碳纖維布加固腐蝕鋼材力學性能試驗研究

龔美琦，張春濤，2，王汝恒

（1.西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010；2.工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室，四川 綿陽 621010）

鋼材在工程結構中應用廣泛，但在長期的腐蝕環境和使用荷載的雙重作用下，容易產生裂紋、缺陷、腐蝕等問題［1-4］。碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）具有輕質高強、耐久性能良好、可設計性強和加工方便等優點，可用來對鋼材進行修復［5-8］。

近年來，學者分別通過試驗和數值模擬研究了CFRP對鋼材的裂紋、缺陷的修復作用。張寧等［9］以半圓孔模擬缺陷鋼構件進行拉伸試驗，結果表明粘貼CFRP可明顯提高鋼結構的屈服荷載，但不能明顯提高鋼構件的極限荷載。Colombi等［10］通過試驗研究了CFRP板對開孔鋼板的修復加固作用。鄭云等［11］采用有限元模型對裂紋前緣的應力強度因子進行了計算，結合CFRP加固含裂紋鋼板的試驗結果，驗證了加固前后損傷鋼板的剩余疲勞壽命。張術寬［12］采用理論推導、數值分析與實驗相結合的方法對CFRP加固含缺陷鋼結構的粘結界面及表面裂紋局部的破壞機理進行力學分析，結果表明：CFRP對帶細長淺裂紋狀缺陷的鋼結構的加固效果較好。姜豐等［13］對CFRP加固后的開孔鋼板進行單軸拉伸試驗，發現開孔導致了應力集中，但孔口塑性區的擴展，沒有導致極限荷載下的名義應力降低。張彤彤［14］研究了腐蝕環境對膠黏劑性能的影響以及鹽霧環境下粘貼復合材料防止鋼構件腐蝕的作用，發現CFRP可隔絕惡劣環境對鋼結構的影響，有效防止鋼結構的腐蝕。霍君華等［15-16］用工字鋼下翼緣部分寬度模擬鋼梁局部腐蝕程度，開展CFRP布加固腐蝕鋼梁受彎性能的研究。但鋼材發生腐蝕時，各點的微觀腐蝕速率并不相同，就必然導致鋼材表面產生孔洞和裂紋［17］。現有對CFRP加固腐蝕鋼材的研究文獻較少，且大多沒有考慮到腐蝕后鋼材界面受力變化特征。

本文采用CFRP對H2SO4溶液腐蝕后的Q235鋼材加固，進行力學性能試驗，分析CFRP對腐蝕鋼材的加固效果，探索腐蝕后鋼材與CFRP的界面受力情況。

1 試驗材料與方案

1.1 試件準備

試驗所用鋼材為Q235鋼，試件采用機加工方式制備，原始標距為85 mm，總長度為265 mm，平行長度的原始截面尺寸為20 mm×6 mm，各項參數依據《金屬材料拉伸試驗拉伸第一部分：室溫測試方法》（GB／T 228.1—2010）確定，試件尺寸及形狀如圖1所示。

圖1 試件示意圖

用砂輪機將試件表面打磨平整，在粘貼部位（鋼板中間長度為85 mm的矩形部位）沿橫向打磨出紋路，以增強CFRP與鋼材的粘結性能。打磨完成后用丙酮清洗鋼板表面，除去表面油污。

將試件分為3組，每組4個試件，全部浸入1 mol／L H2SO4溶液中，分別放置24、48、96 h。達到預定時間后，取出試件，依次進行清水沖洗、毛刷擦拭、丙酮脫脂、干燥稱重，試件的質量分別變化31、39、45 g。腐蝕處理步驟均按照《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》（GB 10124—88）要求進行。

1.2 CFRP加固模式

試驗所用纖維增強材料為四川興達建筑有限公司生產的UCP-300型CFRP，材料性能參數如表1所示；粘接劑是上海灄口有限公司生產的SKO碳纖維浸漬膠，材料性能參數如表2所示。將粘接劑均勻涂刷在試件表面，并沿纖維受力方向粘貼CFRP，擠出氣泡，使CFRP與試件表面緊密粘貼。為保證粘結劑的充分滲浸，放置30 min，在此期間及時處理浮起、錯位等現象。然后，在CFRP表面涂刷一層粘結劑，養護72 h。粘貼兩、三層CFRP時重復以上工序。

