淡水环境中水工钢闸门与碳纤维布黏结性能研究

董洪汉，庄宁，赵林章，李频，倪铁峰

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.江苏省泰州引江河管理处，江苏 泰州 225321；3.营口市第三高级中学，辽宁 营口 115000）

水工钢闸门主要用于控制船闸、水闸、水库、水电站等水工建筑物的运行水位，在闸门长期日常启闭时处于干湿交替状态，受高速水流不断冲刷，极易造成钢铁腐蚀，影响在役工程的运行安全。钢闸门腐蚀[1-2]涉及水利工程的各个领域，常见腐蚀类型有点腐蚀、局部腐蚀、干腐蚀等（如图1所示）。

图1 典型闸门腐蚀形态Fig.1 Typical gate corrosion pattern

碳纤维增强复合材料（CFRP）抗拉强度高、抗外界环境腐蚀能力强，是加固修补涉钢结构的热门材料[3-6]。在实际工程与物理试验过程中，碳纤维布与钢板之间的有效黏结是加固的关键点。本文在广泛参考前人试验设计与分析的基础上，基于CFRP与闸门钢板的黏结剪切试验，系统研究了二者的黏结剪切性能，为相关加固工程或试验提供了一定的参考与借鉴价值。

1 试验概况

1.1 试验材料

水工钢闸门体积大，试验环境下模拟较困难，采用CFRP与钢板的黏结来替代，本次试验选用东莞产3 mm厚HPB235钢板。碳纤维布采用目前常用的MH-II-200型上海产碳纤维布，黏结剂采用环氧树脂胶结剂，分别在桶内搅拌树脂A（抗拉强度高于40 MPa）和固化剂B（抗拉强度高于30 MPa）后按2∶1的比例混合，搅拌3 min直至混合均匀（最大转速500 r/min）。涉及相关试验材料的力学性能统计在表1～表3。

表1 钢板的力学性能Table 1 Mechanical properties of steel plates

表2 碳纤维布的力学性能Table 2 Mechanical properties of carbon fiber cloth

表3 环氧树脂的力学性能Table 3 Mechanical properties of epoxy resin

1.2 试验试件

试件由两块钢板拼接后再单面对称粘贴一整条碳纤维布构成（如图2所示）。钢板试验宽度为70 mm，单块长度为220 mm。

图2 黏结剪切试验试件Fig.2 Adhesive shear test specimen

试验主要研究CFRP与钢板的黏结长度、CFRP的宽度以及钢板腐蚀程度对有效黏结长度的影响，分组情况如表4所示。腐蚀主要是通过将钢板置于模拟淡水环境的水槽内对钢板进行通电，根据理论计算得到通电53.5 d、107 d及160.5 d时，钢板的腐蚀程度约为5%，10%，15%。碳纤维布裁剪宽度有30 mm、40 mm、50 mm 3种，用于研究CFRP宽度对试验黏结性能的影响；碳纤维片材与钢板的黏结长度有50 mm、70 mm、90 mm、130 mm、170 mm 5种，用来确定钢板腐蚀5%后的有效黏结长度及不同的黏结长度对黏结强度的影响；另外，对水槽分别通电53.5 d、107 d及160.5 d，人工加速腐蚀进程，以此来研究钢板受腐蚀后对黏结强度的影响。

表4 试件分组Table 4 Specimen grouping

1.3 试验方案

1.3.1 试验腐蚀方案

对于在役钢闸门，不可避免会发生不同程度的腐蚀，为延长其使用寿命，采用表面粘贴碳纤维布的修复加固措施并且预测其腐蚀继续发展的各个阶段；另外，碳纤维布因其高强、耐腐蚀的特性，对于服役之前的结构，可以起到预加固目的，但是由于施工、黏结剂材料等产生的不均匀性导致黏结界面发生腐蚀，有必要设计试验来研究探知其腐蚀规律。

对水槽进行通电：以不锈钢棒作为负极、试件作为正极，直流电源选用美瑞克稳压电源，试验中设置固定输出电流0.2 A，由于电源最大连续工作时间是12 h，故实际操作时设置2组电源从而基本保证水槽24 h处于通电状态。根据钢板不同腐蚀量（5%、10%、15%）来确定3个腐蚀阶段的划分，分别通电53.5 d、107 d及160.5 d。

1.3.2 应变片的布置

为确定CFRP与钢板的有效黏结长度，需要在CFRP上粘贴应变片，粘贴方式如图3所示。为研究CFRP与钢板的有效黏结长度和应力分布，因此应变片在CFRP中间处布置较密。

