張榮振，王玉田 （青島理工大學土木工程學院，山東青島 266033）

0 引言

碳纖維增強復合材料（簡稱CFRP）制品是增強和改善混凝土結構、砌體結構、鋼及木結構的一種新型優(yōu)良材料。世界各國對基礎設施加固、修復和改造的巨大需求以及CFRP材料耐腐蝕、輕質(zhì)、施工便捷等優(yōu)點是CFRP制品得到廣泛應用和CFRP加固技術得以迅速發(fā)展的主要原因。

CFRP與混凝土之間的粘結界面扮演了一個重要的角色。在力的傳遞方面，CFRP加固混凝土結構往往不是由于CFRP材料拉斷破壞，而是由于CFRP與混凝土間的界面強度不足導致剝離破壞，甚至在惡劣環(huán)境下，又會進一步加劇結構的破壞，因此，研究環(huán)境因素對CFRP粘結界面的影響，對于評價CFRP粘結修復的長期性能和推廣CFRP材料的應用具有十分重要的意義。下面介紹了惡劣環(huán)境下CFRP與混凝土界面的粘結耐久性研究現(xiàn)狀，并對進一步的研究提出了建議。

1 試驗研究進展

1.1 界面破壞的研究

1.1.1 凍融環(huán)境的影響

張靜軒［1］、王玉田［2］、王蘇巖［3］等的試驗結果表明，在凍融環(huán)境侵蝕下，普通混凝土的典型破壞方式主要有2種：剪切破壞和粘結界面剝離破壞，并且隨著凍融侵蝕齡期的增加，破壞層向膠層轉移。在后續(xù)研究中，隋莉莉［4］、李趁趁［5］等學者開始采用高強混凝土，高強混凝土雖然具有較好的致密性，但在凍融和持續(xù)荷載的共同作用下，破壞模式會發(fā)生轉變，由內(nèi)聚破壞（粘結強度大于混凝土自身強度引起的混凝土破壞）轉變?yōu)檎辰Y界面破壞（粘結強度小于混凝土自身強度引起的界面破壞），發(fā)生轉變的主導因素是混凝土強度的下降，凍融循環(huán)對混凝土結構的不利影響逐漸由粘結界面轉向混凝土本身［6］。

1.1.2 干濕、浸泡等環(huán)境的影響

多位學者［7-9］認為，干濕循環(huán)在90~120次時開始發(fā)生破壞模式的轉變，由混凝土的剪切破壞轉向粘結面破壞，且高強混凝土的破壞更為突然，且持續(xù)荷載的存在，會加快此破壞方式的轉變速度，持載越大，轉變速度越快；劉生緯等［10］認為，當硫酸鹽浸泡時間較短時，試件發(fā)生剪切破壞，浸泡時間較長時，試件發(fā)生界面剝離破壞和粘結膠層破壞；在侵蝕介質(zhì)對破壞方式的影響方面，隋莉莉［4］指出，酸性物質(zhì)的侵蝕作用大于堿性物質(zhì)和鹽類；殷彥波［2］認為，由于氯鹽會抑制硫酸鹽的侵蝕，單純硫酸鹽對界面破壞的影響最大，其次是氯鹽，最后是復合環(huán)境，樹脂層的老化是導致最終界面粘結強度降低的主要原因。

1.1.3 其他因素的影響

黃魯玉［11］認為，不同溫度循環(huán)作用下的試件最終的破壞形態(tài)是相同的，均為CFRP與混凝土的剝離破壞，剝離下的CFRP布表面黏附的混凝土質(zhì)量隨著混凝土過火溫度的升高而增加［10-13］；胡克旭［14］試驗表明，膠體在溫度升高的過程中逐漸軟化，經(jīng)歷固態(tài)-黏塑態(tài)-流塑態(tài)的轉化過程，在濕熱老化試驗前，CFRP與混凝土的粘結破壞形式全部為混凝土的剪切破壞，經(jīng)過濕熱老化試驗后，混凝土試件的破壞形式全部為CFRP與混凝土的剝離破壞，環(huán)氧樹脂在濕熱試驗后性能下降，這是造成CFRP與混凝土粘結強度下降的主要原因。此外，混凝土強度、CFRP粘結長度、粘結劑、材料剛度等也會影響破壞方式。王蘇巖［3］研究表明，混凝土的強度等級對破壞的影響較大，強度越高，破壞越突然，CFRP片材表面的混凝土顆粒越少；劉生緯［10］研究發(fā)現(xiàn)，CFRP的粘貼長度對破壞模式的影響較大，大體表現(xiàn)為粘結長度越長的試件，加載端的三角剪切區(qū)域越小，自由端剝離層更加靠近膠層且表面的混凝土顆粒較少。

