湿热环境下粘钢加固混凝土界面的粘结性能

姚国文 刘宇森 吴甜宇 李世亚

摘 要：钢板-混凝土界面粘结性能是粘贴钢板加固混凝土结构的关键所在。通过对湿热环境下27个钢板-混凝土试件进行试验研究，分别进行5天、10天、15天的加速湿热老化，然后进行双剪试验，获得了钢板-混凝土界面发生剪切剥离破坏过程中的极限荷载、钢板应变分布及荷载-位移关系，分析了环境温度、湿度耦合作用对钢板-混凝土界面粘结耐久性能的影响，并综合考虑钢板-混凝土的粘结破坏模式、受力过程、粘结界面相对位移发展规律，提出了粘结界面剪应力、滑移与温度和湿度相关的表达式，最后建立了考虑温度、湿度影响的粘结-滑移本构关系模型，数值模拟结果与试验结果吻合较好，论文结果可为指导粘钢加固混凝土结构设计以及耐久性理论研究提供参考依据。

关键词：粘贴钢板;湿热环境;粘结耐久性能;粘结滑移本构关系模型

中图分类号：TU511.352          文献标志码：A

Abstract：The interface performance between steel plate and concrete is the key to strengthened concrete structure. In this paper， there were 27 specimens carried out for steel plate bonded concrete under hydrothermal environment. And accelerated hydrothermal aging was respectively conducted in 5 days， 10 days and 15 days. Then the double- shear test was performed to obtain the ultimate load， strain distribution and relationship of load-displacement during the shear failure process on steel plate-concrete interface. After long term temperature and humidity coupling， the durability of the steel plate-concrete interface was studied. Considering the analysis of bond failure mode， loading process and the relative displacement evolution on bonding interface， the expression of shear stress and slip was proposed， which was related to temperature and humidity. Finally， the bond-slip constitutive model was established in consideration of the temperature and humidity. The numerical simulation results were in good agreement with the experimental results. The results of the paper provide reference for the design of the concrete structure with bonded steel plate and the durability theory.

Key words：bonded steel plate; hydrothermal environment; bonding durability; bond-slip constitutive model

粘貼钢板加固法是修复受损混凝土结构并延长其剩余使用寿命的常用加固方法，在广泛使用的同时存在着诸多耐久性问题[1]。而在西南地区的湿热环境长期作用下，胶粘剂的抗拉强度、弹性模量明显降低，环氧树脂的变形性能也会发生改变[2]，使得带裂缝工作的混凝土结构的碳化、化学腐蚀、钢筋锈蚀及粘钢材料界面滑移等耐久性能的劣化过程更容易进行，对加固结构的耐久性极为不利，不能满足正常使用寿命周期内的安全性、可靠性[3]。因此，湿热环境下粘钢加固混凝土结构的耐久性研究，具有重要的指导意义和工程价值。

钢板和混凝土之间良好的粘结性能保证了两者之间的荷载传递，直接关系着加固结构的效果[4]。 已有研究表明[5]，粘钢加固混凝土界面的粘结应力主要为剪应力，加固构件的失效形式不是加固材料的受拉破坏，而是在外贴钢板和混凝土界面粘结处，因抗剪承载力不足而引起的剥离失效。而实际工程结构中的腐蚀劣化环境会加速其脆性破坏，这种破坏不同于粘贴纤维补强聚合物（FRP）加固的软化段破坏，不仅造成钢材的浪费，而且影响加固结构的安全性。近年来，国内外学者采用试验方法和有限元模拟对粘钢加固混凝土结构的整体受力特性[6-7]、界面剥离行为[8]、疲劳性能[9]进行了研究，但考虑湿热环境下粘钢加固的耐久性研究较少涉足，而纤维粘贴加固在这方面的研究较多：Shrestha等[10]通过潮湿环境作用下的FRP与混凝土试样，研究了湿度对界面粘结强度及组成材料耐久性的影响;Dai等[11]考虑高温环境对FRP与混凝土界面粘结滑移行为的影响，从断裂力学角度确定了界面断裂能和脆性系数的双参数曲线模型;胡克旭等[12]研究了温度作用下的胶粘剂性能对碳纤维（CFRP）-混凝土界面有效黏结长度的影响，并以胶粘剂玻璃化温度与试验温度的温差值参数对存在胶体软化段的界面剪切性能进行修正及预测。然而，加固混凝土结构的耐久性试验研究都集中于单一环境温度或湿度，考虑温湿度耦合作用的试验研究较少涉及。

