表層嵌貼碳纖維板混凝土試件疲勞性能研究

張建仁，張智偉，彭暉，丑佳璇

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410111)

由于車輛荷載反復作用及車輛超載現象，不少橋梁結構已嚴重損傷，急需維修加固。碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer，簡稱為CFRP)具有抗拉強度高、質量輕、耐腐蝕等性能[1]，應用于橋梁維修加固時，既不增加原有結構質量且施工簡便快捷，也不影響正常交通通行。CFRP 加固形式主要有表面粘貼和表層嵌貼，而表層嵌貼(near surface mounted CFRP，簡稱為NSM CFRP)加固的主要優勢：①嵌貼槽為CFRP 材料，直接提供錨固作用，便于預應力的引入；②CFRP 材料與混凝土可達到三至四面黏結，能提升CFRP 的利用率和加固效率；③CFRP 板受保護于嵌貼槽中，可減小車輛荷載意外撞擊、摩擦損傷的影響，也可減弱火災、高溫對板條性能的損傷[2?3]。但該方式尚未成熟，在橋梁維修加固中未得到廣泛應用。為了NSM CFRP 更好地應用于橋梁加固，需要研究CFRP?混凝土界面的靜力和疲勞性能。目前，已有NSM CFRP 板?混凝土界面靜力性能的研究成果[4?7]。在其疲勞性能研究中，Cheng[6?7]等人對NSM CFRP 板?混凝土界面疲勞性能進行了試驗，不同荷載幅值和疲勞循環次數下，研究了2 種不同類型CFRP 材料(環砂涂層CFRP 棒和矩形CFRP 板條)嵌貼加固混凝土，試件CFRP?混凝土界面疲勞性能，總結了試驗滯回曲線規律，發現最大疲勞應力水平在50%以下時，黏結界面不會發生破壞。目前，對NSM CFRP 板?混凝土界面疲勞性能尚未形成統一認識。因此，作者擬設計不同荷載幅值和黏結長度的試件進行黏結界面疲勞性能試驗，研究這2 個因素對界面疲勞性能的影響。

1 試驗研究

1.1 試件設計

本試驗采用C40 混凝土，棱柱體試塊設計尺寸為300 mm×200 mm×220 mm。澆筑試件時，預留的槽尺寸為15 mm×30 mm，且位于頂面中心。根據《普通混凝土力學性能試驗方法(GB50081—2002)》的要求，在標準條件下，測出試驗混凝土C40 標準立方體抗壓強度，得到混凝土標準抗壓強度為37.35 MPa。CFRP 板采用Dextra 公司提供的ASTEC CT124?2 型矩形截面板條，截面尺寸為16 mm×2 mm，出廠測試抗拉強度為2 561.1 MPa，彈性模量為140.2 MPa，極限延伸率為1.96%。試驗過程中，CFRP 板上布置的應變片在循環疲勞荷載作用下容易損壞，故采用雙層疊合的CFRP 碳板，即兩碳板將應變片夾在中間。采用環氧樹脂黏結兩碳板，最終碳板截面尺寸為16 mm×6 mm。

試件槽內黏結劑采用Sikadur-30 環氧樹脂膠，測出該材料的抗拉強度為32.62 MPa，伸長率為37.35%，彈性模量為2.63 GPa，雙組分配合比為3∶1，實驗室養護7 d 可達到其標準強度。280 mm環氧樹脂膠黏結長度標準試件如圖1 所示。

圖1 標準試件(單位：mm)Fig.1 Standard specimen (unit: mm)

1.2 變量及測試內容

通過靜力試驗，兩同批次全黏結長度試件的承載極限值為74 kN，參照該數值設計疲勞荷載幅上限值，疲勞試驗應力比取0.2。試驗中，荷載幅值分別設計為32%,36%,40%，黏結長度分別設計為280,240,200 mm，采用控制變量法，不同荷載幅值試件的黏結長度均為280 mm，不同黏結長度試件荷載幅值均為40%。試件具體設計參數見表1。試驗主要采集CFRP 板測點應變值，對于黏結長度為280 mm 的標準CFRP 板嵌貼混凝土試件，共設計8個應變測點，相鄰測點間距為40 mm，測點沿加載端往自由端依次編號，布置如圖2 所示。