1.2 界面有效粘結長度的研究

1.2.1 凍融環(huán)境的影響

王蘇巖［6］、洪雷［15］、Yu-Fei Wu［16］、陳雨唐［17］等學者均認為，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，CFRP與高強混凝土之間的有效粘結長度增加。Subramaniam等［18］人進行了凍融循環(huán)作用下FRP與混凝土粘結耐久性的試驗研究，結果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，F(xiàn)RP-混凝土界面粘結強度、有效粘結長度增加，高等混凝土相對低等混凝土來說強度下降更明顯。

1.2.2 干濕、浸泡等環(huán)境的影響

Sharma等［19］最早研究了FRP-混凝土界面的粘結強度和有效粘結長度的關系，研究發(fā)現(xiàn)界面的極限荷載不會隨著粘貼長度的增加而持續(xù)增大，“有效粘結長度”的概念首次產(chǎn)生；王蘇巖［20］提到，有效粘結長度是保證界面有效承載的最短長度，可以利用應力分布曲線和應變分布曲線獲得，且兩種方法是等效的；管天成［21］認為，粘結長度不超過150 mm的試件，隨著粘結長度的增加，破壞時的極限荷載和極限位移越大，界面延性越大。

1.2.3 其他因素的影響

界面粘結的影響因素較多，比如水膠比、粘結長度和寬度、混凝土強度、粉煤灰摻量、硫酸鹽濃度等，不同強度混凝土的最小粘結長度和有效粘結長度之間的關系并不一致［15］。孫琳［22］認為，有效粘結長度與混凝土強度呈反比，加固時的粘結長度應超過最小粘結長度，結構才偏安全；王吉忠［22］認為，粘結長度超過一定值后，繼續(xù)增加粘結長度不能再提供更高的剝離承載力，在保證粘結長度的情況下，增加粘結寬度未對平均粘結強度產(chǎn)生太大影響；劉生緯［10］通過比較發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土水膠比、粉煤灰摻量和硫酸鹽濃度的增大，有效粘結長度不斷增加；何棟爾等［13］認為，提高混凝土強度等級會減小有效粘結長度，并且隨過火溫度的升高，有效粘結長度顯著增加。

1.3 剝離承載力的研究

1.3.1 凍融環(huán)境的影響

凍融環(huán)境下粘結性能的好壞，剝離承載力是個重要指標，孫琳［23］指出，不同強度的混凝土試件，在凍融循環(huán)中承載力的下降趨勢一致，且在凍融后期的下降速率明顯快于前期。Subramaniam［18］的試驗表明，經(jīng)300次凍融循環(huán)，最大極限承載力降低了17 %；王玉田［2］、王蘇巖［6］的試驗表明，在凍融循環(huán)次數(shù)較少時，極限承載力的提高，是由于二次水化引起的混凝土強度的提高和樹脂膠體彈性模量的提高，此階段是否持載對剝離承載力的影響不大；在較多的凍融循環(huán)次數(shù)下，極限承載力呈線性下降趨勢，并且膠層的阻隔作用抑制了水泥的二次水化，混凝土強度下降，混凝土的受凍傷害程度遠超對樹脂膠本身的傷害，此階段的持載對剝離承載力有不利影響，會導致混凝土基層剝離破壞?；炷翉姸葘φ辰Y力有積極影響，底層涂料的滲透能力較強，修復強化混凝土表面，有利于界面粘結強度的提升［20］。

1.3.2 干濕、浸泡等環(huán)境的影響

在浸泡、干濕循環(huán)和濕熱環(huán)境下，膠層的物理性質(zhì)會發(fā)生變化，界面極限承載力整體上呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，持載的存在會進一步加劇界面損傷［7-8，10］。承載力上升的原因，一方面是混凝土的后期水化，另一方面是后固化反應增大了樹脂層的強度及界面粘結力。在承載力下降階段，混凝土吸水膨脹再干燥收縮，內(nèi)外產(chǎn)生氯離子濃度差，降低了膠層與混凝土之間的抗剪強度［24］。在環(huán)境侵蝕初期，樹脂彈性模量變化小，樹脂的抗剪強度下降小，當抗剪強度下降到接近或小于混凝土本身的抗剪強度時，極限承載力突然下降，因此，樹脂的剪切模量和剪切強度的變化在很大程度上影響了界面剝離承載力。

