吳智深

(東南大學(xué)城市工程科學(xué)技術(shù)研究院,南京 211100)

外貼碳纖維布加固技術(shù)是利用膠黏劑(常用環(huán)氧樹脂)將碳纖維布現(xiàn)場浸漬并粘貼至加固混凝土結(jié)構(gòu)表面,以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種高性能加固技術(shù),具有適用范圍廣、承載力提升大、施工工期短以及耐久性能好等優(yōu)點。該加固方法經(jīng)過20 世紀(jì)90年代初的早期研究,于1995 年日本阪神大地震后開始大規(guī)模應(yīng)用,在受災(zāi)橋梁等各類建筑結(jié)構(gòu)的修復(fù)以及既有結(jié)構(gòu)性能提升中發(fā)揮了極大作用[1]。1996 年,結(jié)合試驗研究與實踐經(jīng)驗,日本土木工程學(xué)會(JSCE)發(fā)布了第一本碳纖維加固設(shè)計施工指南[2]。隨后歐美國家、澳大利亞以及我國都陸續(xù)發(fā)布了相關(guān)的設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)和指南[3-6]。該加固技術(shù)在規(guī)范發(fā)布后發(fā)展迅速,由于對結(jié)構(gòu)性能提升顯著且施工便捷,逐漸成為國際主流的加固技術(shù)之一。二十多年來,我國大量工程結(jié)構(gòu)的加固中也廣泛采用了外貼碳纖維布加固技術(shù)[1,7]。

我國《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367—2013)規(guī)定,當(dāng)加固材料中含有合成樹脂或其他聚合物成分時,結(jié)構(gòu)加固后使用年限宜按30 年考慮[8]。然而隨著外貼碳纖維布加固技術(shù)的不斷實踐,在工程中依然發(fā)現(xiàn)少數(shù)加固年限較短(5～10年)的橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)外貼的碳纖維增強復(fù)合材料斷裂或剝離等質(zhì)量問題,遠未達到規(guī)范規(guī)定的加固后設(shè)計使用年限要求。因此,本文結(jié)合國內(nèi)外既有研究成果對部分工程中出現(xiàn)的CFRP 加固的早期失效原因進行梳理分析,探討避免“短命”問題的相關(guān)對策和減緩加固系統(tǒng)服役期性能退化的相關(guān)措施,并給出進一步實現(xiàn)加固系統(tǒng)長壽命的方法,為相關(guān)工程結(jié)構(gòu)加固實踐提供依據(jù)與參考。

1 外貼碳纖維布加固結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)施工工藝

工程實踐中外貼碳纖維布加固結(jié)構(gòu)主要包含抗彎加固、抗剪加固、抗震加固以及混凝土抗剝落等基本形式,外貼碳纖維布加固結(jié)構(gòu)基本形式如圖1 所示。不論何種加固形式,為保證外貼碳纖維布的良好加固效果,除了依據(jù)相關(guān)加固設(shè)計規(guī)范進行合理設(shè)計之外,其加固施工工藝必須滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。目前國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范關(guān)于外貼碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)施工工藝的規(guī)定基本上比較類似[4,6],主要包含6 個步驟:①清理混凝土基層,將被粘貼的混凝土表面打磨平整,并除去表層浮漿和油污等雜質(zhì),直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面;②配制并涂刷底層樹脂(底膠),并采用滾筒刷將配制好的底層樹脂均勻涂刷于原結(jié)構(gòu)表面;③配制找平材料并對不平整處進行找平處理,對原結(jié)構(gòu)表面凹陷部位應(yīng)采用找平材料填補平整,不應(yīng)有棱角;④采用滾筒刷將配制好的浸漬樹脂均勻涂刷于粘貼部位;⑤將纖維布輕壓貼于需粘貼的位置,應(yīng)采用專用的滾子順纖維方向多次滾壓,并應(yīng)擠除氣泡,滾壓時不得損傷纖維布;⑥所有纖維布粘貼完成后,進行表面防護處理。

需要注意的是,若步驟①～步驟③處理不當(dāng),則易造成后來粘貼的碳纖維布剝離或形成空鼓,而若步驟④～步驟⑤未達到要求,則會極大降低碳纖維布與浸漬樹脂固化形成的CFRP 強度。顯然,各步驟對加固效果都有重要影響,需要進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

2 外貼碳纖維布加固系統(tǒng)“短命”問題分析與對策

目前國內(nèi)外加固工程實踐中,前述標(biāo)準(zhǔn)施工工藝在實際操作中往往都存在一定缺陷,導(dǎo)致加固效果不盡如人意,部分橋梁加固結(jié)構(gòu)僅服役5～10 年就出現(xiàn)CFRP 局部斷裂或剝落等“短命”情況,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全,某高速公路橋梁外貼碳纖維布加固工程如圖2 所示。由于外貼碳纖維布加固技術(shù)通過在混凝土結(jié)構(gòu)表面粘貼碳纖維布以改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),因此實現(xiàn)結(jié)構(gòu)有效加固的關(guān)鍵在于碳纖維布與現(xiàn)場浸漬樹脂形成的CFRP 所達到的強度以及CFRP -混凝土界面的可靠黏結(jié)。若不滿足上述條件,加固系統(tǒng)則可能出現(xiàn)“短命”問題,以下分別對影響CFRP 強度及其與混凝土界面黏結(jié)性能的因素進行分析,在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)對策。

