龔美琦，張春濤，2，王汝恒

（1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010）

鋼材在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，但在長(zhǎng)期的腐蝕環(huán)境和使用荷載的雙重作用下，容易產(chǎn)生裂紋、缺陷、腐蝕等問(wèn)題［1-4］。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱CFRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性能良好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和加工方便等優(yōu)點(diǎn)，可用來(lái)對(duì)鋼材進(jìn)行修復(fù)［5-8］。

近年來(lái)，學(xué)者分別通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了CFRP對(duì)鋼材的裂紋、缺陷的修復(fù)作用。張寧等［9］以半圓孔模擬缺陷鋼構(gòu)件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明粘貼CFRP可明顯提高鋼結(jié)構(gòu)的屈服荷載，但不能明顯提高鋼構(gòu)件的極限荷載。Colombi等［10］通過(guò)試驗(yàn)研究了CFRP板對(duì)開(kāi)孔鋼板的修復(fù)加固作用。鄭云等［11］采用有限元模型對(duì)裂紋前緣的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)合CFRP加固含裂紋鋼板的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了加固前后損傷鋼板的剩余疲勞壽命。張術(shù)寬［12］采用理論推導(dǎo)、數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)CFRP加固含缺陷鋼結(jié)構(gòu)的粘結(jié)界面及表面裂紋局部的破壞機(jī)理進(jìn)行力學(xué)分析，結(jié)果表明：CFRP對(duì)帶細(xì)長(zhǎng)淺裂紋狀缺陷的鋼結(jié)構(gòu)的加固效果較好。姜豐等［13］對(duì)CFRP加固后的開(kāi)孔鋼板進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)開(kāi)孔導(dǎo)致了應(yīng)力集中，但孔口塑性區(qū)的擴(kuò)展，沒(méi)有導(dǎo)致極限荷載下的名義應(yīng)力降低。張彤彤［14］研究了腐蝕環(huán)境對(duì)膠黏劑性能的影響以及鹽霧環(huán)境下粘貼復(fù)合材料防止鋼構(gòu)件腐蝕的作用，發(fā)現(xiàn)CFRP可隔絕惡劣環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響，有效防止鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕?；艟A等［15-16］用工字鋼下翼緣部分寬度模擬鋼梁局部腐蝕程度，開(kāi)展CFRP布加固腐蝕鋼梁受彎性能的研究。但鋼材發(fā)生腐蝕時(shí)，各點(diǎn)的微觀腐蝕速率并不相同，就必然導(dǎo)致鋼材表面產(chǎn)生孔洞和裂紋［17］?，F(xiàn)有對(duì)CFRP加固腐蝕鋼材的研究文獻(xiàn)較少，且大多沒(méi)有考慮到腐蝕后鋼材界面受力變化特征。

本文采用CFRP對(duì)H2SO4溶液腐蝕后的Q235鋼材加固，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，分析CFRP對(duì)腐蝕鋼材的加固效果，探索腐蝕后鋼材與CFRP的界面受力情況。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試件準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用鋼材為Q235鋼，試件采用機(jī)加工方式制備，原始標(biāo)距為85 mm，總長(zhǎng)度為265 mm，平行長(zhǎng)度的原始截面尺寸為20 mm×6 mm，各項(xiàng)參數(shù)依據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)拉伸第一部分：室溫測(cè)試方法》（GB／T 228.1—2010）確定，試件尺寸及形狀如圖1所示。

圖1 試件示意圖

用砂輪機(jī)將試件表面打磨平整，在粘貼部位（鋼板中間長(zhǎng)度為85 mm的矩形部位）沿橫向打磨出紋路，以增強(qiáng)CFRP與鋼材的粘結(jié)性能。打磨完成后用丙酮清洗鋼板表面，除去表面油污。

將試件分為3組，每組4個(gè)試件，全部浸入1 mol／L H2SO4溶液中，分別放置24、48、96 h。達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，取出試件，依次進(jìn)行清水沖洗、毛刷擦拭、丙酮脫脂、干燥稱重，試件的質(zhì)量分別變化31、39、45 g。腐蝕處理步驟均按照《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》（GB 10124—88）要求進(jìn)行。

