張超，袁兵，張京街

（重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400016）

引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP，F(xiàn)iber Reinforced Polymer）因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工方便、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程尤其是結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是在梁、板受拉面粘貼FRP片材提高其受彎承載力。對(duì)于粘貼FRP加固鋼筋混凝土（RC，Reinforced Concrete）系統(tǒng)來說，是通過粘結(jié)層來實(shí)現(xiàn)混凝土和FRP片材之間的內(nèi)力傳遞，能否保證可靠粘結(jié)直接決定著FRP加固系統(tǒng)的有效性。

粘貼FRP進(jìn)行抗彎加固用的片材，在歐洲和北美多用FRP板，而在我國(guó)和日本，纖維布應(yīng)用更廣泛些。FRP布本身由連續(xù)的長(zhǎng)纖維編織而成，使用前不浸漬樹脂，用于結(jié)構(gòu)加固時(shí)，用樹脂浸漬后粘貼于結(jié)構(gòu)表面；FRP板是將纖維經(jīng)過層鋪、浸漬樹脂、固化成型等工序制成，本身含有浸漬樹脂，使用時(shí)用粘接劑粘貼于結(jié)構(gòu)表面。FRP是由纖維與樹脂等聚合材料基體混合后形成的高性能材料。在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用比較多的纖維材料是碳纖維和玻璃纖維，結(jié)構(gòu)加固中碳纖維用的最多；樹脂基體則以環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂和聚酯樹脂最為常見。粘接劑通常采用環(huán)氧樹脂或改性的環(huán)氧樹脂。

FRP纖維幾乎不受高溫條件影響，但樹脂基體和粘接劑在高溫條件下會(huì)發(fā)生軟化和性能衰退，從而影響FRP加固系統(tǒng)的有效性。土木工程中常用FRP復(fù)合材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度通常在65℃～120℃，拉擠成型復(fù)合材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度通常在140℃以上，而常用結(jié)構(gòu)粘接劑的玻璃轉(zhuǎn)化溫度要低一些，通常在45℃～82℃，因此粘接劑在高溫條件下的性能變化往往是影響粘貼FRP加固系統(tǒng)的有效性的關(guān)鍵因素。

本文介紹了樹脂等聚合材料性能隨溫度變化的內(nèi)在機(jī)理，對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者高溫條件下粘結(jié)材料力學(xué)及粘結(jié)性能方面一些有代表性的試驗(yàn)和理論研究成果進(jìn)行了匯總梳理，并基于成果分析，提出了粘貼FRP加固系統(tǒng)高溫粘結(jié)性能的一些共識(shí)性的結(jié)論和需要解決的問題。

1 聚合材料性能隨溫度變化機(jī)理

圖1 聚合物材料內(nèi)部連接示意圖

FRP材料的樹脂基體和結(jié)構(gòu)用粘結(jié)劑通常是兩元材料混合而成的熱固化聚合材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連接分為兩大類：第一類是分子內(nèi)共價(jià)鍵連接，這類連接構(gòu)成聚合物鏈條的基本骨架，基本不受溫度變化影響；第二類是范德瓦爾斯引力、氫鍵等分子間相對(duì)比較弱的次級(jí)連接，這類連接將聚合物鏈條粘接在一起，在溫度升高過程中會(huì)出現(xiàn)松弛和破壞，導(dǎo)致材料力學(xué)性能發(fā)生變化。兩類連接的離解能可以相差數(shù)十倍，如圖1所示。

在材料內(nèi)部等溫的條件下，聚合材料力學(xué)性能隨溫度升高的變化大致分為三個(gè)階段：第一階段是玻璃態(tài)階段，這時(shí)次級(jí)連接受拉但并未破壞，個(gè)別連接出現(xiàn)松弛（β-轉(zhuǎn)化），材料力學(xué)性能基本穩(wěn)定；第二階段是玻璃轉(zhuǎn)化階段，在材料達(dá)到其界限軟化溫度（Tcr）后，二類連接發(fā)生破壞（α-轉(zhuǎn)化），力學(xué)性能迅速降低；第三階段是達(dá)到融化溫度（Tm）后，材料呈橡膠態(tài)，力學(xué)性能趨于穩(wěn)定，直到溫度繼續(xù)升高時(shí)，開始出現(xiàn)熱分解（第四階段），見圖2。

