吳智深

(東南大學(xué)城市工程科學(xué)技術(shù)研究院,南京 211100)

外貼碳纖維布加固技術(shù)是利用膠黏劑(常用環(huán)氧樹(shù)脂)將碳纖維布現(xiàn)場(chǎng)浸漬并粘貼至加固混凝土結(jié)構(gòu)表面,以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種高性能加固技術(shù),具有適用范圍廣、承載力提升大、施工工期短以及耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)。該加固方法經(jīng)過(guò)20 世紀(jì)90年代初的早期研究,于1995 年日本阪神大地震后開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用,在受災(zāi)橋梁等各類建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)以及既有結(jié)構(gòu)性能提升中發(fā)揮了極大作用[1]。1996 年,結(jié)合試驗(yàn)研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),日本土木工程學(xué)會(huì)(JSCE)發(fā)布了第一本碳纖維加固設(shè)計(jì)施工指南[2]。隨后歐美國(guó)家、澳大利亞以及我國(guó)都陸續(xù)發(fā)布了相關(guān)的設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)和指南[3-6]。該加固技術(shù)在規(guī)范發(fā)布后發(fā)展迅速,由于對(duì)結(jié)構(gòu)性能提升顯著且施工便捷,逐漸成為國(guó)際主流的加固技術(shù)之一。二十多年來(lái),我國(guó)大量工程結(jié)構(gòu)的加固中也廣泛采用了外貼碳纖維布加固技術(shù)[1,7]。

我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50367—2013)規(guī)定,當(dāng)加固材料中含有合成樹(shù)脂或其他聚合物成分時(shí),結(jié)構(gòu)加固后使用年限宜按30 年考慮[8]。然而隨著外貼碳纖維布加固技術(shù)的不斷實(shí)踐,在工程中依然發(fā)現(xiàn)少數(shù)加固年限較短(5～10年)的橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)外貼的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂或剝離等質(zhì)量問(wèn)題,遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)范規(guī)定的加固后設(shè)計(jì)使用年限要求。因此,本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外既有研究成果對(duì)部分工程中出現(xiàn)的CFRP 加固的早期失效原因進(jìn)行梳理分析,探討避免“短命”問(wèn)題的相關(guān)對(duì)策和減緩加固系統(tǒng)服役期性能退化的相關(guān)措施,并給出進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)加固系統(tǒng)長(zhǎng)壽命的方法,為相關(guān)工程結(jié)構(gòu)加固實(shí)踐提供依據(jù)與參考。

1 外貼碳纖維布加固結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)施工工藝

工程實(shí)踐中外貼碳纖維布加固結(jié)構(gòu)主要包含抗彎加固、抗剪加固、抗震加固以及混凝土抗剝落等基本形式,外貼碳纖維布加固結(jié)構(gòu)基本形式如圖1 所示。不論何種加固形式,為保證外貼碳纖維布的良好加固效果,除了依據(jù)相關(guān)加固設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行合理設(shè)計(jì)之外,其加固施工工藝必須滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范關(guān)于外貼碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)施工工藝的規(guī)定基本上比較類似[4,6],主要包含6 個(gè)步驟:①清理混凝土基層,將被粘貼的混凝土表面打磨平整,并除去表層浮漿和油污等雜質(zhì),直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面;②配制并涂刷底層樹(shù)脂(底膠),并采用滾筒刷將配制好的底層樹(shù)脂均勻涂刷于原結(jié)構(gòu)表面;③配制找平材料并對(duì)不平整處進(jìn)行找平處理,對(duì)原結(jié)構(gòu)表面凹陷部位應(yīng)采用找平材料填補(bǔ)平整,不應(yīng)有棱角;④采用滾筒刷將配制好的浸漬樹(shù)脂均勻涂刷于粘貼部位;⑤將纖維布輕壓貼于需粘貼的位置,應(yīng)采用專用的滾子順纖維方向多次滾壓,并應(yīng)擠除氣泡,滾壓時(shí)不得損傷纖維布;⑥所有纖維布粘貼完成后,進(jìn)行表面防護(hù)處理。

需要注意的是,若步驟①～步驟③處理不當(dāng),則易造成后來(lái)粘貼的碳纖維布剝離或形成空鼓,而若步驟④～步驟⑤未達(dá)到要求,則會(huì)極大降低碳纖維布與浸漬樹(shù)脂固化形成的CFRP 強(qiáng)度。顯然,各步驟對(duì)加固效果都有重要影響,需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

2 外貼碳纖維布加固系統(tǒng)“短命”問(wèn)題分析與對(duì)策

目前國(guó)內(nèi)外加固工程實(shí)踐中,前述標(biāo)準(zhǔn)施工工藝在實(shí)際操作中往往都存在一定缺陷,導(dǎo)致加固效果不盡如人意,部分橋梁加固結(jié)構(gòu)僅服役5～10 年就出現(xiàn)CFRP 局部斷裂或剝落等“短命”情況,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全,某高速公路橋梁外貼碳纖維布加固工程如圖2 所示。由于外貼碳纖維布加固技術(shù)通過(guò)在混凝土結(jié)構(gòu)表面粘貼碳纖維布以改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),因此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有效加固的關(guān)鍵在于碳纖維布與現(xiàn)場(chǎng)浸漬樹(shù)脂形成的CFRP 所達(dá)到的強(qiáng)度以及CFRP -混凝土界面的可靠黏結(jié)。若不滿足上述條件,加固系統(tǒng)則可能出現(xiàn)“短命”問(wèn)題,以下分別對(duì)影響CFRP 強(qiáng)度及其與混凝土界面黏結(jié)性能的因素進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)對(duì)策。

2.1 CFRP 強(qiáng)度影響因素

CFRP 片材由碳纖維布與浸漬樹(shù)脂復(fù)合而成,因此CFRP 的力學(xué)性能主要受碳纖維布與樹(shù)脂質(zhì)量及其浸漬與固化程度影響。通常CFRP 需要在工廠通過(guò)碳纖維和樹(shù)脂復(fù)合成型的嚴(yán)格規(guī)范加工過(guò)程制造而成。若工程中采用的碳纖維布或樹(shù)脂不滿足設(shè)計(jì)要求,則必然嚴(yán)重影響CFRP 的強(qiáng)度及黏結(jié)性能,導(dǎo)致加固系統(tǒng)出現(xiàn)“短命”問(wèn)題。同時(shí)即使碳纖維和樹(shù)脂兩種材料均滿足設(shè)計(jì)要求,CFRP 的強(qiáng)度也未必達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,這主要是受下列因素影響。

