NaCl溶液侵蝕下混凝土/環氧樹脂界面黏結?分離本構試驗

王小萌，WANG Jialai，周儲偉

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NaCl溶液侵蝕下混凝土/環氧樹脂界面黏結?分離本構試驗

王小萌1，WANG Jialai2，周儲偉1

(1. 南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京，210016； 2. 美國阿拉巴馬大學 土木、建筑與環境工程系，美國 塔斯卡盧薩，35401)

采用楔入劈裂法對混凝土/環氧樹脂界面I型斷裂力學性能進行試驗研究，得到界面的黏結?分離的本構關系，并對硅烷偶聯劑是否能在NaCl溶液環境下對混凝土/環氧樹脂界面的性能起到改善作用進行驗證。研究結果表明：極限黏結強度和斷裂能量隨浸泡時間的增長而呈指數下降趨勢；在I型荷載的作用下，對比組試件的破壞模式為混凝土的拉伸破壞；隨著浸泡時間增長，試件的破壞模式逐漸轉變為混凝土/環氧樹脂界面的剝離；混凝 土/環氧樹脂界面的黏結性能可通過硅烷偶聯劑改善。

混凝土/環氧樹脂界面；I型斷裂；黏結?分離本構；硅烷偶聯劑

隨著社會現代化進程的不斷推進，土木工程領域的重心也逐漸由新建工程轉向現役結構的加固與修復。目前，對既有鋼筋混凝土建筑進行維修加固的措施和方法已經非常多，其中在實際工程中應用比較廣泛、技術比較成熟、被業內普遍認同的維修加固方法之一就是粘貼加固法。其中纖維增強復合材料FRP由于質輕高強、施工簡便等優點，在粘貼加固材料中脫穎而出，得到越來越多的應用。由于FRP加固鋼筋混凝土結構的效果高度依賴于FRP/混凝土界面的黏結質量，因此，近年來關于FRP/混凝土界面性能的研究越來越受到關注，AHMED等[1]的研究表明，界面黏結性能不佳會導致FRP在纖維斷裂點附近產生不良的應力分布和顯著的應力集中，這種應力集中會導致FRP的剝離和脫層。CORONADO等[2]發現，一旦界面應力超過閾值，界面附近的混凝土基底處便會出現大量的微裂紋，這種微裂紋會逐漸成長為宏觀裂紋并且會導致界面過早失效。TOUNSI等[3?5]研究了FRP混凝土界面的剪切滑移關系和剝離機理，這些研究主要考慮外荷載接近界面極限剪切強度時界面的失效機理。程惠瑩等[6]采用四點彎試驗測得了GFRP(玻璃纖維增強復合材料)/混凝土界面在II型模態控制下的斷裂韌度，并引入一種適用于評價GFRP/混凝土界面斷裂性能的理論分析模型。QIAO等[7]采用三點彎試件對FRP/混凝土界面在凍融及干濕循環作用下的I型斷裂特性進行了研究，并總結出界面承載力與斷裂能與循環次數之間的關系。祝濤等[8]開展了CFRP(碳纖維增強復合材料)與混凝土的正拉黏結試驗，使用3種膠黏劑，分別在干燥與潮濕環境中養護，對比發現經潮濕養護后，膠黏劑層與混凝土的界面受到不利的影響，各種膠對應試件的正拉黏結強度均有不同程度的下降，破壞形式由混凝土內聚破壞多轉變為黏附破壞或混合破壞。盧亦焱等[9]開展了海水浸泡作用下FRP/混凝土界面黏結性能的可靠性研究，結果表明：FRP/混凝土界面斷裂能服從正態分布，隨著腐蝕時間的增加，可靠度指標會先迅速降低后緩慢降低。趙瑩瑩[10]研究了海洋環境下CFRP/混凝土的界面黏結疲勞性能，試驗結果表明：鹽溶液腐蝕后的試件，在疲勞荷載作用下的剝離破壞界面隨腐蝕齡期的增加逐漸向膠層發展，剝離距離隨應力水平的提高而增長。同時，在環境因素下，試件的疲勞壽命更短，且離散性更大。樊付權等[11?12]對海洋環境下CFRP/混凝土界面的破壞過程及破壞形態進行了研究，試驗得到了CFRP/混凝土界面黏結滑移關系的本構模型。隋莉莉等[13]對受鹽酸、氫氧化鈉及硫酸鹽溶液侵蝕的CFRP/混凝土黏結試件進行了雙面剪切試驗，探討了不同侵蝕介質、侵蝕時間對CFRP與混凝土界面的黏結破壞模式及平均黏結強度?滑移曲線的影響規律，試驗結果表明：侵蝕作用會顯著增加界面滑移變形，酸和鹽溶液的侵蝕作用會顯著降低試件黏結強度，而堿溶液侵蝕對黏結強度無明顯影響。綜上所述，加固結構在長期使用過程中是否能夠滿足安全要求已成為加固設計需要考慮的重要問題之一。對于港口設施及海工建筑物來說，由于長期處在海水浸泡或鹽霧腐蝕的特殊環境下，其結構因海水的物理和化學作用而被破壞，大大加速了結構發生早期破壞的進程，從而影響了結構的安全使用性能。因此，對處在海洋環境中的鋼筋混凝土結構的補強加固的研究具有一定的實踐意義和工程應用價值。本文作者采用3.5%(質量分數)的NaCl溶液對試件進行浸泡，模擬海洋環境對界面的黏結性能的影響。此外，考慮到實際上FRP/混凝土界面中存在的裂紋不僅僅是II型(滑開型)，也可能包含有I型(張開型)、III型(撕開型)，甚至也可能是復合型裂紋。而目前界面研究中I型斷裂的研究較少，尚不充分，無論從試驗數據積累方面還是理論研究方面均有大量研究有待進行。此外，已有研究表明[14]，硅烷偶聯劑對FRP/混凝土界面的力學性能有一定的改善作用，然而，在其他環境條件下，硅烷偶聯劑的作用有待進一步研究。為此，本文作者對硅烷偶聯劑是否能在海洋環境下改善FRP/混凝土界面的性能進行驗證。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與試件的制作

