靳文強(qiáng) ，聶丹，王琦，張家瑋 ，趙建昌，郭樂樂

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308)

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)因其具有拉伸強(qiáng)度高、耐腐蝕等良好性能，目前在砌體結(jié)構(gòu)加固中被廣泛應(yīng)用，通過黏貼CFRP 加固的方法能夠提高砌體墻的整體抗震和抗裂性能[1?3]。使用CFRP對黏土磚砌體結(jié)構(gòu)加固時，用黏結(jié)樹脂把CFRP 片材黏貼在結(jié)構(gòu)表面，通過黏結(jié)界面?zhèn)鬟f剪應(yīng)力，讓CFRP 與黏土磚結(jié)構(gòu)共同受力，從而起到結(jié)構(gòu)加固的作用。對于CFRP 與黏土磚界面的黏結(jié)強(qiáng)度的研究，目前國內(nèi)外眾多學(xué)者主要集中在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下黏結(jié)強(qiáng)度與黏土磚、CFRP、黏結(jié)樹脂等材料性能的對應(yīng)關(guān)系上[4?9]，沒有考慮諸如硫酸鹽、凍融、紫外線等環(huán)境因素對黏結(jié)界面的影響。由于被加固的砌體結(jié)構(gòu)一般均處于自然環(huán)境中，加固結(jié)構(gòu)的耐久性會受到酸堿等惡劣環(huán)境的影響，因此研究考慮惡劣環(huán)境下界面的黏結(jié)性能十分必要。硫酸鹽對黏土磚具有很強(qiáng)的腐蝕性[10]，但關(guān)于硫酸鹽對CFRP-黏土磚界面的黏結(jié)性能的影響，目前文獻(xiàn)研究極少，也未見到相應(yīng)的退化模型，而許多建筑，特別是黏土磚古建筑處于硫酸鹽環(huán)境中，硫酸鹽環(huán)境必然會對使用CFRP 加固的黏土磚結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[11?13]。本文使用硫酸鹽溶液對黏貼CFRP 的黏土磚試件進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)，通過單剪方式，研究CFRP 與黏土磚界面的黏結(jié)性能退化情況，為日益增多的加固技術(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取了表面平整、無明顯裂紋并且邊角完整的普通燒結(jié)黏土磚作為試件，經(jīng)測定黏土磚的平均抗壓強(qiáng)度值為16.54 MPa。試驗(yàn)選用的碳纖維布和黏結(jié)樹脂性能分別見表1 和表2，使用的硫酸鹽溶液為濃度1.887 mol/L 的Na2SO4溶液，Na2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

表1 碳纖維布主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of CFRP

表2 黏結(jié)樹脂主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of the resin

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)共制作粘貼纖維布黏土磚試件35 個，作為主試件，共分7 組，每組5 個試件。試驗(yàn)還同時選取35個沒有粘貼纖維布的黏土磚作為輔助試件，以測試硫酸鹽干濕循環(huán)不同次數(shù)下的強(qiáng)度等參數(shù)，也分為7 組，每組5 個試件。試驗(yàn)還制作CFRP 片材試件21個，分為7組，每組3個試件，以測試硫酸鹽干濕循環(huán)作用下彈性模量的變化情況。

主試件所使用纖維布的黏結(jié)寬度均為50 mm，黏結(jié)長度均為180 mm。纖維布粘貼在黏土磚沿著長邊居中部位。制作試件時，在黏土磚靠近加載端設(shè)置20 mm 的非黏結(jié)段防止應(yīng)力集中，如圖1(a)所示，并在CFRP加載端頭進(jìn)行加固。

圖1 CFRP-黏土磚單剪試件示意圖Fig.1 Picture of CFRP-brick single shear specimen

試驗(yàn)干濕循環(huán)參照GB/T50082—2009標(biāo)準(zhǔn)[14]的試驗(yàn)方法進(jìn)行，對試件浸泡12 h，溫度控制在(20±2) ℃，然后風(fēng)干2 h，再以40 ℃的溫度烘干8 h，最后冷卻2 h，如此24 h 為1 個循環(huán)。為方便試驗(yàn)，定制自動循環(huán)試驗(yàn)箱，按照設(shè)定時間自動循環(huán)。每種試件各留出1組作為對比試件，其余試件全部放入循環(huán)試驗(yàn)箱內(nèi)，在循環(huán)分別達(dá)到20次，40次，60 次，80 次，100 次和120 次時各取出1 組試件 進(jìn)行測試。

