凍融循環(huán)下CFRP高性能混凝土的粘結(jié)性能

摘 要：通過雙面剪切試驗，研究了凍融環(huán)境下CFRP-高性能混凝土界面粘結(jié)性能的發(fā)展規(guī)律。對比分析了未經(jīng)凍融和經(jīng)歷25、50、100、150、200及300次凍融循環(huán)作用試件的破壞特征、剪應(yīng)變分布、荷載滑移曲線、粘結(jié)承載力以及粘結(jié)破壞機理。結(jié)果表明，所有試件的界面破壞均發(fā)生在混凝土表層內(nèi)，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞界面有向膠層發(fā)展的趨勢；經(jīng)受凍融循環(huán)次數(shù)較少時（25、50次），界面的粘結(jié)強度、剛度及開裂荷載的變化不明顯，甚至略微提高；但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進一步增加，界面粘結(jié)性能有明顯的變化，界面粘結(jié)強度、端部滑移量減小，剛度退化，初始開裂荷載水平降低，非線性特征增強。粘結(jié)極限承載力與混凝土立方體抗壓強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增長存在先提高后下降的趨勢，混凝土強度變化是界面粘結(jié)性能變化的最重要因素。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）；高性能混凝土；凍融循環(huán)；粘結(jié)性能；耐久性

中圖分類號：TU528. 572 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）02-0085-07

近年來，纖維增強聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）在混凝土結(jié)構(gòu)的加固和改造工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。CFRP與混凝土的粘結(jié)界面對傳遞有效應(yīng)力、保證加固結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性起到重要的作用[2-4]。有關(guān)統(tǒng)計表明，F(xiàn)RP加固混凝土梁的破壞約有63%是由于FRP與混凝土界面粘結(jié)失效造成的[5]。然而，實際加固工程結(jié)構(gòu)常處于惡劣的環(huán)境下，粘結(jié)界面的長期性能受到威脅，從而影響加固結(jié)構(gòu)的可靠性。在寒冷地區(qū)，凍融破壞是普遍存在的混凝土結(jié)構(gòu)病害，CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)也不可避免地受到凍融循環(huán)作用的影響，導(dǎo)致其耐久性劣化進程加快。

對外貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究開始于20世紀(jì)90年代初，但迄今為止針對其在凍融壞境下粘結(jié)破壞機理的研究仍不夠充分[6-9]。Bisby等[6]研究了3類CFRP混凝土界面的抗凍性能，發(fā)現(xiàn)200次或300次凍融循環(huán)作用對界面性能沒有太大的影響。Ahmad等[7]的研究則表明凍融循環(huán)作用大大降低了試件的承載能力。中國在這方面的研究相對較晚，文獻[10-12]等的研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)作用對界面粘結(jié)有不利影響。王蘇巖[13]的研究則發(fā)現(xiàn)，經(jīng)受過凍融循環(huán)作用后的CFRP與高強混凝土的粘結(jié)強度有一定的增長?？梢?，有關(guān)凍融循環(huán)作用對CFRP混凝土界面粘結(jié)性能影響的研究結(jié)論存在分歧，而對于高性能混凝土的相關(guān)研究很少。這勢必在一定程度上制約CFRP材料在寒冷地區(qū)高性能混凝土結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用。

筆者利用雙面剪切試驗，重點研究凍融循環(huán)作用對CFRP與高性能混凝土界面粘結(jié)性能的影響。通過分析粘結(jié)區(qū)CFRP的應(yīng)變、加載端的端部粘結(jié)滑移、極限粘結(jié)承載力發(fā)展規(guī)律，研究凍融循環(huán)下碳纖維與高性能混凝土界面粘結(jié)的耐久性退化規(guī)律和機理。

王玉田，等：凍融循環(huán)下CFRP高性能混凝土的粘結(jié)性能

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用混凝土為雙摻粉煤灰和礦粉的高性能混凝土，設(shè)計強度等級為C50。原材料包括P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，Ⅱ級粉煤灰，S95級礦粉，粒徑5～25 mm連續(xù)級配的碎石作為粗骨料，青島大沽河河砂作為細骨料（最大粒徑5 mm，細度模數(shù)2.4，中砂），攪拌水為普通自來水。另外，還使用了減水率為25%的HSC-A型聚羧酸高效減水劑。具體配合比見表1。

試驗采用上海優(yōu)士康化工有限公司生產(chǎn)的YC-190-300g單向CFRP片材，實測抗拉強度為3 356 MPa，彈性模量2.16×105 MPa，伸長率1.62%，名義厚度0.167 mm。浸漬膠為該廠生產(chǎn)的YC-189-A膠（由甲、乙兩組份按2∶1質(zhì)量比混合而成）。抗拉強度40 MPa，彈性模量 2 500 MPa，伸長率1.5%。