2.1 CFRP 強度影響因素

CFRP 片材由碳纖維布與浸漬樹脂復(fù)合而成,因此CFRP 的力學(xué)性能主要受碳纖維布與樹脂質(zhì)量及其浸漬與固化程度影響。通常CFRP 需要在工廠通過碳纖維和樹脂復(fù)合成型的嚴(yán)格規(guī)范加工過程制造而成。若工程中采用的碳纖維布或樹脂不滿足設(shè)計要求,則必然嚴(yán)重影響CFRP 的強度及黏結(jié)性能,導(dǎo)致加固系統(tǒng)出現(xiàn)“短命”問題。同時即使碳纖維和樹脂兩種材料均滿足設(shè)計要求,CFRP 的強度也未必達到設(shè)計強度,這主要是受下列因素影響。

2.1.1 樹脂浸漬程度

CFRP 受到拉伸荷載作用時,荷載主要由增強纖維承擔(dān),而樹脂基體起纖維整合和傳遞應(yīng)力的作用,樹脂含量對CFRP 受力性能的影響如圖3 所示。

當(dāng)沒有足夠的浸漬樹脂浸透纖維時,將造成纖維貧膠且在CFRP 中產(chǎn)生空隙,纖維浸漬效果對比如圖3(a)所示。這種情況下纖維整體性差,纖維之間的應(yīng)力無法被有效傳遞,荷載作用下CFRP 橫截面存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而削弱了復(fù)合材料的整體拉伸強度。CFRP 拉伸強度隨浸漬樹脂含量的變化[9]如圖3(b)所示,只有當(dāng)CFRP 中浸漬樹脂含量達到某一值時,碳纖維的高強性能才得以發(fā)揮。作者研究團隊曾開展10 m 長碳纖維布的張拉性能試驗[10],結(jié)果表明未浸漬樹脂的碳纖維布其張拉強度僅為浸漬樹脂后CFRP 片材的40%左右,而通過間隔浸漬樹脂等手段可顯著提高碳纖維布的張拉強度,從而提升預(yù)應(yīng)力碳纖維布的張拉性能。因此,在加固施工時應(yīng)注意保證纖維布的有效浸漬,以有效保障加固質(zhì)量。

2.1.2 浸漬樹脂黏度

浸漬樹脂是粘貼纖維布的主要黏結(jié)材料,其作用是使碳纖維絲之間以及與混凝土之間充分黏結(jié),起共同承受結(jié)構(gòu)的作用,浸漬樹脂主要性能指標(biāo)[4]如表1 所示[6]。浸漬樹脂不僅要具備良好的力學(xué)性能,還應(yīng)具有良好的工藝性能,即混合后黏度。若浸漬樹脂黏度過小,可能從纖維布中析出,而浸漬樹脂黏度過大,則不利于對纖維布的浸透且易夾帶氣泡,因此浸漬樹脂應(yīng)具有合適的黏度。值得注意的是,浸漬樹脂黏度受環(huán)境溫度影響大,冬季施工時低溫下浸漬樹脂的黏度與表面張力增大[11]。浸漬樹脂黏度對CFRP 拉伸強度的影響[12]如圖4 所示,高黏度的浸漬樹脂流動性差,不利于對纖維的浸潤,因此與碳纖維布復(fù)合后形成的CFRP 強度較低[12]。

表1 浸漬樹脂主要性能指標(biāo)

2.1.3 纖維彎曲

碳纖維布在施工現(xiàn)場通過樹脂浸漬并粘貼于混凝土結(jié)構(gòu)表面,在形成的CFRP 中易出現(xiàn)纖維彎曲的現(xiàn)象。纖維彎曲會導(dǎo)致纖維增強復(fù)合材料(FRP)在受力過程中纖維束之間受力不均勻,導(dǎo)致拉伸強度降低并出現(xiàn)較大離散性,因此碳纖維外貼施工過程中需要一定的預(yù)張力。此外,纖維彎曲還是導(dǎo)致長期荷載作用下FRP 產(chǎn)生較大蠕變變形的主要原因,當(dāng)采用預(yù)張拉對纖維調(diào)直后可顯著降低FRP 材料的蠕變率[13],纖維彎曲對FRP 力學(xué)性能的影響如圖5 所示。

以上分析表明,如果能夠在施工階段保證纖維平順,避免彎曲,將有效保證纖維增強復(fù)合材料的短長期力學(xué)性能。因此,外貼碳纖維布施工過程中導(dǎo)入一定的預(yù)張力是進行施工質(zhì)量保障的有效方法。

2.1.4 尺寸效應(yīng)

隨長度、寬度及厚度的增加,CFRP 性能將出現(xiàn)一定程度的下降,即出現(xiàn)尺寸效應(yīng)。長度方向的尺寸效應(yīng)由纖維沿縱向的不均勻性和氣泡等缺陷造成,且這種不均勻性和缺陷隨著長度的增加,呈現(xiàn)比例增大的趨勢,從而造成CFRP 的強度下降。研究表明,受尺寸效應(yīng)影響,自由長度為2 m 的CFRP試件的拉伸強度僅為通常材性試件(長度為200 mm)的80%[14]。作者研究團隊的研究表明,10 m 長碳纖維布的拉伸強度僅為材性試件的40%左右[15]。除了長度方面即纖維方向的尺寸效應(yīng),CFRP 在寬度方向上也存在尺寸效應(yīng)。寬度對CFRP 拉伸性能的影響如圖6 所示,隨著寬度的增加,CFRP 強度有所降低[14]。此外,CFRP 厚度增加也將增加服役過程中發(fā)生沿復(fù)合材料厚度方向?qū)訝钏毫鸦驅(qū)娱g剝離破壞的可能性,降低加固效果。因此,應(yīng)用規(guī)范要求采用粘貼纖維布加固修復(fù)板、殼、墻與筒體結(jié)構(gòu)時,應(yīng)選擇多密布的方式進行粘貼,而不得使用未經(jīng)裁剪成條的整幅織物滿貼,一定程度上降低寬度方向的尺寸效應(yīng)對纖維復(fù)合材料拉伸強度的影響,并控制纖維布的粘貼層數(shù)。