表1 疲勞試驗變量設計表Table 1 Parameters of the fatigue experiment

1.3 靜載試驗

疲勞試驗前，設計NSM CFRP 板試件通過靜載試驗測出其極限承載力值。根據這一數值按照設計荷載幅值大小和應力比，計算疲勞試驗荷載上、下峰值，靜載試驗裝置圖如圖3 所示。試驗采用分級加載方式，通過力傳感器來控制，每級荷載2 kN，持荷3 min，測點應變趨于穩定，進行下一級加載。最終測出2 個試件的極限承載力分別為73.4,74.6 kN，試件極限承載力值取這2 個數值的平均值為74 kN。

1.4 疲勞試驗

采用PFTS400?2.0 型電液脈動疲勞試驗系統進行加載試驗，如圖4 所示，加載頻率設計為3 Hz。試驗分為2 個階段：①預加載階段，對試驗零點進行標定后，對試件加載(每級1～2 kN)至設計上下荷載幅值的平均值。再逐漸增加荷載幅值(每級1～2 kN)，調整至試驗值。然后，開始試驗，對疲勞壽命進行計數，同時記錄試驗測點應變。②疲勞試驗階段，試件設置應變測點，對疲勞試驗過程中的應變進行采集，試驗疲勞壽命設置為2×106次。若疲勞試驗未加載到2×106次即破壞，則疲勞壽命為試件破壞時疲勞循環次數。若疲勞試驗加載至2×106次仍未破壞，則取試驗試件壽命為全壽命2×106次，并對試件進行靜載試驗，直至其破壞。

圖2 應變測點布置(單位：mm)Fig.2 Layout of strain measuring points (unit: mm)

圖3 靜載試驗裝置Fig.3 Diagram of static load experiment device

圖4 疲勞試驗裝置Fig.4 The device of fatigue experiment

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果及疲勞壽命

所有試件的應變分布規律為：疲勞加載初期，加載端測點應變不斷增大，在較短時間內發生破壞；疲勞加載中后期，各測點應變平穩上升，并自加載端至自由端逐一破壞。表明：CFRP 板?混凝土界面會從加載端開始逐漸剝離，剝離發展速度由快變慢。LA32、LA36 與LA40-L280 加載至2×106次時，仍未破壞。而L240 與L200 分別加載至1 313 244 和1 253 655 次時，即發生板條?樹脂界面剝離破壞，其破壞引起了自由端區域2～3 個應變測點同時剝離，破壞瞬間，試件發出劇烈響聲。

2.2 CFRP 板應變分布

CFRP?混凝土界面在試驗過程中，由加載端至自由端逐漸退化，板條測點應變分布會隨著界面的退化而不斷變化，因此這一數值能較好反映界面退化過程。峰值荷載下，各測點不同疲勞次數應變的應變分布圖如圖5 所示。

圖5 峰值荷載下各測點不同疲勞循環次數的應變分布圖Fig.5 Strain distribution of each gauging point at the different fatigue cycle under the maximum load

從圖5 中可以看出，疲勞試驗初期，板條應變主要集中在加載端區域，而板條黏結中段和自由端區域應變較小，該區域分擔荷載較少。疲勞試驗中期，板條應力傳遞區域不斷擴展，已有部分加載端區域段板條完全剝離，該區域部分測點應變已無法測出，此時板條應變主要集中于黏結中段區域，部分自由端區域板條也開始分擔荷載，該階段測點應變較為穩定。疲勞試驗末期，板條應力傳遞區域繼續擴展至黏結中段和自由端區域段，該區域板條應變數值相對較大且保持穩定，但加載端區域和板條黏結中段部分區域已完全剝離，測點應變無數據。

試驗加載初期，板條的傳力區域主要在加載端，附近黏結段測點的應變較大，而自由端區域測點應變值趨近于0，該黏結段承擔荷載較少，這一階段屬于加載初期快速傳力階段。試件經一定疲勞荷載后，端部開裂受損，黏結界面剝離，退出承載。傳力區域向自由端擴展，荷載主要由剩余黏結段承擔，CFRP 板?混凝土界面均勻緩慢剝離，該階段屬于界面穩定傳力階段，界面疲勞壽命主要由這一階段決定。此時，若剩余黏結段能夠較好地抵抗疲勞荷載，試件可能達到設計疲勞次數。板條黏結界面剝離至自由端附近時，傳力區域擴展至該黏結段。當剩余黏結段難以抵抗疲勞荷載時，傳力區域擴展迅速，發生脆性剝離破壞，該階段屬于界面失穩傳力階段。對于能夠達到設計疲勞次數的試件，一般僅有快速傳力階段和界面穩定傳力階段，如：LA32、LA36 和LA40-L280 試件。而對未能達到設計疲勞次數的試件，存在完整的3 個階段，如：L240 和L200 試件。