试件界面的破坏模式可能表现为钢板破坏、胶层破坏、界面表层混凝土破坏。图6（a）为室温环境下的破坏形态，钢板表面粘有一层骨料混凝土，破坏发生在表层混凝土;对比图6（b）湿热老化后的试件，可看见混凝土表面灰色的环氧粘钢胶，部分混凝土没有被粘下，试件破坏是胶层内部与表层混凝土的综合表现，说明湿热环境对粘结树脂产生了腐蚀，粘结树脂强度降低，湿热老化作用对界面粘结性能有不利影响。若在界面粘结剪切应力达到胶层抗剪强度前，钢板达到其极限拉应变，则会发生钢板被拉断的破坏，但钢板强度较大，不同的湿热老化环境和环境作用时间下，并未出现钢板被拉断的现象。因此，钢板-混凝土试件界面的破坏模式与湿热老化条件和胶层的抗剪强度有关，与钢板强度、混凝土性能、环境作用时间没有明显的相关性。

2.2 剪切粘结强度

由于25℃试件组所处环境对胶体的后固化作用[13]，未完全固化的胶体随温度升高而加速固化，这对界面粘结强度的有利影响大于湿热老化的不利因素，故相比于室温S组试件，A1、B1组的粘结强度有所提升。但是，胶体和混凝土具有不同的热膨胀系数，随着腐蚀时间延长，吸水老化后的胶体会在界面产生应力，湿热劣化因子对界面的影响逐渐占主导，引起界面粘结力退化，10天、15天湿热作用的B2、B3组粘结强度有明显下降;从60℃试件组来看，高温高湿状态下的C1、D1组试件，粘结强度相比于A1、B1组下降更为显著，说明实际环境中的温度、湿度不利因素，两者耦合作用下的影响比单一不利因素更大，随着劣化时间增加，这种湿热老化更为明显，15天湿热处理的D3组试件粘结强度较室温S组试件下降最大，达到9.32%。

另一方面，分别对比腐蚀5天的试验组A1和B1、C1和D1，仅在湿度变化下，粘结强度较室温组试件分别提高了7.49%和7.16%，降低了7.12%、8.19%，但两组对比都变化不大。这意味着湿度的改变对界面粘结强度的影响不敏感;但是，60℃湿热作用下的C1、D1组粘结强度较25℃作用的A1、B1组分别下降更多，说明随着温度的上升，粘结强度下降凸显，温度劣化对界面的粘结强度的影响更为敏感且大于25℃环境的后固化作用。同时，10天、15天腐蚀的D2、D3组试件在高温高湿条件下，环境中大量的水分子热作用加速，进入钢板与混凝土粘结界面的微小孔隙，扩散进入树脂后与环氧树脂大分子相结合，产生新的关联而引起大分子溶胀，使树脂材料变脆[14]，宏观力学性能表现在极限荷载下降显著，导致粘钢界面粘结性能的退化，直接影响粘钢加固结构的效果，这也进一步说明高温高湿环境耦合作用加速了界面剪切粘结强度的下降，本文从试件的宏观力学行为证明了这一点。

2.3 局部剪应力

图7示出了不同荷载水平下，试件各个应变测点间钢板与混凝土粘结面上局部平均剪应力随荷载变化的曲线。从图中可以看出：1）同一荷载等级下，剪应力主要分布在加载端45mm范圍内，远离加载端的剪应力偏小，呈现指数递减的趋势;2）随着荷载等级增加，胶层约束了钢板与混凝土间的相对位移并将荷载传递给钢板，距加载端45mm范围内的剪应力增加迅速，距加载端越远，胶层传递作用越弱，钢板传力区域即钢板量测到的应变向两端延伸;3）外荷载40kN作用下，相比于室温组试件，60℃/95%RH高温高湿环境处理15天的D3组试件在加固端45mm、45～80mm、80～115mm范围内的局部平均剪应力变化较大，分别从3.302MPa、1.624MPa、1.457MPa变为2.707MPa、1.925MPa、1.471MPa，说明高温高湿耦合作用下，界面从加载端向自由端的剪力传递更显著。

从总体上看，试件加载端45mm内主要承受外部荷载，湿热作用使得加载端45～115mm范围内的局部剪应力增长加快，剪应力的传递路径更快向自由端发展，并且在高温高湿环境作用下，靠近加载端的界面承担剪应力作用变小，较早出现损伤，进而导致粘钢界面的抗剪性能退化。

2.4 相对位移

图8为试件加载全过程中实测的荷载F与混凝土块相对位移x的关系曲线图，F-x曲线的斜率体现粘钢界面抵抗滑移变形的能力。加载初期，界面的变形随着荷载的增加而呈现线性变化;当荷载达到40kN以后，粘结界面开始出现损伤，位移呈现非线性的增长，刚度减弱;加载至极限荷载，界面剥离破坏。

