姚國(guó)文，劉明旭，吳樹(shù)杭，陳雪松

(1.重慶交通大學(xué) 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)是以碳纖維為增強(qiáng)材料、合成樹(shù)脂為基體材料，摻入適當(dāng)輔助劑，加工成型的復(fù)合材料，它具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)[1]。CFRP加固RC梁的服役環(huán)境復(fù)雜多樣，在我國(guó)西南地區(qū)，加固結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于高溫、高濕和荷載作用環(huán)境中，易發(fā)生結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞、黏結(jié)界面濕熱塑化、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等病害；同時(shí)，荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，加速了腐蝕介質(zhì)的滲入，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)性能衰減，結(jié)構(gòu)整體耐久性能降低。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CFRP加固鋼筋混凝土梁的耐久性開(kāi)展了大量研究。鞏天琛等[2]綜述了濕熱環(huán)境對(duì)CFRP材料的吸濕特性、力學(xué)性能的影響；岳清瑞等[3]對(duì)200個(gè)碳纖維復(fù)合材料試件開(kāi)展了自然老化試驗(yàn)，得出CFRP耐久性能滿足橋梁加固工程要求，但加固結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有待深入研究的結(jié)論；江勝華等[4]開(kāi)展了CFRP加固RC梁抗彎性能試驗(yàn)，從梁體破壞形態(tài)和承載力方面描述了濕熱環(huán)境下加固結(jié)構(gòu)耐久性能的變化；鄒今航等[5]對(duì)濕熱環(huán)境作用后的CFRP試驗(yàn)梁進(jìn)行三點(diǎn)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境會(huì)降低CFRP-混凝土黏結(jié)界面性能，從而降低結(jié)構(gòu)耐久性；谷衛(wèi)敏等[6]通過(guò)高速?zèng)_擊試驗(yàn)研究了濕熱環(huán)境下碳纖維復(fù)合板的抗沖擊性能，證實(shí)濕熱環(huán)境會(huì)影響碳纖維復(fù)合板的損傷空洞面積和層間性能；馬明等[7]通過(guò)雙剪試驗(yàn)研究了持續(xù)荷載作用下CFRP加固RC梁的黏結(jié)界面性能并給出黏結(jié)滑移本構(gòu)模型，研究得到持續(xù)荷載會(huì)降低界面初始剝離荷載的結(jié)論；付俊俊等[8]、王新玲等[9]、王志杰等[10]對(duì)CFRP-混凝土黏結(jié)界面的疲勞壽命、本構(gòu)模型等開(kāi)展了研究；姜明[11]通過(guò)高低溫交變加速濕熱循環(huán)老化試驗(yàn)，研究了不同孔隙率的CFRP層合板在外加荷載下的力學(xué)性能演變規(guī)律；周昊[12]提出濕熱環(huán)境和荷載耦合作用下RC構(gòu)件的耐久性試驗(yàn)方法；S.CHOI等[13]、ZHANG Pu等[14]研究表明，黏結(jié)界面的環(huán)氧體系是決定CFRP加固RC梁耐久性的主要因素；多數(shù)學(xué)者的耐久性試驗(yàn)研究集中于CFRP試驗(yàn)梁在凍融環(huán)境[15-16]、鹽霧環(huán)境[17]、濕熱環(huán)境[18-19]等方面；陳雪松[20]、劉超越[21]針對(duì)濕熱環(huán)境耦合荷載作用下CFRP加固RC梁的破壞模式、力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系開(kāi)展了試驗(yàn)研究，得到荷載與濕熱耦合作用會(huì)降低組合結(jié)構(gòu)耐久性和抗彎承載能力的結(jié)論。

筆者針對(duì)濕熱環(huán)境耦合荷載作用下CFRP加固RC梁的耐腐蝕性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究，探討了濕熱環(huán)境耦合空載、靜載和交變荷載3種工況CFRP加固RC梁的破壞形態(tài)、極限荷載、黏結(jié)界面剪切應(yīng)力傳遞規(guī)律，分析了CFRP加固RC梁在濕熱環(huán)境耦合荷載作用下的腐蝕損傷機(jī)理。結(jié)果表明：黏結(jié)膠層塑化與基體水解是導(dǎo)致CFRP加固RC梁耐腐蝕性能降低的主要原因，當(dāng)耦合荷載尤其是交變荷載作用時(shí)，CFRP加固RC梁組合結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能將大大降低。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)梁制作