本試驗采用的環氧樹脂為FYFE.Co.LLC生產的Tyfo TC，樹脂A與固化劑B的質量比為100:23，體積比為100:30?；炷恋慕M成為水泥 (美國生產的Type I )、細沙(細度模數為2.1)、粗砂(細度模數為3.2)。根據ASTM C33/C33M[15]以及 ASTM C192/C192M[16]，其質量比(水):(水泥):(細沙):(粗砂)= 0.400:1.000: 0.865:1.135。

試件由2個混凝土試塊通過環氧樹脂黏結而成，尺寸如圖1所示。混凝土28 d抗壓強度為78 MPa。在刷環氧樹脂之前，混凝土試塊需要黏結的那一面要進行噴砂處理，除去表面的浮漿層，再用高壓氣體沖洗。試件中取一部分，對其表面進行特殊處理，采用道康寧公司生產的Z?6137水解的氨基乙基氨基丙基硅烷作為偶聯劑，配置1%硅烷水溶液(質量分數)，室溫下水解1 h，期間不定期攪拌，以防止生成硅膠沉積。充分水解后將硅烷溶液不斷刷在混凝土黏結面上，2 h后，將處理過的試件放在93℃預熱的烘箱中放置1 h。然后取出放至室溫后再將2塊進行黏結制作成標準試件。在粘貼時提前用特氟龍膠帶預制出15 mm的裂縫。為了控制膠層厚度，在制作時采用橡膠間隔布置在試件四角，控制環氧樹脂厚度為1.5 mm。

圖1 試件尺寸(單位：mm)