1.2 試件設(shè)計

混凝土立方體抗壓強度采用100 mm×100 mm×100 mm試件。粘結(jié)性能采用雙面剪切試件[3，14]，混凝土的試件尺寸為100 mm×100 mm×150 mm，CFRP布總長度為540 mm，寬度為50 mm，粘結(jié)區(qū)的長度為100 mm，加載端邊界上留有30 mm的非粘結(jié)區(qū)。將CFRP布按U型粘貼在混凝土試件的兩個相對側(cè)面上，粘貼層數(shù)為一層，如圖1所示。碳纖維布的具體粘貼方法按《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 146∶2003）的要求進行。立方體試件和粘結(jié)試件每組均為3個試件。

1.3 凍融試驗方案

立方體試件拆模后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護（溫度20±2 ℃，相對濕度95%以上）24 d后從養(yǎng)護室取出，放在20±2 ℃水中浸泡4 d，在28 d齡期時開始進行凍融試驗。粘結(jié)試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d，置于常溫環(huán)境中3 d達到面干后，粘貼CFRP布，繼續(xù)在室溫下養(yǎng)護7 d，飽水4 d，再進行快速凍融試驗。凍融試驗依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）建議的快速凍融法，采用KDR-V9型混凝土快速凍融試驗機進行。每個凍融循環(huán)周期約為3 h，試件中心最低和最高溫度分別控制在-18±2℃和5±2℃。待凍融循環(huán)次數(shù)達到25、50、100、150、200、300次后，分別從凍融箱中取出立方體試件和粘結(jié)試件，自然晾干后進行立方體抗壓強度試驗和雙面剪切試驗。

1.4 加載裝置及測試內(nèi)容

凍融循環(huán)達到預(yù)定次數(shù)后，將立方體試件從凍融箱中取出，進行抗壓強度測試。

粘結(jié)試件則待其自然晾干后，沿CFRP中心方向依次粘貼應(yīng)變片，用于加載過程中測定粘結(jié)區(qū)域內(nèi)CFRP的應(yīng)變值，具體粘貼位置見圖1。采用引伸計（見圖2）測量CFRP自由端部與混凝土的相對滑移（端部滑移量），數(shù)據(jù)通過電腦自動采集，取用兩側(cè)的平均值作為最終值。

粘結(jié)試件加載采用日本津島SES-1000型電子拉伸試驗機（250 kN）實施。拉伸荷載通過自行設(shè)計的CFRP混凝土界面雙面剪切試驗加載裝置施加于試件，見圖2。試驗中，加載速率為0.1 mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土立方體抗壓強度

經(jīng)觀察，在預(yù)定凍融循環(huán)次數(shù)下，各混凝土試塊均無明顯的表面剝落現(xiàn)象（參見圖4）。混凝土立方體抗壓強度依據(jù)常規(guī)方法測試，結(jié)果列于表2。

試驗結(jié)果表明，經(jīng)過較少次數(shù)的凍融循環(huán)后，混凝土立方體抗壓強度與28 d抗壓強度相比有一定程度的提高，文獻[15-16]的研究也有類似的現(xiàn)象。經(jīng)25次和50次凍融循環(huán)后，混凝土抗壓強度分別提高了9.7%和7.2%。分析原因，一方面是由于試驗采用了C50高性能混凝土，粉煤灰和礦粉雙摻配合比設(shè)計，使得混凝土孔隙率低、密實性較高，從而使該混凝土具有良好的抗凍性（另文介紹）。另一方面，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，在靜水壓和滲透壓作用下，混凝土內(nèi)部孔隙及微裂縫逐漸擴展，外部水分就會沿微缺陷滲透到混凝土內(nèi)部，從而加速水泥的二次水化?；炷恋乃z比為0.33（低于水泥顆粒完全水化而無毛細孔所需的理論水膠比0.38）二次水化效果較為明顯。

圖3所示為混凝土抗壓強度fd隨凍融循環(huán)次數(shù)N的變化情況?？梢?，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥繼續(xù)水化對混凝土強度增長的作用越來越低于凍融損傷導(dǎo)致的混凝土強度損失，抗壓強度總體呈下降的趨勢。經(jīng)歷100次凍融循環(huán)時，混凝土強度開始低于28 d抗壓強度。凍融循環(huán)300次后，強度已經(jīng)降低為28 d強度的62.2%。

對25 ～300次凍融循環(huán)后的試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到關(guān)系式為