圖2 聚合材料性能隨溫度變化

這里一個(gè)很重要的概念是聚合材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg），F(xiàn)RP復(fù)合材料性能在溫度接近其樹脂基體玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）時(shí)會(huì)發(fā)生明顯劣化。Tg通常取玻璃轉(zhuǎn)化區(qū)段的中間溫度，實(shí)際中可通過差示掃描量熱儀 （DSC，Differential Scanning Calorimetry）或動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析 （DMTA，Dynamic Mechanical Thermal Analysis）等方法測(cè)定。兩種方法原理不同，測(cè)量的參數(shù)也不同，差示掃描量熱法是一種熱測(cè)試方法，通過在程序溫度控制下測(cè)量和記錄材料樣品與對(duì)照物之間功率差隨溫度的變化來確定玻璃轉(zhuǎn)化溫度；動(dòng)態(tài)熱力分析法測(cè)量材料存儲(chǔ)（彈性部分）模量（E'）和損耗（塑性部分）模量（E''）等參數(shù)的變化，通過識(shí)別材料衰減變化中E''/E'的極值，來確定玻璃轉(zhuǎn)化溫度。需要注意的是，同樣材料兩種方法得到的Tg值可能相差比較大。另外一個(gè)概念是熱分解溫度（Td），溫度達(dá)到熱分解溫度后聚合材料開始?xì)饣瘬]發(fā)，此時(shí)材料已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重、不可逆的化學(xué)分解過程，熱重分析（TG或TGA，Thermogravimetric Analysis）有時(shí)用來確定材料的熱分解溫度，常見聚合材料的熱分解溫度通常不低于300℃～400℃。

粘結(jié)材料的物理狀態(tài)和力學(xué)性能與材料的固化程度（α）有關(guān)，而固化反應(yīng)受固化養(yǎng)護(hù)溫度的影響：當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度Tcure＞Tg時(shí)，因受化學(xué)動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)，固化反應(yīng)很快；當(dāng)Tcure＜Tg時(shí)，固化過程會(huì)因?yàn)椴牧喜ＡЩ筒ＡЩ^程中的擴(kuò)散控制反應(yīng)而變得緩慢；當(dāng)Tcure≈Tg時(shí)，出現(xiàn)玻璃化反應(yīng)，材料開始固化。Tg本身也會(huì)隨著固化逐漸完成而升高。根據(jù)Moussa et al.[1]的研究，試驗(yàn)采用Sikadur-30粘接劑 （按廠家提供數(shù)據(jù)，45℃條件下固化7天測(cè)定的Tg為62℃），固化養(yǎng)護(hù)溫度為70℃時(shí)，幾小時(shí)就達(dá)到穩(wěn)定，測(cè)定的Tg值約為56℃，比廠家提供的數(shù)據(jù)略低；在25℃條件下固化時(shí)，幾個(gè)小時(shí)時(shí)間Tg值可以達(dá)到25℃，1天可以達(dá)到45℃左右；在5℃條件下固化時(shí)，12h后Tg值仍然在0℃以下，3天時(shí)間Tg值也僅能達(dá)到20℃。

2 溫度對(duì)材料力學(xué)及粘結(jié)性能的影響

2.1 高溫力學(xué)性能研究

Bascom and Cottington[2]在1976年就進(jìn)行了溫度對(duì)環(huán)氧樹脂粘接材料力學(xué)性能影響的研究，指出在50℃（粘接材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為68℃，測(cè)定方法沒有報(bào)道）時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度降低了35%。

Plecnik[3]進(jìn)行了高溫條件下環(huán)氧樹脂壓、拉、剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)溫度接近其玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）時(shí)，強(qiáng)度出現(xiàn)明顯降低，超過Tg后強(qiáng)度幾乎為0。