1.2 CFRP加固模式

試驗(yàn)所用纖維增強(qiáng)材料為四川興達(dá)建筑有限公司生產(chǎn)的UCP-300型CFRP，材料性能參數(shù)如表1所示；粘接劑是上海灄口有限公司生產(chǎn)的SKO碳纖維浸漬膠，材料性能參數(shù)如表2所示。將粘接劑均勻涂刷在試件表面，并沿纖維受力方向粘貼CFRP，擠出氣泡，使CFRP與試件表面緊密粘貼。為保證粘結(jié)劑的充分滲浸，放置30 min，在此期間及時(shí)處理浮起、錯(cuò)位等現(xiàn)象。然后，在CFRP表面涂刷一層粘結(jié)劑，養(yǎng)護(hù)72 h。粘貼兩、三層CFRP時(shí)重復(fù)以上工序。

表1 CFRP性能指標(biāo)

表2 SKO碳纖維浸漬膠性能指標(biāo)

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)共制作16個(gè)試件，未腐蝕試件及腐蝕量分別為31、39、45 g的試件各4個(gè)。在工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，為防止構(gòu)件與夾具在拉伸過(guò)程中發(fā)生相對(duì)滑移，在構(gòu)件端部?jī)蛇叞仓眉訌?qiáng)片。試驗(yàn)采用位移加載的方式，加載速率為0.5 mm／min，連續(xù)加載直至試件破壞，得到試件力和位移關(guān)系曲線，記錄試件的承載力變化及試件破壞形式。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞形態(tài)

試件的破壞形態(tài)與CFRP層數(shù)密切相關(guān)，與腐蝕量關(guān)系不大。當(dāng)未粘貼CFRP時(shí)，試件中部被拉斷，斷面與截面大致呈30°夾角。當(dāng)粘貼一層或兩層CFRP時(shí)，CFRP大部分與試件剝離后，試件在中間部位斷裂。當(dāng)粘貼3層CFRP時(shí)，CFRP層間剝離破壞，CFRP局部拉斷，最后試件中間部位斷裂，試驗(yàn)現(xiàn)象與文獻(xiàn)［18］一致。當(dāng)試件腐蝕后，表面會(huì)生成微小孔洞和裂縫，CFRP與鋼構(gòu)件之間的膠層易產(chǎn)生氣泡和空鼓，兩者之間的共同受力性能減弱，隨著試件的張拉，孔洞和裂縫沿截面發(fā)展，膠結(jié)層從界面脫開(kāi)，導(dǎo)致構(gòu)件失效。

2.2 腐蝕對(duì)鋼材承載力的影響

表3給出了試件腐蝕后的承載力分布情況。由表3可知，隨著腐蝕量的增大，屈服荷載僅略微減小，極限荷載先明顯減小。當(dāng)腐蝕量為31、39、45 g時(shí)，屈服荷載較原始試件分別減少2、8、20 kN，極限荷載則分別減小10、55、69 kN。腐蝕后，試件有效截面減損，并形成一些腐蝕孔洞和微裂縫，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致承載力的下降［19］。腐蝕量越大，腐蝕孔洞和微裂縫越多，試件的承載力下降越快。