1.3.3 加载方法

图3 应变片布置图Fig.3 Strain gauge layout

本次试验选择在电子万能试验机上进行，事先将制作好的试件标号，将试件的中心线与钳口里的中心线对齐后依次安装在试验机的夹具内，用量具测量试件搭接面的尺寸（精确到0.05 mm）。试件的预计破坏荷载在试验机全量程15%～85%范围内，加载方式选择连续缓慢加载，加载速率在试验过程中精确控制为0.5 kN/s，采用DH3816静态应变仪每隔2 s自动采集试件的应变即电阻应变片的数值。另外，在加载过程中需要随时观察记录试件表面的剥离开展情况，随着加载的不断进行，达到极限破坏荷载后即停止加载，立即统计数据，并及时分析数据，初步判断腐蚀形态的特征。

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程及破坏特征

根据试验数据可知，在初始加载阶段，试件外观等无明显变化，随着荷载的不断增大，试件开始发生变化，当达到极限黏结力的60%时，CFRP发出了清楚的剥离撕拉声并很快在CFRP和钢板交界面形成局部空鼓。随着荷载的进一步加大，CFRP被拉断，剥离迅速发展直至荷载增加到一定程度后停止。最后，试件完全剥离，随着“砰”的一声巨响，CFRP被完全拉断，表明试件已经完全破坏，试验结束。另外，针对黏结长度比较大的试件，在最后接近破坏的阶段，外加荷载波动时间变长；然而对黏结长度较短的试件不存在这种荷载波动的情况，黏结力持续增大直至破坏。

本次试验发现，CFRP与钢板的黏结剪切破坏总结出现两种形式：1）CFRP与钢板发生剥离破坏；2）CFRP被拉断破坏。

为教师提供更多的支持服务 线下的支持服务包括市县师资培训中心和学校两级组织提供的，首先是要开展一系列的竞赛形式的活动，以赛促学，促进教师主动学习。学校应搭建平台，为教师跨区域协作学习提供帮助；还要组织培训机构，为教师提供服务指导。线上的支持服务主要是辅导人员与专家对学习者的支持。首先，在培训前期就要告知学习者如何向辅导教师和专家进行咨询；其次，设置线上线下协作的实际任务，帮助学习者解决教育教学中的实际问题，让辅导教师与专家触手可及。

另外，在既定腐蚀程度5%的CFRP与钢板黏结剪切试验中，绝大部分的试件发生剥离破坏，这种破坏在腐蚀程度为10%、15%时更为严重。原因是CFRP与钢板的黏结界面复杂，特别是胶层比较薄，导致CFRP与钢板之间的单丝连接相对比较脆弱，不能很好地形成整体。

2.2 黏结面的应力分布特点

本试验利用加载过程中的应变变化对界面剪切应力的传递特点进行系统分析，数据通过粘贴应变片采集得来，试验设置5组对照试件，具有以下特点：

1）在初始加载阶段，钢板与碳纤维布交界面附近是黏结剪切应力主要发生的区域，而在远离交界面的地方剪切应力却比较小。

2）当荷载达到黏结力极限值的60%时，黏结剪切应力主要存在于钢板交界面30 mm内的区域；随着荷载不断增大，剪切应力继续向下传递，达到峰值黏结力时，在黏结长度为（距钢板交界面的距离）90～170 mm范围内的剪切应力仍然很小。

3）试件端头部分在靠近交界面处的剪切应力达到或接近峰值应力时开始发生剥离，应力值在剥离范围达到第1个应变片粘贴处时开始发生减退，此时第2个应变值随即迅速增加直至剥离达到或超过第2个应变片的范围，以此类推，后面应变片的应变值循环迅速增大。当剥离范围为70 mm时，当CFRP黏结长度达到170 mm时，试件的CFRP和钢板发生完全剥离，荷载降低直至试件破坏。

4）黏结力在CFRP于钢板发生黏结破坏最后阶段时出现波动，波动时间与CFRP的黏结长度有关，且黏结长度越长，波动时间越长；对黏结长度较短的试件，荷载波动时间较短，部分试件黏结力在加载过程中始终没有波动。

2.3 有效黏结长度分析

2.3.1 黏结长度对有效黏结长度的影响

从表5可以看出，碳纤维布和钢板的黏结力随黏结长度的增加而增大，50～90 mm期间黏结力增长迅速，但黏结长度超过90 mm后，可明显发现其黏结力增速减缓，而黏结长度与平均黏结强度却呈反比例关系，黏结长度为50 mm时其平均黏结强度最大。随黏结长度从50 mm增加到70 mm、90 mm、130 mm及 170 mm，黏结力从15.66 kN增加到18.06 kN、19.47 kN、19.66 kN、19.78 kN，但平均黏结强度却从6.26 MPa降低到5.16 MPa、4.33 MPa、3.02 MPa、2.33 MPa。这一结果说明：CFRP与钢板的黏结面的利用率随着黏结长度的增大在不断下降，当黏结长度一旦超过90 mm，黏结力的极限值基本维持不变。