Foster and Bisby 2008[4]對(duì)FRP加固系統(tǒng)進(jìn)行了一系列高溫（持續(xù)時(shí)間3h）冷卻后試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用Tyfo S和MBrace兩種環(huán)氧樹脂。熱重分析（TGA，Thermogravimetric Analysis）結(jié)果表明，兩種樹脂在800℃時(shí)的質(zhì)量損失均達(dá)到90%，其中有80%～90%的損失發(fā)生在300℃～400℃溫度區(qū)段，Tyfo S樹脂在300℃之前幾乎無任何質(zhì)量損失，而MBrace樹脂質(zhì)量損失接近10%。樹脂試件拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)中，Tyfo S樹脂在200℃時(shí)拉伸強(qiáng)度幾乎無明顯變化，在250℃時(shí)強(qiáng)度損失超過40%；MBrace樹脂在溫度達(dá)到150℃之前，拉伸強(qiáng)度有少許增加 （約8%），而在150℃～200℃之間，強(qiáng)度損失達(dá)90%。熱重分析與拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來看，樹脂質(zhì)量的少許損失（5%）對(duì)應(yīng)著拉伸強(qiáng)度的巨大損失（90%）。

Ferrier et al.2016[5]對(duì)濕鋪疊法用樹脂材料和拉擠成型FRP粘接用粘結(jié)劑分別進(jìn)行了高溫拉伸性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，樹脂基體在40℃時(shí)，拉伸性能（強(qiáng)度、彈性模量）有所減小，在溫度達(dá)到80℃時(shí)發(fā)生明顯降低（超過10倍降低），而粘結(jié)劑材料在40℃時(shí)有輕微減小，50℃時(shí)減小已經(jīng)明顯，而在80℃～100℃時(shí)，彈性模量已完全喪失。兩種樹脂材料的拉伸強(qiáng)度在80℃～100℃時(shí)均降到了跟混凝土抗拉強(qiáng)度一個(gè)數(shù)量級(jí)。在低溫條件下（樹脂基體試驗(yàn)溫度-30℃，粘結(jié)劑試驗(yàn)溫度-20℃），材料彈性模量均有升高，而拉伸強(qiáng)度則有所降低。

付素娟等[6]對(duì)粘碳纖維布結(jié)構(gòu)膠和粘鋼結(jié)構(gòu)膠在常溫及高溫冷卻后的拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，加熱溫度 （20℃～150℃）和持續(xù)時(shí)間（30～120min）均影響結(jié)構(gòu)膠的抗拉強(qiáng)度，在溫度不超過90℃，加熱時(shí)間對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響不明顯，抗拉強(qiáng)度在一個(gè)低于常溫下抗拉強(qiáng)度的值（約70%）附近波動(dòng)，當(dāng)溫度為120℃和150℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨持續(xù)時(shí)間增加而下降，粘碳纖維布結(jié)構(gòu)膠在加熱時(shí)間分別為60min和30min后趨于穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度值約為常溫下抗拉強(qiáng)度的57%。

劉凱等[7]對(duì)建筑結(jié)構(gòu)常用的加固膠材料進(jìn)行了常溫和超常溫試驗(yàn)，進(jìn)行了36個(gè)試件的粘接抗拉試驗(yàn)和18個(gè)試件的粘接剪切試驗(yàn)，抗拉試驗(yàn)溫度在18.5℃～120℃，剪切試驗(yàn)溫度在25℃～60℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對(duì)材料性能的影響較顯著，溫度在18.5℃～60℃時(shí)粘接抗拉強(qiáng)度下降明顯，之后趨于穩(wěn)定，60℃～120℃時(shí)抗拉強(qiáng)度只有常溫下抗拉強(qiáng)度的29.1%～37.2%，120℃后結(jié)構(gòu)膠基本處于液態(tài)，失去粘結(jié)作用；溫度升高至45℃后，結(jié)構(gòu)膠開始軟化，剪切強(qiáng)度和剪切模量均明顯下降。