1.3 試驗(yàn)加載裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)加載采用的設(shè)備為WDW?50 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，數(shù)據(jù)通過DH3816 靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集，如圖2所示。

圖2 單剪試驗(yàn)加載裝置Fig.2 Single shear test loading device

在CFRP 的表面沿長度方向粘貼電阻應(yīng)變片，以加載端黏結(jié)起點(diǎn)作為坐標(biāo)0點(diǎn)，向自由端記為坐標(biāo)正值，向加載端記為坐標(biāo)負(fù)值，應(yīng)變片沿CFRP布中線在?10 mm 到180 mm 粘貼長度范圍內(nèi)按每20 mm 布置1個應(yīng)變片，應(yīng)變片分別貼在?10，10，30，…，170 mm 處，共10 個應(yīng)變片。粘貼應(yīng)變片在試件硫酸鹽干濕循環(huán)完成后進(jìn)行，應(yīng)變片布置及應(yīng)變測點(diǎn)編號詳見圖1(b)。根據(jù)硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)對試件進(jìn)行編號，如LSY80?3 表示經(jīng)受干濕循環(huán)80次的第3個試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材料性能變化

為更準(zhǔn)確分析硫酸鹽對界面的影響，本文試驗(yàn)同步測試了組成試件材料在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下的性能變化，考慮到酸、堿環(huán)境對黏結(jié)樹脂的強(qiáng)度影響不明顯[11]，因此本文未對黏結(jié)樹脂作進(jìn)一步研究，主要研究黏土磚抗壓強(qiáng)度和CFRP 的彈性模量隨硫酸鹽干濕循環(huán)的次數(shù)影響情況，結(jié)果見表3。由表3可知，CFRP彈性模量隨硫酸鹽干濕循環(huán)變化幅度均小于5%，可以認(rèn)為硫酸鹽干濕循環(huán)對CFRP 彈性模量沒有影響。由表3 可知在循環(huán)初期，黏土磚抗壓強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增大而增大，在循環(huán)40 次時達(dá)到極值后逐步下降，相比較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，抗壓強(qiáng)度在循環(huán)120次時下降幅度達(dá)30%。

職工之家是醫(yī)院廣大職工交流活動的重要平臺，是醫(yī)院文化建設(shè)的重要陣地。建設(shè)職工之家能讓職工從中感受到溫暖、感到歸屬、感到責(zé)任。我院在職工之家下設(shè)護(hù)士之家、男護(hù)士之家、人文關(guān)懷小組和興趣活動小組。各小組分布廣且覆蓋面全，活動形式多樣?？梢詮牟煌瑢用媪私庾o(hù)理人員心理所想、壓力表現(xiàn)和具體的需求，再根據(jù)需求采取不同的形式來緩解護(hù)理人員的心理壓力。

表3 CFRP彈性模量、黏土磚抗壓強(qiáng)度隨硫酸鹽干濕循環(huán)變化幅度Table 3 Elastic modulus of CFRP and compressive strength of clay brick vary with the variation range ofsulfate dry-wet cycle

對黏土磚材料進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)，得到圖3所示的硫酸鹽干濕循環(huán)作用后黏土磚材料T2譜曲線，T2 譜曲線可以很好的反映黏土磚孔隙的孔徑及不同孔徑的孔隙所占的比例。圖3中橫坐標(biāo)即弛豫時間的長短反映了黏土磚孔隙的大小，縱坐標(biāo)即信號幅度代表了該種孔隙所占的量。黏土磚中的孔隙為硫酸鹽侵入腐蝕和破壞提供了條件，分析認(rèn)為，在硫酸鹽干濕循環(huán)初期，硫酸鹽與黏土磚材料分子發(fā)生反應(yīng)生成物填充孔隙，使孔隙密實(shí)，而后期大孔徑增多主要是孔隙中生成物的膨脹力超過磚材料本身抗拉強(qiáng)度，孔隙破壞所致。而孔隙破壞又加劇硫酸鹽的侵蝕，從而使破壞越來越嚴(yán)重。