1.1.1 試驗(yàn)材料

1)采用P.O.42.5拉法基水泥；細(xì)度模數(shù)Mx=2.74的中砂；粒徑為5～20 mm的花崗巖碎石。按照水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.38∶1.11∶2.72的配合比配制C30混凝土。

2)采用HPB335普通光圓鋼筋，縱筋屈服強(qiáng)度為333.3 MPa、極限強(qiáng)度為506.5 MPa、彈性模量為204 GPa。

3)CFRP為威德力新材料公司生產(chǎn)的WF300，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

4)將四川省隆昌縣承華膠業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CH-1A浸漬A、B膠，按照2∶1的重量比調(diào)制得到試驗(yàn)所用黏結(jié)劑(AHS)，其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 CFRP及AHS性能指標(biāo)

1.1.2 試驗(yàn)梁制作

共制作了7根200 mm×100 mm×1 850 mm CFRP加固RC試驗(yàn)梁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)梁)，編號(hào)為L(zhǎng)1～L7。CFRP粘貼步驟如下：

1)在RC梁的鋼筋骨架縱筋受拉區(qū)跨中位置粘貼應(yīng)變片；然后，將鋼筋骨架置于梁的鋼模板中，澆注混凝土并振搗；24 h后拆模，在室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28天。

2)用砂輪機(jī)打磨RC梁底部，并用丙酮清洗，然后涂抹一層AHS黏結(jié)劑，緊密粘貼長(zhǎng)度為1 580 mm的CFRP。

3)分別在距試驗(yàn)梁底部跨中截面距離s=0、100、200、300、500、700 mm處的CFRP表面粘貼應(yīng)變片(圖1)，然后繼續(xù)自然養(yǎng)護(hù)5天。

圖1 試驗(yàn)梁應(yīng)變片粘貼示意

1.2 濕熱環(huán)境設(shè)定

考慮到結(jié)構(gòu)吸能會(huì)出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，設(shè)定試驗(yàn)的濕熱環(huán)境為：溫度60 ℃，相對(duì)濕度95%。采用上海多禾試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DSCR-53-40-P-A型步入式高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行濕熱環(huán)境控制。

試驗(yàn)梁經(jīng)歷的濕熱作用齡期t= 0、15、30 d。

1.3 濕熱環(huán)境耦合荷載加載

1.3.1 加載工況及跨中持載值

7根試驗(yàn)梁中，L1為自然狀態(tài)，未經(jīng)歷濕熱環(huán)境耦合荷載加載，L2～L7為經(jīng)歷了不同的濕熱環(huán)境耦合荷載加載，荷載包括空載、靜載及交變載。

先對(duì)自然狀態(tài)的試驗(yàn)梁L1進(jìn)行三點(diǎn)加載試驗(yàn)，得到極限荷載Pu=40 kN；在濕熱環(huán)境耦合荷載加載時(shí)，選取靜載、交變載的跨中持載值F=60%Pu=24 kN[15]。交變載加載制度為：0 → 24 kN、4 h → 0 kN、4 h。

加載工況詳見(jiàn)表2。表中“加載工況”英文字母表示加載方式：NL—空載，SL—靜載，AL—交變載；數(shù)字表示濕熱作用齡期：0、15、30天。

表2 濕熱-荷載耦合加載工況

1.3.2 濕熱環(huán)境耦合荷載加載

首先，將L2～L7置于環(huán)境試驗(yàn)箱里(圖2)，在試驗(yàn)梁的跨中位置施加荷載F，直至設(shè)定的齡期t，完成本次濕熱環(huán)境耦合荷載加載試驗(yàn)；然后，取出試驗(yàn)梁，進(jìn)行三點(diǎn)加載試驗(yàn)。

圖2 濕熱環(huán)境耦合荷載加載示意

1.3.3 三點(diǎn)加載

在自制反力架上，利用千斤頂對(duì)濕熱環(huán)境耦合荷載加載后的試驗(yàn)梁進(jìn)行三點(diǎn)加載試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)梁的跨中極限撓度Du、極限荷載Pu，及CFRP從混凝土表面初始剝離時(shí)的荷載Psplit，CFRP極限應(yīng)變?chǔ)臗FRP, u、受拉縱筋極限應(yīng)變?chǔ)舃ar, u。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 三點(diǎn)加載試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)對(duì)比L2、L3的Pu值和Psplit值發(fā)現(xiàn)，L2的均比L3的大，表明濕熱作用時(shí)間越長(zhǎng)，試驗(yàn)梁的極限荷載降低越多，黏結(jié)膠層性能劣化越嚴(yán)重。

