碳纤维增强复合材料-混凝土界面耐久性研究

第1章 绪论 1.1 研究背景与意义 纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，FRP)加固混凝土结构是通过树脂胶将FRP粘贴在混凝土构件的外表面，使两种材料协同受力，从而提高混凝土构件的承载能力。FRP*早应用于军工和航空航天领域，在土木工程领域的应用则始于1981年。瑞士联邦材料实验室的Meier通过粘贴碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)片材技术，加固了Ebach桥[1-2]。近年来，FRP因其高比强度(抗拉强度与材料表观密度之比)、耐腐蚀、抗疲劳和施工便捷等优点[3-5]在土木工程领域中得到了广泛的应用[6-9]，成为国内外研究热点。 FRP片材加固混凝土结构的成功与否主要取决于纤维片材与混凝土界面黏结性能的优劣，纤维片材与混凝土界面的黏结性能是纤维片材加固技术的关键所在。在实际工程中，许多经FRP加固的混凝土构件常暴露于恶劣环境下，如冻融循环、干湿循环、盐类腐蚀、紫外线老化、湿热等环境。随着侵蚀时间的增加，界面的黏结性能势必会出现退化，使得加固构件的承载力降低[10-17]。因此FRP-混凝土界面耐久性成为评估FRP加固混凝土结构耐久性的关键。 从国内外研究可以看出，近些年来关于FRP-混凝土界面耐久性方面的研究工作已开展得比较深入，研究内容主要涉及FRP-混凝土界面在水环境、冻融循环、干湿循环、酸碱溶液等环境下的耐久性，获得了大量试验数据与有益的结论。以往盐类侵蚀的研究主要集中在东部海水(以氯盐为主)环境下对FRP-混凝土界面的黏结性能的影响，对于硫酸盐环境下界面黏结性能的研究相对较少。就盐类侵蚀作用而言，氯盐主要腐蚀钢筋，硫酸盐主要是与混凝土起物理、化学作用，因此硫酸盐对FRP-混凝土界面的侵蚀劣化较氯盐更为严重。 我国西部盐渍土和盐湖地区存在较高浓度的硫酸盐腐蚀介质。例如，青海省的察尔汗盐湖，浓度达6.23g/L，其周围分布的超重盐渍土中的浓度也达到了4.2g/L[18-19]；新疆库尔勒地区地下水中的硫酸盐浓度高达20236mg/L[20]。八盘峡水电站平洞内地下水含量达6000～15000mg/L，对该平洞的混凝土底板和衬砌造成了严重的腐蚀[21]。在察尔汗盐湖地面放置的混凝土试件，仅三个月的时间就皆崩解为碎石、土的混合物[22]。而且西部地区的气候条件十分恶劣，干燥、炎热、温差大、干湿循环等恶劣环境条件会造成FRP-混凝土界面黏结性能的劣化，而硫酸盐会进一步侵蚀混凝土及FRP-混凝土界面，使得整体结构承载能力下降和耐久性降低，图1.1为混凝土桥梁硫酸盐侵蚀破坏图。西部硫酸盐侵蚀环境下FRP-混凝土界面黏结性能退化规律和劣化机理，已成为西部地区盐渍土及盐湖环境下FRP加固混凝土结构必须要解决的科学问题。 图1.1 混凝土桥梁硫酸盐侵蚀破坏图 现阶段的研究认为界面黏结性能主要受混凝土强度、黏结长度、FRP片材刚度、FRP与混凝土宽度比、胶层的强度和刚度等五个方面的影响，已有的黏结-滑移本构关系及剥离承载力模型或多或少包含这几方面的影响。硫酸盐环境对混凝土具有强烈的侵蚀作用，引起混凝土力学性能的下降，进而引起FRP-混凝土界面破坏形态、承载力、黏结-滑移关系等发生较大变化，现有的界面力学模型(界面承载力模型、黏结-滑移本构关系模型)将不再适用。若能在界面力学模型中将这些参数的权重和变异均考虑进来，则能反映实际工程所处环境，对在硫酸盐环境下应用FRP加固混凝土结构提供理论依据。 因此系统地研究硫酸盐环境下FRP-混凝土界面的耐久性，全面分析界面黏结性能的退化规律和劣化机理，通过试验结果的分析建立界面黏结性能的退化模型，对于指导FRP加固混凝土结构的耐久性设计具有重要意义。 