采用3.5%(質量分數)的NaCl溶液模擬海水對試件進行浸泡，具體試驗方案如表1所示，其中每組包括3個同等的試件。在達到指定浸泡時間之后，將試件取出，對其表面進行噴漆處理，以便于DIC儀器對試件表面的點的位移進行讀取。

表1 試驗方案試件編號

1.2 試驗方法

試驗測試材料I型斷裂能的方法主要有三點彎法、緊湊拉伸法、直接拉伸法、楔入劈裂法等。其中緊湊拉伸法、直接拉伸法最初用于測試金屬等材料斷裂參數，雖然也被用于混凝土的斷裂研究，但由于試件安裝不方便、對中較難等原因，目前較少采用該方法來研究混凝土的斷裂特征。而楔入劈裂法將直接施加的壓力變為水平向兩端的推力，形成張開型裂紋的受力狀態，試件制作簡單、易于安裝。因此，本文選擇楔入劈裂法[17]進行混凝土/環氧樹脂界面I型斷裂試驗研究。試驗加載裝置為MTS QTest(如圖2~3所示)，試驗由位移控制，加載速率為0.2 mm/min。對混凝 土/環氧樹脂界面施加的壓力通過MTS QTest控制程序自動采集。試件的位移場由DIC系統測得，拍照間隔為15 s。

圖4所示為楔塊受力及傳力示意圖。由圖4可見：MTS QTest在楔形壓塊上施加豎向力v轉化成劈裂力sp，從而使試件產生I型斷裂的破壞模式。sp可通過以下計算得到。圖5所示為混凝土/環氧樹脂界面計算示意圖。對于圖5所示的楔形壓塊，根據豎直方向力的平衡可得

圖2 楔入劈裂試驗體系示意圖

圖3 楔入劈裂試驗體系示意圖(局部)

式中：N為楔塊對傳力裝置的壓力。

根據式(1)可得N的表達式：

其中v的數值由QTest讀取可得。對于楔塊兩側的傳力夾具，根據水平方向受力平衡可得

根據上式以及N的表達式可得

對于本試驗，摩擦因數μ=0.2，楔塊側邊與豎直方向的夾角θ=13°。

圖5 混凝土/環氧樹脂界面計算示意圖[17]

2 試驗結果及分析

2.1 黏結?分離本構分析

RAHULKUMAR等[18?20]認為2個獨立參數(斷裂能、工程應力峰值或界面張開位移f)足夠建立界面CZM本構。根據DIC系統測得的試件位移場，對2個試塊上位于界面端部2點進行位移差的分析，即可得到界面端部的裂縫張開位移。由于混凝土試件的剛度遠大于環氧樹脂的黏結界面，在分析時可將混凝土試件近似看作剛體。在如圖5所示的坐標系下，裂縫張開位移()的表達式為

式中：為界面端部的裂縫張開位移；為裂縫長度。根據混凝土試塊的彎矩平衡可得

式中：1，2和分別為v，sp以及混凝土試塊自重的力臂；為界面張開應力；為試件厚度。將式(4)代入式(5)可得[17]

于是，通過式(7)即可得到裂縫張開位移與張開應力的關系曲線。界面的斷裂能I可通過對式(7)進行積分得

圖6所示為對比組以及浸泡16周的試件黏結?分離本構典型曲線，從圖6可以看出：在試驗開始時，應力與界面端部裂縫張開位移近似成正比，在達到峰值后，界面開始開裂，應力開始迅速下降；隨著界面端部裂縫張開位移的增長，應力下降的速率逐漸放緩，直至界面全部分離。經NaCl溶液浸泡之后，界面峰值應力以及界面斷裂能有明顯的下降。根據式(6)與式(7)計算可得界面的強度與斷裂能隨浸泡時間的變化分別如圖7和圖8所示。