2)對(duì)比L3、L5、L7的Pu值和Psplit值發(fā)現(xiàn)，L3的最大，L7的最小，L5的居中，表明濕熱環(huán)境耦合荷載時(shí)，交變荷載更容易降低CFRP的加固效果，從而大幅降低CFRP加固RC梁的抗彎性能。

3)對(duì)比L3、L5、L7的εCFRP，u值發(fā)現(xiàn)，L3的最大，L7的最小，L5的居中，表明濕熱環(huán)境耦合荷載作用下，交變荷載更容易降低CFRP的抗拉性能，致使CFRP加固RC梁更早的發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。

綜上，當(dāng)濕熱環(huán)境耦合荷載尤其是交變荷載加載時(shí)，CFRP加固RC梁的極限荷載退化速率顯著加快，退化速率與時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系。原因可能是：①濕熱環(huán)境耦合荷載作用過(guò)程中，試驗(yàn)梁帶裂縫工作，為空氣中的H2O、CO2等腐蝕物質(zhì)進(jìn)入混凝土和黏結(jié)膠層提供了通道，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部碳化，增大了梁體剛度；②由于CFRP和黏結(jié)膠層熱膨脹系數(shù)不匹配，當(dāng)試驗(yàn)梁處于高溫環(huán)境時(shí)，CFRP與黏結(jié)膠層脫粘，降低了結(jié)構(gòu)剛度；③水分子在黏結(jié)膠層中符合Fick擴(kuò)散規(guī)律，裂縫通道和荷載的共同作用增大了黏結(jié)膠層的吸濕率，引起黏結(jié)膠層塑化，加快了黏結(jié)界面性能的退化[22]，最終降低了黏結(jié)界面?zhèn)鬟f荷載的能力?；炷猎黾拥膭偠葘?duì)整體結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)不及黏結(jié)界面性能退化引起結(jié)構(gòu)剛度的衰減，所以CFRP會(huì)更早發(fā)生剝離破壞。

2.3 CFRP加固RC梁的破壞形態(tài)

試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)和裂縫分布如圖3。

圖3 試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)

由圖3可見(jiàn)：

1)7根試驗(yàn)梁均在跨中位置出現(xiàn)豎向裂縫，混凝土受壓區(qū)完好而受拉縱筋屈服，破壞模式均為CFRP剝離。

2)加載初期，在L1兩個(gè)支點(diǎn)附近出現(xiàn)了裂縫；隨著荷載的增大，兩支點(diǎn)間產(chǎn)生大量細(xì)小裂縫；當(dāng)荷載達(dá)到39.50 kN時(shí)，可聽(tīng)見(jiàn)CFRP從混凝土表面開(kāi)始剝離發(fā)出的輕微“噼啪”聲；荷載繼續(xù)增大，L1跨中底部一條斜裂縫不斷發(fā)展，直至發(fā)生CFRP剝離破壞，如圖3(a)。

3)L2～L5發(fā)生CFRP剝離破壞時(shí)，混凝土保護(hù)層界面完整，試驗(yàn)梁頂部混凝土無(wú)壓潰跡象。

4)L6、L7發(fā)生CFRP剝離破壞時(shí)，大量黏結(jié)膠層殘留在碳布上，部分CFRP呈片狀被縱向撕裂、剪斷。

分析原因是：①逐漸增大的荷載導(dǎo)致試驗(yàn)梁體裂縫不斷發(fā)展、裂縫數(shù)量不斷增加，當(dāng)裂縫寬度大于CFRP與試驗(yàn)梁底部混凝土的滑移量時(shí)，出現(xiàn)CFRP剝離跡象，直至黏結(jié)界面抗剪強(qiáng)度達(dá)到極限，發(fā)生CFRP剝離破壞；②因裂縫處應(yīng)力集中與黏結(jié)膠層的共同作用，裂縫處的混凝土更易被CFRP扯下；③荷載作用使CFRP和黏結(jié)膠層的孔隙率不斷改變[23]，進(jìn)而影響了黏結(jié)界面的性能。