1.2 FRP-混凝土界面黏结性能试验研究及理论研究进展 实际工程中，FRP-混凝土界面黏结性能的下降或界面的剥离破坏是FRP加固混凝土结构承载力丧失的主要原因。因此，FRP与混凝土之间良好的黏结性能是保证两种材料共同受力和变形的基础。目前，国内外学者通过试验研究、理论研究或试验研究和理论研究相结合的方法对FRP-混凝土界面的黏结性能方面做了大量工作。 1.2.1 FRP-混凝土界面黏结性能试验研究进展 目前，关于FRP-混凝土界面黏结性能的试验方法主要有：正拉试验[23-24]、单剪试验[25-27]、双剪试验[28-34]、梁式试验[35-41]，示意图如图1.2所示。 图1.2 FRP-混凝土界面黏结性能试验方法示意图 正拉试验主要用于研究黏结界面的正拉黏结强度，而其余三个试验方法主要用于研究界面受剪黏结性能。梁式试验的试件一般有两种形式，即通过在混凝土试件中部预留裂缝粘贴FRP或把两个相同的混凝土试件在顶部设置铰接、下部粘贴FRP。梁式试验加载初期，黏结界面在一个水平面上，界面只受剪力，但随着界面变形的增加，加固梁中部出现向下的位移，使黏结界面不能保证在一个平面内，界面出现指向混凝土一侧的正应力，对加载后期的试验结果影响较大。单剪试验在加载过程中很难保证试件黏结界面与受力在一个水平面上，容易出现偏心加载，使得黏结界面上出现较大正应力，而且偏心加载对界面黏结强度有较大影响[33]。为此，有研究者对原有加载装置进行了改进[42-43]，一定程度上改善了试件在加载过程中偏心的情况。双剪试验的加载方案一般可分为两种，即通过在两个试件中间布置的千斤顶对试件施加荷载的直接加载方案[44]和通过预埋钢筋或设计反力架对试件施加荷载的间接加载方案[45-50]。直接加载方案由于放置于两个混凝土试件中间的千斤顶不能均匀连续地施加荷载，很难准确获得剥离阶段界面的荷载-滑移曲线。通过在混凝土试件中预埋钢筋的间接加载方式，虽能通过特制的模具使传力钢筋在一条线上，但试件制作工艺过于繁琐。通过反力架对试件加载虽操作简单，但加载过程中反力架易产生弯矩，影响试验结果的准确性。陆新征[45]通过在反力架的端头安装万向铰很好地避免了加载过程中偏心引起的弯矩。 一般认为，经FRP增强的混凝土结构，黏结界面通常提供剪应力来提高构件的承载力。例如，采用FRP增强混凝土梁的抗弯能力时，界面通过传递剪应力使梁底或梁顶负弯矩区的FRP受拉，承担部分弯矩，提高加固构件的抗弯承载力；在对混凝土梁进行受剪加固时，同样是黏结界面提供剪应力使粘贴在混凝土梁两侧的FRP承受拉力，抵消截面处的部分剪应力。在实际加固工程中，通常FRP-混凝土界面不会承受正应力，即使在一些特殊情况下界面出现正应力(如在混凝土梁的抗弯加固中，FRP端部因界面截断而出现刚度突变；混凝土梁抗剪加固中，斜向裂缝会使粘贴在梁两侧的FRP发生错动而产生正应力)，也可以通过布置“U”型箍、压条以及机械锚固等措施来避免黏结界面出现指向界面外侧的正应力。因此，FRP-混凝土界面的受剪性能是研究的重点[51]。 van Gemert[28]和Swamy等[29]通过双剪试验对钢板与混凝土界面的黏结性能进行了研究，Kobatake等[30]、Chajes等[31，52]、Neubauer等[32]和任慧韬[34]采用类似的试验方法对FRP-混凝土界面的力学性能进行了研究。 杨勇新等[24]设计了正拉、推剪、拉剪、弯拉四种受力状态下的黏结性能试验，对不同受力状态下CFRP-混凝土界面应力的变化和分布规律进行了研究，对CFRP-混凝土界面的黏结机理进行了初步描述。 Sharma等[25]通过单剪试验对FRP粘贴长度对界面性能的影响进行了研究。试验结果表明，当FRP粘贴长度超过一定值后界面承载力不会随着黏结长度的增加而继续增加，据此引入了“有效黏结长度”的概念，即黏结长度超过有效黏结长度后界面承载力将不再增加；同时指出FRP的刚度、宽度以及混凝土强度均对有效黏结长度有一定的影响。 