2.1.1 樹(shù)脂浸漬程度

CFRP 受到拉伸荷載作用時(shí),荷載主要由增強(qiáng)纖維承擔(dān),而樹(shù)脂基體起纖維整合和傳遞應(yīng)力的作用,樹(shù)脂含量對(duì)CFRP 受力性能的影響如圖3 所示。

當(dāng)沒(méi)有足夠的浸漬樹(shù)脂浸透纖維時(shí),將造成纖維貧膠且在CFRP 中產(chǎn)生空隙,纖維浸漬效果對(duì)比如圖3(a)所示。這種情況下纖維整體性差,纖維之間的應(yīng)力無(wú)法被有效傳遞,荷載作用下CFRP 橫截面存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而削弱了復(fù)合材料的整體拉伸強(qiáng)度。CFRP 拉伸強(qiáng)度隨浸漬樹(shù)脂含量的變化[9]如圖3(b)所示,只有當(dāng)CFRP 中浸漬樹(shù)脂含量達(dá)到某一值時(shí),碳纖維的高強(qiáng)性能才得以發(fā)揮。作者研究團(tuán)隊(duì)曾開(kāi)展10 m 長(zhǎng)碳纖維布的張拉性能試驗(yàn)[10],結(jié)果表明未浸漬樹(shù)脂的碳纖維布其張拉強(qiáng)度僅為浸漬樹(shù)脂后CFRP 片材的40%左右,而通過(guò)間隔浸漬樹(shù)脂等手段可顯著提高碳纖維布的張拉強(qiáng)度,從而提升預(yù)應(yīng)力碳纖維布的張拉性能。因此,在加固施工時(shí)應(yīng)注意保證纖維布的有效浸漬,以有效保障加固質(zhì)量。

2.1.2 浸漬樹(shù)脂黏度

浸漬樹(shù)脂是粘貼纖維布的主要黏結(jié)材料,其作用是使碳纖維絲之間以及與混凝土之間充分黏結(jié),起共同承受結(jié)構(gòu)的作用,浸漬樹(shù)脂主要性能指標(biāo)[4]如表1 所示[6]。浸漬樹(shù)脂不僅要具備良好的力學(xué)性能,還應(yīng)具有良好的工藝性能,即混合后黏度。若浸漬樹(shù)脂黏度過(guò)小,可能從纖維布中析出,而浸漬樹(shù)脂黏度過(guò)大,則不利于對(duì)纖維布的浸透且易夾帶氣泡,因此浸漬樹(shù)脂應(yīng)具有合適的黏度。值得注意的是,浸漬樹(shù)脂黏度受環(huán)境溫度影響大,冬季施工時(shí)低溫下浸漬樹(shù)脂的黏度與表面張力增大[11]。浸漬樹(shù)脂黏度對(duì)CFRP 拉伸強(qiáng)度的影響[12]如圖4 所示,高黏度的浸漬樹(shù)脂流動(dòng)性差,不利于對(duì)纖維的浸潤(rùn),因此與碳纖維布復(fù)合后形成的CFRP 強(qiáng)度較低[12]。

表1 浸漬樹(shù)脂主要性能指標(biāo)

2.1.3 纖維彎曲

碳纖維布在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)樹(shù)脂浸漬并粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面,在形成的CFRP 中易出現(xiàn)纖維彎曲的現(xiàn)象。纖維彎曲會(huì)導(dǎo)致纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)在受力過(guò)程中纖維束之間受力不均勻,導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低并出現(xiàn)較大離散性,因此碳纖維外貼施工過(guò)程中需要一定的預(yù)張力。此外,纖維彎曲還是導(dǎo)致長(zhǎng)期荷載作用下FRP 產(chǎn)生較大蠕變變形的主要原因,當(dāng)采用預(yù)張拉對(duì)纖維調(diào)直后可顯著降低FRP 材料的蠕變率[13],纖維彎曲對(duì)FRP 力學(xué)性能的影響如圖5 所示。

以上分析表明,如果能夠在施工階段保證纖維平順,避免彎曲,將有效保證纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的短長(zhǎng)期力學(xué)性能。因此,外貼碳纖維布施工過(guò)程中導(dǎo)入一定的預(yù)張力是進(jìn)行施工質(zhì)量保障的有效方法。

2.1.4 尺寸效應(yīng)

隨長(zhǎng)度、寬度及厚度的增加,CFRP 性能將出現(xiàn)一定程度的下降,即出現(xiàn)尺寸效應(yīng)。長(zhǎng)度方向的尺寸效應(yīng)由纖維沿縱向的不均勻性和氣泡等缺陷造成,且這種不均勻性和缺陷隨著長(zhǎng)度的增加,呈現(xiàn)比例增大的趨勢(shì),從而造成CFRP 的強(qiáng)度下降。研究表明,受尺寸效應(yīng)影響,自由長(zhǎng)度為2 m 的CFRP試件的拉伸強(qiáng)度僅為通常材性試件(長(zhǎng)度為200 mm)的80%[14]。作者研究團(tuán)隊(duì)的研究表明,10 m 長(zhǎng)碳纖維布的拉伸強(qiáng)度僅為材性試件的40%左右[15]。除了長(zhǎng)度方面即纖維方向的尺寸效應(yīng),CFRP 在寬度方向上也存在尺寸效應(yīng)。寬度對(duì)CFRP 拉伸性能的影響如圖6 所示,隨著寬度的增加,CFRP 強(qiáng)度有所降低[14]。此外,CFRP 厚度增加也將增加服役過(guò)程中發(fā)生沿復(fù)合材料厚度方向?qū)訝钏毫鸦驅(qū)娱g剝離破壞的可能性,降低加固效果。因此,應(yīng)用規(guī)范要求采用粘貼纖維布加固修復(fù)板、殼、墻與筒體結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)選擇多密布的方式進(jìn)行粘貼,而不得使用未經(jīng)裁剪成條的整幅織物滿貼,一定程度上降低寬度方向的尺寸效應(yīng)對(duì)纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響,并控制纖維布的粘貼層數(shù)。