Moussa et al.2012[8]采用結(jié)構(gòu)工程中常用的Sikadur-30粘接劑 （按廠家提供數(shù)據(jù)，45℃條件下固化7天測(cè)定的Tg為62℃）進(jìn)行了熱物理和熱力學(xué)性能試驗(yàn)。常溫條件（20℃）固化的樣品測(cè)量的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為45.6℃，固化率為94.3%。熱物理性能試驗(yàn)中，在60（稍微高于Tg）、100（橡膠態(tài)溫度）和150℃（接近熱分解溫度）下分別持續(xù)0.5h、2h和4h（來反應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)應(yīng)用情況，如在瀝青鋪設(shè)階段橋面板溫度可以達(dá)到90℃～120℃，然后在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)降到Tg以下），結(jié)果表明，在150℃溫度下持續(xù)0.5h，Tg會(huì)從45.6℃上升到62℃，持續(xù)時(shí)間為4h時(shí)，Tg會(huì)上升到72℃。熱力學(xué)性能試驗(yàn)分為三組：高溫試驗(yàn)；單次高溫（超過常溫條件下測(cè)定的Tg）-常溫（不低于20℃）試驗(yàn)；8次高溫（超過常溫條件下測(cè)定的Tg）-常溫（不低于20℃）循環(huán)。高溫試驗(yàn)結(jié)果表明，材料性能在40℃時(shí)開始從線彈性向粘彈性變化，在60℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別從常溫下的45.0MPa和14.1GPa下降到5.27MPa和14.1GPa。Tg在40℃以下時(shí)，基本不受溫度或持續(xù)時(shí)間影響，但在50℃（超過常溫條件下測(cè)定的Tg）時(shí)，持續(xù)時(shí)間對(duì)性能影響很大，時(shí)間較短時(shí)（0.5h），材料呈粘彈性，而隨著時(shí)間增長(zhǎng)，材料會(huì)在高溫下進(jìn)一步固化，Tg相應(yīng)增加。單次高溫-冷卻試驗(yàn)結(jié)果表明，拉伸強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的變化曲線與高溫試驗(yàn)相近，但整體向溫升方向移動(dòng)；高溫溫度越高，恢復(fù)到Tg以下的拉伸強(qiáng)度和彈性模量越大，原因是高溫條件下材料會(huì)進(jìn)一步或者完成固化。對(duì)試件在30℃～60℃區(qū)段進(jìn)行8次加熱-低溫循環(huán)，試件性能未見明顯損失。Moussa et al.分別使用Machieux and Reifsnider 2001[9]和 Gibson et al.2006[10]進(jìn) 行 了 試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，得到相應(yīng)參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)兩種模型均可用于Tg的預(yù)測(cè)分析，可能是因?yàn)椴捎玫腡g測(cè)定方法不同（Gibson et al.2006采用DSC方法，而Moussa et al.2012模型采用DMA方法），Gibson et al.2006模型更精確一些。在Gibson et al.模型的基礎(chǔ)上，引入試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得到的Tg變化，可以比較好地預(yù)測(cè)單次高溫-低溫循環(huán)的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，而對(duì)8次高溫-低溫循環(huán)試驗(yàn)，使用累計(jì)加熱時(shí)間，模型預(yù)測(cè)結(jié)果跟試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，冷卻過程并不會(huì)對(duì)結(jié)果有明顯的影響。

2.2 高溫粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

Foster and Bisby 2008[4]FRP-FRP試件粘接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度不超過250℃以下時(shí)，各試件粘結(jié)強(qiáng)度損失均不超過20%，但隨后在溫度尚低于樹脂基體玻璃轉(zhuǎn)化溫度約100℃時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生突然、明顯下降。FRP-混凝土試件粘接強(qiáng)度試驗(yàn)中，在溫度不超過140℃（超過粘結(jié)劑Tg約70℃）以下時(shí)，各試件粘結(jié)強(qiáng)度損失均不超過20%，破壞發(fā)生在粘結(jié)界面下的淺層混凝土，當(dāng)溫度在180℃及以上時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度幾乎全部喪失，破壞發(fā)生在粘結(jié)層。FRP-混凝土粘結(jié)強(qiáng)度受溫度影響明顯，作者給出的解釋為可能是因?yàn)榛炷林凶杂伤衷诟邷叵抡舭l(fā)，粘結(jié)劑吸收水分后引起性能損傷。