為分析荷載幅值對試件應變分布的影響，比較不同荷載幅值在同一疲勞循環次數下試件測點應變分布，取N=2×104和N=2×105時刻，如圖6 所示。從圖6 可以看出，荷載幅值逐漸增加，同一測點應變增加，界面損傷程度越大。

為分析黏結長度對試件應變分布影響，取N=2×104和N=2×105時刻，比較不同黏結長度同一疲勞循環次數試件測點應變分布如圖7 所示，以及試件CFRP 板?混凝土黏結界面平均應力大小，見表2。由表2 可知，在同一疲勞循環次數時，黏結長度的增加，試件黏結界面平均應力不斷減小，表明界面損傷程度也越小。

圖6 不同荷載幅值試件測點應變分布Fig.6 Strain distribution of specimen under different load amplitudes

圖7 不同黏結長度試件測點應變分布Fig.7 Strain distribution of specimen with different bond length

表2 不同黏結長度試件黏結界面平均應力Table 2 The average stress of bonded interface of specimens with different bonded length

2.3 界面疲勞滯回性能分析

本試驗黏結長度為280,240,200 mm 試件的應變測點數分別為8,6,5 個。通過采集測點的應變數據，應用數值微分法，計算相鄰測點的中點的黏結剪應力值，該點的滑移值由區段應變函數微段積分式(1)，(2)計算[8]。

式中：Ef為CFRP 板彈性模量；bf和tf分別為疊合CFRP 板的寬度和厚度；εi+1、εi分別為CFRP 板對應的縱向應變；xi+1、xi分別為對應的坐標位置，xi較xi+1更靠近自由端；Sf為CFRP 板條自由端的滑移值。

將相關數據代入式(1)，(2)，計算出相鄰測點的中點在一個疲勞循環次數內不同時刻的應力，將這些應力組成一個疲勞循環次數的滯回曲線，再取多個疲勞循環次數應力滯回曲線疲勞滯回曲線圖。試件的相鄰測點選取不同，會得到不同的滯回曲線。距加載端14 cm 處，板條界面位于280 mm 黏結長度(標準試件)的中間界面，試件在全壽命范圍內，該界面應力均能計算出，且數值相對較為穩定，具有代表性，因此選取該界面對界面疲勞滯回性能進行分析。

2.3.1 不同荷載幅值時界面疲勞滯回性能

圖8 不同荷載幅值試件疲勞滯回曲線對比Fig.8 The hysteresis curve of specimens with different load amplitudes

對試件4,5 號應變測點數據進行處理，獲得不同荷載幅值LA32、LA36、LA40-L280 試件的界面滑移?應力滯回曲線，如圖8 所示。一般界面的靜力試驗滑移?黏結應力曲線有彈性階段、軟化剝離階段、持續剝離階段和完全剝離階段[9]。從圖8 可以看出，試件界面疲勞滯回曲線與靜力試驗滑移?應力曲線相似。LA36 和LA40-L280 試件距加載端14 cm 處，界面均未達到設計疲勞次數。LA36 試件界面剝離發生在16×105～20×105次疲勞加載段。LA40-L280 試件界面剝離發生在8×105～16×105次疲勞加載段，界面滑移?黏結應力滯回曲線均有完整的彈性階段、軟化剝離階段、持續剝離階段和完全剝離階段。而LA32 試件加載至設計疲勞次數時，界面滑移?黏結應力滯回曲線還未到完全剝離階段，只有彈性階段、軟化剝離階段和持續剝離階段，說明界面尚有一定承載能力。

從圖8 還可以看出，循環周期內的界面滑移應力變化范圍隨著疲勞循環次數的增加，不斷增大。這是因為界面隨著試驗進行，逐漸損傷，不斷退化，界面滑移和應力變化效應越來越大。在微觀層面上，界面裂縫也會隨疲勞次數的增加，不斷萌生和發展。并且荷載幅值的增大，界面損傷程度與裂縫擴展速率也不斷增大。

根據圖8 中各荷載幅值的疲勞滑移?黏結應力滯回曲線，可計算出疲勞試驗峰值荷載下界面應力峰值，LA32、LA36 和LA40-L280 試件疲勞試驗上峰荷載下界面最大應力分別為7,8,12 MPa，下峰荷載下界面最小應力分別為4,5,8 MPa。表明：荷載幅值由32%增加至40%過程中，疲勞試驗峰值荷載下應力峰值不斷增加。

