董洪漢，莊寧，趙林章，李頻，倪鐵峰

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225321；3.營口市第三高級中學，遼寧 營口 115000）

水工鋼閘門主要用于控制船閘、水閘、水庫、水電站等水工建筑物的運行水位，在閘門長期日常啟閉時處于干濕交替狀態(tài)，受高速水流不斷沖刷，極易造成鋼鐵腐蝕，影響在役工程的運行安全。鋼閘門腐蝕[1-2]涉及水利工程的各個領域，常見腐蝕類型有點腐蝕、局部腐蝕、干腐蝕等（如圖1所示）。

圖1 典型閘門腐蝕形態(tài)Fig.1 Typical gate corrosion pattern

碳纖維增強復合材料（CFRP）抗拉強度高、抗外界環(huán)境腐蝕能力強，是加固修補涉鋼結構的熱門材料[3-6]。在實際工程與物理試驗過程中，碳纖維布與鋼板之間的有效黏結是加固的關鍵點。本文在廣泛參考前人試驗設計與分析的基礎上，基于CFRP與閘門鋼板的黏結剪切試驗，系統(tǒng)研究了二者的黏結剪切性能，為相關加固工程或試驗提供了一定的參考與借鑒價值。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水工鋼閘門體積大，試驗環(huán)境下模擬較困難，采用CFRP與鋼板的黏結來替代，本次試驗選用東莞產3 mm厚HPB235鋼板。碳纖維布采用目前常用的MH-II-200型上海產碳纖維布，黏結劑采用環(huán)氧樹脂膠結劑，分別在桶內攪拌樹脂A（抗拉強度高于40 MPa）和固化劑B（抗拉強度高于30 MPa）后按2∶1的比例混合，攪拌3 min直至混合均勻（最大轉速500 r/min）。涉及相關試驗材料的力學性能統(tǒng)計在表1～表3。

表1 鋼板的力學性能Table 1 Mechanical properties of steel plates

表2 碳纖維布的力學性能Table 2 Mechanical properties of carbon fiber cloth

表3 環(huán)氧樹脂的力學性能Table 3 Mechanical properties of epoxy resin

1.2 試驗試件

試件由兩塊鋼板拼接后再單面對稱粘貼一整條碳纖維布構成（如圖2所示）。鋼板試驗寬度為70 mm，單塊長度為220 mm。

圖2 黏結剪切試驗試件Fig.2 Adhesive shear test specimen

試驗主要研究CFRP與鋼板的黏結長度、CFRP的寬度以及鋼板腐蝕程度對有效黏結長度的影響，分組情況如表4所示。腐蝕主要是通過將鋼板置于模擬淡水環(huán)境的水槽內對鋼板進行通電，根據理論計算得到通電53.5 d、107 d及160.5 d時，鋼板的腐蝕程度約為5%，10%，15%。碳纖維布裁剪寬度有30 mm、40 mm、50 mm 3種，用于研究CFRP寬度對試驗黏結性能的影響；碳纖維片材與鋼板的黏結長度有50 mm、70 mm、90 mm、130 mm、170 mm 5種，用來確定鋼板腐蝕5%后的有效黏結長度及不同的黏結長度對黏結強度的影響；另外，對水槽分別通電53.5 d、107 d及160.5 d，人工加速腐蝕進程，以此來研究鋼板受腐蝕后對黏結強度的影響。

表4 試件分組Table 4 Specimen grouping

1.3 試驗方案

1.3.1 試驗腐蝕方案

對于在役鋼閘門，不可避免會發(fā)生不同程度的腐蝕，為延長其使用壽命，采用表面粘貼碳纖維布的修復加固措施并且預測其腐蝕繼續(xù)發(fā)展的各個階段；另外，碳纖維布因其高強、耐腐蝕的特性，對于服役之前的結構，可以起到預加固目的，但是由于施工、黏結劑材料等產生的不均勻性導致黏結界面發(fā)生腐蝕，有必要設計試驗來研究探知其腐蝕規(guī)律。

對水槽進行通電：以不銹鋼棒作為負極、試件作為正極，直流電源選用美瑞克穩(wěn)壓電源，試驗中設置固定輸出電流0.2 A，由于電源最大連續(xù)工作時間是12 h，故實際操作時設置2組電源從而基本保證水槽24 h處于通電狀態(tài)。根據鋼板不同腐蝕量（5%、10%、15%）來確定3個腐蝕階段的劃分，分別通電53.5 d、107 d及160.5 d。

1.3.2 應變片的布置

為確定CFRP與鋼板的有效黏結長度，需要在CFRP上粘貼應變片，粘貼方式如圖3所示。為研究CFRP與鋼板的有效黏結長度和應力分布，因此應變片在CFRP中間處布置較密。