2.2 CFRP-混凝土界面黏結(jié)影響因素

現(xiàn)場(chǎng)樹(shù)脂浸漬固化形成的CFRP 片材與混凝土表面之間的可靠黏結(jié)是保證加固結(jié)構(gòu)性能的另一關(guān)鍵因素。若結(jié)構(gòu)加固后CFRP 片材與混凝土界面黏結(jié)性能未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,則加固系統(tǒng)將出現(xiàn)界面剝離等“短命”問(wèn)題。一般而言,CFRP 與混凝土界面的黏結(jié)性能主要受以下現(xiàn)場(chǎng)施工工序影響。

2.2.1 黏結(jié)面表面處理

結(jié)構(gòu)加固前應(yīng)清除黏結(jié)面表層浮漿與油污等雜質(zhì),直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。通過(guò)開(kāi)展CFRP-混凝土單剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)黏結(jié)面進(jìn)行處理后試件破壞時(shí)混凝土骨料拔出,而未進(jìn)行表面處理的的試件僅表面砂漿層剝離。混凝土黏結(jié)面處理對(duì)黏結(jié)性能的影響如圖7 所示。

由圖7 中CFRP-混凝土單剪試驗(yàn)的荷載滑移曲線可知,與未進(jìn)行表面處理的試件相比,進(jìn)行過(guò)表面處理的試件的界面黏結(jié)荷載提高了約20%[15]。因此,粘貼面表面處理能有效增強(qiáng)CFRP與混凝土的黏結(jié)性能。

2.2.2 黏結(jié)樹(shù)脂剛度

目前市場(chǎng)上適用于外貼碳纖維布的環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)劑種類較多,不同黏結(jié)樹(shù)脂性能差異較大。作者研究團(tuán)隊(duì)曾采用不同剛度的黏結(jié)樹(shù)脂對(duì)CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試[16],發(fā)現(xiàn)在市場(chǎng)上常見(jiàn)的樹(shù)脂種類中,黏結(jié)樹(shù)脂越柔軟(彈性模量低),界面黏結(jié)強(qiáng)度與延性越高,對(duì)常規(guī)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行增韌處理可有效提升界面黏結(jié)性能,黏結(jié)樹(shù)脂剛度對(duì)界面性能的影響如圖8 所示。但黏結(jié)樹(shù)脂也不是越柔軟越好,太柔軟的樹(shù)脂往往拉伸強(qiáng)度較低,在較大荷載下容易造成樹(shù)脂層內(nèi)破壞,削弱界面黏結(jié)強(qiáng)度。因此,在選用外貼碳纖維布的黏結(jié)樹(shù)脂時(shí)應(yīng)在保證樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度的前提下,盡量選用柔軟的樹(shù)脂,也可在常規(guī)樹(shù)脂的基礎(chǔ)上進(jìn)行增韌處理。

2.2.3 涂刷底膠

底膠是一種低黏度和高浸潤(rùn)性材料,既可以滲透到混凝土內(nèi)部強(qiáng)化薄弱表面層,還能與上層找平膠之間形成化學(xué)鍵來(lái)輔助粘貼。CFRP 與混凝土試塊的正拉黏結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)現(xiàn)象顯示,當(dāng)混凝土表面涂底膠、試件破壞時(shí)混凝土骨料被拔出,CFRP-混凝土界面表現(xiàn)出較大的正拉黏結(jié)強(qiáng)度;未涂底膠、試件破壞時(shí)混凝土表面沒(méi)有骨料拔出,界面的正拉黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較小[17]。底膠對(duì)CFRP-混凝土界面剪應(yīng)力和界面斷裂能的影響如圖9 所示,通過(guò)單剪試驗(yàn)對(duì)底涂作用進(jìn)一步研究[18],發(fā)現(xiàn)涂刷底膠后CFRP-混凝土界面的剪應(yīng)力為10.9 MPa,而未涂底膠的界面剪應(yīng)力僅為5.6 MPa,界面剪應(yīng)力如圖9(a)所示。因此,在待加固結(jié)構(gòu)表面均勻涂刷一層低黏度與高浸潤(rùn)性的底膠,能有效強(qiáng)化混凝土表面,提高CFRP 與混凝土界面的黏結(jié)性能。此外需要注意的是,單位面積內(nèi)底膠用量對(duì)界面黏結(jié)影響很大[19],界面斷裂能如圖9(b)所示,只有底膠達(dá)到一定用量時(shí),才能有效提升界面斷裂能,改善CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能。

2.2.4 涂刷找平膠

未涂刷找平膠的結(jié)構(gòu)黏結(jié)面可能存在局部凹陷或凸起,混凝土表面缺陷的影響如圖10 所示?；炷两Y(jié)構(gòu)變形時(shí),凹陷處的CFRP 將受到轉(zhuǎn)向力[18],表面凹陷處局部剝離如圖10(a)所示。在該轉(zhuǎn)向力作用下,凹陷處的CFRP-混凝土界面由于較高的正拉應(yīng)力易發(fā)生剝離,從而導(dǎo)致加固系統(tǒng)局部失效。而當(dāng)結(jié)構(gòu)黏結(jié)面存在凸起時(shí),該區(qū)域的CFRP 將受到擠壓力作用,表面凸起處局部擠壓破壞如圖10(b)所示。對(duì)于承受動(dòng)荷載作用的橋面板或主梁,凸起處的擠壓力會(huì)不斷沖擊CFRP,從而在材料中產(chǎn)生垂直于材料表面的應(yīng)力波,應(yīng)力波會(huì)轉(zhuǎn)化成層間應(yīng)力,引起材料內(nèi)部損傷,從而產(chǎn)生層間裂紋。隨樹(shù)脂基體裂紋的擴(kuò)展,大部分纖維被拔出或斷裂,導(dǎo)致CFRP 破斷。