Blontrock 2003[11]對(duì)FRP片材通過環(huán)氧樹脂（Tg為62℃）粘結(jié)的混凝土試塊在不同溫度條件下 （試驗(yàn)溫度20℃～70℃）進(jìn)行了雙面剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在40℃、55℃和70℃時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度分別為20℃時(shí)的141%、124%和82%，在低于粘結(jié)劑玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)隨溫度升高粘結(jié)強(qiáng)度比常溫下要高，破壞形式也由常溫條件下的混凝土表面淺層粘結(jié)破壞變?yōu)楦邷貢r(shí)的粘結(jié)劑-混凝土界面粘結(jié)破壞。 Klamer 2009[12]的試驗(yàn)研究得出了跟Blontrock 2003類似的結(jié)果。

Wu et al.2005[13]對(duì)FRP布通過環(huán)氧樹脂（Tg為34℃～38℃）粘結(jié)的混凝土試塊在不同溫度條件下（試驗(yàn)溫度26℃～50℃）進(jìn)行了雙面剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度升高持續(xù)降低，在50℃時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度為常溫時(shí)的40%，破壞形式也由常溫條件下的混凝土表面淺層粘結(jié)破壞變?yōu)楦邷貢r(shí)的粘結(jié)劑-混凝土界面粘結(jié)破壞。Gamage et al.2005[14]進(jìn)行了單面剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果跟Wu et al.2005類似。

Firmo et al.2015[15]對(duì)FRP片材通過環(huán)氧樹脂（DMA試驗(yàn)測(cè)定的Tg為47℃）粘結(jié)的混凝土試塊在不同溫度條件下（試驗(yàn)溫度20℃～120℃）進(jìn)行了雙面剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度升高持續(xù)降低，高溫條件下粘結(jié)劑內(nèi)部應(yīng)力分布更均勻，破壞模式會(huì)從常溫條件下的混凝土表面淺層粘結(jié)破壞變?yōu)楦邷貢r(shí)的粘結(jié)劑-混凝土界面粘結(jié)破壞。“加熱-恒溫加載”和“加載-恒載加熱”試驗(yàn)結(jié)果相差不大，120℃的粘結(jié)強(qiáng)度為常溫條件下的23%。

Burke et al.2013[16]對(duì)采用Sikadur 330環(huán)氧樹脂（DMA試驗(yàn)測(cè)定的Tg為59℃）粘接FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)在不同溫度條件下（21℃、100℃、200℃）的試驗(yàn)結(jié)果表明，21℃時(shí)試件破壞荷載為34.9kN，100℃條件下試件在20kN恒載條件下可以持續(xù)4h后未見破壞，后加載至30.1kN時(shí)發(fā)生破壞，破壞荷載為常溫時(shí)的86%；200℃時(shí)試件在20kN恒載條件下堅(jiān)持84min后發(fā)生破壞，破壞形式均為粘結(jié)破壞?；谠囼?yàn)結(jié)果，作者提出FRP加固系統(tǒng)在使用荷載條件下，有潛力在短暫時(shí)間（以小時(shí)計(jì)）內(nèi)承受超過粘結(jié)材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度的高溫作用。

Ferrier et al.2016[5]對(duì)濕鋪疊法和粘接拉擠成型FRP兩種FRP加固系統(tǒng)分別進(jìn)行了高溫和低溫粘結(jié)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，濕鋪疊法FRP加固系統(tǒng)在低溫（-40℃）時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度有輕微減小（5%），溫度升高時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度先是有所增加，后面逐漸減小，在80℃時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度降到常溫時(shí)的30%，而粘結(jié)拉擠成型FRP加固系統(tǒng)，在-20℃時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度較常溫下降低了40%，而在溫度升高時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度持續(xù)降低，在100℃～110℃時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度降低30%，在120℃時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度幾乎完全喪失。破壞形式均有一個(gè)從粘結(jié)界面下的淺層混凝土破壞到粘結(jié)層破壞的轉(zhuǎn)變，但發(fā)生溫度不盡相同，對(duì)濕鋪疊法FRP加固系統(tǒng)是發(fā)生在40℃～60℃，對(duì)粘接拉擠成型FRP加固系統(tǒng)發(fā)生在110℃～120℃。