通过千分表量测得到两个混凝土试块之间相对位移，不能精确地作为钢板-混凝土界面总的滑移量，却可以看出不同工况下的劣化规律。从图中可以看出：1）处于高温高湿状态60℃/95%RH条件下的D1组试件的F-x曲线斜率最大，即相同荷载下，钢板与混凝土结合面产生更大的位移，刚度变小，这是粘钢界面粘结性能退化的体现;2）D1组试件的极限荷载较其他工况试件最小，却在更小的极限荷载作用下，产生更大的极限位移，试件更易变形，说明高温高湿环境下，界面层受到的湿热腐蚀比其他组更严重;3）将60℃工况的高温高湿C1、D1组与25℃的常温高湿A1、B1组对比，C1、D1组的F-x曲线斜率更大，极限荷载更小，界面抵抗变形能力更弱，这是因为随着湿热劣化程度加深，在高温高湿耦合腐蚀下，相对位移更快地发展，粘钢界面的粘结性能退化更为严重。

3 粘结滑移模型

3.1 单线性的粘结-滑移模型

通过面内双剪试验测得钢板-混凝土界面剪切粘结强度，钢板厚度很小，可以认为钢板内的拉应力均匀分布，即钢板表面应变可以代表钢板内的拉伸应变。同时，考虑钢板和胶层为线弹性材料，钢板很薄，忽略抗弯刚度，仅考虑界面剪力传递作用[16]。图7为钢板微元体的静力平衡条件，推导出公式（3）来计算钢板与混凝土界面某点i处的粘结剪应力：

界面某点i的滑移量si是该点处钢板的滑移量与混凝土、环氧粘钢胶结合面的滑移量的差值。已有研究表明钢板截断处的相对滑移为0[1、17]，基于湿热老化试件的破坏模式是界面表层混凝土与胶层的综合表现，忽略界面较远处混凝土的剪切变形，界面胶层作为连接媒介，其粘结强度较钢板抗拉强度很小，忽略钢板变形。通过钢板上的应变（环氧粘钢胶界面结合层在混凝土块受拉后的总变形），从钢板自由端向加载端，按公式（4）数值积分得到界面某点i处粘结滑移：

按式（3）、（4）计算不同荷载等级下粘结界面的滑移和粘结剪应力，得到粘结剪应力-滑移关系曲线，图10为两个室温组试件的粘结-滑移曲线，其拟合参数的R2为0.98，SSE非常接近0。从图中看出，试验数据均匀分布在拟合直线附近，随着滑移量的增加，粘结剪应力呈现明显的线性特征，贴合相对位移的发展规律。当粘结应力达到最大值时，试件直接剥离破坏，钢板上量测不到应变，滑移量为0，这不同于FRP加固时软化段破坏的下降段。

3.2 湿热环境粘结-滑移本构模型

从图中看出，不同试验工况的温度、湿度代入模型后，數值模拟结果与试验数据吻合良好，表明该本构模型能够正确描述湿热环境影响下界面的抗剪受力行为。在图13（b）、（d）中，B、D组10天、15天的粘结-滑移曲线大致符合模型规律，却具有更小的斜率，即相同剪应力作用下，10天、15作用的试件具有更大的位移，说明湿热作用时间对粘结界面的强度有影响，本文模型能准确描述不同湿热耦合环境的影响，但不能精确考虑湿热作用时间因素。同时，在钢板剥离发生脆性破坏时存在很强的离散性，随着湿热环境作用时间的持续，混凝土材料的变形及测试中夹具滑移使试验离散性增强，部分试验数据存在跳跃。

4 结论

1）钢板与混凝土界面的破坏模式为表层混凝土与胶层的综合表现，界面达到粘结强度后直接剥离破坏，受湿热作用影响，与结构胶性能有关。

2）温度劣化对钢板-混凝土界面粘结强度的影响敏感，而高温高湿耦合作用会加速界面粘结性能的退化，粘结强度较室温组试件最大降低9.32%;随着湿热老化天数延长，粘结性能进一步劣化。

3）高温高湿状态对钢板-混凝土界面粘结性能有较大不利影响，其实质是界面粘结胶层在湿热老化过程中性能退化，使剪应力从加载端更快向自由端发展，粘结刚度下降，对界面耐久性损伤加剧。

4）本文提出粘钢加固界面在湿热耦合作用下的粘结-滑移本构模型，该模型与试验结果吻合较好，可为实际加固工程应用和相应规范编制提供参考。

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（编辑：胡玲）