2.2.5 局部浸漬樹(shù)脂聚集

對(duì)于不存在凹陷或凸起的平整混凝土表面,加固系統(tǒng)依然可能發(fā)生如圖10 所示的破壞,這是由于混凝土表面浸漬樹(shù)脂未均勻涂刷或碳纖維布粘貼后多方向滾壓,可能導(dǎo)致局部浸漬樹(shù)脂聚集成團(tuán),浸漬樹(shù)脂聚集引起局部擠壓破壞如圖11 所示。這種情況下CFRP 依然存在彎曲,當(dāng)結(jié)構(gòu)受到動(dòng)荷載不斷沖擊時(shí),聚集的樹(shù)脂團(tuán)會(huì)擠壓CFRP,致使CFRP 內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。

2.3 避免“短命”問(wèn)題的相關(guān)對(duì)策

上述分析表明,當(dāng)加固設(shè)計(jì)合理且所用加固材料質(zhì)量合格時(shí),加固系統(tǒng)仍然可能出現(xiàn)“短命”問(wèn)題,這主要與CFRP 未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度以及CFRP 與混凝土界面未形成可靠黏結(jié)有關(guān)。為避免這兩種情況出現(xiàn),本文結(jié)合前述分析及規(guī)范條款,提出以下對(duì)策,需要予以特別關(guān)注。

2.3.1 CFRP 強(qiáng)度測(cè)試及碳纖維布預(yù)張力控制

為確保CFRP 強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,施工前應(yīng)對(duì)碳纖維布與浸漬樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)合并測(cè)試,以確定CFRP 達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)單位面積碳纖維布需要的浸漬樹(shù)脂用量。施工時(shí),根據(jù)所裁剪的單片碳纖維布的面積計(jì)算浸漬樹(shù)脂用量,并將其均勻涂覆于纖維布表面。若浸漬樹(shù)脂滴落,需要進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)膠。此外,每次配制的浸漬樹(shù)脂須在短時(shí)間內(nèi)用完,這是由于浸漬樹(shù)脂長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)其黏度將會(huì)增大,從而影響碳纖維布的浸潤(rùn)效果。前文分析表明,纖維彎曲將顯著影響CFRP 的短長(zhǎng)期受力性能。在碳纖維布外貼施工時(shí),可通過(guò)夾具裝置對(duì)碳纖維布施加一定預(yù)張力來(lái)消除纖維彎曲的影響,提高CFRP 的強(qiáng)度。

2.3.2 CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能測(cè)試

為確保加固后CFRP 與混凝土界面能夠形成有效黏結(jié),加固施工前,宜按標(biāo)準(zhǔn)施工工藝在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行碳纖維布試粘貼。達(dá)到養(yǎng)護(hù)期后,采用現(xiàn)場(chǎng)黏結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)方法對(duì)CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能進(jìn)行測(cè)試[6],現(xiàn)場(chǎng)黏結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)方法如圖12 所示,測(cè)試具體步驟為:①清理被測(cè)部位表面的污漬并保持干燥;②從加固表面向混凝土基體內(nèi)部切割預(yù)切縫,切入混凝土深度為2～3 mm,寬度為1～2 mm,預(yù)切縫為直徑40 mm 的圓形;③采用取樣黏結(jié)劑粘貼直徑為40 mm 的圓形鋼標(biāo)準(zhǔn)塊與CFRP,其中取樣黏結(jié)劑的正拉黏結(jié)強(qiáng)度應(yīng)大于CFRP 浸漬樹(shù)脂的正拉黏結(jié)強(qiáng)度。若滿足發(fā)生混凝土內(nèi)聚破壞或正拉黏結(jié)強(qiáng)度不小于2.5 MPa,表明所用施工工藝可以使CFRP 與混凝土形成有效黏結(jié)。加固施工結(jié)束后,仍須采用該測(cè)試方法對(duì)CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能進(jìn)行隨機(jī)取樣抽查。其中,500 m2以下的加固工程取一組試樣,每組3 個(gè)試樣;500～1 000 m2的加固工程取兩組試樣;1 000 m2以上的加固工程每1 000 m2取兩組試樣。

需要說(shuō)明的是,在結(jié)構(gòu)表面粘貼碳纖維布前,應(yīng)涂刷找平膠平整黏結(jié)面,以避免結(jié)構(gòu)黏結(jié)面局部凹陷或凸起引起的CFRP 剝離或斷裂。目前對(duì)于外貼碳纖維布加固工程,我國(guó)規(guī)范僅要求粘貼面平整,但沒(méi)有提出平整的具體指標(biāo)。而國(guó)際FRP 加固技術(shù)報(bào)告Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures[3]中對(duì)此做了詳細(xì)規(guī)定,即當(dāng)黏結(jié)長(zhǎng)度為0.3 m 時(shí),黏結(jié)面深度變化應(yīng)小于2 mm;而黏結(jié)長(zhǎng)度為2 m 時(shí),黏結(jié)面深度變化應(yīng)小于4 mm;其余黏結(jié)長(zhǎng)度時(shí)黏結(jié)面深度變化可按插值計(jì)算。

2.3.3 施工過(guò)程中的樹(shù)脂浸漬質(zhì)量把控

在施工過(guò)程中有效把控樹(shù)脂浸漬質(zhì)量可保證CFRP 的設(shè)計(jì)強(qiáng)度及其混凝土黏結(jié)性能。根據(jù)我國(guó)規(guī)范規(guī)定的施工工藝[6],在粘貼碳纖維布之前應(yīng)采用滾筒刷將配制好的浸漬樹(shù)脂均勻涂刷于粘貼部位,再將纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置,應(yīng)采用專用的滾子順纖維方向多次滾壓,并應(yīng)擠除氣泡,滾壓時(shí)不得損傷纖維布。需多層粘貼碳纖維布時(shí),應(yīng)重復(fù)上述步驟,并應(yīng)在纖維表面的浸漬樹(shù)脂指觸干燥后盡快進(jìn)行下一層粘貼。