圖6 混凝土/環氧樹脂黏結?分離本構

從圖7和圖8可以看出：界面強度與斷裂能隨時間不斷下降，但是下降的速率不斷減小，呈現明顯的非線性關系；隨著浸泡時間增長，界面在水、氯離子等外界環境的聯合作用下，各方面性能總會逐漸下降至接近它的壽命終點。材料熱老化理論的基礎是化學反應動力學中的阿侖尼烏斯公式，即化學反應速率可由下式進行描述：

圖7 浸泡時間對混凝土/環氧樹脂界面強度的影響

圖8 浸泡時間對混凝土/環氧樹脂界面I型斷裂能的影響

式中：Δ為化學反應活化能；為玻爾茲曼氣體常數；為熱力學溫度；為表觀頻率因子，分子熱運動時碰撞頻率的量度。其中越大，參與化學反應的分子就越多，材料的老化程度也就越深，該材料離壽命終點也就越近，因此，它的大小就可以表征該材料的老化壽命或殘余強度。實際上，溫度越高，化學反應速度往往越快，化學反應完成的時間越短。同理，在相同溫度下，化學反應時間越長，化學反應完成的程度越大。因此，假設界面力學性能表征量和溫度的關系，與和浸泡時間的關系存在一定的相似性，若令=，= ?Δ／，則式(8)可進一步改為

式中：和0均為材料常數，需要通過相應的老化試驗來得到。采用試驗數據進行擬合所得的界面強度以及斷裂能與浸泡時間關系為：

式中：si為經硅烷處理之后的界面強度；為未經過處理的界面強度。

混凝土/環氧樹脂界面可采用三線性模型進行簡化，簡化后的各試件本構如圖9所示。

由圖9可知：隨著浸泡時間的增加，混凝土/環氧樹脂界面強度與剛度不斷下降。采用硅烷對界面進行處理之后的試件，與界面未經處理的試件相比，強度下降速率變緩，說明硅烷對提高黏結質量起到了一定的作用。硅烷偶聯劑可在有機物(混凝土)與有機物(環氧樹脂)表面之間形成化學鍵，增強界面黏結強度。此外，雖然經硅烷處理之后的界面剛度并沒有明顯的增長，但是峰值張開位移增加，提高了界面的抗變形力。

簡化后界面的黏結?分離本構表達式如下：

式中的各參數如表2所示。

表2 混凝土/環氧樹脂界面黏結?分離三折線本構參數

2.2 破壞模式分析

在加載初期，MTS壓力示數隨夾頭位移的下降呈線性增長關系，當壓力增大到一定值后，界面開始產生微小裂縫，MTS壓力與夾頭位移之間的關系進入非線性階段，直到裂縫突然開展，MTS壓力迅速下降。隨著裂縫寬度的擴展，楔形壓塊提供的劈拉力sp也在逐漸變小，此時試件的承載力很小，隨著黏結界面面積的逐漸減小，直到界面全部斷裂。不同浸泡周期下試件的破壞模式如圖10所示。

從圖10可以看出：經過浸泡之后，試件的破壞模式也在改變。對比組干燥試件的破壞模式為混凝土破壞，隨著浸泡時間延長，破壞面上的混凝土附著量逐漸減少，破壞模式也從混凝土破壞向混凝土/環氧樹脂界面破壞轉變。經過硅烷處理后的界面，混凝土殘留更多，黏結效果得到提高，有助于防止水以及氯離子對界面的侵入，從而提高了界面的黏結強度。

圖10 楔入劈裂試件的破壞模式

3 結論

1) NaCl溶液的作用會對混凝土/環氧樹脂界面的力學性能產生較大的影響，界面強度與斷裂能與浸泡時間呈現明顯的指數關系。

2) 通過硅烷對混凝土表面進行處理后，雖然在干燥狀態下界面性能無明顯的改善，但是隨著浸泡時間的增加，黏接界面I型斷裂強度與斷裂能提高程度更加明顯。在浸泡16周后，經硅烷處理過的界面的強度與斷裂能分別比未處理對照組的高出101.19%與43.51%。雖然經硅烷處理后的界面剛度并未得到顯著提升，但是界面峰值張開位移增加，提高了界面的抗變形能力。