2.2 界面粘結(jié)破壞特征

經(jīng)預(yù)定凍融循環(huán)次數(shù)作用后，各剪切試件也均未見明顯的混凝土表面剝落現(xiàn)象。界面剪切破壞后，觀察CFRP片材的表面，發(fā)現(xiàn)所有粘結(jié)試件的破壞均發(fā)生在粘結(jié)界面下較淺的混凝土表層內(nèi)。可見，剝離破壞模式在高強混凝土情況下，不僅僅取決于混凝土，與膠層也有很大的關(guān)系。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，片材表面粘附的混凝土顆粒自厚變薄?？梢?，對比試件和凍融循環(huán)100次以下的試件在破壞時CFRP表面粘有大量的混凝土顆粒，被剪下的混凝土層相對較厚。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞界面逐漸向膠層發(fā)展，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到200次和300次時，CFRP表面只能看到少量的混凝土顆粒，破壞層接近膠層。分析原因，主要是由于CFRP與混凝土的粘結(jié)界面存在氣孔、裂紋等缺陷，融解狀態(tài)時水分易于侵入。隨凍融次數(shù)增加，界面裂縫逐漸發(fā)展，導(dǎo)致界面粘結(jié)性能逐漸降低，且相比而言，其影響超過了混凝土強度降低的影響，從而導(dǎo)致破壞面逐漸向膠層發(fā)展。文獻[10]和[17]得到類似的結(jié)論，典型的破壞形態(tài)如圖4所示。

2.3 界面粘結(jié)極限承載力

表3所列為試驗所得不同凍融次數(shù)下CFRP-混凝土粘結(jié)試件的破壞極限承載力（Fb）。

從表3可以看出，粘結(jié)極限承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化與混凝土抗壓強度變化存在類似的規(guī)律，即在凍融循環(huán)次數(shù)較少（≤50次）時，極限承載力有所提高。25次和50次時，分別提高了2.3%和2.9%。在凍融循環(huán)50次以上，則呈線性下降的趨勢（如圖5，線性相關(guān)系數(shù)為0.996）。凍融循環(huán)達300次時，極限荷載降低了19.9%。

圖5 極限承載力隨凍融次數(shù)的變化

Fig.5 The ultimate bearing capacity along with the change of freezing-thawing cycles

已有研究表明[11，13，18]，混凝土強度越高，CFRP與混凝土之間的粘結(jié)強度也越高。圖6所示為凍融循環(huán)作用下混凝土立方體抗壓強度與界面粘結(jié)承載力下降百分比?？梢姡瑑烧叩淖兓?guī)律類似，但前者比后者的變化幅度大。分析原因，凍融循環(huán)初期，粘結(jié)承載力的提高，主要是由此階段二次水化引起的混凝土強度提高決定的。但由于膠層的包裹作用，一定程度上阻止了水泥的二次水化，所以，此階段粘結(jié)承載力提高的幅度低于表面裸露混凝土強度的提高的幅度，且粘結(jié)承載力最大峰值出現(xiàn)的時間較晚（凍融循環(huán)50次）。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土強度進入下降段。同時，凍融循環(huán)作用會擴大膠層表面初始的微缺陷，由于CFRP與混凝土的熱膨脹系數(shù)差別較大[19]，溫度在升降過程中膠層與混凝土?xí)a(chǎn)生周期性的溫度應(yīng)力，降低其與混凝土的粘結(jié)效果，當(dāng)達到一定程度即表現(xiàn)為粘結(jié)強度的降低。但由于膠層對混凝土的保護作用，界面層受凍融作用的損傷程度也低于表面裸露的混凝土，即界面粘結(jié)承載力下降的百分比小于相同循環(huán)次數(shù)下立方體抗壓強度下降的百分比。

2.3 CFRP的應(yīng)變分布

圖7和圖8分別給出了未經(jīng)受凍融損傷的試件和經(jīng)受不同次數(shù)凍融循環(huán)作用的CFRP應(yīng)變分布情況，應(yīng)變曲線的斜率反映了相應(yīng)階段界面應(yīng)變發(fā)展的速率。

圖6 立方體抗壓強度與界面粘結(jié)承載力下降百分比對比圖

由圖可見，各個試件沿粘結(jié)長度上的CFRP應(yīng)變分布及發(fā)展規(guī)律大致相同。在加載初始階段，與加載端較近部位的 CFRP拉應(yīng)變較大，距加載端較遠處CFRP拉應(yīng)變較小，荷載為4 kN時傳遞長度均約為30 mm。這是因為此時荷載較小，只需距加載端較近局部區(qū)域內(nèi)粘結(jié)界面的剪應(yīng)力合力與之達到平衡。應(yīng)變分布呈明顯的下凹型曲線，應(yīng)變發(fā)展較慢。隨著荷載的增加，應(yīng)變逐漸向距加載端較遠處的自由端傳遞，應(yīng)變分布曲線的下凹趨勢逐漸減弱，加載端應(yīng)變值的增長速度明顯加快。從圖5和圖6中均可看出，距加載端最近的兩個測點之間應(yīng)變的斜率隨荷載的增大先增大后減小，斜率達到最大時，表明加載端的剪應(yīng)力達到峰值，裂縫開始出現(xiàn)，裂縫處CFRP 與混凝土的有效粘結(jié)被破壞，CFRP將拉力傳向了未破壞的粘結(jié)界面，此時，界面的粘結(jié)滑移開始加快。荷載再繼續(xù)增大，應(yīng)變分布曲線開始向上凸，剪應(yīng)力的分布也越來越均勻，應(yīng)力由加載端快速向自由端傳遞。最終，CFRP 與混凝土之間發(fā)生一次性剝離破壞。

