内嵌碳纤维增强复合材料板-混凝土界面黏结性能试验研究

曲福来, 许哲, 于涛, 宋康康

(华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450045)

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)具有轻质、高强和耐腐蚀等特点，被广泛应用于各种劣化结构的加固中[1]。按照CFRP的粘贴位置可分为表面粘贴法(外贴法)和表层嵌贴法(内嵌法)。与外贴法相比，内嵌法先对混凝土开槽，然后在槽内注胶并将CFRP嵌入，因而CFRP材料能更好地受到保护，抗冲击性和耐久性较好，也能防止火和外力作用对材料的破坏，尤其适用于对恶劣环境中的混凝土结构的加固[2-5]。由于内嵌CFRP法的这些优点，在工程中具有较好的应用前景。

采用内嵌CFRP法对结构进行加固，其中一个关键的问题就是CFRP与混凝土的黏结性能问题。已有研究表明，内嵌CFRP与混凝土的黏结承载力随着黏结长度的增加而增大，但黏结长度超过某一临界长度时，黏结承载力不会增加[6-7]。混凝土强度的提高能够约束槽内的胶层，延缓CFRP与胶层界面的剥离过程，从而可以提高黏结承载力[8-9]。文献[10]研究表明，槽边距只要满足40 mm长度，对试件的承载力几乎没有影响；另外，开槽尺寸对黏结承载力影响较小，但考虑到槽内胶的填充质量，应有一个最佳的开槽尺寸。文献[11]采用不同黏结材料开展研究发现，水泥砂浆作为黏结剂，其承载力比环氧树脂和环氧砂浆的低很多，环氧树脂试件的承载力最好。文献[12]研究表明：采用砂浆作为黏结剂，CFRP筋与混凝土的黏结承载力取为环氧树脂黏结承载力的50%左右，在筋表面进行粘砂处理后，黏结承载力虽然有所提高，但仍低于未处理表面采用环氧树脂黏结试件的。采用内嵌CFRP法进行加固时，由于黏结试件存在2个界面：CFRP与胶体界面、胶体与混凝土界面。在外力的作用下会在较薄弱的一个界面发生剥离破坏，这将增加内嵌CFRP与混凝土的剥离荷载计算的复杂性[13]。

综上所述，内嵌CFRP板与混凝土的黏结性能受多种因素的影响，目前，对黏结承载力的研究较少。因此，本文考虑混凝土强度、黏结长度和CFRP板不同处理方式等因素，开展了内嵌CFRP板与混凝土黏结性能的研究，通过分析界面黏结应力分布规律来探究各因素对黏结应力的影响规律，并给出界面剥离承载力的计算公式，为相关研究提供参考。

1 试验概况

本次试验考虑了混凝土强度、黏结长度和CFRP板黏结方式3种因素，共制作了18组54个CFRP-混凝土黏结试件。混凝土设计强度等级分别是C25、C35和C50，混凝土的配合比设计见表1。内嵌黏结长度有150 mm和200 mm两种。CFRP板的黏结方式有3种：①直接使用环氧树脂作为黏结剂；②先在CFRP板表面均匀涂抹薄层环氧树脂胶，再均匀撒上一层石英砂并自然晾干，再使用环氧树脂作为黏结剂；③石英砂与环氧树脂1∶2混合均匀后作为黏结剂。

表1 混凝土配合比设计 kg

试验选用厚度为1.2 mm的CFRP板，抗拉强度为2 257 MPa，受拉弹性模量为150 GPa。试验所用的结构胶为环氧树脂浸渍胶，胶体的抗裂抗拉强度≥8.5 MPa。

黏结试件开槽及尺寸如图1所示，开槽宽度为6 mm、槽深为30 mm，为避免混凝土端部发生拉剪破坏，在CFRP的加载端一侧预留50 mm的非黏结段。为了在试验中获得CFRP板应变分布情况，在每个板上布置7个应变片。试件制作完成后，放入恒温、恒湿的养护室养护7 d。

图1 试件开槽及尺寸(单位：mm)

本试验采用专门装置进行加载，将黏结试件固定好后，加载端CFRP板用夹具固定并张拉。CFRP板的黏结力及滑移量分别通过荷载和位移传感器量测，所有试验数据通过静态数据系统自动采集并存储。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

内嵌CFRP板黏结试件开始加载后荷载缓慢增加，到极限荷载的70%左右，可听见一次较大的响声，此时加载端CFRP板应变迅速增大，CFRP板与环氧树脂开始发生剥离。随着荷载继续增大，离加载端较远的应变片也出现了应变，此时试件进一步剥离，最后剥离到达自由端时又发出一声巨响，荷载突降，CFRP板被缓慢拉出。本次试验所有试件均发生CFRP板拔出破坏，可明显观察到板与胶层之间的滑移，如图2所示。

图2 CFRP板拔出破坏

2.2 平均黏结强度

试验得到的18组试件黏结力均表现为随黏结长度的增大而提高，只使用环氧树脂作为黏结剂的试件，试验所得的黏结强度最大。但由于受力后CFRP板黏结区域各位置应变不同，从而造成与混凝土界面的黏结应力也不同，黏结长度对黏结力的提高作用有所降低[13]。为了从整体上评价黏结效果，可以采用平均黏结强度作为衡量指标，用下式表示：