2.2 CFRP-混凝土界面黏結(jié)影響因素

現(xiàn)場樹脂浸漬固化形成的CFRP 片材與混凝土表面之間的可靠黏結(jié)是保證加固結(jié)構(gòu)性能的另一關(guān)鍵因素。若結(jié)構(gòu)加固后CFRP 片材與混凝土界面黏結(jié)性能未達到設(shè)計要求,則加固系統(tǒng)將出現(xiàn)界面剝離等“短命”問題。一般而言,CFRP 與混凝土界面的黏結(jié)性能主要受以下現(xiàn)場施工工序影響。

2.2.1 黏結(jié)面表面處理

結(jié)構(gòu)加固前應(yīng)清除黏結(jié)面表層浮漿與油污等雜質(zhì),直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。通過開展CFRP-混凝土單剪試驗,發(fā)現(xiàn)黏結(jié)面進行處理后試件破壞時混凝土骨料拔出,而未進行表面處理的的試件僅表面砂漿層剝離?；炷琉そY(jié)面處理對黏結(jié)性能的影響如圖7 所示。

由圖7 中CFRP-混凝土單剪試驗的荷載滑移曲線可知,與未進行表面處理的試件相比,進行過表面處理的試件的界面黏結(jié)荷載提高了約20%[15]。因此,粘貼面表面處理能有效增強CFRP與混凝土的黏結(jié)性能。

2.2.2 黏結(jié)樹脂剛度

目前市場上適用于外貼碳纖維布的環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑種類較多,不同黏結(jié)樹脂性能差異較大。作者研究團隊曾采用不同剛度的黏結(jié)樹脂對CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能進行試驗測試[16],發(fā)現(xiàn)在市場上常見的樹脂種類中,黏結(jié)樹脂越柔軟(彈性模量低),界面黏結(jié)強度與延性越高,對常規(guī)環(huán)氧樹脂進行增韌處理可有效提升界面黏結(jié)性能,黏結(jié)樹脂剛度對界面性能的影響如圖8 所示。但黏結(jié)樹脂也不是越柔軟越好,太柔軟的樹脂往往拉伸強度較低,在較大荷載下容易造成樹脂層內(nèi)破壞,削弱界面黏結(jié)強度。因此,在選用外貼碳纖維布的黏結(jié)樹脂時應(yīng)在保證樹脂拉伸強度的前提下,盡量選用柔軟的樹脂,也可在常規(guī)樹脂的基礎(chǔ)上進行增韌處理。

2.2.3 涂刷底膠

底膠是一種低黏度和高浸潤性材料,既可以滲透到混凝土內(nèi)部強化薄弱表面層,還能與上層找平膠之間形成化學(xué)鍵來輔助粘貼。CFRP 與混凝土試塊的正拉黏結(jié)強度的試驗現(xiàn)象顯示,當(dāng)混凝土表面涂底膠、試件破壞時混凝土骨料被拔出,CFRP-混凝土界面表現(xiàn)出較大的正拉黏結(jié)強度;未涂底膠、試件破壞時混凝土表面沒有骨料拔出,界面的正拉黏結(jié)強度相對較小[17]。底膠對CFRP-混凝土界面剪應(yīng)力和界面斷裂能的影響如圖9 所示,通過單剪試驗對底涂作用進一步研究[18],發(fā)現(xiàn)涂刷底膠后CFRP-混凝土界面的剪應(yīng)力為10.9 MPa,而未涂底膠的界面剪應(yīng)力僅為5.6 MPa,界面剪應(yīng)力如圖9(a)所示。因此,在待加固結(jié)構(gòu)表面均勻涂刷一層低黏度與高浸潤性的底膠,能有效強化混凝土表面,提高CFRP 與混凝土界面的黏結(jié)性能。此外需要注意的是,單位面積內(nèi)底膠用量對界面黏結(jié)影響很大[19],界面斷裂能如圖9(b)所示,只有底膠達到一定用量時,才能有效提升界面斷裂能,改善CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能。

2.2.4 涂刷找平膠

未涂刷找平膠的結(jié)構(gòu)黏結(jié)面可能存在局部凹陷或凸起,混凝土表面缺陷的影響如圖10 所示?；炷两Y(jié)構(gòu)變形時,凹陷處的CFRP 將受到轉(zhuǎn)向力[18],表面凹陷處局部剝離如圖10(a)所示。在該轉(zhuǎn)向力作用下,凹陷處的CFRP-混凝土界面由于較高的正拉應(yīng)力易發(fā)生剝離,從而導(dǎo)致加固系統(tǒng)局部失效。而當(dāng)結(jié)構(gòu)黏結(jié)面存在凸起時,該區(qū)域的CFRP 將受到擠壓力作用,表面凸起處局部擠壓破壞如圖10(b)所示。對于承受動荷載作用的橋面板或主梁,凸起處的擠壓力會不斷沖擊CFRP,從而在材料中產(chǎn)生垂直于材料表面的應(yīng)力波,應(yīng)力波會轉(zhuǎn)化成層間應(yīng)力,引起材料內(nèi)部損傷,從而產(chǎn)生層間裂紋。隨樹脂基體裂紋的擴展,大部分纖維被拔出或斷裂,導(dǎo)致CFRP 破斷。