圖3 硫酸鹽干濕循環(huán)作用后黏土磚材料T2圖Fig.3 T2 diagram of clay brick after the wet and dry cycle of sulfate

2.2 界面破壞現(xiàn)象

圖4為硫酸鹽干濕循環(huán)作用下黏土磚界面典型破壞現(xiàn)象。由圖4可知，硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)較低時(本試驗(yàn)為40次之前)，試件的剝離發(fā)生在黏土磚層上，CFRP 上黏下來的黏土磚層厚度約為2～3 mm(圖4(a)和4(b))；循環(huán)次數(shù)較高時，破壞發(fā)生在黏結(jié)膠與黏土磚之間的浸潤層上(圖4(c)和4(d))，CFRP 黏結(jié)下來的黏土磚層越來越薄，到循環(huán)120次時，僅僅是一些碎屑或薄薄的面層，隱約能看見黏土磚黏結(jié)過的痕跡(圖4(d))。表明硫酸鹽干濕循環(huán)對CFRP-黏土磚界面影響較大。

圖4 硫酸鹽循環(huán)作用下黏土磚界面破壞現(xiàn)象Fig.4 Destruction of clay brick interface under the action of sulfate cycle

隨著循環(huán)次數(shù)的增加，CFRP 兩側(cè)剝離的跡象越來越明顯，說明CFRP 邊緣最先劣化，黏結(jié)力變小，在外力作用下最先剝離。同時也說明CFRP 與黏結(jié)膠對于硫酸鹽的侵蝕黏土磚起了一定的保護(hù)作用，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，界面內(nèi)部仍然受到較大的腐蝕與劣化。

2.3 界面承載力

通過單剪試驗(yàn)裝置可以直接獲取CFRP 極限承載力PU，極限承載力隨硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖5所示。

從圖5 可以看出，在硫酸鹽干濕循環(huán)初期(本試驗(yàn)約為40 次之前)，界面承載力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，循環(huán)后期承載力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小。當(dāng)循環(huán)時間達(dá)到80 次時，承載力的大小和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下試件的承載力近似相等，當(dāng)循環(huán)時間達(dá)到120次時，相對于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試件，界面極限承載力下降了約27%，表明硫酸鹽干濕循環(huán)短期內(nèi)對CFRP-黏土磚界面有強(qiáng)化作用，但長期作用下對界面黏結(jié)性能起劣化作用，且隨著循環(huán)時間的延長越發(fā)嚴(yán)重。

圖5 破壞荷載與循環(huán)周期關(guān)系曲線Fig.5 Failure load-cycle relationship curve

界面承載力是通過纖維布和黏結(jié)膠將剪應(yīng)力傳遞給黏土磚的。當(dāng)剪應(yīng)力超過黏土磚抗壓強(qiáng)度時黏土磚開裂，纖維布和黏土磚界面破壞。根據(jù)文獻(xiàn)[9]剪應(yīng)力公式，詳見式(1)，結(jié)合應(yīng)變圖形可以得到不同硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)下的黏結(jié)強(qiáng)度。

圖6為黏土磚抗壓強(qiáng)度和界面黏結(jié)強(qiáng)度分別隨硫酸鹽干濕循環(huán)變化趨勢。由圖6可知，兩者隨干濕循環(huán)次數(shù)變化走向基本一致，代表值均為干濕循環(huán)初期數(shù)據(jù)增大，后期呈下降趨勢。由于纖維布和樹脂膠的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于黏土磚強(qiáng)度，因此，黏土磚的抗壓強(qiáng)度決定著界面承載力的大小。由2.1可知，干濕循環(huán)初期，硫酸鹽使得黏土磚孔隙密實(shí)，抗壓強(qiáng)度增大，而后期黏土磚孔隙破裂，抗壓強(qiáng)度下降，這也是承載力上升與下降的主要原因。

圖6 黏土磚抗壓強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度關(guān)系圖Fig.6 Relationship between compressive strength and bond strength of clay brick

