濕熱環境下粘鋼加固混凝土界面的粘結性能

姚國文 劉宇森 吳甜宇 李世亞

摘 要：鋼板-混凝土界面粘結性能是粘貼鋼板加固混凝土結構的關鍵所在。通過對濕熱環境下27個鋼板-混凝土試件進行試驗研究，分別進行5天、10天、15天的加速濕熱老化，然后進行雙剪試驗，獲得了鋼板-混凝土界面發生剪切剝離破壞過程中的極限荷載、鋼板應變分布及荷載-位移關系，分析了環境溫度、濕度耦合作用對鋼板-混凝土界面粘結耐久性能的影響，并綜合考慮鋼板-混凝土的粘結破壞模式、受力過程、粘結界面相對位移發展規律，提出了粘結界面剪應力、滑移與溫度和濕度相關的表達式，最后建立了考慮溫度、濕度影響的粘結-滑移本構關系模型，數值模擬結果與試驗結果吻合較好，論文結果可為指導粘鋼加固混凝土結構設計以及耐久性理論研究提供參考依據。

關鍵詞：粘貼鋼板;濕熱環境;粘結耐久性能;粘結滑移本構關系模型

中圖分類號：TU511.352? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract：The interface performance between steel plate and concrete is the key to strengthened concrete structure. In this paper， there were 27 specimens carried out for steel plate bonded concrete under hydrothermal environment. And accelerated hydrothermal aging was respectively conducted in 5 days， 10 days and 15 days. Then the double- shear test was performed to obtain the ultimate load， strain distribution and relationship of load-displacement during the shear failure process on steel plate-concrete interface. After long term temperature and humidity coupling， the durability of the steel plate-concrete interface was studied. Considering the analysis of bond failure mode， loading process and the relative displacement evolution on bonding interface， the expression of shear stress and slip was proposed， which was related to temperature and humidity. Finally， the bond-slip constitutive model was established in consideration of the temperature and humidity. The numerical simulation results were in good agreement with the experimental results. The results of the paper provide reference for the design of the concrete structure with bonded steel plate and the durability theory.

Key words：bonded steel plate; hydrothermal environment; bonding durability; bond-slip constitutive model

粘貼鋼板加固法是修復受損混凝土結構并延長其剩余使用壽命的常用加固方法，在廣泛使用的同時存在著諸多耐久性問題[1]。而在西南地區的濕熱環境長期作用下，膠粘劑的抗拉強度、彈性模量明顯降低，環氧樹脂的變形性能也會發生改變[2]，使得帶裂縫工作的混凝土結構的碳化、化學腐蝕、鋼筋銹蝕及粘鋼材料界面滑移等耐久性能的劣化過程更容易進行，對加固結構的耐久性極為不利，不能滿足正常使用壽命周期內的安全性、可靠性[3]。因此，濕熱環境下粘鋼加固混凝土結構的耐久性研究，具有重要的指導意義和工程價值。

鋼板和混凝土之間良好的粘結性能保證了兩者之間的荷載傳遞，直接關系著加固結構的效果[4]。 已有研究表明[5]，粘鋼加固混凝土界面的粘結應力主要為剪應力，加固構件的失效形式不是加固材料的受拉破壞，而是在外貼鋼板和混凝土界面粘結處，因抗剪承載力不足而引起的剝離失效。而實際工程結構中的腐蝕劣化環境會加速其脆性破壞，這種破壞不同于粘貼纖維補強聚合物（FRP）加固的軟化段破壞，不僅造成鋼材的浪費，而且影響加固結構的安全性。近年來，國內外學者采用試驗方法和有限元模擬對粘鋼加固混凝土結構的整體受力特性[6-7]、界面剝離行為[8]、疲勞性能[9]進行了研究，但考慮濕熱環境下粘鋼加固的耐久性研究較少涉足，而纖維粘貼加固在這方面的研究較多：Shrestha等[10]通過潮濕環境作用下的FRP與混凝土試樣，研究了濕度對界面粘結強度及組成材料耐久性的影響;Dai等[11]考慮高溫環境對FRP與混凝土界面粘結滑移行為的影響，從斷裂力學角度確定了界面斷裂能和脆性系數的雙參數曲線模型;胡克旭等[12]研究了溫度作用下的膠粘劑性能對碳纖維（CFRP）-混凝土界面有效黏結長度的影響，并以膠粘劑玻璃化溫度與試驗溫度的溫差值參數對存在膠體軟化段的界面剪切性能進行修正及預測。然而，加固混凝土結構的耐久性試驗研究都集中于單一環境溫度或濕度，考慮溫濕度耦合作用的試驗研究較少涉及。