2.2.5 局部浸漬樹脂聚集

對于不存在凹陷或凸起的平整混凝土表面,加固系統(tǒng)依然可能發(fā)生如圖10 所示的破壞,這是由于混凝土表面浸漬樹脂未均勻涂刷或碳纖維布粘貼后多方向滾壓,可能導(dǎo)致局部浸漬樹脂聚集成團,浸漬樹脂聚集引起局部擠壓破壞如圖11 所示。這種情況下CFRP 依然存在彎曲,當(dāng)結(jié)構(gòu)受到動荷載不斷沖擊時,聚集的樹脂團會擠壓CFRP,致使CFRP 內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。

2.3 避免“短命”問題的相關(guān)對策

上述分析表明,當(dāng)加固設(shè)計合理且所用加固材料質(zhì)量合格時,加固系統(tǒng)仍然可能出現(xiàn)“短命”問題,這主要與CFRP 未達到設(shè)計強度以及CFRP 與混凝土界面未形成可靠黏結(jié)有關(guān)。為避免這兩種情況出現(xiàn),本文結(jié)合前述分析及規(guī)范條款,提出以下對策,需要予以特別關(guān)注。

2.3.1 CFRP 強度測試及碳纖維布預(yù)張力控制

為確保CFRP 強度滿足設(shè)計要求,施工前應(yīng)對碳纖維布與浸漬樹脂進行復(fù)合并測試,以確定CFRP 達到設(shè)計強度時單位面積碳纖維布需要的浸漬樹脂用量。施工時,根據(jù)所裁剪的單片碳纖維布的面積計算浸漬樹脂用量,并將其均勻涂覆于纖維布表面。若浸漬樹脂滴落,需要進行適當(dāng)補膠。此外,每次配制的浸漬樹脂須在短時間內(nèi)用完,這是由于浸漬樹脂長時間放置時其黏度將會增大,從而影響碳纖維布的浸潤效果。前文分析表明,纖維彎曲將顯著影響CFRP 的短長期受力性能。在碳纖維布外貼施工時,可通過夾具裝置對碳纖維布施加一定預(yù)張力來消除纖維彎曲的影響,提高CFRP 的強度。

2.3.2 CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能測試

為確保加固后CFRP 與混凝土界面能夠形成有效黏結(jié),加固施工前,宜按標(biāo)準(zhǔn)施工工藝在結(jié)構(gòu)上進行碳纖維布試粘貼。達到養(yǎng)護期后,采用現(xiàn)場黏結(jié)強度檢測方法對CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能進行測試[6],現(xiàn)場黏結(jié)強度檢測方法如圖12 所示,測試具體步驟為:①清理被測部位表面的污漬并保持干燥;②從加固表面向混凝土基體內(nèi)部切割預(yù)切縫,切入混凝土深度為2～3 mm,寬度為1～2 mm,預(yù)切縫為直徑40 mm 的圓形;③采用取樣黏結(jié)劑粘貼直徑為40 mm 的圓形鋼標(biāo)準(zhǔn)塊與CFRP,其中取樣黏結(jié)劑的正拉黏結(jié)強度應(yīng)大于CFRP 浸漬樹脂的正拉黏結(jié)強度。若滿足發(fā)生混凝土內(nèi)聚破壞或正拉黏結(jié)強度不小于2.5 MPa,表明所用施工工藝可以使CFRP 與混凝土形成有效黏結(jié)。加固施工結(jié)束后,仍須采用該測試方法對CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能進行隨機取樣抽查。其中,500 m2以下的加固工程取一組試樣,每組3 個試樣;500～1 000 m2的加固工程取兩組試樣;1 000 m2以上的加固工程每1 000 m2取兩組試樣。

需要說明的是,在結(jié)構(gòu)表面粘貼碳纖維布前,應(yīng)涂刷找平膠平整黏結(jié)面,以避免結(jié)構(gòu)黏結(jié)面局部凹陷或凸起引起的CFRP 剝離或斷裂。目前對于外貼碳纖維布加固工程,我國規(guī)范僅要求粘貼面平整,但沒有提出平整的具體指標(biāo)。而國際FRP 加固技術(shù)報告Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures[3]中對此做了詳細(xì)規(guī)定,即當(dāng)黏結(jié)長度為0.3 m 時,黏結(jié)面深度變化應(yīng)小于2 mm;而黏結(jié)長度為2 m 時,黏結(jié)面深度變化應(yīng)小于4 mm;其余黏結(jié)長度時黏結(jié)面深度變化可按插值計算。

2.3.3 施工過程中的樹脂浸漬質(zhì)量把控

在施工過程中有效把控樹脂浸漬質(zhì)量可保證CFRP 的設(shè)計強度及其混凝土黏結(jié)性能。根據(jù)我國規(guī)范規(guī)定的施工工藝[6],在粘貼碳纖維布之前應(yīng)采用滾筒刷將配制好的浸漬樹脂均勻涂刷于粘貼部位,再將纖維布用手輕壓貼于需粘貼的位置,應(yīng)采用專用的滾子順纖維方向多次滾壓,并應(yīng)擠除氣泡,滾壓時不得損傷纖維布。需多層粘貼碳纖維布時,應(yīng)重復(fù)上述步驟,并應(yīng)在纖維表面的浸漬樹脂指觸干燥后盡快進行下一層粘貼。

3 外貼碳纖維布加固系統(tǒng)設(shè)計年限內(nèi)正常使用影響因素與保障措施

當(dāng)碳纖維布與浸漬樹脂共同形成的CFRP 達到設(shè)計強度,且CFRP 與混凝土界面具有可靠黏結(jié)時,加固系統(tǒng)一般不會出現(xiàn)“短命”問題。但是,加固系統(tǒng)長期服役時依然存在CFRP 力學(xué)性能和CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能退化的問題,若退化程度較大,則將導(dǎo)致加固系統(tǒng)失效。因此,為保障外貼碳纖維布加固系統(tǒng)30～50 年設(shè)計使用年限還需要一些耐久性設(shè)計。以下將分別對引起CFRP 力學(xué)性能和CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能退化的因素進行分析,并給出保障加固系統(tǒng)設(shè)計年限內(nèi)正常使用的耐久性保障措施。