1.3.3 其他因素的影響

影響界面剝離承載力的因素有很多，比如粘結長度、片材寬度、混凝土本身因素、樹脂膠等等。李趁趁等［5］認為，在片材和混凝土的幾何尺寸一定的情況下，隨著片材剛度、混凝土強度的增大，剝離承載力也增大，CFRP粘結長度增加，試件極限承載力也有所提高，但當CFRP片材粘結長度超過某一定值后，界面剝離承載力將保持不變。試驗發(fā)現(xiàn)［22］，C60混凝土試件剝離承載力更大，鹽溶液干濕循環(huán)對試件的剝離承載力有顯著的影響，當粘結長度超過一定值后，粘結寬度成為粘結力的主要影響因素，水膠比越大，極限承載力下降的速率越快。

1.4 粘結滑移關系的研究

王玉田［2］、王蘇巖［6］、朱曉玲［25］、馬明［26］等學者認為，粘結滑移過程可分為以下幾個階段：（1）彈性階段：荷載與滑移呈線性關系；（2）軟化階段：界面出現(xiàn)初始裂縫，荷載與滑移呈非線性關系，當荷載增大時，位移增大迅速，為界面彈性和非彈性階段的分界點，將軟化段的起始荷載定義為初始剝離荷載；（3）剝離階段：隨著荷載增加，軟化區(qū)域片材完全剝離，荷載大小不變，定義為破壞荷載，當片材完全剝離時，對應的端部滑移定義為極限端部滑移，其值越大，界面的延性就越好。張迪等［27］實測的界面粘結滑移關系曲線確實存在上升段和下降段，但關鍵參數(shù)離散性較大，難以得到準確的界面極限滑移量；Kang Liu等［28］認為，在利用加載端荷載-滑移曲線來獲取界面粘結-滑移曲線時，不能忽略自由端的滑移量，否則會引起較大的誤差，由此提出了考慮自由端滑移量的界面粘結-滑移模型。

1.4.1 凍融環(huán)境的影響

王蘇巖［3］的研究表明，受到凍融影響的CFRP-混凝土粘結界面試件，在較低的荷載下曲線關系就出現(xiàn)了明顯的轉折點，試件便開始剝離。Chajes等［29］的研究表明，經(jīng)氯鹽凍融循環(huán)作用后，界面粘結性能有輕微下降，試件的極限端部滑移均呈下降趨勢，延性逐漸降低，在持載和環(huán)境的共同作用下，破壞進一步加劇［10］。高強混凝土與普通混凝土相比有較大不同，試件未經(jīng)凍融和持載作用，剝離開始時，荷載才加載到破壞荷載的80 %［6］，王蘇巖等［3，7，20］研究發(fā)現(xiàn)，CFRP-高強混凝土的界面，很小的滑移，荷載就達到了極限荷載的70 %以上，而普通混凝土在破壞荷載的40 %~60 %才開始發(fā)生剝離，高強混凝土與CFRP的粘結破壞更為突然，脆性更大。

1.4.2 其他因素的影響

影響粘結滑移的因素有很多，混凝土強度、CFRP片材的粘結長度、寬度、持載等級、侵蝕介質(zhì)類型等。洪雷［15］、王蘇巖［3，6，20］認為，影響粘結滑移關系的最主要因素是混凝土在凍融作用下的自身損傷，對于高強混凝土，前期的凍融會提高混凝土的自身強度，但接近混凝土極限凍融次數(shù)后，界面的粘結性能急劇下降。馮展磊［30］認為，隨著混凝土強度的提高，碳纖維布與混凝土間達到最大粘結力時的相對滑移逐漸增大。持載作用下的干濕循環(huán)試件，持載等級越高，截面粘結滑移程度也就越大［7］；粘貼長度增加，滑移量顯著增加；在侵蝕介質(zhì)方面，腐蝕溶液確實弱化了CFRP-混凝土的粘結界面，且復合侵蝕環(huán)境對界面粘結耐久性的影響是最嚴重的［22］，隋莉莉認為，酸性介質(zhì)對CFRP-混凝土界面粘結性能的影響最大，其影響程度大于堿和鹽［4］。