Leone et al.2009[17]試驗(yàn)研究了環(huán)境溫度變化（20、50、65和80℃）對(duì)FRP-混凝土試件粘接性能的影響。試驗(yàn)采用了三種不同的FRP材料：濕鋪疊法制作的CFRP、GFRP布、拉擠成型法制作的CFRP片材。CFRP布試件在溫度低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)極限載荷隨溫度升高而增長(zhǎng)，而超過玻璃轉(zhuǎn)化溫度后隨溫度升高而降低。GFRP布試件只在20℃和80℃兩個(gè)溫度下進(jìn)行了試驗(yàn)，80℃的極限載荷比20℃時(shí)明顯降低。而CFRP片材試件的試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)不同的規(guī)律，50℃的極限載荷比20和80℃時(shí)都低，當(dāng)然可能是由于試件制作時(shí)粘結(jié)劑沒能很好的浸入混凝土，從而影響了試件的粘接性能。

2.3 高溫粘結(jié)性能理論模型研究

Dai et al.2013[18]在其2005年提出的兩參數(shù)（界面斷裂能、界面脆性指數(shù)）粘結(jié)滑移模型基礎(chǔ)上，考慮溫度對(duì)FRP材料性能以及粘接劑玻璃轉(zhuǎn)化溫度的影響，提出了一個(gè)非線性粘結(jié)滑移模型?；趯?duì)79個(gè)FRP-混凝土試件在不同溫度條件 （4℃-180℃）下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，考慮溫度影響的界面斷裂能和界面脆性指數(shù)參數(shù)，模型分析結(jié)果能較好地模擬所采用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

Gao et al.2012[19]基于雙線性粘結(jié)-滑移模型建立了可反映FRP-混凝土在溫度和荷載共同作用下的變形過程的分析模型。分析結(jié)果表明，在不考慮溫度對(duì)材料性能影響的條件下，溫度升高會(huì)提高粘結(jié)破壞強(qiáng)度，而溫度降低則會(huì)降低粘結(jié)破壞強(qiáng)度。

Rabinovitch 2010[20]采用高階應(yīng)力分析和斷裂力學(xué)理論建立了溫度對(duì)粘貼FRP加固混凝土梁界面剝離影響的理論分析模型。對(duì)一個(gè)粘貼FRP加固混凝土簡(jiǎn)支梁的分析結(jié)果表明，溫度升高至50℃時(shí)，破壞荷載較20℃時(shí)降低了17%，而溫度降至-10℃時(shí)，破壞荷載提高了9%，不過模型沒有考慮溫度對(duì)界面斷裂能的影響。

以上模型大都是基于事先假定的、通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得到的粘結(jié)-滑移關(guān)系，都沒有考慮熱力場(chǎng)引起材料軟化及強(qiáng)度衰退等破壞的影響，而且模型都是基于斷裂能量在樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度之前保持穩(wěn)定，而在溫度達(dá)到玻璃轉(zhuǎn)化溫度后出現(xiàn)突然的急劇降低。Ferrier et al.2016[5]指出FRP加固系統(tǒng)粘結(jié)性能不僅要考慮樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度的影響，還要考慮溫度對(duì)系統(tǒng)斷裂能量的影響，在引入斷裂能量隨溫度（接近室溫開始）逐漸變化模型基礎(chǔ)上，提出了新的斷裂分析模型。