3.1 CFRP 性能退化影響因素

普通自然環(huán)境作用下,CFRP 性能在設(shè)計使用年限內(nèi)基本保持穩(wěn)定。但對于在惡劣環(huán)境中服役的結(jié)構(gòu),外貼于結(jié)構(gòu)表面的CFRP 可能遭受如強紫外線、凍融循環(huán)以及酸堿鹽溶液腐蝕等作用。此外用于橋梁橋面板與主梁等結(jié)構(gòu)加固時,CFRP 還將受到疲勞荷載作用。上述惡劣服役環(huán)境中CFRP 的性能退化已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛探討。

3.1.1 紫外線作用

紫外線長期照射下,CFRP 的退化表現(xiàn)為表面光澤降低、表層樹脂剝落,產(chǎn)生微裂紋和氣泡,外層樹脂損失嚴(yán)重、纖維外露于表層以及片材分層等。但對于自然環(huán)境下暴露的無機纖維復(fù)合材料,紫外線作用主要集中在復(fù)合材料表層,對材料整體性能影響較小,而水分和溫度的變化會誘發(fā)性能進一步劣化。紫外線與水汽對碳纖維增強復(fù)合材料拉伸性能影響[20]如圖13 所示。在50 ℃環(huán)境中,經(jīng)紫外線作用500 h 后,CFRP 的拉伸強度基本不變,而在紫外線與水汽耦合作用下,CFRP 的拉伸強度下降了1%～3%。

3.1.2 凍融循環(huán)作用

當(dāng)CFRP 應(yīng)用于寒冷地區(qū)橋梁加固時,長期凍融循環(huán)作用可能造成樹脂與纖維的界面上產(chǎn)生往復(fù)交變的溫度應(yīng)力,造成黏結(jié)性能退化。此外,樹脂基體易于吸收環(huán)境中的水汽,凍融循環(huán)過程中水的漲縮作用可能降低樹脂基體及纖維-樹脂基體的界面性能。研究發(fā)現(xiàn)CFRP 在-17 ±2 ℃～8 ±2 ℃之間凍融循環(huán)200 次后,拉伸強度下降了12%,彈性模量有變大的趨勢,導(dǎo)致材料變脆[21],凍融循環(huán)對CFRP 力學(xué)性能的影響如圖14 所示。

3.1.3 酸堿鹽作用

目前,酸堿鹽對CFRP 的影響從纖維、基體和復(fù)合材料3 個層次展開。碳纖維由于具有極為穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu),纖維浸泡在腐蝕環(huán)境下不會發(fā)生明顯的侵蝕現(xiàn)象。不同腐蝕溶液作用后碳纖維的表面形態(tài)如圖15 所示,由圖15 可知,碳纖維在55 ℃下暴露于4 種溶液66 d 后,除了附著在纖維表面的沉淀物外,未觀察到腐蝕或點蝕,這表明碳纖維對其接觸的不同腐蝕元素具有很強的抵抗力[22]。對于樹脂基體,相關(guān)試驗表明酸堿鹽腐蝕溶液作用后樹脂拉伸強度下降可達20%左右。而對于CFRP 復(fù)合材料,酸堿鹽腐蝕的影響則相對較小。

3.1.4 疲勞荷載作用

纖維增強復(fù)合材料在疲勞荷載作用下會發(fā)生基體開裂、脫粘、分層和纖維斷裂等損傷,從而導(dǎo)致材料力學(xué)性能逐漸退化,相關(guān)試驗表明經(jīng)過200 萬次疲勞荷載作用后,CFRP 的拉伸強度由3 900 MPa下降至3 200 MPa[23]。CFRP 單軸拉伸疲勞的SN曲線如圖16 所示,由圖16 可知,CFRP 具有優(yōu)異的疲勞受力性能,若施工工藝滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求,則CFRP 能夠滿足加固結(jié)構(gòu)中的疲勞受力需求。

3.2 CFRP-混凝土界面性能退化影響因素

在長期服役過程中,CFRP-混凝土界面性能退化速度比單純CFRP 性能退化的速度更快。CFRP-混凝土界面性能退化問題已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛探討,旨在為加固設(shè)計提供參考,確保界面黏結(jié)長期可靠。根據(jù)既有文獻資料,CFRP-混凝土界面性能的退化主要受以下服役環(huán)境因素影響。

3.2.1 凍融循環(huán)作用

凍融循環(huán)對CFRP-混凝土界面的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:其一,CFRP 與混凝土的熱膨脹系數(shù)差異較大,凍融循環(huán)作用下CFRP 與混凝土的變形差異引起的內(nèi)應(yīng)力將損傷界面;其二,黏結(jié)樹脂會吸收環(huán)境中的水汽,水在凍融循環(huán)過程中的漲縮作用將導(dǎo)致樹脂出現(xiàn)損傷。因此CFRP-混凝土界面在凍融循環(huán)作用下,界面黏結(jié)性能將逐漸退化。凍融循環(huán)對界面黏結(jié)性能的影響如圖17 所示,圖17中相關(guān)曲線為FRP-混凝土界面在-17 ℃～ +8 ℃之間凍融循環(huán)0 次、100 次、200 次和300 次后的黏結(jié)滑移曲線[24]。經(jīng)歷300 次凍融循環(huán)后,CFRP-混凝土界面的黏結(jié)應(yīng)力下降了約40%。