3) NaCl溶液侵蝕下混凝土/環氧樹脂界面性能的破壞模式也發生了變化，由混凝土破壞轉變為混凝土破壞與界面破壞混合破壞的模式。經硅烷處理的界面，在同等浸泡時間下，混凝土破壞的面積比例大于未處理界面的面積比例。進一步證明硅烷偶聯劑對界面抗鹽侵蝕能力有一定的改善作用。

[1] AHMED O, GEMERT D V, VANDEEWALL L. Improved model for plate-end shear of CFRP strengthened RC beams[J]. Cement & Concrete Composites, 2001, 23(1): 3?19.

[2] CORONADO C A, LOPEZ M M. Damage approach for the prediction of debonding failure on concrete elements strengthened with FRP[J]. Journal of Composites for Construction, 2007, 11(4): 391?400.

[3] TOUNSI A, BENYOUCEF S. Interfacial stresses in externally FRP?plated concrete beams[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives, 2007, 27(3): 207?215.

[4] FERRACUTI B, SAVOI M, MAZZOTTI C. A numerical model for FRP–concrete delamination[J]. Composites Part B Engineering, 2006, 37(4): 356?364.

[5] PECCE M, CERONI F. Modeling of tension-stiffening behavior of reinforced concrete ties strengthened with fiber reinforced plastic sheets[J]. Journal of Composites for Construction, 2004, 8(6): 510?518.

[6] 程惠瑩, 劉慶輝, 喬丕忠. Ⅱ型模態控制下的GFRP?混凝土界面斷裂韌度測定[J]. 力學季刊, 2016, 37(1): 114?123. CHENG Huiying, LIU Qinghui, QIAO Pizhong. Mode II dominated fracture toughness evaluation of GFRP-concrete interface[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2016, 37(1): 114?123.

[7] QIAO Pizhong, XU Yingwu. Mode-I fracture and durability of FRP-concrete bonded interfaces[J]. Water Science and Engineering, 2008, 1(4): 47?60.

[8] 祝濤, 李杉, 李偉捷, 等. 碳纖維布與混凝土正拉黏結性能試驗研究[J]. 工業建筑, 2016, 46(3): 1?4. ZHU Tao, LI Shan, LI Weijie, et al. Experimental investigation on normal tensile bonding property between CFRP and concrete[J]. Industrial Construction, 2016, 46(3): 1?4.

[9] 盧亦焱, 楊婷, 李杉, 等. 海洋環境下FRP?混凝土界面粘結退化的可靠性分析[J]. 武漢理工大學學報, 2014, 36(9): 79?84. LU Yiyan, YANG Ting, LI Shan, et al. Reliability analysis of deterioration of FRP-concrete bonded interface in sea environment[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2014, 36(9): 79?84.

[10] 趙瑩瑩. 海洋環境下CFRP?混凝土界面粘結疲勞性能試驗研究[D]. 青島: 青島理工大學土木工程學院, 2015: 69?70. ZHAO Yingying. Experimental study on interfacial bond fatigue performance of CFRP-concrete under marine environment[D]. Qingdao: Qingdao Technological University. College of Civil Engineering, 2015: 69?70.

[11] 樊付權. 海洋環境下CFRP?高性能混凝土界面粘結性能試驗研究[D]. 青島: 青島理工大學土木工程學院, 2015: 51?52. FAN Fuquan. Study on the properties of CFRP high performance concrete under marine environment[D]. Qingdao: Qingdao Technological University. College of Civil Engineering, 2015: 51?52.

[12] 張建. 海洋環境下CFRP及CFRP?混凝土界面性能的耐久性研究[D]. 大連: 大連理工大學土木工程學院, 2013: 69?70. ZHANG Jian. Durability study on CFRP and the interfacial performance between CFRP and concrete in sea environment[D]. Dalian: Dalian University of Technology. College of Civil Engineering, 2013: 69?70.