表3 不同腐蝕量試件的承載力

2.3 CFRP對(duì)鋼材承載力的影響

圖2給出了試件的荷載隨腐蝕量和CFRP層數(shù)的分布情況。由圖2可知，隨著CFRP層數(shù)的增多，屈服荷載和極限荷載均有一定程度的增大，且屈服荷載增大更多；隨著腐蝕量的增大，屈服荷載和極限荷載均有一定程度的減小，未腐蝕試件與腐蝕量為31 g試件的極限荷載相近，腐蝕量為39 g或45 g試件的極限荷載相近。在試驗(yàn)中，試件到達(dá)屈服點(diǎn)之前，CFRP與鋼板共同工作，CFRP分擔(dān)部分荷載，延遲了鋼板的屈服，提高了試件的屈服荷載。當(dāng)試件到達(dá)屈服點(diǎn)后，應(yīng)變急劇增加，CFRP逐漸發(fā)生剝離和破壞，所分擔(dān)荷載減小，故對(duì)極限荷載的提高效果不明顯。與文獻(xiàn)［20］描述的“當(dāng)CFRP兩端未進(jìn)行錨固時(shí)，由于CFRP端部角點(diǎn)處界面存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，試件接近屈服荷載時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)剝離的情況”相一致。

圖2 試件在不同層數(shù)纖維布下的承載力

對(duì)圖2中數(shù)據(jù)進(jìn)行承載力提高量化分析，可得圖3。由圖3可知，屈服荷載的提高率明顯大于極限荷載的提高率，不同腐蝕率下的屈服荷載提高率基本一致，且略小于原始試件，粘貼一、二、三層CFRP，對(duì)應(yīng)極限荷載的提高率分別位10%、20%、45%左右；不同腐蝕率下的極限荷載提高率基本一致，粘貼一、二、三層CFRP，對(duì)應(yīng)屈服荷載的提高率分別位1%、5%、11%左右。

圖3 試件在不同纖維布下的承載力提高比例

2.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)試件的荷載-位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同試件的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖4。試件的變形可分為兩部分：彈性變形階段和塑性變形階段。當(dāng)腐蝕量相同時(shí)，粘貼不同層數(shù)的CFRP，彈性變形初始階段與塑性變形末尾階段大致重合，CFRP層數(shù)越多，進(jìn)入塑性變形階段所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力越大，特別是當(dāng)粘貼兩、三層CFRP時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到一個(gè)“峰值”后急劇減小并逐漸與粘貼零、一層CFRP時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相重合。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，達(dá)到“峰值”時(shí)，CFRP發(fā)生剝離破壞，并迅速脫落。

圖4 試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5給出了不同腐蝕量試件粘貼相同層數(shù)CFRP后的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖5可知，腐蝕量為0和31 g的試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、腐蝕量為39 g或45 g試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致重合，這與圖3中的荷載值變化規(guī)律基本一致。腐蝕量越大，試件表面產(chǎn)生的孔洞越多，最大孔徑及深度越大，進(jìn)入塑性變形階段后，發(fā)生相同應(yīng)變所需的應(yīng)力越?。辉嚰茐牡乃苄宰冃卧叫?。由圖4、圖5可知，在彈性變形階段，當(dāng)粘貼CFRP層數(shù)變化與鋼板腐蝕量變化時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率基本重合，可以認(rèn)為CFRP層數(shù)和腐蝕量不影響試件的彈性模量。

圖5 不同腐蝕量試件的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 界面應(yīng)力分析

CFRP與鋼板之間的界面存在粘結(jié)剪應(yīng)力，憑此可以完成CFRP與鋼板之間的應(yīng)力傳遞。粘結(jié)剪應(yīng)力主要分布在CFRP端部一定范圍內(nèi)，超過(guò)范圍則基本為零［20-21］。定義從FRP端部開(kāi)始，當(dāng)FRP中的拉力達(dá)到其承擔(dān)負(fù)荷的98%時(shí)所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度Leff稱為FRP的有效粘結(jié)長(zhǎng)度，τ（x）為x點(diǎn)的界面剪應(yīng)力，參照文獻(xiàn)［19-20］中分析，有：