3.2.2 海水干濕循環(huán)作用

當(dāng)采用外貼碳纖維布加固處于海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)時(如港口與海岸結(jié)構(gòu)),CFRP-混凝土界面通常會長期受到海水干濕循環(huán)作用,導(dǎo)致界面黏結(jié)性能退化。目前,對CFRP-混凝土黏結(jié)界面在海水干濕環(huán)境條件下的長期耐久性的認(rèn)識依然有限。試驗室中一般通過鹽溶液干濕循環(huán)模擬海水干濕循環(huán)。干濕循環(huán)對界面黏結(jié)性能的影響[25]如圖18 所示,表明CFRP-混凝土界面經(jīng)歷0 次、60次、120 次和180 次鹽溶液干濕循環(huán)后界面黏結(jié)荷載的變化情況。經(jīng)歷180 次鹽溶液干濕循環(huán)后,CFRP-混凝土界面的黏結(jié)荷載下降了約30%[25]。

3.2.3 疲勞荷載作用

當(dāng)CFRP-混凝土界面受到疲勞荷載作用時,界面的初始缺陷與新產(chǎn)生的微裂紋將逐漸擴展,導(dǎo)致CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能退化[26]。疲勞荷載對界面黏結(jié)性能的影響如圖19 所示,相關(guān)試驗表明[27-28],界面黏結(jié)-滑移曲線剛度將隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而顯著降低,卸載后的殘余滑移量也呈現(xiàn)增加的趨勢[如圖19(a)所示];隨著疲勞荷載次數(shù)的增加,界面將發(fā)生初始剝離并不斷擴展,FRP應(yīng)變分布逐漸向遠離加載端擴展,并且疲勞荷載作用后界面有效黏結(jié)長度變大[如圖19(b)所示];疲勞荷載下界面的破壞形態(tài)也將發(fā)生顯著改變,由靜力荷載下的混凝土層內(nèi)剝離轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲?混凝土界面層剝離[如圖19(c)所示],表明黏結(jié)樹脂的力學(xué)性能在疲勞加載的過程中出現(xiàn)了顯著退化,從而導(dǎo)致界面?zhèn)髁π阅芙档汀?/p>

3.3 保障正常使用的相關(guān)對策

前述分析表明,惡劣環(huán)境影響下CFRP 力學(xué)性能以及CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能將隨服役時間的增加而逐漸退化。為保障加固系統(tǒng)在設(shè)計使用年限內(nèi)正常發(fā)揮作用,既有研究與設(shè)計規(guī)范中提出了以下對策。

3.3.1 材料與黏結(jié)性能折減

1) CFRP 強度折減

加固設(shè)計時需根據(jù)結(jié)構(gòu)實際服役環(huán)境對CFRP性能進行折減。對于在惡劣環(huán)境中服役的CFRP,美國ACI 440.2R 指南建議環(huán)境折減系數(shù)為0.85[4],我國規(guī)范中環(huán)境折減系數(shù)約為0.83[6]。此外為防止服役期間CFRP 發(fā)生疲勞破壞,ACI 440.2R 指南建議CFRP 的許用應(yīng)力水平為0.55fu(fu為CFRP 的設(shè)計極限強度)。

2) CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能折減

我國規(guī)范中采用FRP 進行抗彎加固、受彎剝離時的有效拉應(yīng)變計算公式如式(1)所示。其中γei為FRP-混凝土界面的環(huán)境影響因素,室內(nèi)環(huán)境取1.0,室外環(huán)境取1.2,對海洋環(huán)境和侵蝕環(huán)境取1.4[6]。

當(dāng)受到疲勞荷載作用的結(jié)構(gòu)采用外貼碳纖維布加固時,意大利國家研究委員會指南CNR 2004[7]建議設(shè)計時將FRP-混凝土界面靜力黏結(jié)強度的50%作為疲勞荷載的限值,以防止FRP-混凝土界面疲勞破壞,我國規(guī)范暫無相關(guān)規(guī)定。

3.3.2 錨固措施

為避免正常使用條件下CFRP 的剝離破壞,除通過上述計算設(shè)計,國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范[2-6]還推薦進一步采用纖維布U 形箍、纖維布壓條、機械錨具以及纖維錨釘?shù)儒^固措施,國內(nèi)外規(guī)范中的各類錨固措施如圖20 所示。相關(guān)研究表明,靜力荷載下上述錨固措施能夠提升加固結(jié)構(gòu)中CFRP 的有效應(yīng)變,延緩甚至避免剝離破壞,使加固材料利用率顯著提高。目前關(guān)于疲勞荷載及惡劣環(huán)境下這些錨固措施的效果還有待進一步研究。

值得注意的是,相關(guān)研究表明采用機械錨具等錨固措施時在高應(yīng)力作用下易存在切口效應(yīng),在錨具安裝施工時由于錨具剛度較大可能對碳纖維布造成一定初始損傷,在較大荷載下錨固區(qū)碳纖維布的變形會受到錨具的限制,導(dǎo)致碳纖維布局部拉應(yīng)力集中,提前發(fā)生斷裂破壞[29]。相比而言,碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的錨固更適宜采用相對柔性的纖維錨釘錨具[29-31],纖維錨釘是由卷制松散的纖維束制成,其一端插入混凝土預(yù)鉆孔中,另一端則用環(huán)氧樹脂粘在FRP 的表面,纖維錨釘錨固碳纖維布如圖21 所示。粘貼于FRP 表面的纖維一般分散形成一個錨扇,可有效減小錨固區(qū)碳纖維布的局部應(yīng)力集中,其錨固效果已被大量試驗證實,目前已經(jīng)被納入美國混凝土協(xié)會ACI 440.2R 設(shè)計指南中[4]。