試件界面的破壞模式可能表現為鋼板破壞、膠層破壞、界面表層混凝土破壞。圖6（a）為室溫環境下的破壞形態，鋼板表面粘有一層骨料混凝土，破壞發生在表層混凝土;對比圖6（b）濕熱老化后的試件，可看見混凝土表面灰色的環氧粘鋼膠，部分混凝土沒有被粘下，試件破壞是膠層內部與表層混凝土的綜合表現，說明濕熱環境對粘結樹脂產生了腐蝕，粘結樹脂強度降低，濕熱老化作用對界面粘結性能有不利影響。若在界面粘結剪切應力達到膠層抗剪強度前，鋼板達到其極限拉應變，則會發生鋼板被拉斷的破壞，但鋼板強度較大，不同的濕熱老化環境和環境作用時間下，并未出現鋼板被拉斷的現象。因此，鋼板-混凝土試件界面的破壞模式與濕熱老化條件和膠層的抗剪強度有關，與鋼板強度、混凝土性能、環境作用時間沒有明顯的相關性。

2.2 剪切粘結強度

由于25℃試件組所處環境對膠體的后固化作用[13]，未完全固化的膠體隨溫度升高而加速固化，這對界面粘結強度的有利影響大于濕熱老化的不利因素，故相比于室溫S組試件，A1、B1組的粘結強度有所提升。但是，膠體和混凝土具有不同的熱膨脹系數，隨著腐蝕時間延長，吸水老化后的膠體會在界面產生應力，濕熱劣化因子對界面的影響逐漸占主導，引起界面粘結力退化，10天、15天濕熱作用的B2、B3組粘結強度有明顯下降;從60℃試件組來看，高溫高濕狀態下的C1、D1組試件，粘結強度相比于A1、B1組下降更為顯著，說明實際環境中的溫度、濕度不利因素，兩者耦合作用下的影響比單一不利因素更大，隨著劣化時間增加，這種濕熱老化更為明顯，15天濕熱處理的D3組試件粘結強度較室溫S組試件下降最大，達到9.32%。

另一方面，分別對比腐蝕5天的試驗組A1和B1、C1和D1，僅在濕度變化下，粘結強度較室溫組試件分別提高了7.49%和7.16%，降低了7.12%、8.19%，但兩組對比都變化不大。這意味著濕度的改變對界面粘結強度的影響不敏感;但是，60℃濕熱作用下的C1、D1組粘結強度較25℃作用的A1、B1組分別下降更多，說明隨著溫度的上升，粘結強度下降凸顯，溫度劣化對界面的粘結強度的影響更為敏感且大于25℃環境的后固化作用。同時，10天、15天腐蝕的D2、D3組試件在高溫高濕條件下，環境中大量的水分子熱作用加速，進入鋼板與混凝土粘結界面的微小孔隙，擴散進入樹脂后與環氧樹脂大分子相結合，產生新的關聯而引起大分子溶脹，使樹脂材料變脆[14]，宏觀力學性能表現在極限荷載下降顯著，導致粘鋼界面粘結性能的退化，直接影響粘鋼加固結構的效果，這也進一步說明高溫高濕環境耦合作用加速了界面剪切粘結強度的下降，本文從試件的宏觀力學行為證明了這一點。