3 外貼碳纖維布加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常使用影響因素與保障措施

當(dāng)碳纖維布與浸漬樹(shù)脂共同形成的CFRP 達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,且CFRP 與混凝土界面具有可靠黏結(jié)時(shí),加固系統(tǒng)一般不會(huì)出現(xiàn)“短命”問(wèn)題。但是,加固系統(tǒng)長(zhǎng)期服役時(shí)依然存在CFRP 力學(xué)性能和CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能退化的問(wèn)題,若退化程度較大,則將導(dǎo)致加固系統(tǒng)失效。因此,為保障外貼碳纖維布加固系統(tǒng)30～50 年設(shè)計(jì)使用年限還需要一些耐久性設(shè)計(jì)。以下將分別對(duì)引起CFRP 力學(xué)性能和CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能退化的因素進(jìn)行分析,并給出保障加固系統(tǒng)設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常使用的耐久性保障措施。

3.1 CFRP 性能退化影響因素

普通自然環(huán)境作用下,CFRP 性能在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)基本保持穩(wěn)定。但對(duì)于在惡劣環(huán)境中服役的結(jié)構(gòu),外貼于結(jié)構(gòu)表面的CFRP 可能遭受如強(qiáng)紫外線、凍融循環(huán)以及酸堿鹽溶液腐蝕等作用。此外用于橋梁橋面板與主梁等結(jié)構(gòu)加固時(shí),CFRP 還將受到疲勞荷載作用。上述惡劣服役環(huán)境中CFRP 的性能退化已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛探討。

3.1.1 紫外線作用

紫外線長(zhǎng)期照射下,CFRP 的退化表現(xiàn)為表面光澤降低、表層樹(shù)脂剝落,產(chǎn)生微裂紋和氣泡,外層樹(shù)脂損失嚴(yán)重、纖維外露于表層以及片材分層等。但對(duì)于自然環(huán)境下暴露的無(wú)機(jī)纖維復(fù)合材料,紫外線作用主要集中在復(fù)合材料表層,對(duì)材料整體性能影響較小,而水分和溫度的變化會(huì)誘發(fā)性能進(jìn)一步劣化。紫外線與水汽對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸性能影響[20]如圖13 所示。在50 ℃環(huán)境中,經(jīng)紫外線作用500 h 后,CFRP 的拉伸強(qiáng)度基本不變,而在紫外線與水汽耦合作用下,CFRP 的拉伸強(qiáng)度下降了1%～3%。

3.1.2 凍融循環(huán)作用

當(dāng)CFRP 應(yīng)用于寒冷地區(qū)橋梁加固時(shí),長(zhǎng)期凍融循環(huán)作用可能造成樹(shù)脂與纖維的界面上產(chǎn)生往復(fù)交變的溫度應(yīng)力,造成黏結(jié)性能退化。此外,樹(shù)脂基體易于吸收環(huán)境中的水汽,凍融循環(huán)過(guò)程中水的漲縮作用可能降低樹(shù)脂基體及纖維-樹(shù)脂基體的界面性能。研究發(fā)現(xiàn)CFRP 在-17 ±2 ℃～8 ±2 ℃之間凍融循環(huán)200 次后,拉伸強(qiáng)度下降了12%,彈性模量有變大的趨勢(shì),導(dǎo)致材料變脆[21],凍融循環(huán)對(duì)CFRP 力學(xué)性能的影響如圖14 所示。

3.1.3 酸堿鹽作用

目前,酸堿鹽對(duì)CFRP 的影響從纖維、基體和復(fù)合材料3 個(gè)層次展開(kāi)。碳纖維由于具有極為穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu),纖維浸泡在腐蝕環(huán)境下不會(huì)發(fā)生明顯的侵蝕現(xiàn)象。不同腐蝕溶液作用后碳纖維的表面形態(tài)如圖15 所示,由圖15 可知,碳纖維在55 ℃下暴露于4 種溶液66 d 后,除了附著在纖維表面的沉淀物外,未觀察到腐蝕或點(diǎn)蝕,這表明碳纖維對(duì)其接觸的不同腐蝕元素具有很強(qiáng)的抵抗力[22]。對(duì)于樹(shù)脂基體,相關(guān)試驗(yàn)表明酸堿鹽腐蝕溶液作用后樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度下降可達(dá)20%左右。而對(duì)于CFRP 復(fù)合材料,酸堿鹽腐蝕的影響則相對(duì)較小。

3.1.4 疲勞荷載作用

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在疲勞荷載作用下會(huì)發(fā)生基體開(kāi)裂、脫粘、分層和纖維斷裂等損傷,從而導(dǎo)致材料力學(xué)性能逐漸退化,相關(guān)試驗(yàn)表明經(jīng)過(guò)200 萬(wàn)次疲勞荷載作用后,CFRP 的拉伸強(qiáng)度由3 900 MPa下降至3 200 MPa[23]。CFRP 單軸拉伸疲勞的SN曲線如圖16 所示,由圖16 可知,CFRP 具有優(yōu)異的疲勞受力性能,若施工工藝滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求,則CFRP 能夠滿足加固結(jié)構(gòu)中的疲勞受力需求。

3.2 CFRP-混凝土界面性能退化影響因素

在長(zhǎng)期服役過(guò)程中,CFRP-混凝土界面性能退化速度比單純CFRP 性能退化的速度更快。CFRP-混凝土界面性能退化問(wèn)題已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛探討,旨在為加固設(shè)計(jì)提供參考,確保界面黏結(jié)長(zhǎng)期可靠。根據(jù)既有文獻(xiàn)資料,CFRP-混凝土界面性能的退化主要受以下服役環(huán)境因素影響。

3.2.1 凍融循環(huán)作用

凍融循環(huán)對(duì)CFRP-混凝土界面的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:其一,CFRP 與混凝土的熱膨脹系數(shù)差異較大,凍融循環(huán)作用下CFRP 與混凝土的變形差異引起的內(nèi)應(yīng)力將損傷界面;其二,黏結(jié)樹(shù)脂會(huì)吸收環(huán)境中的水汽,水在凍融循環(huán)過(guò)程中的漲縮作用將導(dǎo)致樹(shù)脂出現(xiàn)損傷。因此CFRP-混凝土界面在凍融循環(huán)作用下,界面黏結(jié)性能將逐漸退化。凍融循環(huán)對(duì)界面黏結(jié)性能的影響如圖17 所示,圖17中相關(guān)曲線為FRP-混凝土界面在-17 ℃～ +8 ℃之間凍融循環(huán)0 次、100 次、200 次和300 次后的黏結(jié)滑移曲線[24]。經(jīng)歷300 次凍融循環(huán)后,CFRP-混凝土界面的黏結(jié)應(yīng)力下降了約40%。