2.3.2 不同黏結長度時界面疲勞滯回性能

對試件4,5 號應變測點數據進行處理，獲得不同黏結長度LA40-L280、L240 和L200 試件的界面滑移?界面應力滯回曲線，如圖9 所示。3 個試件距加載端14 cm 處，界面均達到設計疲勞次數。LA40-L280 試件界面剝離發生在12×105～16×105次疲勞加載階段，而L240、L200 試件界面剝離發生在12×105～16×105次疲勞加載階段。界面滑移?黏結應力滯回曲線均有完整的彈性階段、軟化剝離階段、持續剝離階段和完全剝離階段。界面完全剝離后，瞬間喪失承載能力。

從圖9 可以看出，疲勞循環次數越多，循環周期內的界面滑移與應力變化范圍越大，與不同荷載幅值的試件表現出相同規律。根據圖9 中數據計算出疲勞試驗峰值荷載下界面應力峰值，LA40?L280、L240 和L200 試件疲勞試驗上峰荷載下最大應力分別為13,12,12 MPa，下峰荷載下最小界面應力分別9.0,8.5,7.5 MPa。表明：黏結長度由200 mm增加到280 mm 過程中，疲勞試驗峰值荷載下應力峰值逐漸增加。因此，試驗試件疲勞壽命內，其黏結界面應力保持較小值，可滿足實際工程安全性的需求。

2.4 界面耗散能分析

圖9 不同黏結長度試件疲勞滯回曲線對比Fig.9 The hysteresis curve of specimens with different length

一個疲勞循環加載周期，能夠得到一個滑移?黏結應力滯回環，滯回環面積為板條黏結界面耗散能。該數值能反映出界面的塑性變形能力，同時，也是損傷變量之一[10]。為便于分析，橫坐標取界面疲勞壽命n 的常用對數lgn，分別選取距加載端10,14,18 cm 處界面，計算界面耗散能值，結果如圖10 所示。從圖10 中可以看出，疲勞試驗初期，界面耗散能可保持較小的不變值，距加載端最近的10 cm 處，耗散能比距加載端14,18 cm 界面處的大。而距加載端14,18 cm 處的界面耗散能接近0，這和疲勞試驗初期的主要傳力區域在加載端有關，但該階段界面耗散能數值較為穩定。在疲勞壽命中后期，試件疲勞受損區域不斷擴大，各界面耗散能均不斷增加。距加載端10,14 cm 處，界面耗散能可達到峰值，但峰值后界面耗散能曲線無規律變化。由于距加載端18 cm 處的界面距加載端相對較遠，該界面在疲勞荷載下受損傷較小，因此其界面耗散能一直保持較小值。

圖10 疲勞壽命?界面耗散能關系Fig.10 Relationship of the fatigue lifespan and interfacial dissipation energy

根據疲勞壽命?界面耗散能關系曲線圖，如圖10 所示。荷載幅值不同的LA32、LA36 與LA40-L280 的3 個試件，距加載端14 cm 處界面，荷載幅值越增加，最大耗散能值越大。對于不同黏結長度的LA40-L280、L240 和L200 試件，距加載端14 cm處的界面，黏結長度越增加，最大耗散能值越大。表明：荷載幅值與黏結長度均能影響界面最大耗散能值。

3 結論

不同荷載幅值和黏結長度的5 個NSM CFRP板條加固試件后，進行直接拉拔疲勞試驗，分析2個因素影響下的CFRP?混凝土界面應變分布、界面疲勞性能和耗散能性能，得出的結論為：

1) 荷載幅值與黏結長度均影響黏結界面疲勞性能。同一疲勞循環次數時，試件荷載幅值由32%增加到40%，同一測點應變逐漸增加，界面損傷程度增大；黏結長度由200 mm 增加到280 mm 時，試件黏結界面平均應力不斷減小，界面損傷程度不斷減小。

2) LA32、LA36、LA40-L280 試件均能達到2×106次的設計疲勞次數，界面剝離過程僅有快速傳力階段和界面穩定傳力階段。L200 和L240 試件未能達到設計疲勞次數，界面剝離過程有完整的快速傳力階段、穩定傳力階段和失穩傳力階段。

3) 距加載端14 cm 處板條界面的疲勞滯回性能與靜力試驗滑移?黏結應力曲線相似，均存在彈性階段、軟化剝離階段、持續剝離階段和完全剝離階段。在該試驗荷載幅值和黏結長度下，試件全壽命內黏結界面應力相對較小，能夠滿足實際工程安全性的需求。

4) 試件在距加載端14 cm 處的界面，其荷載幅值以32%增加到40%時，界面最大耗散能值逐漸增大；黏結長度從200 mm 增加到280 mm 時，界面最大耗散能值也增大。