綜上，一方面，隨著濕熱作用齡期的延長(zhǎng)，試驗(yàn)梁的黏結(jié)膠層發(fā)生了氧化、熱降解、脫粘等，劣化了CFRP加固RC梁的強(qiáng)度[2]；另一方面，空載、靜載、交變載加速了裂縫的發(fā)展，降低了CFRP的加固效果。最終，在溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力、持載應(yīng)力共同作用下，黏結(jié)界面的樹(shù)脂老化[17]程度成為判斷CFRP發(fā)生剝離破壞的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.4 荷載-撓度曲線

濕熱環(huán)境耦合荷載作用30 d后，試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度(P-D)關(guān)系曲線如圖4。

圖4 試驗(yàn)梁的P-D曲線

由圖4可見(jiàn)：

1)空載、靜載、交變載加載工況下，試驗(yàn)梁的P-D曲線變化趨勢(shì)相似。曲線分為3個(gè)階段：第1階段，當(dāng)三點(diǎn)加載試驗(yàn)的加載值P<7 kN時(shí)，D隨P呈線性增大；第2階段，當(dāng)P=7～35 kN時(shí)，試驗(yàn)梁上的裂縫快速發(fā)展，且在梁體跨中位置產(chǎn)生了豎向裂縫，D快速增大；第3階段，當(dāng)P>35 kN時(shí)，縱向受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土中裂縫急劇發(fā)展，黏結(jié)膠層抗剪強(qiáng)度達(dá)到極限，試驗(yàn)梁發(fā)生CFRP剝離破壞。

2)結(jié)合表3中L1、L2、L3的跨中極限撓度Du值，可見(jiàn)粘貼CFRP會(huì)降低混凝土延性，且高溫高濕作用時(shí)間越久，混凝土延性越差；而從L3、L5、L7的跨中極限撓度Du值可以看出荷載作用會(huì)降低試驗(yàn)梁的撓度，交變荷載下?lián)隙冉档妥畲蟆?/p>

分析原因可能是：帶裂縫工作的CFRP加固RC梁的密實(shí)性較低，空氣中H2O、CO2等易滲進(jìn)黏結(jié)膠層和混凝土內(nèi)部，從而加速黏結(jié)膠層老化和混凝土碳化，降低黏結(jié)膠層的粘結(jié)能力和混凝土延性，發(fā)生脫粘現(xiàn)象，且交變荷載的破壞作用比靜載的大。

2.5 CFRP和鋼筋的荷載-拉應(yīng)變(P-ε)曲線

2.5.1 基于試驗(yàn)值的P-ε曲線

加載初期，試驗(yàn)梁CFRP的整體粘結(jié)性能較好，若不考慮黏結(jié)膠層和混凝土內(nèi)部微小裂縫的變化，受拉縱筋與CFRP具備協(xié)調(diào)的變形關(guān)系，兩者的P-ε曲線變化趨勢(shì)極為接近，如圖5。

圖5 鋼筋與CFRP的P-ε曲線

由圖5可見(jiàn)：

1)當(dāng)鋼筋屈服時(shí)，CFRP成為試驗(yàn)梁后續(xù)承載的主要結(jié)構(gòu)，因此，CFRP的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率比鋼筋的大。

2)濕熱環(huán)境耦合荷載作用降低了鋼筋和CFRP對(duì)試驗(yàn)梁裂縫的約束能力，所以，當(dāng)CFRP與鋼筋的極限荷載較為接近時(shí)，試驗(yàn)梁能承受的極限荷載將達(dá)到極值。

2.5.2 屈服應(yīng)變理論值與試驗(yàn)值對(duì)比

1)CFRP和鋼筋的屈服應(yīng)變理論值。由鋼筋及CFRP的屈服強(qiáng)度σy、彈性模量E，可計(jì)算出2種材料的屈服應(yīng)變理論值εy理論，見(jiàn)表4。