1.3.3 加載方法

圖3 應變片布置圖Fig.3 Strain gauge layout

本次試驗選擇在電子萬能試驗機上進行，事先將制作好的試件標號，將試件的中心線與鉗口里的中心線對齊后依次安裝在試驗機的夾具內，用量具測量試件搭接面的尺寸（精確到0.05 mm）。試件的預計破壞荷載在試驗機全量程15%～85%范圍內，加載方式選擇連續(xù)緩慢加載，加載速率在試驗過程中精確控制為0.5 kN/s，采用DH3816靜態(tài)應變儀每隔2 s自動采集試件的應變即電阻應變片的數值。另外，在加載過程中需要隨時觀察記錄試件表面的剝離開展情況，隨著加載的不斷進行，達到極限破壞荷載后即停止加載，立即統(tǒng)計數據，并及時分析數據，初步判斷腐蝕形態(tài)的特征。

2 試驗結果與分析

2.1 破壞過程及破壞特征

根據試驗數據可知，在初始加載階段，試件外觀等無明顯變化，隨著荷載的不斷增大，試件開始發(fā)生變化，當達到極限黏結力的60%時，CFRP發(fā)出了清楚的剝離撕拉聲并很快在CFRP和鋼板交界面形成局部空鼓。隨著荷載的進一步加大，CFRP被拉斷，剝離迅速發(fā)展直至荷載增加到一定程度后停止。最后，試件完全剝離，隨著“砰”的一聲巨響，CFRP被完全拉斷，表明試件已經完全破壞，試驗結束。另外，針對黏結長度比較大的試件，在最后接近破壞的階段，外加荷載波動時間變長；然而對黏結長度較短的試件不存在這種荷載波動的情況，黏結力持續(xù)增大直至破壞。

本次試驗發(fā)現，CFRP與鋼板的黏結剪切破壞總結出現兩種形式：1）CFRP與鋼板發(fā)生剝離破壞；2）CFRP被拉斷破壞。

為教師提供更多的支持服務 線下的支持服務包括市縣師資培訓中心和學校兩級組織提供的，首先是要開展一系列的競賽形式的活動，以賽促學，促進教師主動學習。學校應搭建平臺，為教師跨區(qū)域協作學習提供幫助；還要組織培訓機構，為教師提供服務指導。線上的支持服務主要是輔導人員與專家對學習者的支持。首先，在培訓前期就要告知學習者如何向輔導教師和專家進行咨詢；其次，設置線上線下協作的實際任務，幫助學習者解決教育教學中的實際問題，讓輔導教師與專家觸手可及。

另外，在既定腐蝕程度5%的CFRP與鋼板黏結剪切試驗中，絕大部分的試件發(fā)生剝離破壞，這種破壞在腐蝕程度為10%、15%時更為嚴重。原因是CFRP與鋼板的黏結界面復雜，特別是膠層比較薄，導致CFRP與鋼板之間的單絲連接相對比較脆弱，不能很好地形成整體。

2.2 黏結面的應力分布特點

本試驗利用加載過程中的應變變化對界面剪切應力的傳遞特點進行系統(tǒng)分析，數據通過粘貼應變片采集得來，試驗設置5組對照試件，具有以下特點：

1）在初始加載階段，鋼板與碳纖維布交界面附近是黏結剪切應力主要發(fā)生的區(qū)域，而在遠離交界面的地方剪切應力卻比較小。

2）當荷載達到黏結力極限值的60%時，黏結剪切應力主要存在于鋼板交界面30 mm內的區(qū)域；隨著荷載不斷增大，剪切應力繼續(xù)向下傳遞，達到峰值黏結力時，在黏結長度為（距鋼板交界面的距離）90～170 mm范圍內的剪切應力仍然很小。

3）試件端頭部分在靠近交界面處的剪切應力達到或接近峰值應力時開始發(fā)生剝離，應力值在剝離范圍達到第1個應變片粘貼處時開始發(fā)生減退，此時第2個應變值隨即迅速增加直至剝離達到或超過第2個應變片的范圍，以此類推，后面應變片的應變值循環(huán)迅速增大。當剝離范圍為70 mm時，當CFRP黏結長度達到170 mm時，試件的CFRP和鋼板發(fā)生完全剝離，荷載降低直至試件破壞。

4）黏結力在CFRP于鋼板發(fā)生黏結破壞最后階段時出現波動，波動時間與CFRP的黏結長度有關，且黏結長度越長，波動時間越長；對黏結長度較短的試件，荷載波動時間較短，部分試件黏結力在加載過程中始終沒有波動。

2.3 有效黏結長度分析

2.3.1 黏結長度對有效黏結長度的影響

從表5可以看出，碳纖維布和鋼板的黏結力隨黏結長度的增加而增大，50～90 mm期間黏結力增長迅速，但黏結長度超過90 mm后，可明顯發(fā)現其黏結力增速減緩，而黏結長度與平均黏結強度卻呈反比例關系，黏結長度為50 mm時其平均黏結強度最大。隨黏結長度從50 mm增加到70 mm、90 mm、130 mm及 170 mm，黏結力從15.66 kN增加到18.06 kN、19.47 kN、19.66 kN、19.78 kN，但平均黏結強度卻從6.26 MPa降低到5.16 MPa、4.33 MPa、3.02 MPa、2.33 MPa。這一結果說明：CFRP與鋼板的黏結面的利用率隨著黏結長度的增大在不斷下降，當黏結長度一旦超過90 mm，黏結力的極限值基本維持不變。