2.4 界面有效黏結(jié)長度

通過剪切試驗(yàn)可以得到各試件隨荷載變化的應(yīng)變分布曲線，圖7(a)，7(b)和7(c)分別為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境、硫酸鹽干濕循環(huán)40 次和120 次下的試件典型應(yīng)變圖。由圖7可知，硫酸鹽干濕循環(huán)作用下不同時間對應(yīng)的應(yīng)變圖形走向基本一致，根據(jù)試驗(yàn)加載過程，試件從開始受力到破壞總共經(jīng)歷了3個階段。第1個階段為應(yīng)變增長階段，只能在加載端附近測得應(yīng)變值，遠(yuǎn)離加載端部分應(yīng)變?nèi)繛榱?。?階段為初始剝離階段，此階段的特點(diǎn)是加載端處有相鄰測點(diǎn)近似等值的情況，說明有部分界面開始剝離。第3 階段為剝離破壞階段，在第2階段剝離的基礎(chǔ)上等值測點(diǎn)不斷增多，在達(dá)到一定程度時發(fā)生突然的破壞。觀察第2階段，發(fā)現(xiàn)在加載端剝離時，自由端處仍存在零應(yīng)變區(qū)域，整個界面并沒有全部破壞，此時應(yīng)變曲線形狀近似反向的“S”形。第3 階段的應(yīng)變圖形與第2 階段相似，只是靠近加載端的“S”形上肢平行段不斷增長，而靠近自由端的水平段不斷減少，說明在剝離的過程中，應(yīng)變峰值向自由端移動，“S”曲線以等長的方式向自由端移動。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9,15]，這個“S”曲線的水平投影即為有效黏結(jié)長度。

圖7 CFRP應(yīng)變分布Fig.7 CFRP strain distribution

對于有效黏結(jié)長度的求解，已有部分學(xué)者進(jìn)行了研究。SUBRAMANIAM 等[16]提出應(yīng)變分布公式，在求解有效黏結(jié)長度時，是將實(shí)際應(yīng)變分布曲線上零應(yīng)變和最大應(yīng)變拐點(diǎn)值分別向內(nèi)偏差2%來確定，YUAN等[17]認(rèn)為有效黏結(jié)長度至少承但極限荷載的97%，比較簡單容易實(shí)現(xiàn)的方法是NAKABA 等[18]建議，他認(rèn)為取最大剪應(yīng)力τmax的10%相對應(yīng)的2 個點(diǎn)之間的距離作為有效黏結(jié)長度，如圖8所示。

本文以Nakaba 建議的方式進(jìn)行測量有效黏結(jié)長度。根據(jù)2.3得到的剪應(yīng)力，比照圖8進(jìn)行計算，求各批次圖形中合理部分的平均值，得到硫酸鹽不同循環(huán)次數(shù)下的黏結(jié)長度，如表4所示。

圖8 有效黏結(jié)長度示意圖Fig.8 Schematic diagram of effective bonding length

由表4 數(shù)據(jù)可知，在硫酸鹽循環(huán)作用下，CFRP與黏土磚的有效黏結(jié)長度在40次之前隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增長，在循環(huán)40 次時達(dá)到極值，40次之后隨循環(huán)次數(shù)增大而減小。文獻(xiàn)[15]提出了有效黏結(jié)長度與組成材料之間的關(guān)系式，詳見公式(2)。公式表明，有效黏結(jié)長度與黏土磚的強(qiáng)度成正比例關(guān)系，而本試驗(yàn)中黏土磚的抗壓強(qiáng)度在40次達(dá)到最大值，本研究結(jié)果與文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果基本一致。

表4 硫酸鹽干濕循環(huán)不同次數(shù)下有效黏結(jié)長度Table 4 Effective bonding length under different times of sulfate wet and dry cycle

將本試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(2)，并和表4數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果見圖9。

