝土的内聚破坏，公式的建立都是基于该类破坏形式提出的。而实际破坏形式随着基材与黏结材料的相对强度不同，破坏形式有所区别，因此进行模型修正时，不能只考虑混凝土强度还需要考虑黏结胶体强度的影响。

采用Monti双线性模型建立温度循环作用后界面的黏结-滑移模型，考虑在-20～60 ℃温度循环情况下，胶体性能有所变化，在模型中引入温度影响参数(A、B、C)；考虑CFRP板厚度的影响，引入厚度修正系数βi。假定当CFRP板厚1.2 mm时，取βi=1，βw的表达式同式(7)，修正后的模型各特征值的表达式为：

τmax=1.8Aβwβt1fctfat

(8)

(9)

sf=0.33Cβwβt3

(10)

式中：fat为胶体抗拉强度。

将C30试件组中CFRP板厚度为1.2 mm的试件的试验数据代入式(8)～式(10)，则各试件对应的A、B、C值见表5。

表5 温度循环作用后C30试件模型公式参数(tf=1.2 mm)

采用一阶衰减指数函数ExpDecl对A、B、C值进行拟合，以T值(温度循环次数)为自变量，以A、B、C值为因变量，对C30试件进行数据拟合可得A、B、C值与T值函数关系式为：

(11)

(12)

(13)

同样循环次数下，C30试件组中不同CFRP板厚的试件界面特征值见表6。

表6 C30试件界面特征值参数(温度循环次数为150次)

通过表6对CFRP厚度修正系数βti进行拟合可得：

(14)

(15)

(16)

将式(11)～式(16)分别代入式(8)～式(10)可得温度循环作用后，C30试件曲线特征值表达式为：

(17)

(18)

(19)

模型拟合值与试验数据对比如图10。

图10 试验值-拟合值对比

4 结 论

1)所有的双剪试件中C30混凝土试件均为混凝土表层黏聚性破坏；C50混凝土试件均为CFRP板-环氧树脂界面脱黏破坏，且破坏总发生在强度较为薄弱的一侧。

2)随着温度循环次数、混凝土强度等级、CFRP板宽度和厚度的增加，界面最大剪应力τmax会有不同程度的增大，其中温度循环次数对其影响较为显著，且界面最大剪应力τmax随温度循环次数的增加其增长呈现逐渐放缓的趋势，混凝土强度等级、CFRP板宽度和厚度则对其影响并不显著。

3)在Monti双线性模型基础上增加了环氧树脂胶体抗拉强度fat以及CFRP板厚度修正系数βti，建立起的温度循环作用后界面的黏结-滑移模型，模型与试验结果有较好的吻合性。

4)针对所得到的的试验现象及结论进行内在机理分析为：试验在黏贴CFRP板时，对双剪试件进行室温固化(20±5 ℃)，而在温度循环处理的高温升温和恒温阶段，试件所处温度高于初始的固化温度，环氧树脂胶会继续发生后固化反应，树脂预聚体逐渐转变为网状聚合物，分子交联度提高，胶体内聚力增强，剪切黏结性能提高。