3.2.2 海水干濕循環(huán)作用

當(dāng)采用外貼碳纖維布加固處于海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)(如港口與海岸結(jié)構(gòu)),CFRP-混凝土界面通常會(huì)長(zhǎng)期受到海水干濕循環(huán)作用,導(dǎo)致界面黏結(jié)性能退化。目前,對(duì)CFRP-混凝土黏結(jié)界面在海水干濕環(huán)境條件下的長(zhǎng)期耐久性的認(rèn)識(shí)依然有限。試驗(yàn)室中一般通過(guò)鹽溶液干濕循環(huán)模擬海水干濕循環(huán)。干濕循環(huán)對(duì)界面黏結(jié)性能的影響[25]如圖18 所示,表明CFRP-混凝土界面經(jīng)歷0 次、60次、120 次和180 次鹽溶液干濕循環(huán)后界面黏結(jié)荷載的變化情況。經(jīng)歷180 次鹽溶液干濕循環(huán)后,CFRP-混凝土界面的黏結(jié)荷載下降了約30%[25]。

3.2.3 疲勞荷載作用

當(dāng)CFRP-混凝土界面受到疲勞荷載作用時(shí),界面的初始缺陷與新產(chǎn)生的微裂紋將逐漸擴(kuò)展,導(dǎo)致CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能退化[26]。疲勞荷載對(duì)界面黏結(jié)性能的影響如圖19 所示,相關(guān)試驗(yàn)表明[27-28],界面黏結(jié)-滑移曲線剛度將隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而顯著降低,卸載后的殘余滑移量也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)[如圖19(a)所示];隨著疲勞荷載次數(shù)的增加,界面將發(fā)生初始剝離并不斷擴(kuò)展,FRP應(yīng)變分布逐漸向遠(yuǎn)離加載端擴(kuò)展,并且疲勞荷載作用后界面有效黏結(jié)長(zhǎng)度變大[如圖19(b)所示];疲勞荷載下界面的破壞形態(tài)也將發(fā)生顯著改變,由靜力荷載下的混凝土層內(nèi)剝離轉(zhuǎn)變?yōu)闃?shù)脂-混凝土界面層剝離[如圖19(c)所示],表明黏結(jié)樹(shù)脂的力學(xué)性能在疲勞加載的過(guò)程中出現(xiàn)了顯著退化,從而導(dǎo)致界面?zhèn)髁π阅芙档汀?/p>

3.3 保障正常使用的相關(guān)對(duì)策

前述分析表明,惡劣環(huán)境影響下CFRP 力學(xué)性能以及CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能將隨服役時(shí)間的增加而逐漸退化。為保障加固系統(tǒng)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)正常發(fā)揮作用,既有研究與設(shè)計(jì)規(guī)范中提出了以下對(duì)策。

3.3.1 材料與黏結(jié)性能折減

1) CFRP 強(qiáng)度折減

加固設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際服役環(huán)境對(duì)CFRP性能進(jìn)行折減。對(duì)于在惡劣環(huán)境中服役的CFRP,美國(guó)ACI 440.2R 指南建議環(huán)境折減系數(shù)為0.85[4],我國(guó)規(guī)范中環(huán)境折減系數(shù)約為0.83[6]。此外為防止服役期間CFRP 發(fā)生疲勞破壞,ACI 440.2R 指南建議CFRP 的許用應(yīng)力水平為0.55fu(fu為CFRP 的設(shè)計(jì)極限強(qiáng)度)。

2) CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能折減

我國(guó)規(guī)范中采用FRP 進(jìn)行抗彎加固、受彎剝離時(shí)的有效拉應(yīng)變計(jì)算公式如式(1)所示。其中γei為FRP-混凝土界面的環(huán)境影響因素,室內(nèi)環(huán)境取1.0,室外環(huán)境取1.2,對(duì)海洋環(huán)境和侵蝕環(huán)境取1.4[6]。

當(dāng)受到疲勞荷載作用的結(jié)構(gòu)采用外貼碳纖維布加固時(shí),意大利國(guó)家研究委員會(huì)指南CNR 2004[7]建議設(shè)計(jì)時(shí)將FRP-混凝土界面靜力黏結(jié)強(qiáng)度的50%作為疲勞荷載的限值,以防止FRP-混凝土界面疲勞破壞,我國(guó)規(guī)范暫無(wú)相關(guān)規(guī)定。

3.3.2 錨固措施

為避免正常使用條件下CFRP 的剝離破壞,除通過(guò)上述計(jì)算設(shè)計(jì),國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范[2-6]還推薦進(jìn)一步采用纖維布U 形箍、纖維布?jí)簵l、機(jī)械錨具以及纖維錨釘?shù)儒^固措施,國(guó)內(nèi)外規(guī)范中的各類錨固措施如圖20 所示。相關(guān)研究表明,靜力荷載下上述錨固措施能夠提升加固結(jié)構(gòu)中CFRP 的有效應(yīng)變,延緩甚至避免剝離破壞,使加固材料利用率顯著提高。目前關(guān)于疲勞荷載及惡劣環(huán)境下這些錨固措施的效果還有待進(jìn)一步研究。

值得注意的是,相關(guān)研究表明采用機(jī)械錨具等錨固措施時(shí)在高應(yīng)力作用下易存在切口效應(yīng),在錨具安裝施工時(shí)由于錨具剛度較大可能對(duì)碳纖維布造成一定初始損傷,在較大荷載下錨固區(qū)碳纖維布的變形會(huì)受到錨具的限制,導(dǎo)致碳纖維布局部拉應(yīng)力集中,提前發(fā)生斷裂破壞[29]。相比而言,碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的錨固更適宜采用相對(duì)柔性的纖維錨釘錨具[29-31],纖維錨釘是由卷制松散的纖維束制成,其一端插入混凝土預(yù)鉆孔中,另一端則用環(huán)氧樹(shù)脂粘在FRP 的表面,纖維錨釘錨固碳纖維布如圖21 所示。粘貼于FRP 表面的纖維一般分散形成一個(gè)錨扇,可有效減小錨固區(qū)碳纖維布的局部應(yīng)力集中,其錨固效果已被大量試驗(yàn)證實(shí),目前已經(jīng)被納入美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)ACI 440.2R 設(shè)計(jì)指南中[4]。