表5 黏結長度對黏結力的影響Table 5 Effect of bond length on bond force

根據表5數據：當黏結長度不同時，CFRP與鋼板黏結試驗的黏結力均值與長度曲線之間有一定聯系。當黏結長度達到或超過90 mm時，黏結力的極限值基本保持不變。故CFRP與鋼板的黏結長度有效值在70～90 mm之間，其中，取80 mm作為鋼板的5%腐蝕率時的有效黏結長度比較合適。

2.3.2 鋼板腐蝕程度對有效黏結長度的影響

本次試驗為了探究鋼閘門腐蝕程度對CFRP和鋼板有效黏結長度的影響，先后設計制作了ZA-5、ZB-1和ZB-2這3組試件進行探索性試驗。當CFRP與鋼板的腐蝕率是5%時，黏結試驗出現剝離破壞；當腐蝕程度是10%時且CFRP與鋼板粘貼質量比較好的時候發(fā)生剝離破壞、環(huán)氧樹脂膠未完全浸透時發(fā)生CFRP單絲拉斷破壞。從圖4可知，鋼板的腐蝕程度影響應變值，腐蝕程度越厲害，應變沿黏結長度范圍的傳遞反而越小。當黏結力達到峰值的60%時，靠近荷載施加范圍60 mm的地方是黏結剪切應力的集中區(qū)域，數值大小隨荷載增大的同時向下傳遞，一旦黏結力達到或者超過峰值的90%，剪切應力接近達到最小值；當黏結力數值達到峰值的85%，剪力流集中在黏結長度90 mm左右的范圍（5%的腐蝕程度）；當腐蝕程度是10%、15%時，剪力流集中在75 mm和65 mm范圍。另外，充分結合試驗時CFRP與鋼板的終極剝離范圍大約在70～90 mm的范圍內，此時鋼板的腐蝕大概在5%、10%和15%，相應的有效黏結長度實測值分別是90 mm、75 mm、65 mm。在試驗進行過程，黏結力達到極限值之后又出現急速下降，且在黏結長度達到或超過90 mm的區(qū)域有剪力流發(fā)生。上述現象說明，CFRP和鋼板在交界面附近的端部已經發(fā)生部分剝離且剪力流持續(xù)向下傳遞，但黏結力不再增加。該試驗現象說明一旦黏結長度達到甚至超過規(guī)范有效黏結長度時，雖不能繼續(xù)增加黏結力，但能一定程度上提高結構破壞時的延性[7]。

圖4 鋼板腐蝕程度對有效黏結長度的影響Fig.4 Effect of corrosion degree of steel plate on effective bond length

2.3.3 CFRP的寬度對有效黏結長度的影響

本次試驗為探究CFRP的長度與腐蝕程度一樣時，寬度對試件有效黏結長度的相關影響。設計制作了ZA-5、ZC-1和ZC-2這3組試件。該批試件的CFRP長度均控制在70～90 mm，應變片搜集的數據顯示，當外荷載達到極限黏結力且黏結長度超過90 mm，此時粘貼30 mm、40 mm或50 mm寬的CFRP均對剪力流大小影響甚微，數值均很小，幾乎忽略不計[8]，故CFRP的寬度對試件的有效黏結長度影響比較小。另外，黏結力達到峰值又急速下降的現象也表明黏結力一旦超過有效黏結力的極限值，增加值比較小，但CFRP與鋼板的黏結破壞延性得到了一定的提高。

表6數據顯示，CFRP寬度的增加能降低試件的黏結強度，CFRP和鋼板的寬度比一旦不同，鋼板對CFRP的有效約束也不同；當寬度比增大時，這種約束作用會變得越來越小，此時的黏結強度也會相應的隨之降低，該結果與已有結論一致[9]。

表6 CFRP寬度對黏結力的影響Table 6 Effect of CFRP width on bond force

3 結語

本文通過力學性能試驗，研究了CFRP的黏結長度、鋼板腐蝕程度和黏結寬度等對試件有效黏結長度的影響，進而探究CFRP與鋼板之間黏結性能的變化以及CFRP與鋼板黏結面上的應力分布特點，為CFRP應用于鋼閘門腐蝕加固方面提供參考和借鑒，結果表明：

1）在試件黏結端部，剪切應力隨著力的傳遞沿受力方向逐漸降低，在端部時數值達到最大；當超過有效黏結長度時，剪切應力值和剪力流在伴隨外荷載傳遞的過程中幾乎可以忽略不計。

2）試件有效黏結長度為80 mm時，鋼板與CFRP之間的黏結力、抗拉強度等隨著鋼板腐蝕程度的加深而減小，與CFRP的寬度沒有明顯的相關性。

3）通過分析試驗數據，當CFRP寬度增大時，試件的峰值黏結力相應增大并與CFRP的寬度成正比。另外，試件的極限黏結力與其有效黏結長度有關，當有效黏結長度小于試件實際黏結長度時，黏結力的極限值基本維持不變，但黏結破壞的延性得到了一定的提高。