1.5 應力應變分布的研究

1.5.1 凍融環(huán)境的影響

凍融循環(huán)后，沿粘結長度上的CFRP的應變發(fā)展規(guī)律是相似的，加載端附近的應變大，距加載端越遠，應變越小。孫家國等［31］的纖維應變分布圖呈二次曲線形狀，曲線的斜率反映了界面?zhèn)鬟f粘結剪應力的大??；王蘇巖［20］認為，凍融循環(huán)對片材的彈性模量影響很小，當荷載值小于軟化荷載時，應變基本呈指數(shù)平滑分布，當荷載達到軟化荷載時，靠近加載端的粘結區(qū)域應變值產(chǎn)生突變和波動；Bisby L A等［32］的研究結果表明，200次或300次凍融循環(huán)作用對試件的應力和應變影響較?。粚O琳［23］指出，硫酸凍融循環(huán)下CFRP上的應變分布不均勻，后期下降速率明顯加快。不同侵蝕介質(zhì)下，CFRP-混凝土界面應變分布規(guī)律相同，但氯鹽的加入使得粘結界面劣化得更嚴重［1］。

1.5.2 干濕、浸泡等環(huán)境的影響

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件的平均最大應變呈下降趨勢，達到極限荷載后基本保持不變，不同海水干濕循環(huán)次數(shù)的試件中均發(fā)生這種現(xiàn)象，說明有效粘結區(qū)域在破壞過程中以不變的長度平行向試件自由端移動［7］。張迪［27］通過分析不同荷載水平下應變的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在試驗的各種環(huán)境類別下，CFRP片材的應變分布曲線形狀基本相同；張香巖［33］對比了不同的應變曲線，發(fā)現(xiàn)極限應變、混凝土立方體抗壓度和雙剪試驗破壞荷載三者的變化規(guī)律相似；樊付權［8］分析了不同腐蝕環(huán)境下CFRP的應變沿粘結長度的分布規(guī)律，得出侵蝕速度由快到慢的順序依次為：復合環(huán)境＞硫酸鹽環(huán)境＞氯鹽環(huán)境。

1.5.3 其他因素的影響

影響應變分布的其他因素有外摻物、粘結長度、水膠比、環(huán)境濕熱、持載等。當混凝土水膠比和硫酸鹽濃度越大，CFRP極限應變值的降低幅度就越大；當粉煤灰摻量越大，CFRP極限應變值降低的速率則越大［10］；隨著碳纖維布粘結長度的增加，試件的粘結應力減小，滑移量輕微增加［34］。劉宇森［35］認為，不同濕熱環(huán)境作用后，并不會對CFRP應變的整體分布規(guī)律產(chǎn)生太大影響，當溫度較低，環(huán)境濕度相差不大時，對極限承載能力的影響很小；在高溫條件下，濕度的影響非常大，極限承載能力明顯降低。鹽溶液干濕循環(huán)對試件的應變分布影響較小［23］，無持載干濕試件界面損傷程度有限且速度緩慢，而持載干濕試件的界面損傷程度顯著且速度較快［7］。

2 結語

（1） 在凍融循環(huán)后期，混凝土本身的破壞程度比粘結界面更嚴重；有效粘結長度降低是結構性能降低的重要原因；剝離承載力和最大應變值的下降速率要快于前期，且后期持載對結構更加不利。

（2） 在干濕循環(huán)和浸泡環(huán)境下，環(huán)氧樹脂力學性能的下降是造成結構性能劣化的重要原因，剝離層由混凝土表層轉移到膠層，界面剝離承載力整體上呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，平均最大應變呈降低趨勢。

（3） 與普通混凝土相比，高強混凝土的力學性能更優(yōu)，在相同荷載下，高強混凝土的滑移要低于普通混凝土，但破壞時更為突然，脆性大，與普通混凝土有較大區(qū)別。

3 建議

（1） 目前CFRP-混凝土界面耐久性研究主要通過實驗室模擬環(huán)境進行，而現(xiàn)場環(huán)境復雜，研究環(huán)境和結構承載共同作用下CFRP-混凝土界面的耐久性顯得非常有必要，進而真實地反映結構加固補強后的性能。

（2） 我國碳纖維布和混凝土的界面雙剪試驗方法缺乏統(tǒng)一規(guī)范，不同學者采用的試驗方法和測量手段各不相同，應制定一系列統(tǒng)一規(guī)范，便于比較和研究。

（3） 樹脂粘結膠傳遞界面剪應力，連接混凝土與片材，影響粘結效果，應選用驗證過的耐久性好的粘結樹脂，同時在進行界面承載力設計時，考慮混凝土強度折減，以此保證界面耐久性。因此，樹脂的結構特性及其耐久性能也是一個重要的研究課題。