表1 CFRP性能指標

表2 SKO碳纖維浸漬膠性能指標

1.3 力學性能試驗方案

本試驗共制作16個試件，未腐蝕試件及腐蝕量分別為31、39、45 g的試件各4個。在工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室的MTS萬能試驗機上進行單軸拉伸試驗，為防止構件與夾具在拉伸過程中發生相對滑移，在構件端部兩邊安置加強片。試驗采用位移加載的方式，加載速率為0.5 mm／min，連續加載直至試件破壞，得到試件力和位移關系曲線，記錄試件的承載力變化及試件破壞形式。

2 試驗結果

2.1 破壞形態

試件的破壞形態與CFRP層數密切相關，與腐蝕量關系不大。當未粘貼CFRP時，試件中部被拉斷，斷面與截面大致呈30°夾角。當粘貼一層或兩層CFRP時，CFRP大部分與試件剝離后，試件在中間部位斷裂。當粘貼3層CFRP時，CFRP層間剝離破壞，CFRP局部拉斷，最后試件中間部位斷裂，試驗現象與文獻［18］一致。當試件腐蝕后，表面會生成微小孔洞和裂縫，CFRP與鋼構件之間的膠層易產生氣泡和空鼓，兩者之間的共同受力性能減弱，隨著試件的張拉，孔洞和裂縫沿截面發展，膠結層從界面脫開，導致構件失效。

2.2 腐蝕對鋼材承載力的影響

表3給出了試件腐蝕后的承載力分布情況。由表3可知，隨著腐蝕量的增大，屈服荷載僅略微減小，極限荷載先明顯減小。當腐蝕量為31、39、45 g時，屈服荷載較原始試件分別減少2、8、20 kN，極限荷載則分別減小10、55、69 kN。腐蝕后，試件有效截面減損，并形成一些腐蝕孔洞和微裂縫，引起應力集中，導致承載力的下降［19］。腐蝕量越大，腐蝕孔洞和微裂縫越多，試件的承載力下降越快。

表3 不同腐蝕量試件的承載力

2.3 CFRP對鋼材承載力的影響

圖2給出了試件的荷載隨腐蝕量和CFRP層數的分布情況。由圖2可知，隨著CFRP層數的增多，屈服荷載和極限荷載均有一定程度的增大，且屈服荷載增大更多；隨著腐蝕量的增大，屈服荷載和極限荷載均有一定程度的減小，未腐蝕試件與腐蝕量為31 g試件的極限荷載相近，腐蝕量為39 g或45 g試件的極限荷載相近。在試驗中，試件到達屈服點之前，CFRP與鋼板共同工作，CFRP分擔部分荷載，延遲了鋼板的屈服，提高了試件的屈服荷載。當試件到達屈服點后，應變急劇增加，CFRP逐漸發生剝離和破壞，所分擔荷載減小，故對極限荷載的提高效果不明顯。與文獻［20］描述的“當CFRP兩端未進行錨固時，由于CFRP端部角點處界面存在嚴重的應力集中，試件接近屈服荷載時，就會出現剝離的情況”相一致。

圖2 試件在不同層數纖維布下的承載力

對圖2中數據進行承載力提高量化分析，可得圖3。由圖3可知，屈服荷載的提高率明顯大于極限荷載的提高率，不同腐蝕率下的屈服荷載提高率基本一致，且略小于原始試件，粘貼一、二、三層CFRP，對應極限荷載的提高率分別位10%、20%、45%左右；不同腐蝕率下的極限荷載提高率基本一致，粘貼一、二、三層CFRP，對應屈服荷載的提高率分別位1%、5%、11%左右。

圖3 試件在不同纖維布下的承載力提高比例

2.4 應力-應變曲線

對試件的荷載-位移數據進行處理，得到不同試件的真實應力-應變曲線，見圖4。試件的變形可分為兩部分：彈性變形階段和塑性變形階段。當腐蝕量相同時，粘貼不同層數的CFRP，彈性變形初始階段與塑性變形末尾階段大致重合，CFRP層數越多，進入塑性變形階段所對應的應力越大，特別是當粘貼兩、三層CFRP時，應力-應變曲線達到一個“峰值”后急劇減小并逐漸與粘貼零、一層CFRP時的應力-應變曲線相重合。結合試驗現象，達到“峰值”時，CFRP發生剝離破壞，并迅速脫落。