3.3.3 表面防護(hù)

利用外貼碳纖維布加固的結(jié)構(gòu)在其服役過(guò)程中可能會(huì)遭受環(huán)境侵蝕,因此為延緩加固系統(tǒng)性能退化,CFRP 表面應(yīng)進(jìn)行涂層處理。正常服役環(huán)境下,加固系統(tǒng)通常所需考慮的環(huán)境因素有濕度(水分和鹽分)、堿環(huán)境、溫度作用以及紫外線暴露等。根據(jù)服役環(huán)境,可以選擇不同功能的表面涂層,但常用的表面防護(hù)方法是在CFRP 表面抹水泥砂漿。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可以采用人工涂抹或機(jī)器噴射的方式。因樹(shù)脂完全固化后表面非常光滑,水泥砂漿很難掛住,可以在表層樹(shù)脂沒(méi)有完全固化的時(shí)候,在纖維布表面撒一些細(xì)砂,使其表面有一定的粗糙度。

4 外貼碳纖維布加固系統(tǒng)長(zhǎng)壽命提升方法探討

目前外貼碳纖維布加固的設(shè)計(jì)使用年限為30年,而國(guó)內(nèi)外橋梁設(shè)計(jì)使用年限通常在100 年以上。若要加固系統(tǒng)在橋梁整個(gè)服役期內(nèi)發(fā)揮加固效果,則外貼碳纖維布加固技術(shù)的長(zhǎng)期性能還需要進(jìn)一步提升。如前所述,碳纖維本身是一種較為穩(wěn)定的材料,加固系統(tǒng)性能退化主要是由于浸漬樹(shù)脂老化?；诖?為實(shí)現(xiàn)外貼碳纖維布加固系統(tǒng)長(zhǎng)壽命服役,可采用以下方式對(duì)加固系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 環(huán)氧樹(shù)脂改性

環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈中存在強(qiáng)吸水的羥基,在濕熱環(huán)境中易吸收環(huán)境中的水分。同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂為高分子有機(jī)物,在強(qiáng)紫外線照射環(huán)境下內(nèi)部分子鏈易發(fā)生斷裂。長(zhǎng)期服役于上述環(huán)境中的環(huán)氧樹(shù)脂性能將逐漸劣化,即出現(xiàn)材料老化現(xiàn)象。為減緩環(huán)氧樹(shù)脂老化速度,既有研究對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂做了以下三方面改進(jìn),可有效提升環(huán)氧樹(shù)脂的耐老化性能[32-33]。

4.1.1 抗裂紋擴(kuò)展

通過(guò)對(duì)樹(shù)脂基體進(jìn)行增韌改性處理,可以提高樹(shù)脂的抗裂能力,降低腐蝕溶液在樹(shù)脂中的傳播速率,從而提升樹(shù)脂的長(zhǎng)期耐久性。目前,研究中常用的增韌材料有蒙脫石、SiO2和ZrO2等納米顆粒。納米顆粒加入環(huán)氧樹(shù)脂后,當(dāng)主裂紋尖端在擴(kuò)展過(guò)程中接觸到剛性顆粒時(shí),裂紋會(huì)發(fā)生傾斜或者扭轉(zhuǎn)而偏離原來(lái)的方向,這將導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展路徑變長(zhǎng),且尖端的應(yīng)力被削弱,從而消耗主裂紋上的能量。因此,納米顆粒加入環(huán)氧樹(shù)脂后能有效提高材料內(nèi)部對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗能力,即提升了環(huán)氧樹(shù)脂的韌性。

4.1.2 抗?jié)駸崂匣?/p>

改善環(huán)氧樹(shù)脂抗?jié)駸崂匣阅苤饕袃蓚€(gè)途徑:其一,降低樹(shù)脂內(nèi)部強(qiáng)吸水基團(tuán)的數(shù)量;其二,在樹(shù)脂中添加相物質(zhì)阻擋水分子滲入樹(shù)脂內(nèi)部。然而,環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部的強(qiáng)吸水基團(tuán)使其具有較高的黏結(jié)性能,降低強(qiáng)吸水基團(tuán)數(shù)量將直接影響環(huán)氧樹(shù)脂性能,因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者常采用第二個(gè)途徑。既有研究發(fā)現(xiàn)在環(huán)氧樹(shù)脂中添加層狀硅酸鹽、薄片狀有機(jī)黏土、納米管狀的高嶺土和納米顆粒狀的碳化硅均能不同程度提升樹(shù)脂的抗?jié)駸崂匣阅?且納米顆粒狀的碳化硅提升效果最佳。

4.1.3 抗紫外線老化

為提升環(huán)氧樹(shù)脂的抗紫外線老化性能,既有研究中主要采用以下方法:①在環(huán)氧樹(shù)脂中添加二苯甲酮和苯并三唑類有機(jī)化合物,這些化合物能有效吸收環(huán)境中的紫外線,將高能量的紫外線轉(zhuǎn)換為低能量的熱能或波長(zhǎng)較短的電磁波;②在環(huán)氧樹(shù)脂中添加以2,2,6,6-四甲基哌啶為母體的光穩(wěn)定劑,抑制已經(jīng)形成自由基的聚合物的降解;③在環(huán)氧樹(shù)脂中添加屏蔽劑吸收、反射和散射紫外線,例如ZnO、TiO2、Al3O3、高嶺土、碳化鈣以及滑石粉等,其中ZnO 與TiO2等納米無(wú)機(jī)氧化物紫外線屏蔽性能相對(duì)優(yōu)異。