曹双寅等[53]和施嘉伟等[54-55]通过JSCE试验规程推荐的改进双剪切试验，采用数字图像相关技术进行界面变形场的测试，并对实验数据进行平滑处理，研究了界面正常环境及冻融循环作用下的黏结-滑移本构关系。结果表明，Dai模型[56]与实验数据较符合，并据此给出了界面承载力表达及黏结-滑移曲线参数。 张明武等[57]采用梁式试验，研究了FRP增强混凝土梁的界面破坏机理，得到了FRP*小锚固长度的计算公式，并提出了防止界面过早破坏的具体处理措施。 李可等[58]基于梁式试验方法，设计了四种试验方案，通过试验研究和有限元模拟对界面黏结性能进行了研究，研究表明通过在梁体的顶部设置钢铰使梁体顶部仅承受压力，底部用FRP粘贴连接只承受拉力的试验方案能够很好地观测FRP剥离的发展过程和研究黏结界面的黏结-滑移关系。 郭樟根等[59]采用修正梁试验，对FRP-混凝土界面的黏结性能进行了研究，探讨了混凝土强度和FRP黏结长度变化对界面黏结性能的影响，分析了各级荷载下FRP应变和拉应力沿黏结长度的分布规律。通过差分计算得到了黏结界面局部剪应力发展规律，给出了界面峰值剪应力及其对应滑移量的取值方法。通过对试验结果的统计回归分析，提出了对数模型、Popovics模型和双线性模型三种黏结-滑移本构关系模型，并对不同黏结-滑移本构关系模型的特点进行了比较分析。 谢建和等[60]对三点弯曲荷载作用下FRP加固钢筋混凝土梁进行了研究，分析了中部弯曲裂缝对界面黏结性能的影响和黏结界面软化行为。通过黏结-滑移双线性模型，给出了混凝土梁弯曲裂缝间界面剪应力的计算公式，同时对梁底裂缝间距对界面剥离承载力的影响进行了分析，结果表明FRP加固梁的剥离承载力会随裂缝间距的增大而降低。 徐涛等[61]对FRP-混凝土界面的黏结性能进行了研究，清晰地再现了拉伸荷载作用下试件的三维破裂过程，界面的剥离破坏是一个由细观损伤不断产生积累而形成宏观裂缝的渐进过程。 姚谏等[33]的试验结果表明，界面破坏形式主要有两种：界面剥离破坏和混凝土拉剪破坏，其中界面剥离破坏为理想破坏形式，在实际工程中可以通过降低支座高度来保证界面剥离破坏。 Dai等[56]采用剪切试验，通过对加载端荷载-滑移曲线分析，建立了黏结长度大于有效黏结长度时的界面黏结-滑移模型，并给出了界面断裂能、有效黏结长度、界面峰值剪应力及其对应的滑移量的计算方法。Zhou等[62]在Dai模型的基础上，对CFRP-混凝土界面黏结长度小于有效黏结长度的情况进行了研究，通过理论推导，提出了新的黏结-滑移模型，该模型可以很好地预测界面黏结长度小于有效黏结长度时界面的受力情况。 Carrara等[63]采用单面剪切试验，通过以位移控制的加载过程，对碳纤维板与混凝土黏结界面的剥离行为和剥离过程做了详细分析和研究，绘制了剥离全过程的荷载-位移曲线，其中包括加载后期的回弹部分，同时指出界面黏结长度对黏结界面的破坏模式和界面黏结强度影响较大。 Yuan等[64]采用单剪试验，通过引入双线性黏结-滑移模型，对不同加载阶段界面剪应力分布和荷载位移关系表达式进行了推导，并分析了界面参数对界面断裂能和黏结-滑移关系的影响。详细讨论了界面剥离过程，并将分析结果与试验数据进行了比较。*后，通过解析解的结果分析了界面黏结长度和FRP的刚度对FRP-混凝土界面黏结性能的影响。Diab等[65]在双面剪切试验的基础上，给出了FRP-混凝土界面极限承载力、断裂能、有效黏结长度的计算方法。 Wang[66]采用梁式试验，对由中间裂缝导致的FRP加固混凝土梁的界面剥离行为进行了分析，通过三种不同的黏结-滑移模型(双线性模型、三角形模型和线性损伤模型)对整个剥离过程进行了描述。 彭晖等[67]以嵌贴CFRP-混凝土黏结的冻融耐久性为研究对象，通过拔出试验考察了冻融循环作用下嵌贴FRP与具有不同强度或抗冻性能混凝土