圖4 試件的應力-應變曲線

圖5給出了不同腐蝕量試件粘貼相同層數CFRP后的典型應力-應變曲線。由圖5可知，腐蝕量為0和31 g的試件的應力-應變曲線、腐蝕量為39 g或45 g試件的應力-應變曲線大致重合，這與圖3中的荷載值變化規律基本一致。腐蝕量越大，試件表面產生的孔洞越多，最大孔徑及深度越大，進入塑性變形階段后，發生相同應變所需的應力越小；試件破壞的塑性變形越小。由圖4、圖5可知，在彈性變形階段，當粘貼CFRP層數變化與鋼板腐蝕量變化時，應力-應變曲線的斜率基本重合，可以認為CFRP層數和腐蝕量不影響試件的彈性模量。

圖5 不同腐蝕量試件的典型應力-應變曲線

3 界面應力分析

CFRP與鋼板之間的界面存在粘結剪應力，憑此可以完成CFRP與鋼板之間的應力傳遞。粘結剪應力主要分布在CFRP端部一定范圍內，超過范圍則基本為零［20-21］。定義從FRP端部開始，當FRP中的拉力達到其承擔負荷的98%時所對應的長度Leff稱為FRP的有效粘結長度，τ（x）為x點的界面剪應力，參照文獻［19-20］中分析，有：

式中：Es為鋼板的彈性模量，206 GPa；Ep為CFRP的彈性模量，227.6 GPa；P為鋼板所受的拉伸荷載；ts為鋼板厚度，6 mm；tp為CFRP厚度，0.16 mm；ta為浸漬膠厚度，0.5 mm；lp為CFRP中心距端點距離，42.5 mm；Gs為鋼板的剪切模量，79.4 GPa；Ga、Gp分別為浸漬膠和CFRP的剪切模量，由于CFRP之間的粘結主要通過膠層實現，可認為CFRP的剪切模量與浸漬膠的相同［22］。膠層可認為是各向同性材料，則其剪切模量可以用G＝E／2（1+v）來求得。取浸漬膠的泊松比為0.35，求得Gp＝Ga＝996 MPa。

鋼板腐蝕后，假設表面孔洞及裂紋中不存在任何銹蝕及雜質，且粘貼CFRP時全部填充浸漬膠，不考慮殘余空氣的因素。那么2種情況對界面應力有影響：①鋼板厚度ts隨腐蝕量增大而減小；②鋼板表面產生裂紋和孔洞，粘貼CFRP時，浸漬膠的實際厚度ta隨腐蝕量增大而增大。

以粘貼一層CFRP為例進行分析：假設只存在第①種情況，不考慮鋼板腐蝕后產生的裂紋，且腐蝕量由鋼板均勻分攤，ts隨腐蝕量增大而減小。對λ求ts的偏導數，得：

代入數據，可求得

當鋼板厚度ts由6 mm逐步減小時隨著ts的減小，λ有所增大，Leff隨之減小，τ（x）減小。

假設只存在第②種情況，鋼板腐蝕后產生裂紋，ts實質上未發生變化，產生裂紋后，浸漬膠的實際厚度ta增大，其他參數不變。對ta求偏導得，

在實際情況中，第①、②種情況都存在，腐蝕之后，鋼板厚度降低導致界面應力減小；浸漬膠厚度增大，導致界面應力增大。但從試驗結果來看，最終的界面應力及對應的界面剝應力增大，可初步推測鋼板腐蝕產生的裂縫和孔洞對界面應力的影響更大。

4 結論

1）試件腐蝕后，極限荷載和屈服荷載有所減小。在相同腐蝕量下，極限荷載比屈服荷載下降得更快；腐蝕量越大，試件斷裂時的塑性變形越小，當腐蝕量足夠大時，試件受力后可能發生脆性破壞。粘貼CFRP層數越多，進入塑性變形階段越晚，進入塑性變形階段后的應力越大。

2）試件的破壞形態與CFRP層數密切相關，與腐蝕量關系不大。當未粘貼CFRP時，鋼板中部被拉斷。當粘貼一層或兩層CFRP時，CFRP大部分與鋼板剝離后，鋼板在中間部位斷裂。當粘貼三層CFRP時，CFRP層間剝離破壞，CFRP局部拉斷。CFRP的剝離基本都是由端部開始，對端部進行錨固，有可能增加CFRP的加固效果。

3）隨著CFRP層數的增多，屈服荷載和極限荷載均有一定程度的增大。不同腐蝕量下的屈服荷載與極限荷載提高率基本一致，粘貼一、二、三層CFRP，極限荷載的提高率分別為10%、20%、45%；明顯大于屈服荷載的提高率1%、5%、11%。

4）鋼材腐蝕后，表面會產生微小孔洞及裂紋，在CFRP加固工藝及參數不變的情況下，表面孔洞和裂紋越少，CFRP對鋼材的加固效果越好。