表4 鋼筋和CFRP的屈服應(yīng)變

2)試驗(yàn)得到的L1、L3、L5、L7跨中截面鋼筋以及CFRP的荷載-拉應(yīng)變(P-ε)關(guān)系曲線如圖6。

圖6 跨中截面鋼筋及CFRP的P-ε曲線

由圖6可見(jiàn)：4根試驗(yàn)梁的承載能力和屈服應(yīng)變均有所下降，下降程度依次為L(zhǎng)7>L5>L3>L1，表明濕熱作用時(shí)間越久，試驗(yàn)梁承載能力越低；相比靜載作用，交變載作用下試驗(yàn)梁的承載能力降低更大；濕熱環(huán)境耦合荷載作用會(huì)大大試驗(yàn)梁的承載能力。分析原因是：荷載作用使梁體產(chǎn)生裂縫；隨著荷載的增大，裂縫經(jīng)萌生、擴(kuò)展，逐漸發(fā)展到中性軸附近，成長(zhǎng)為Ⅰ型裂縫；隨著試驗(yàn)梁剛度降低，中性軸上移，Ⅰ型裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展，此時(shí)，CFRP出現(xiàn)初始剝離現(xiàn)象并產(chǎn)生沿梁的端部擴(kuò)展的Ⅱ型裂縫，降低了黏結(jié)膠層傳遞荷載的能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能下降。相對(duì)而言，交變載更容易使試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)失效。

結(jié)合圖6和表4知，鋼筋的屈服應(yīng)變?cè)囼?yàn)值稍大于理論值，而CFRP的屈服應(yīng)變?cè)囼?yàn)值遠(yuǎn)小于理論值。分析原因可能是：一方面，CFRP加固RC梁具有剛度大的優(yōu)點(diǎn)，鋼筋易進(jìn)入屈服、強(qiáng)化階段，其抗拉作用得以充分發(fā)揮；另一方面，由于CFRP加固RC梁的黏結(jié)膠層不是固結(jié)約束，CFRP的抗拉性能無(wú)法得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致CFRP的屈服應(yīng)變大幅降低。

2.6 CFRP拉應(yīng)變與剪應(yīng)力的縱向分布規(guī)律

沿試驗(yàn)梁縱向取CFRP微元體進(jìn)行受力分析(圖7)，由CFRP的受力平衡知：

圖7 CFRP微元體受力分析

(1)

式中：τCFRP為CFRP的剪應(yīng)力。

圖8為不同加載荷載下，L3、L5、L7不同應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的拉應(yīng)變?chǔ)排c測(cè)點(diǎn)距加載端距離s的關(guān)系曲線。

圖8 CFRP測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?chǔ)排c測(cè)點(diǎn)距加載端距離s的關(guān)系曲線

由圖8可見(jiàn)：

1)當(dāng)s=0～700 mm，L7的CFRP拉應(yīng)變值下降速度最快，L3的最慢?？梢钥闯觯撨^(guò)程是逐漸向梁體端部發(fā)展的，表明加載端的剪應(yīng)力在達(dá)到峰值后，會(huì)逐漸減小且會(huì)向梁體端部移動(dòng)。

2)越靠近試驗(yàn)梁梁端，CFRP的拉應(yīng)變值越趨近“0”，表明施加給試驗(yàn)梁的能量被逐漸消耗，直至混凝土所承受的荷載無(wú)法向CFRP傳遞，發(fā)生CFRP剝離破壞，引起結(jié)構(gòu)失效。

綜上，濕熱環(huán)境對(duì)黏結(jié)膠層有劣化作用，導(dǎo)致試驗(yàn)梁跨中承載能力下降，跨中附近的截面會(huì)更快、更多地參與結(jié)構(gòu)受力，并向端部衰減傳遞；濕熱環(huán)境耦合荷載作用則加劇了黏結(jié)膠層劣化，交變荷載的破壞作用最大。

3 結(jié) 論

針對(duì)服役環(huán)境下CFRP加固RC梁的耐久性問(wèn)題，開(kāi)展了濕熱環(huán)境耦合荷載作用的試驗(yàn)研究。得到以下主要結(jié)論：

1)濕熱環(huán)境耦合荷載作用加速了黏結(jié)膠層劣化，降低了試驗(yàn)梁的極限承載力、跨中撓度和應(yīng)變；交變荷載的破壞作用最大。

2)梁體和黏結(jié)膠層內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫成為H2O、CO2等滲入的通道，黏結(jié)膠層的脫粘及混凝土的碳化降低了試驗(yàn)梁的抗彎性能。

3)濕熱環(huán)境耦合荷載作用加速了黏結(jié)膠層性能劣化，降低了粘結(jié)界面?zhèn)鬟f荷載的能力，導(dǎo)致試驗(yàn)梁更易發(fā)生CFRP剝離破壞。