表5 黏结长度对黏结力的影响Table 5 Effect of bond length on bond force

根据表5数据：当黏结长度不同时，CFRP与钢板黏结试验的黏结力均值与长度曲线之间有一定联系。当黏结长度达到或超过90 mm时，黏结力的极限值基本保持不变。故CFRP与钢板的黏结长度有效值在70～90 mm之间，其中，取80 mm作为钢板的5%腐蚀率时的有效黏结长度比较合适。

2.3.2 钢板腐蚀程度对有效黏结长度的影响

本次试验为了探究钢闸门腐蚀程度对CFRP和钢板有效黏结长度的影响，先后设计制作了ZA-5、ZB-1和ZB-2这3组试件进行探索性试验。当CFRP与钢板的腐蚀率是5%时，黏结试验出现剥离破坏；当腐蚀程度是10%时且CFRP与钢板粘贴质量比较好的时候发生剥离破坏、环氧树脂胶未完全浸透时发生CFRP单丝拉断破坏。从图4可知，钢板的腐蚀程度影响应变值，腐蚀程度越厉害，应变沿黏结长度范围的传递反而越小。当黏结力达到峰值的60%时，靠近荷载施加范围60 mm的地方是黏结剪切应力的集中区域，数值大小随荷载增大的同时向下传递，一旦黏结力达到或者超过峰值的90%，剪切应力接近达到最小值；当黏结力数值达到峰值的85%，剪力流集中在黏结长度90 mm左右的范围（5%的腐蚀程度）；当腐蚀程度是10%、15%时，剪力流集中在75 mm和65 mm范围。另外，充分结合试验时CFRP与钢板的终极剥离范围大约在70～90 mm的范围内，此时钢板的腐蚀大概在5%、10%和15%，相应的有效黏结长度实测值分别是90 mm、75 mm、65 mm。在试验进行过程，黏结力达到极限值之后又出现急速下降，且在黏结长度达到或超过90 mm的区域有剪力流发生。上述现象说明，CFRP和钢板在交界面附近的端部已经发生部分剥离且剪力流持续向下传递，但黏结力不再增加。该试验现象说明一旦黏结长度达到甚至超过规范有效黏结长度时，虽不能继续增加黏结力，但能一定程度上提高结构破坏时的延性[7]。

图4 钢板腐蚀程度对有效黏结长度的影响Fig.4 Effect of corrosion degree of steel plate on effective bond length

2.3.3 CFRP的宽度对有效黏结长度的影响

本次试验为探究CFRP的长度与腐蚀程度一样时，宽度对试件有效黏结长度的相关影响。设计制作了ZA-5、ZC-1和ZC-2这3组试件。该批试件的CFRP长度均控制在70～90 mm，应变片搜集的数据显示，当外荷载达到极限黏结力且黏结长度超过90 mm，此时粘贴30 mm、40 mm或50 mm宽的CFRP均对剪力流大小影响甚微，数值均很小，几乎忽略不计[8]，故CFRP的宽度对试件的有效黏结长度影响比较小。另外，黏结力达到峰值又急速下降的现象也表明黏结力一旦超过有效黏结力的极限值，增加值比较小，但CFRP与钢板的黏结破坏延性得到了一定的提高。

表6数据显示，CFRP宽度的增加能降低试件的黏结强度，CFRP和钢板的宽度比一旦不同，钢板对CFRP的有效约束也不同；当宽度比增大时，这种约束作用会变得越来越小，此时的黏结强度也会相应的随之降低，该结果与已有结论一致[9]。

表6 CFRP宽度对黏结力的影响Table 6 Effect of CFRP width on bond force

3 结语

本文通过力学性能试验，研究了CFRP的黏结长度、钢板腐蚀程度和黏结宽度等对试件有效黏结长度的影响，进而探究CFRP与钢板之间黏结性能的变化以及CFRP与钢板黏结面上的应力分布特点，为CFRP应用于钢闸门腐蚀加固方面提供参考和借鉴，结果表明：

1）在试件黏结端部，剪切应力随着力的传递沿受力方向逐渐降低，在端部时数值达到最大；当超过有效黏结长度时，剪切应力值和剪力流在伴随外荷载传递的过程中几乎可以忽略不计。

2）试件有效黏结长度为80 mm时，钢板与CFRP之间的黏结力、抗拉强度等随着钢板腐蚀程度的加深而减小，与CFRP的宽度没有明显的相关性。

3）通过分析试验数据，当CFRP宽度增大时，试件的峰值黏结力相应增大并与CFRP的宽度成正比。另外，试件的极限黏结力与其有效黏结长度有关，当有效黏结长度小于试件实际黏结长度时，黏结力的极限值基本维持不变，但黏结破坏的延性得到了一定的提高。