基于斷裂力學(xué)原理，同時(shí)考慮高溫引起的材料軟化及性能衰退，Caggiano and Schicchi 2015[21]采用基于斷裂能的彈性-熱-塑性界面模型，提出了模擬FRP-混凝土界面高溫粘結(jié)性能的熱力學(xué)模型。該模型使用Klamer 2009[12]試驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的斷裂能-溫度曲線來考慮溫度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度及軟化性能參數(shù)的影響，模型分析結(jié)果較好地預(yù)測(cè)了FRP-混凝土在常溫及高溫條件下粘結(jié)性能（粘結(jié)-滑移、粘接剪切應(yīng)力、FRP應(yīng)變分布等）。

3 討論

基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者高溫條件下粘結(jié)材料力學(xué)及粘結(jié)性能方面的試驗(yàn)和理論研究成果，結(jié)合聚合材料性能隨溫度變化的基本規(guī)律，有以下幾點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，供業(yè)界人士參考：（1）粘結(jié)材料物理狀態(tài)和力學(xué)性能與材料的固化程度和玻璃轉(zhuǎn)化溫度 （Tg）有關(guān)，粘結(jié)材料的力學(xué)性能整體隨著溫度的升高而降低，關(guān)鍵溫度節(jié)點(diǎn)是樹脂的玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg），Tg本身也會(huì)隨著固化逐漸完成而升高，而固化反應(yīng)受養(yǎng)護(hù)溫度的影響；（2）粘結(jié)性能受溫度及高溫持續(xù)時(shí)間的影響，溫度升高會(huì)引起破壞形式由常溫條件下的混凝土表面淺層粘結(jié)破壞變?yōu)楦邷貢r(shí)的粘結(jié)劑-混凝土界面粘結(jié)破壞，但粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度變化，不同學(xué)者的研究成果并不一致，有的試驗(yàn)粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度升高持續(xù)降低，有的在低于粘結(jié)劑玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)隨溫度升高粘結(jié)強(qiáng)度比常溫下要高；（3）FRP加固系統(tǒng)粘結(jié)性能分析不僅要考慮樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度的影響，還要考慮溫度對(duì)系統(tǒng)斷裂能量的影響，目前系統(tǒng)的理論分析模型非常有限。

根據(jù)粘結(jié)劑的適用（溫度）環(huán)境不同，粘結(jié)劑可分為高溫粘結(jié)劑和低溫粘結(jié)劑。一般來說，高溫粘結(jié)劑在低溫時(shí)脆性明顯，低溫粘結(jié)劑在高溫時(shí)性能會(huì)出現(xiàn)明顯劣化。市場(chǎng)上所見的粘結(jié)劑很難在高溫和低溫條件時(shí)都具有理想的物理和力學(xué)性能，這樣在粘結(jié)劑選擇和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面需要根據(jù)結(jié)構(gòu)在施工及后續(xù)使用過程中環(huán)境溫度選定合適的粘結(jié)劑，另一方面，必須清楚在偶然或突發(fā)狀況下，當(dāng)溫度超出粘結(jié)劑本身理想適用溫度范圍時(shí)的潛在后果和危害。有學(xué)者提出了組合粘結(jié)設(shè)計(jì)的概念，如DA Silva and Adams 2005[22]對(duì)混合粘結(jié)劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究，原理上來說，低溫粘結(jié)劑延性高、模量大，承擔(dān)低溫條件下主要的內(nèi)力傳遞，其在高溫時(shí)力學(xué)性能降低（但應(yīng)保證其不會(huì)發(fā)生不可逆的性能劣化），內(nèi)力傳遞將主要由高溫粘結(jié)劑承擔(dān)，從而實(shí)現(xiàn)粘結(jié)設(shè)計(jì)適用于較大的溫度區(qū)間。

參考文獻(xiàn)：

[1]Moussa O.，Vassilopoulos A.and Keller T.Effects of low temperature curing on physical properties of structural epoxy adhesive joints in bridge construction[J].International Journal of Adhesion and Adhesives，2012，32（1）：15-22.

[2]Bascom W.D.and Cottington R.L.Effect of temperature on the adhesive fracture behavior of an elastomer-epoxy r esin[J].The Journal of Adhesion，1976，7（4）：333-346.

[3]Plecnik J.Temperature effects on epoxy adhesives[J].ASCE Journal of Structural Division，1980，106（1）：99-113.