[13] 隋莉莉, 王代玉, 王震宇. 侵蝕介質下FRP與混凝土界面粘結性能[J]. 低溫建筑技術, 2016, 38(4): 4?6. SUI Lili, WANG Daiyu, WANG Zhengyu. Interfacial bonding behavior between FRP and concrete under corrosive medium[J]. Low Temperature Architecture Technology, 2016, 38(4): 4?6.

[14] 何小兵, 嚴波, 申強. GFRP/CFRP-混凝土界面剪切性能[J]. 建筑材料學報, 2013, 16(6): 1004?1011. HE Xiaobin, YAN Bo, SHEN Qiang. Interfacial shear performance GFRP/CFRP composite of interply hybrid and concrete[J]. Journal of Building Materials, 2013, 16(6): 1004?1011.

[15] ASTM C33/C33M, Standard specification for concrete aggregates[S].

[16] ASTM C192/C192M, Standard practice for making and curing concrete test specimens in the laboratory[S].

[17] AMIDI S. Characterization and modeling of long-term behavior of FRP-to-concrete interface in aggressive environments[D]. Tuscaloosa: University of Alabama. Department of Civil Construction and Environmental Engineering, 2015: 173?193.

[18] RAHULKUMAR P, JAGOTA A, BENNISON S J, et al. Cohesive element modeling of viscoelastic fracture: application to peel testing of polymers[J]. International Journal of Solids and Structures, 2000, 37(13): 1873?1897.

[19] MOHAMMED I, LIECHTI K M. Cohesive zone modeling of crack nucleation at bimaterial corners[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2000, 48(4): 735?764.

[20] HUTCHINSON J W, EVANS A G. Mechanics of materials: top-down approaches to fracture[J]. Acta Materialia, 2000, 48(1): 125?135.

(編輯 劉錦偉)

Experiment of traction?separation law of concrete/epoxy interface subjected to NaCl solution

WANG Xiaomeng1, WANG Jialai2, ZHOU Chuwei1

(1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing 210016, China; 2. Civil, Construction and Environmental Engineering, The University of Alabama, Tuscaloosa 35401, USA)

The mechanical property of mode I concrete/epoxy interface was studied by wedge split test method, and the traction?separation law was obtained. Whether the silane coupling agent was able to improve the performance of concrete/epoxy interface under NaCl solution was also analyzed. The results show that both the ultimate bond strength and the fracture energy decrease exponentially with soaking duration. Under mode I loading, the failure mode of the control specimen is tensile failure of the concrete. With the increase of soaking duration, the failure mode of the interface specimen was gradually turned into adhesive failure along the concrete/epoxy interface. The performance of the concrete/epoxy interface can be improved by the application of silane coupling agent.

concrete/epoxy interface; Model I fracture; traction?separation law; silane coupling agent

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.02.021

TU335

A

1672?7207(2018)02?0415?07

2017?02?06；

2017?03?22

國家自然科學基金資助項目(11272147，10772078)；航空科學基金資助項目(2013ZF52074)；機械結構力學及控制國家重點實驗室基金資助項目(0214G02)；國家重點實驗室開放基金資助項目(IZD130011353，IZD150021556)；江蘇省研究生培養創新工程項目(KYLX_0220)；江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目(2014)(Projects(11272147, 10772078) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2013ZF52074) supported by the Chinese Aviation Science Fund; Project(0214G02) supported by the Fund of State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures; Projects(IZD130011353, IZD150021556) supported by the State Key Laboratory Open Fund; Project(KYLX_0220) supported by the Jiangsu Province Postgraduate Training Innovation Project; Project(2014) supported by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions)

周儲偉，博士，教授，從事工程力學以及復合材料力學研究；E-mail：zcw@nuaa.edu