同時，通過對比圖7和圖8還可以發(fā)現(xiàn)，在加載早期（見圖中4～12 kN曲線），隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CFRP應(yīng)變更早地向自由端發(fā)展，這說明凍融循環(huán)作用對CFRP-混凝土的粘結(jié)界面產(chǎn)生了不利的影響，降低了粘結(jié)界面的抗剪能力；而最終界面剝離時的應(yīng)變發(fā)展（見圖中第一測點的應(yīng)變最大值）則有逐漸降低的趨勢，這主要是由凍融循環(huán)對粘結(jié)面的破壞導(dǎo)致界面承載能力的降低造成的。

2.4 荷載端部滑移曲線

圖9所示為典型的荷載端部滑移關(guān)系曲線?？梢钥闯觯诩虞d初期，各曲線基本重合，但隨著荷載的增加，不同次數(shù)凍融循環(huán)下荷載滑移曲線的發(fā)展規(guī)律存在明顯的差異。

經(jīng)受凍融次數(shù)較少（對比試件、凍融25次以及凍融50次）的試件，界面發(fā)生很小的滑移后荷載就達到了極限荷載的90%左右，這與文獻[13]關(guān)于高強混混凝土的試驗結(jié)果類似。此階段荷載滑移曲線近似呈線性變化，由此可知，CFRP-混凝土界面的剪切應(yīng)變與剪切應(yīng)力呈線性變化，界面一直處于彈性狀態(tài)。當(dāng)荷載增加到某一臨界值時，曲線上出現(xiàn)一個明顯的拐點（圖9中圓圈所示），表明界面上出現(xiàn)初始裂縫，粘結(jié)面發(fā)生剝離，所對應(yīng)的荷載為初始開裂荷載。之后滑移量迅速增大，荷載則增加很少，甚至略有下降，直到界面完全破壞。另外，凍融25次和凍融50次試件的開裂荷載比對比試件有所提高，分別提高了16%和14%，對剛度的影響則不明顯。

經(jīng)受100次以上凍融循環(huán)的試件，當(dāng)荷載增加到30%～50%時，試件的端部滑移開始逐漸大于對比試件，剛度明顯弱化，并逐漸表現(xiàn)出明顯的非線性特征。與之前的試件相比，荷載滑移曲線的形狀發(fā)生了明顯的變化。在較低的荷載水平下（約為極限荷載的60%左右），曲線就出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點，即出現(xiàn)初始裂縫，界面開始發(fā)生剝離。這與文獻[11]和[13]所得普通混凝土的分析結(jié)果類似，實際上，由混凝土抗壓強度試驗結(jié)果（見表2）可知，此時混凝土強度已降至普通混凝土的水平。隨凍融次數(shù)的增加，破壞時的極限荷載和初始開裂荷載均有逐漸降低的趨勢。但發(fā)生剝離后，隨著滑移量的增加，荷載仍有較大幅度的增長。

另外，試驗結(jié)果還表明，隨著凍融次數(shù)的增加，達到破壞時，試件的端部最大滑移量總體上呈逐漸降低的趨勢，如凍融300次后降低了25%左右，這說明凍融循環(huán)使CFRP-混凝土粘結(jié)界面的脆性增高，變形能力降低。

3 結(jié)論

1）由于水泥二次水化和凍融損傷的雙重作用，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，高性能混凝土立方體抗壓強度經(jīng)歷先增長后下降的變化過程。經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后，混凝土抗壓強度總體呈線性下降的趨勢。

2）各凍融循環(huán)次數(shù)下，CFRP-高性能混凝土界面破壞均發(fā)生在粘結(jié)界面下的混凝土表層內(nèi)。且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞界面有向膠層發(fā)展的趨勢。

3）剪應(yīng)力沿粘結(jié)長度的分布規(guī)律及端部滑移情況受凍融循環(huán)作用影響明顯。剪應(yīng)變分布和端部粘結(jié)滑移共同反映出凍融循環(huán)對CFRP-高性能混凝土界面剛度及強度的損傷規(guī)律。

4）CFRP-混凝土界面粘結(jié)極限承載力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化與混凝土抗壓強度的變化規(guī)律類似，說明混凝土強度變化是粘結(jié)強度變化的重要因素，而其變化滯后及其變化幅度較小則是受膠層的作用影響。

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（編輯 胡英奎）