2.3 局部剪應力

圖7示出了不同荷載水平下，試件各個應變測點間鋼板與混凝土粘結面上局部平均剪應力隨荷載變化的曲線。從圖中可以看出：1）同一荷載等級下，剪應力主要分布在加載端45mm范圍內，遠離加載端的剪應力偏小，呈現指數遞減的趨勢;2）隨著荷載等級增加，膠層約束了鋼板與混凝土間的相對位移并將荷載傳遞給鋼板，距加載端45mm范圍內的剪應力增加迅速，距加載端越遠，膠層傳遞作用越弱，鋼板傳力區域即鋼板量測到的應變向兩端延伸;3）外荷載40kN作用下，相比于室溫組試件，60℃/95%RH高溫高濕環境處理15天的D3組試件在加固端45mm、45～80mm、80～115mm范圍內的局部平均剪應力變化較大，分別從3.302MPa、1.624MPa、1.457MPa變為2.707MPa、1.925MPa、1.471MPa，說明高溫高濕耦合作用下，界面從加載端向自由端的剪力傳遞更顯著。

從總體上看，試件加載端45mm內主要承受外部荷載，濕熱作用使得加載端45～115mm范圍內的局部剪應力增長加快，剪應力的傳遞路徑更快向自由端發展，并且在高溫高濕環境作用下，靠近加載端的界面承擔剪應力作用變小，較早出現損傷，進而導致粘鋼界面的抗剪性能退化。

2.4 相對位移

圖8為試件加載全過程中實測的荷載F與混凝土塊相對位移x的關系曲線圖，F-x曲線的斜率體現粘鋼界面抵抗滑移變形的能力。加載初期，界面的變形隨著荷載的增加而呈現線性變化;當荷載達到40kN以后，粘結界面開始出現損傷，位移呈現非線性的增長，剛度減弱;加載至極限荷載，界面剝離破壞。

通過千分表量測得到兩個混凝土試塊之間相對位移，不能精確地作為鋼板-混凝土界面總的滑移量，卻可以看出不同工況下的劣化規律。從圖中可以看出：1）處于高溫高濕狀態60℃/95%RH條件下的D1組試件的F-x曲線斜率最大，即相同荷載下，鋼板與混凝土結合面產生更大的位移，剛度變小，這是粘鋼界面粘結性能退化的體現;2）D1組試件的極限荷載較其他工況試件最小，卻在更小的極限荷載作用下，產生更大的極限位移，試件更易變形，說明高溫高濕環境下，界面層受到的濕熱腐蝕比其他組更嚴重;3）將60℃工況的高溫高濕C1、D1組與25℃的常溫高濕A1、B1組對比，C1、D1組的F-x曲線斜率更大，極限荷載更小，界面抵抗變形能力更弱，這是因為隨著濕熱劣化程度加深，在高溫高濕耦合腐蝕下，相對位移更快地發展，粘鋼界面的粘結性能退化更為嚴重。

3 粘結滑移模型

3.1 單線性的粘結-滑移模型

通過面內雙剪試驗測得鋼板-混凝土界面剪切粘結強度，鋼板厚度很小，可以認為鋼板內的拉應力均勻分布，即鋼板表面應變可以代表鋼板內的拉伸應變。同時，考慮鋼板和膠層為線彈性材料，鋼板很薄，忽略抗彎剛度，僅考慮界面剪力傳遞作用[16]。圖7為鋼板微元體的靜力平衡條件，推導出公式（3）來計算鋼板與混凝土界面某點i處的粘結剪應力：

界面某點i的滑移量si是該點處鋼板的滑移量與混凝土、環氧粘鋼膠結合面的滑移量的差值。已有研究表明鋼板截斷處的相對滑移為0[1、17]，基于濕熱老化試件的破壞模式是界面表層混凝土與膠層的綜合表現，忽略界面較遠處混凝土的剪切變形，界面膠層作為連接媒介，其粘結強度較鋼板抗拉強度很小，忽略鋼板變形。通過鋼板上的應變（環氧粘鋼膠界面結合層在混凝土塊受拉后的總變形），從鋼板自由端向加載端，按公式（4）數值積分得到界面某點i處粘結滑移：