式中：Le為有效黏結(jié)長度；fm為燒結(jié)黏土磚的抗壓強(qiáng)度；Ef，tf分別為CFRP彈性模量和厚度。

由圖9可知，本試驗(yàn)研究結(jié)果與文獻(xiàn)研究結(jié)果基本一致。

圖9 界面有效黏結(jié)長度Fig.9 Effective bonding length of interface

3 黏結(jié)強(qiáng)度模型

FRP 加固黏土磚砌體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是界面對荷載的傳遞，界面的良好黏結(jié)是加固結(jié)構(gòu)共同受力變形的前提[9]，黏結(jié)滑移模型是研究界面黏結(jié)性能的基礎(chǔ)，目前雖有關(guān)于CFRP-黏土磚界面黏結(jié)滑移模型的研究[4?8]，但這些模型都是基于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的，目前尚未發(fā)現(xiàn)對硫酸鹽腐蝕環(huán)境下CFRP-黏土磚界面黏結(jié)滑移模型的研究。而黏土磚材料本身的性能會隨著硫酸鹽干濕循環(huán)而退化，勢必會影響界面的黏結(jié)性能，從而影響CFRP 對結(jié)構(gòu)加固的耐久性[19?20]。

根據(jù)馬明等[21]提出的界面最大剪應(yīng)力與黏結(jié)寬度和被加固材料強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)合黃奕輝[9]關(guān)于最大剪應(yīng)力研究成果，利用本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最后得出符合本試驗(yàn)的峰值剪應(yīng)力計算公式：

式中：fm為黏土磚抗壓強(qiáng)度；bf為CFRP 黏結(jié)寬度；bm為黏土磚寬度。

在式(3)的基礎(chǔ)上引入硫酸鹽干濕循環(huán)作用下界面黏結(jié)強(qiáng)度影響系數(shù)kq，如式(4)所示。

此時，fm為CFRP加固前黏土磚的抗壓強(qiáng)度。

對不同硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)下的剪應(yīng)力進(jìn)行擬合，可以得到與硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)相關(guān)的界面黏結(jié)強(qiáng)度影響系數(shù)kq：

通過式(4)可以得到的界面黏結(jié)強(qiáng)度計算值，并將試驗(yàn)值與計算值進(jìn)行對比，如圖10 所示。由對比圖形可知，試驗(yàn)值與所建模型的計算值吻合較好，僅在循環(huán)后期計算值略低于試驗(yàn)值，這主要是在實(shí)際試驗(yàn)中CFRP 與黏土磚剝離面處存在摩擦力和咬合力所致，而推導(dǎo)得到的計算公式是理想化的模型，因而出現(xiàn)模型預(yù)測值小于試驗(yàn)值的情況。

圖10 黏結(jié)強(qiáng)度與硫酸鹽干濕循環(huán)作用時間關(guān)系曲線Fig.10 Bonding strength and sulfate wet and wet cycle effect time curve

4 結(jié)論

1)硫酸鹽干濕循環(huán)對CFRP彈性模量幾乎沒有影響，但對黏土磚性能有顯著影響。黏土磚抗壓強(qiáng)度在硫酸鹽干濕循環(huán)40 次之前，隨著循環(huán)次數(shù)的增大而增大，在循環(huán)40 次時達(dá)到極值，后逐步下降，在循環(huán)120次時下降幅度達(dá)30%。

2) 黏土磚界面破壞形態(tài)隨硫酸鹽干濕循環(huán)作用而不同。在硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)較低時(本試驗(yàn)為40 次之前)，試件發(fā)生的主要是剪切破壞，剝離發(fā)生在黏土磚層上；而循環(huán)次數(shù)較高時，發(fā)生的主要是黏結(jié)破壞，破壞主要發(fā)生在碳纖維布與黏土磚之間的滲透層。

3) 界面承載力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增長后下降的趨勢。在硫酸鹽干濕循環(huán)40 次之前，界面承載力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加，40 次之后承載力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到120次時，相對于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的試件，界面極限承載力下降了約27%。

4) 硫酸鹽干濕循環(huán)作用對CFRP-黏土磚界面有效黏結(jié)長度有明顯影響。有效黏結(jié)長度在循環(huán)初期略有增長，后期隨循環(huán)次數(shù)的增加逐步減小，這一規(guī)律和黏土磚抗壓強(qiáng)度變化相似，說明黏土磚材料強(qiáng)度與界面黏結(jié)性能密切相關(guān)。

5) 結(jié)合已有研究成果，引入硫酸鹽干濕循環(huán)影響系數(shù)，建立了界面黏結(jié)?滑移模型。預(yù)測模型可以很好的反映界面黏結(jié)強(qiáng)度隨硫酸鹽干濕循環(huán)作用時間的退化規(guī)律。