3.3.3 表面防護

利用外貼碳纖維布加固的結(jié)構(gòu)在其服役過程中可能會遭受環(huán)境侵蝕,因此為延緩加固系統(tǒng)性能退化,CFRP 表面應(yīng)進行涂層處理。正常服役環(huán)境下,加固系統(tǒng)通常所需考慮的環(huán)境因素有濕度(水分和鹽分)、堿環(huán)境、溫度作用以及紫外線暴露等。根據(jù)服役環(huán)境,可以選擇不同功能的表面涂層,但常用的表面防護方法是在CFRP 表面抹水泥砂漿。根據(jù)現(xiàn)場實際情況可以采用人工涂抹或機器噴射的方式。因樹脂完全固化后表面非常光滑,水泥砂漿很難掛住,可以在表層樹脂沒有完全固化的時候,在纖維布表面撒一些細(xì)砂,使其表面有一定的粗糙度。

4 外貼碳纖維布加固系統(tǒng)長壽命提升方法探討

目前外貼碳纖維布加固的設(shè)計使用年限為30年,而國內(nèi)外橋梁設(shè)計使用年限通常在100 年以上。若要加固系統(tǒng)在橋梁整個服役期內(nèi)發(fā)揮加固效果,則外貼碳纖維布加固技術(shù)的長期性能還需要進一步提升。如前所述,碳纖維本身是一種較為穩(wěn)定的材料,加固系統(tǒng)性能退化主要是由于浸漬樹脂老化?；诖?為實現(xiàn)外貼碳纖維布加固系統(tǒng)長壽命服役,可采用以下方式對加固系統(tǒng)進行改進。

4.1 環(huán)氧樹脂改性

環(huán)氧樹脂分子鏈中存在強吸水的羥基,在濕熱環(huán)境中易吸收環(huán)境中的水分。同時環(huán)氧樹脂為高分子有機物,在強紫外線照射環(huán)境下內(nèi)部分子鏈易發(fā)生斷裂。長期服役于上述環(huán)境中的環(huán)氧樹脂性能將逐漸劣化,即出現(xiàn)材料老化現(xiàn)象。為減緩環(huán)氧樹脂老化速度,既有研究對環(huán)氧樹脂做了以下三方面改進,可有效提升環(huán)氧樹脂的耐老化性能[32-33]。

4.1.1 抗裂紋擴展

通過對樹脂基體進行增韌改性處理,可以提高樹脂的抗裂能力,降低腐蝕溶液在樹脂中的傳播速率,從而提升樹脂的長期耐久性。目前,研究中常用的增韌材料有蒙脫石、SiO2和ZrO2等納米顆粒。納米顆粒加入環(huán)氧樹脂后,當(dāng)主裂紋尖端在擴展過程中接觸到剛性顆粒時,裂紋會發(fā)生傾斜或者扭轉(zhuǎn)而偏離原來的方向,這將導(dǎo)致裂紋的擴展路徑變長,且尖端的應(yīng)力被削弱,從而消耗主裂紋上的能量。因此,納米顆粒加入環(huán)氧樹脂后能有效提高材料內(nèi)部對裂紋擴展的抵抗能力,即提升了環(huán)氧樹脂的韌性。

4.1.2 抗?jié)駸崂匣?/p>

改善環(huán)氧樹脂抗?jié)駸崂匣阅苤饕袃蓚€途徑:其一,降低樹脂內(nèi)部強吸水基團的數(shù)量;其二,在樹脂中添加相物質(zhì)阻擋水分子滲入樹脂內(nèi)部。然而,環(huán)氧樹脂內(nèi)部的強吸水基團使其具有較高的黏結(jié)性能,降低強吸水基團數(shù)量將直接影響環(huán)氧樹脂性能,因此國內(nèi)外學(xué)者常采用第二個途徑。既有研究發(fā)現(xiàn)在環(huán)氧樹脂中添加層狀硅酸鹽、薄片狀有機黏土、納米管狀的高嶺土和納米顆粒狀的碳化硅均能不同程度提升樹脂的抗?jié)駸崂匣阅?且納米顆粒狀的碳化硅提升效果最佳。

4.1.3 抗紫外線老化

為提升環(huán)氧樹脂的抗紫外線老化性能,既有研究中主要采用以下方法:①在環(huán)氧樹脂中添加二苯甲酮和苯并三唑類有機化合物,這些化合物能有效吸收環(huán)境中的紫外線,將高能量的紫外線轉(zhuǎn)換為低能量的熱能或波長較短的電磁波;②在環(huán)氧樹脂中添加以2,2,6,6-四甲基哌啶為母體的光穩(wěn)定劑,抑制已經(jīng)形成自由基的聚合物的降解;③在環(huán)氧樹脂中添加屏蔽劑吸收、反射和散射紫外線,例如ZnO、TiO2、Al3O3、高嶺土、碳化鈣以及滑石粉等,其中ZnO 與TiO2等納米無機氧化物紫外線屏蔽性能相對優(yōu)異。