τave=Pu∑(bfla)-1。

(1)

式中：τave为试件的平均黏结强度；Pu为CFRP板与混凝土的极限承载力；bf为CFRP板宽；la为黏结长度。

图3为平均黏结强度随混凝土立方体抗压强度变化的情况。

由图3可见，CFRP板与混凝土的黏结强度随混凝土强度的提高而增大。以黏结长度为200 mm的A组试件为例，混凝土抗压强度从27.8 MPa增加到38.7 MPa，黏结强度提高了14.9%;抗压强度从38.7 MPa增加到51.3 MPa时，黏结强度提高了1.6%。这说明混凝土的强度对CFRP与混凝土的黏结强度有一定的提高作用，但随着混凝土强度越来越大，CFRP板对混凝土的黏结强度的提高作用减慢，其他各组试件也有类似的规律。

图3 平均黏结强度随混凝土强度的变化

图3中，采用2种方式处理内嵌CFRP板与混凝土的黏结面，在混凝土设计强度等级为C25和C35时，并未发现CFRP板表面环氧石英砂涂层(B组)、环氧石英砂作为黏结剂(C组)有明显的增强效果。原因是，由于是冬季试验(试验温度10～15 ℃)，低温对黏结胶的工作性能带来不利影响。另外，由于碳纤维板表面的涂层，带来板厚度的增加，开槽的宽度也随之增加，以确保粘胶的最佳厚度。当混凝土设计强度等级为C50时，由图3可以发现，采用环氧石英砂作为黏结剂的C组试件平均黏结强度最大。

2.3 CFRP板应变及黏结应力

CFRP板与混凝土之间的黏结应力无法通过试验直接得到，但可以通过CFRP板的应变分析间接得到。图4为试件C25A-200在各级荷载下采集到的应变分布。

由图4可以发现：加载初期，CFRP板只在加载端附近的区域产生应变，自由端附近的应变为零，此时应变的传递区域较小；随着荷载的不断增加，加载端的应变随之增大，并向自由端传递。

为了分析CFRP板与混凝土之间的黏结应力，取长度为dx的CFRP板微段作为研究对象，微段的受力情况如图5所示。

图5 CFRP板微段受力图

图5中：i和i-1分别为沿CFRP板长度方向的位置编号；σf为截面i处的正应力；dσf为正应力增量；τf为第i点和第i-1点之间板段上的平均黏结应力。

假定CFRP板在特定截面上的轴向应力均匀分布，且相邻2个横截面之间的应变线性变化，黏结应力出现在CFRP板的正面和背面。通过CFRP板微段受力平衡，由差分法计算得到局部黏结应力为[13]：

(2)

式中：εf,i、εf,i-1分别为第i点和第i-1点的应变值;xi、xi-1分别为第i点和第i-1点距加载端的距离；tf、Ef分别为CFRP板的厚度和弹性模量。

通过公式(2)计算得到黏结应力随荷载变化的规律，如图6所示。

图6 试件C25A-200在各级荷载下的黏结应力分布

图6中，在加载初期，黏结应力分布在距加载端不超过60 mm的范围内，且从加载端到自由端逐渐减小至零；随着荷载的增大，加载端黏结应力也相应增大，黏结应力开始向自由端传递；当接近极限荷载时，黏结区域传递到了自由端附近，之后试件发生剥离破坏。

2.4 界面剥离承载力模型

通过对本次试验数据的分析，内嵌CFRP板与混凝土界面的剥离承载力Pu可以采用下式进行计算：

(3)

式中：α为系数，取0.85；β为粘贴方式影响系数，对3种方式经数据回归可分别取1.00(环氧树脂)、0.95(环氧石英砂涂层)和0.90(环氧石英砂)；fcu为混凝土立方体抗压强度；la为黏结长度，超过200 mm时取200 mm。

计算后将剥离承载力模型与试验结果进行对比，具体结果见表2。由表2知：计算值与试验值比值的平均值为1.01，方差为0.015，该模型与试验值吻合较好，可供内嵌CFRP板与混凝土黏结力计算时参考。

表2 CFRP板与混凝土剥离承载力的试验值和计算值的比较

续表

说明：试件编号中A代表只填充环氧树脂，B代表环氧石英砂涂层，C代表环氧石英砂填充，下标test代表试验值，下标cal代表计算值。

3 结语

1)采用3种处理方式处理内嵌的CFRP板，拉拔试验表明，试件发生CFRP板的拔出破坏。随着混凝土强度的提高，CFRP板与混凝土界面的平均黏结强度增大。

2)环氧石英砂涂层和环氧石英砂作为黏结剂的增强效果不显著，本文分析了其可能原因并给出了解决的方法。通过CFRP板的应变得到黏结应力分布的规律，该规律能够较好地揭示内嵌CFRP板混凝土的剥离过程。

3)考虑混凝土强度、黏结面积和粘贴方式，文中提出了内嵌CFRP板与混凝土发生界面剥离时的黏结力公式，该公式形式简单，且公式的计算结果与试验结果吻合较好，可供相关计算时参考。