式中：Es為鋼板的彈性模量，206 GPa；Ep為CFRP的彈性模量，227.6 GPa；P為鋼板所受的拉伸荷載；ts為鋼板厚度，6 mm；tp為CFRP厚度，0.16 mm；ta為浸漬膠厚度，0.5 mm；lp為CFRP中心距端點(diǎn)距離，42.5 mm；Gs為鋼板的剪切模量，79.4 GPa；Ga、Gp分別為浸漬膠和CFRP的剪切模量，由于CFRP之間的粘結(jié)主要通過(guò)膠層實(shí)現(xiàn)，可認(rèn)為CFRP的剪切模量與浸漬膠的相同［22］。膠層可認(rèn)為是各向同性材料，則其剪切模量可以用G＝E／2（1+v）來(lái)求得。取浸漬膠的泊松比為0.35，求得Gp＝Ga＝996 MPa。

鋼板腐蝕后，假設(shè)表面孔洞及裂紋中不存在任何銹蝕及雜質(zhì)，且粘貼CFRP時(shí)全部填充浸漬膠，不考慮殘余空氣的因素。那么2種情況對(duì)界面應(yīng)力有影響：①鋼板厚度ts隨腐蝕量增大而減??；②鋼板表面產(chǎn)生裂紋和孔洞，粘貼CFRP時(shí)，浸漬膠的實(shí)際厚度ta隨腐蝕量增大而增大。

以粘貼一層CFRP為例進(jìn)行分析：假設(shè)只存在第①種情況，不考慮鋼板腐蝕后產(chǎn)生的裂紋，且腐蝕量由鋼板均勻分?jǐn)?，ts隨腐蝕量增大而減小。對(duì)λ求ts的偏導(dǎo)數(shù)，得：

代入數(shù)據(jù)，可求得

當(dāng)鋼板厚度ts由6 mm逐步減小時(shí)隨著ts的減小，λ有所增大，Leff隨之減小，τ（x）減小。

假設(shè)只存在第②種情況，鋼板腐蝕后產(chǎn)生裂紋，ts實(shí)質(zhì)上未發(fā)生變化，產(chǎn)生裂紋后，浸漬膠的實(shí)際厚度ta增大，其他參數(shù)不變。對(duì)ta求偏導(dǎo)得，

在實(shí)際情況中，第①、②種情況都存在，腐蝕之后，鋼板厚度降低導(dǎo)致界面應(yīng)力減?。唤n膠厚度增大，導(dǎo)致界面應(yīng)力增大。但從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，最終的界面應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的界面剝應(yīng)力增大，可初步推測(cè)鋼板腐蝕產(chǎn)生的裂縫和孔洞對(duì)界面應(yīng)力的影響更大。

4 結(jié)論

1）試件腐蝕后，極限荷載和屈服荷載有所減小。在相同腐蝕量下，極限荷載比屈服荷載下降得更快；腐蝕量越大，試件斷裂時(shí)的塑性變形越小，當(dāng)腐蝕量足夠大時(shí)，試件受力后可能發(fā)生脆性破壞。粘貼CFRP層數(shù)越多，進(jìn)入塑性變形階段越晚，進(jìn)入塑性變形階段后的應(yīng)力越大。

2）試件的破壞形態(tài)與CFRP層數(shù)密切相關(guān)，與腐蝕量關(guān)系不大。當(dāng)未粘貼CFRP時(shí)，鋼板中部被拉斷。當(dāng)粘貼一層或兩層CFRP時(shí)，CFRP大部分與鋼板剝離后，鋼板在中間部位斷裂。當(dāng)粘貼三層CFRP時(shí)，CFRP層間剝離破壞，CFRP局部拉斷。CFRP的剝離基本都是由端部開(kāi)始，對(duì)端部進(jìn)行錨固，有可能增加CFRP的加固效果。

3）隨著CFRP層數(shù)的增多，屈服荷載和極限荷載均有一定程度的增大。不同腐蝕量下的屈服荷載與極限荷載提高率基本一致，粘貼一、二、三層CFRP，極限荷載的提高率分別為10%、20%、45%；明顯大于屈服荷載的提高率1%、5%、11%。

4）鋼材腐蝕后，表面會(huì)產(chǎn)生微小孔洞及裂紋，在CFRP加固工藝及參數(shù)不變的情況下，表面孔洞和裂紋越少，CFRP對(duì)鋼材的加固效果越好。