4.2 CFRP 的長壽命設(shè)計

外貼碳纖維布加固系統(tǒng)在長期服役過程中,疲勞損傷累積將導(dǎo)致CFRP 性能退化甚至發(fā)生斷裂破壞。通常疲勞試驗的測試終止條件定義為試件破壞或到達200 萬次循環(huán),這是沿用了金屬材料的試驗經(jīng)驗,然而FRP 與金屬材料的疲勞退化機理有很大不同,且在服役過程中以低應(yīng)力水平為主,服役期疲勞荷載循環(huán)可達千萬次級別。為此,近年來作者研究團隊開展了FRP 片材超長周期(1 000 萬次)疲勞性能及其與腐蝕環(huán)境耦合的疲勞試驗[34-35],FRP 超長周期疲勞性能試驗如圖22 所示,研究結(jié)果顯示,在高應(yīng)力水平下纖維斷裂占主導(dǎo)地位,而基體開裂和界面脫粘則是低/中疲勞應(yīng)力水平下FRP 的主要破壞模式[如圖22(a)所示],腐蝕環(huán)境耦合作用進一步加劇了FRP 的疲勞損傷,通過對浸漬樹脂進行增韌改性處理可有效提升FRP 在超長周期循環(huán)荷載下的疲勞受力性能[如圖22(b)所示],可實現(xiàn)CFRP 的長壽命設(shè)計。

4.3 預(yù)浸漬FRP 筋布體系

為解決外貼碳纖維布在加固施工中易存在的黏結(jié)界面空鼓和空洞等缺陷問題,有研究者提出采用預(yù)浸漬樹脂的FRP 筋布加固體系[36-37],預(yù)浸漬FRP 筋布加固體系如圖23 所示。

FRP 筋布是由含浸硬化的FRP 筋通過橫向緯線聯(lián)系形成的一種特殊FRP 片材,沿FRP 筋方向具有較高的抗拉強度,FRP 筋布構(gòu)造如圖23(a)所示。由于FRP 筋之間存在的間距空隙,加固時不必完全浸漬黏結(jié)材也可大大減少空鼓、孔洞和氣泡的產(chǎn)生,有效避免粘貼不均勻、施工氣泡等因素導(dǎo)致的界面黏結(jié)失效等問題。試驗研究表明[36-38],相比傳統(tǒng)的外貼纖維布與碳纖維板加固手段,同等加固量下FRP 筋布加固梁具有更高的承載能力和更好的位移延性,界面黏結(jié)性能更好,加固混凝土梁的受力性能如圖23(b)所示。該加固體系能夠有效避免施工中易于出現(xiàn)的纖維布浸漬與黏結(jié)缺陷,配合前述錨固與表面防護等措施將有效保證加固系統(tǒng)的長壽命使用需求。

4.4 薄面FRP 網(wǎng)格黏結(jié)加固體系

針對外貼碳纖維布在施工中易存在缺陷及嚴(yán)酷環(huán)境下環(huán)氧樹脂黏結(jié)性能退化較大的問題,近年來作者研究團隊開發(fā)了薄面FRP 網(wǎng)格黏結(jié)加固體系[39],通過涂抹或噴射高性能無機黏結(jié)材料(如聚合物砂漿等)將FRP 網(wǎng)格與既有結(jié)構(gòu)形成整體,施工便捷,界面質(zhì)量易于保證。黏結(jié)用的薄面無機黏結(jié)材料具有優(yōu)異的耐久性,可有效保障嚴(yán)酷環(huán)境下FRP 網(wǎng)格加固體系的長壽命。薄面FRP 網(wǎng)格黏結(jié)加固體系如圖24 所示,FRP 網(wǎng)格是將連續(xù)纖維與浸潤樹脂按一定工藝生產(chǎn)制作的連續(xù)網(wǎng)格狀復(fù)合材料制品[如圖24(a)所示],其無浸潤性問題,拉伸強度高,硬質(zhì)的縱橫向網(wǎng)格筋在黏結(jié)材料中能夠協(xié)同受力。相關(guān)研究表明,FRP 網(wǎng)格-混凝土界面斷裂能顯著高于同等纖維含量的FRP 片材-混凝土界面[40]。FRP 網(wǎng)格加固混凝土受彎構(gòu)件能夠有效提升其剛度與極限承載力[如圖24(b)所示],并可有效避免外貼碳纖維布加固體系中常見的剝離破壞[41]。該加固體系能夠有效保障施工中易于出現(xiàn)的纖維布浸漬與黏結(jié)缺陷,尤其適用于嚴(yán)酷環(huán)境下各類工程結(jié)構(gòu)的加固,有效保證加固系統(tǒng)的長壽命使用需求。

5 結(jié)語

為實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的有效加固,施工過程中應(yīng)確保由碳纖維布與浸漬樹脂復(fù)合而成的CFRP 達到設(shè)計強度,且CFRP 與混凝土界面形成可靠黏結(jié)。由于現(xiàn)場施工過程中碳纖維布浸漬、混凝土黏結(jié)面處理、涂刷底膠和找平膠這幾道工序?qū)FRP 強度及其與混凝土界面的黏結(jié)有很大影響,因此現(xiàn)場施工監(jiān)理應(yīng)對這幾道工序予以重點檢查,驗收合格后方可進行下一道工序施工?，F(xiàn)場嚴(yán)格的施工驗收標(biāo)準(zhǔn)可有效降低加固系統(tǒng)出現(xiàn)“短命”問題。

對于服役于惡劣環(huán)境中的加固系統(tǒng),其在設(shè)計使用年限內(nèi)會出現(xiàn)性能退化,為避免性能退化導(dǎo)致加固系統(tǒng)失效,加固設(shè)計時應(yīng)重視CFRP 錨固與表面防護措施。同時須充分考慮CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能折減這一新條文。此外為避免加固系統(tǒng)性能退化,實現(xiàn)長壽命服役,可進一步對浸漬樹脂進行增韌改性,或采用預(yù)浸漬FRP 筋布及薄面FRP網(wǎng)格加固體系等,為實現(xiàn)外貼碳纖維加固技術(shù)的長壽命提供切實可行的途徑。