按式（3）、（4）計算不同荷載等級下粘結界面的滑移和粘結剪應力，得到粘結剪應力-滑移關系曲線，圖10為兩個室溫組試件的粘結-滑移曲線，其擬合參數的R2為0.98，SSE非常接近0。從圖中看出，試驗數據均勻分布在擬合直線附近，隨著滑移量的增加，粘結剪應力呈現明顯的線性特征，貼合相對位移的發展規律。當粘結應力達到最大值時，試件直接剝離破壞，鋼板上量測不到應變，滑移量為0，這不同于FRP加固時軟化段破壞的下降段。

3.2 濕熱環境粘結-滑移本構模型

從圖中看出，不同試驗工況的溫度、濕度代入模型后，數值模擬結果與試驗數據吻合良好，表明該本構模型能夠正確描述濕熱環境影響下界面的抗剪受力行為。在圖13（b）、（d）中，B、D組10天、15天的粘結-滑移曲線大致符合模型規律，卻具有更小的斜率，即相同剪應力作用下，10天、15作用的試件具有更大的位移，說明濕熱作用時間對粘結界面的強度有影響，本文模型能準確描述不同濕熱耦合環境的影響，但不能精確考慮濕熱作用時間因素。同時，在鋼板剝離發生脆性破壞時存在很強的離散性，隨著濕熱環境作用時間的持續，混凝土材料的變形及測試中夾具滑移使試驗離散性增強，部分試驗數據存在跳躍。

4 結論

1）鋼板與混凝土界面的破壞模式為表層混凝土與膠層的綜合表現，界面達到粘結強度后直接剝離破壞，受濕熱作用影響，與結構膠性能有關。

2）溫度劣化對鋼板-混凝土界面粘結強度的影響敏感，而高溫高濕耦合作用會加速界面粘結性能的退化，粘結強度較室溫組試件最大降低9.32%;隨著濕熱老化天數延長，粘結性能進一步劣化。

3）高溫高濕狀態對鋼板-混凝土界面粘結性能有較大不利影響，其實質是界面粘結膠層在濕熱老化過程中性能退化，使剪應力從加載端更快向自由端發展，粘結剛度下降，對界面耐久性損傷加劇。

4）本文提出粘鋼加固界面在濕熱耦合作用下的粘結-滑移本構模型，該模型與試驗結果吻合較好，可為實際加固工程應用和相應規范編制提供參考。

參考文獻

[1]? 吳甜宇. 濕熱環境下粘鋼加固混凝土結構界面力學性能研究[D]. 重慶：重慶交通大學，2016.? ?WU T Y. Mechanical properties study of bonding interface between steel and concrete under wet-thermal condition[D]. Chongqing： Chongqing Jiaotong University， 2016. （In Chinese）.

[2]? Zhang P， Wu G， Zhu H， et al. Mechanical Performance of the Wet-Bond Interface between FRP Plates and Cast-in-Place Concrete[J]. Journal of Composites for Construction， 2014， 18（6）：1-9.

[2] ZHANG P， WU G， ZHU H， et al. Mechanical performance of the wet-bond interface between FRP plates and cast-in-place concrete[J]. Journal of Composites for Construction， 2014， 18（6）： 04014016.? [LinkOut]

[3] 黃培彥， 周昊， 鄭小紅， 等. 濕熱環境下FRP加固RC構件耐久性實驗方法研究[J]. 實驗力學， 2011， 26（5）： 603-610.HUANG P Y， ZHOU H， ZHENG X H， et al. On the experimental method for durability measurement of RC members strengthened with FRP served in hot and humid environments[J]. Journal of Experimental Mechanics， 2011， 26（5）： 603-610.（in Chinese）

[4] 楊勇新， 岳清瑞， 彭福明， 等. 碳纖維布加固鋼結構的黏結性能研究[J]. 土木工程學報， 2006， 39（10）： 1-5，18.YANG Y X， YUE Q R， PENG F M， et al. Study on the bond behavior of CFRP sheets to steel[J]. China Civil Engineering Journal， 2006， 39（10）： 1-5，18.（in Chinese）

[5] 林于東， 宗周紅， 陳宏磊. 粘鋼加固混凝土梁受剪性能試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2011， 32（8）： 90-98.LIN Y D， ZONG Z H， CHEN H L. Experimental study on shear performance of concrete beams strengthened with steel plates[J]. Journal of Building Structures， 2011， 32（8）： 90-98.（in Chinese）

[6] REN W， SNEED L H， GAI Y T， et al. Test results and nonlinear analysis of RC T-beams strengthened by bonded steel plates[J]. International Journal of Concrete Structures and Materials， 2015， 9（2）： 133-143.