[4]Foster S.K.and Bisby L.A.Fire survivability of externally bonded FRP strengthening systems[J].ASCE Journal of Composites in Construction，2008，12（5）：553-561.

[5]Ferrier E.，Rabinovitch O.and Michel L.Mechanical behavior of concrete-resin/adhesive-FRP structural assemblies under low and high temperatures[J].Construction and Building Materials，2016，127：1017-1028.

[6]付素娟，李硯波，劉建中.粘貼法所用結(jié)構(gòu)膠高溫冷卻后的正拉粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].建材世界，2013，34（6）：7-10.

[7]劉凱，羅仁安，陳有亮.建筑結(jié)構(gòu)膠高溫粘結(jié)性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（6）：106-109.

[8]Moussa O.，Vassilopoulos A.P.，De Castro J.et al.Timetemperature dependence of thermomechanical recovery of coldcuring structural Adhesives[J].International Journal of Adhesives and Adherents，2012，35：94-101.

[9]Machieux C.A.and Reifsnider.K.L.Property modeling across transition temperatures in polymers：a robust stiffnesstemperature model[J].Polymer，2001，42（7）：3281-3291.

[10]Gibson A.G.，Wu Y.S.and Evans J.T.Laminate theory analysis of composites under load in fire[J].Journal of Composite Materials，2006，40（7）：639-658.

[11]Blontrock H.Analysis and modeling of the fire resistance of concrete elements with externally bonded FRP reinforcement[D].Ghent，Belgium：Ghent University，2003.

[12]Klamer E.L.，Hordijk D.A.and Janssen H.J.M.Influence of temperature on concrete beams strengthened in flexure with CFRP[D].Eindhoven，Netherlands：Eindhoven University of Technology，2009.

[13]Wu Z.S.，Iwashita K.，Yagashiro S.and Ishikawa T.Temperature effect on bonding and debonding behaviour between FRP sheets and concrete[J].Journal of The Society of Materials Science，Japan，2005，54（5）：474-480.

[14]Gamage J.C.P.H.，Wong M.B.Al-Mahadi R.Performance of CFRP strengthened concrete members under elevated temperatures[C]//Proceedings of the International Symposium on Bond Behaviour of FRP in Structures （BBFS 2005），Hong Kong，China，2005.

[15]Firmo J.P.，Correia J.R.and Bisby L.A.Fire behavior of FRP-strengthened reinforced concrete structural elements：a state of the art review[J].Composites：Part B Engineering，2015，80：198-216.

[16]Burke P.J.，Bisby L.A.and Green M.F.Effects of elevated temperature on near surface mounted and externally bonded FRP strengthening systems for concrete[J].Cement and Concrete Composites，2013，35：190-199.

[17]Leone M.，Matthys S.and Aielo M.A.Effect of elevated service temperature on bond between FRPEBR systems and concrete[J].Composites：Part B Engineering，2009，40（1）：85-93.

[18]Dai J.G.，Gao W.Y.and Teng J.G.Bond-Slip Model for FRP Laminates Externally Bonded to Concrete at Elevated Temperature[J].Journal of Composites for Construction，2013，17（2）：217-228.

[19]Gao W.Y.，Teng J.G.and Dai J.G.Effect of temperature variation on the full-range behavior of FRP-to-concrete bonded joints[J].ASCE Journal of Composites for Construction，2012，16（6）：671-683.

[20]Rabinovitch O.Impact of thermal loads on interfacial debonding in FRPstrengthened beams[J].International Journal of Solids and Structures，2010，47：3234-3244.

[21]Caggiano A.and Schicchi D.S.A thermo-mechanical interface model for simulating the bond behaviour of FRP strips glued to concrete substrates exposed to elevated temperatures[J].Engineering Structures，2015，83：243-251.

[22]Da Silva L.F.M.and Adams R.D.Measurement of the mechanical properties of structural adhesives in tension and shear over a wide range of temperatures[J].Journal of Adhesion Science and Technology，2005，19（2）：109-141.