4.2 CFRP 的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)

外貼碳纖維布加固系統(tǒng)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中,疲勞損傷累積將導(dǎo)致CFRP 性能退化甚至發(fā)生斷裂破壞。通常疲勞試驗(yàn)的測(cè)試終止條件定義為試件破壞或到達(dá)200 萬(wàn)次循環(huán),這是沿用了金屬材料的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),然而FRP 與金屬材料的疲勞退化機(jī)理有很大不同,且在服役過(guò)程中以低應(yīng)力水平為主,服役期疲勞荷載循環(huán)可達(dá)千萬(wàn)次級(jí)別。為此,近年來(lái)作者研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了FRP 片材超長(zhǎng)周期(1 000 萬(wàn)次)疲勞性能及其與腐蝕環(huán)境耦合的疲勞試驗(yàn)[34-35],FRP 超長(zhǎng)周期疲勞性能試驗(yàn)如圖22 所示,研究結(jié)果顯示,在高應(yīng)力水平下纖維斷裂占主導(dǎo)地位,而基體開(kāi)裂和界面脫粘則是低/中疲勞應(yīng)力水平下FRP 的主要破壞模式[如圖22(a)所示],腐蝕環(huán)境耦合作用進(jìn)一步加劇了FRP 的疲勞損傷,通過(guò)對(duì)浸漬樹(shù)脂進(jìn)行增韌改性處理可有效提升FRP 在超長(zhǎng)周期循環(huán)荷載下的疲勞受力性能[如圖22(b)所示],可實(shí)現(xiàn)CFRP 的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)。

4.3 預(yù)浸漬FRP 筋布體系

為解決外貼碳纖維布在加固施工中易存在的黏結(jié)界面空鼓和空洞等缺陷問(wèn)題,有研究者提出采用預(yù)浸漬樹(shù)脂的FRP 筋布加固體系[36-37],預(yù)浸漬FRP 筋布加固體系如圖23 所示。

FRP 筋布是由含浸硬化的FRP 筋通過(guò)橫向緯線聯(lián)系形成的一種特殊FRP 片材,沿FRP 筋方向具有較高的抗拉強(qiáng)度,FRP 筋布構(gòu)造如圖23(a)所示。由于FRP 筋之間存在的間距空隙,加固時(shí)不必完全浸漬黏結(jié)材也可大大減少空鼓、孔洞和氣泡的產(chǎn)生,有效避免粘貼不均勻、施工氣泡等因素導(dǎo)致的界面黏結(jié)失效等問(wèn)題。試驗(yàn)研究表明[36-38],相比傳統(tǒng)的外貼纖維布與碳纖維板加固手段,同等加固量下FRP 筋布加固梁具有更高的承載能力和更好的位移延性,界面黏結(jié)性能更好,加固混凝土梁的受力性能如圖23(b)所示。該加固體系能夠有效避免施工中易于出現(xiàn)的纖維布浸漬與黏結(jié)缺陷,配合前述錨固與表面防護(hù)等措施將有效保證加固系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命使用需求。

4.4 薄面FRP 網(wǎng)格黏結(jié)加固體系

針對(duì)外貼碳纖維布在施工中易存在缺陷及嚴(yán)酷環(huán)境下環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)性能退化較大的問(wèn)題,近年來(lái)作者研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了薄面FRP 網(wǎng)格黏結(jié)加固體系[39],通過(guò)涂抹或噴射高性能無(wú)機(jī)黏結(jié)材料(如聚合物砂漿等)將FRP 網(wǎng)格與既有結(jié)構(gòu)形成整體,施工便捷,界面質(zhì)量易于保證。黏結(jié)用的薄面無(wú)機(jī)黏結(jié)材料具有優(yōu)異的耐久性,可有效保障嚴(yán)酷環(huán)境下FRP 網(wǎng)格加固體系的長(zhǎng)壽命。薄面FRP 網(wǎng)格黏結(jié)加固體系如圖24 所示,FRP 網(wǎng)格是將連續(xù)纖維與浸潤(rùn)樹(shù)脂按一定工藝生產(chǎn)制作的連續(xù)網(wǎng)格狀復(fù)合材料制品[如圖24(a)所示],其無(wú)浸潤(rùn)性問(wèn)題,拉伸強(qiáng)度高,硬質(zhì)的縱橫向網(wǎng)格筋在黏結(jié)材料中能夠協(xié)同受力。相關(guān)研究表明,FRP 網(wǎng)格-混凝土界面斷裂能顯著高于同等纖維含量的FRP 片材-混凝土界面[40]。FRP 網(wǎng)格加固混凝土受彎構(gòu)件能夠有效提升其剛度與極限承載力[如圖24(b)所示],并可有效避免外貼碳纖維布加固體系中常見(jiàn)的剝離破壞[41]。該加固體系能夠有效保障施工中易于出現(xiàn)的纖維布浸漬與黏結(jié)缺陷,尤其適用于嚴(yán)酷環(huán)境下各類工程結(jié)構(gòu)的加固,有效保證加固系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命使用需求。

5 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的有效加固,施工過(guò)程中應(yīng)確保由碳纖維布與浸漬樹(shù)脂復(fù)合而成的CFRP 達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,且CFRP 與混凝土界面形成可靠黏結(jié)。由于現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中碳纖維布浸漬、混凝土黏結(jié)面處理、涂刷底膠和找平膠這幾道工序?qū)FRP 強(qiáng)度及其與混凝土界面的黏結(jié)有很大影響,因此現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)理應(yīng)對(duì)這幾道工序予以重點(diǎn)檢查,驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下一道工序施工?，F(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格的施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可有效降低加固系統(tǒng)出現(xiàn)“短命”問(wèn)題。

對(duì)于服役于惡劣環(huán)境中的加固系統(tǒng),其在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)會(huì)出現(xiàn)性能退化,為避免性能退化導(dǎo)致加固系統(tǒng)失效,加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視CFRP 錨固與表面防護(hù)措施。同時(shí)須充分考慮CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能折減這一新條文。此外為避免加固系統(tǒng)性能退化,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命服役,可進(jìn)一步對(duì)浸漬樹(shù)脂進(jìn)行增韌改性,或采用預(yù)浸漬FRP 筋布及薄面FRP網(wǎng)格加固體系等,為實(shí)現(xiàn)外貼碳纖維加固技術(shù)的長(zhǎng)壽命提供切實(shí)可行的途徑。