[7] 劉廷濱， 趙建昌， 張家瑋， 等. 粘鋼加固RC梁非線性分析方法[J]. 中國鐵道科學， 2017， 38（4）： 47-54.LIU T B， ZHAO J C， ZHANG J W， et al. Nonlinear analysis method for RC beam strengthened with bonded steel[J]. China Railway Science， 2017， 38（4）： 47-54.（in Chinese）

[8] 鮑安紅. 粘貼加固混凝土梁的剝離研究[D]. 重慶： 重慶大學， 2005.BAO A H. The study for the desquamation of affixed reinforced RC beam[D]. Chongqing： Chongqing University， 2005.（in Chinese）

[9]? 盧亦焱，胡玲，李杉，et al. Experimental study and analysis on fatigue stiffness of RC beams strengthened with CFRP and steel plate[J]. 中南大學學報（英文版）， 2016， 23（3）：701-707.

[10] SHRESTHA J， UEDA T， ZHANG D W. Durability of FRP concrete bonds and its constituent properties under the influence of moisture conditions[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2015， 27（2）： A4014009.

[11] DAI J G， GAO W Y， TENG J G. Bond-slip model for FRP laminates externally bonded to concrete at elevated temperature[J]. Journal of Composites for Construction， 2013， 17（2）： 217-228.

[12] 胡克旭， 董坤， 楊耀武. 溫度作用對碳纖維一混凝土界面黏結性能的影響[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2016， 44（6）： 845-852.HU K X， DONG K， YANG Y W. Temperature effect on bond behavior of carbon fiber reinforced polymer to concrete interface[J]. Journal of Tongji University（Natural Science）， 2016， 44（6）： 845-852.（in Chinese）

[13] 李杉. 環境與荷載共同作用下FRP加固混凝土耐久性[D]. 大連： 大連理工大學， 2009.LI S. Durability of concrete strengthened with FRP under environmental and loading conditions[D]. Dalian： Dalian University of Technology， 2009.（in Chinese）

[14] 張暉，陽建紅，李海斌，等.濕熱老化環境對環氧樹脂性能影響研究[J]. 兵器材料科學與工程，2010， 33（03）： 41-43.ZHANG H， YANG J H， LI H B， et al. Effects of hydrothermal aging on properties of epoxy resin[J]. Ordnance Material Science and Engineering， 2010， 33（03）： 41-43. （In Chinese）.

[15] 呂西林. 建筑結構加固設計[M]. 北京： 科學出版社， 2001

[16] 鄭小紅. 濕熱環境下CFL-混凝土界面粘結—滑移機理研究[D]. 廣州： 華南理工大學， 2014.ZHENG X H. Study on the bond-slip mechanism of CFL-concrete interface under hot-wet environment[D]. Guangzhou： South China University of Technology， 2014.（in Chinese）

[17] BISCAIA H C， CHASTRE C， SILVA M A G. Nonlinear numerical analysis of the debonding failure process of FRP-to-concrete interfaces[J]. Composites Part B Engineering， 2013， 50（7）：210-223.

[18] 郭樟根， 孫偉民， 曹雙寅， 等. FRP與混凝土界面黏結-滑移本構關系的試驗研究[J]. 土木工程學報， 2007， 40（3）： 1-5.GUO Z G， SUN W M， CAO S Y， et al. Experimental study on bond-slip behavior between FRP and concrete[J]. China Civil Engineering Journal， 2007， 40（3）： 1-5.（in Chinese）

[19] CERONI F， IANNICIELLO M， PECCE M. Bond behavior of FRP carbon plates externally bonded over steel and concrete elements： Experimental outcomes and numerical investigations[J]. Composites Part B： Engineering， 2016， 92： 434-446.

（編輯：胡玲）