姚國文，劉明旭，吳樹杭，陳雪松

(1.重慶交通大學 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

碳纖維復合材料(CFRP)是以碳纖維為增強材料、合成樹脂為基體材料，摻入適當輔助劑，加工成型的復合材料，它具有輕質(zhì)高強、抗疲勞、耐高溫等優(yōu)點[1]。CFRP加固RC梁的服役環(huán)境復雜多樣，在我國西南地區(qū)，加固結構長期處于高溫、高濕和荷載作用環(huán)境中，易發(fā)生結構腐蝕疲勞、黏結界面濕熱塑化、混凝土碳化、鋼筋銹蝕等病害；同時，荷載使結構產(chǎn)生裂縫，加速了腐蝕介質(zhì)的滲入，導致結構力學性能衰減，結構整體耐久性能降低。

目前，國內(nèi)外學者針對CFRP加固鋼筋混凝土梁的耐久性開展了大量研究。鞏天琛等[2]綜述了濕熱環(huán)境對CFRP材料的吸濕特性、力學性能的影響；岳清瑞等[3]對200個碳纖維復合材料試件開展了自然老化試驗，得出CFRP耐久性能滿足橋梁加固工程要求，但加固結構的力學性能有待深入研究的結論；江勝華等[4]開展了CFRP加固RC梁抗彎性能試驗，從梁體破壞形態(tài)和承載力方面描述了濕熱環(huán)境下加固結構耐久性能的變化；鄒今航等[5]對濕熱環(huán)境作用后的CFRP試驗梁進行三點加載試驗，發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境會降低CFRP-混凝土黏結界面性能，從而降低結構耐久性；谷衛(wèi)敏等[6]通過高速沖擊試驗研究了濕熱環(huán)境下碳纖維復合板的抗沖擊性能，證實濕熱環(huán)境會影響碳纖維復合板的損傷空洞面積和層間性能；馬明等[7]通過雙剪試驗研究了持續(xù)荷載作用下CFRP加固RC梁的黏結界面性能并給出黏結滑移本構模型，研究得到持續(xù)荷載會降低界面初始剝離荷載的結論；付俊俊等[8]、王新玲等[9]、王志杰等[10]對CFRP-混凝土黏結界面的疲勞壽命、本構模型等開展了研究；姜明[11]通過高低溫交變加速濕熱循環(huán)老化試驗，研究了不同孔隙率的CFRP層合板在外加荷載下的力學性能演變規(guī)律；周昊[12]提出濕熱環(huán)境和荷載耦合作用下RC構件的耐久性試驗方法；S.CHOI等[13]、ZHANG Pu等[14]研究表明，黏結界面的環(huán)氧體系是決定CFRP加固RC梁耐久性的主要因素；多數(shù)學者的耐久性試驗研究集中于CFRP試驗梁在凍融環(huán)境[15-16]、鹽霧環(huán)境[17]、濕熱環(huán)境[18-19]等方面；陳雪松[20]、劉超越[21]針對濕熱環(huán)境耦合荷載作用下CFRP加固RC梁的破壞模式、力學性能和本構關系開展了試驗研究，得到荷載與濕熱耦合作用會降低組合結構耐久性和抗彎承載能力的結論。

筆者針對濕熱環(huán)境耦合荷載作用下CFRP加固RC梁的耐腐蝕性能開展了試驗研究，探討了濕熱環(huán)境耦合空載、靜載和交變荷載3種工況CFRP加固RC梁的破壞形態(tài)、極限荷載、黏結界面剪切應力傳遞規(guī)律，分析了CFRP加固RC梁在濕熱環(huán)境耦合荷載作用下的腐蝕損傷機理。結果表明：黏結膠層塑化與基體水解是導致CFRP加固RC梁耐腐蝕性能降低的主要原因，當耦合荷載尤其是交變荷載作用時，CFRP加固RC梁組合結構的耐腐蝕性能將大大降低。

1 試 驗

1.1 試驗材料與試驗梁制作

1.1.1 試驗材料

1)采用P.O.42.5拉法基水泥；細度模數(shù)Mx=2.74的中砂；粒徑為5～20 mm的花崗巖碎石。按照水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.38∶1.11∶2.72的配合比配制C30混凝土。

2)采用HPB335普通光圓鋼筋，縱筋屈服強度為333.3 MPa、極限強度為506.5 MPa、彈性模量為204 GPa。

3)CFRP為威德力新材料公司生產(chǎn)的WF300，其性能指標見表1。

4)將四川省隆昌縣承華膠業(yè)有限責任公司生產(chǎn)的CH-1A浸漬A、B膠，按照2∶1的重量比調(diào)制得到試驗所用黏結劑(AHS)，其力學性能指標見表1。

表1 CFRP及AHS性能指標

1.1.2 試驗梁制作

共制作了7根200 mm×100 mm×1 850 mm CFRP加固RC試驗梁(以下簡稱試驗梁)，編號為L1～L7。CFRP粘貼步驟如下：

1)在RC梁的鋼筋骨架縱筋受拉區(qū)跨中位置粘貼應變片；然后，將鋼筋骨架置于梁的鋼模板中，澆注混凝土并振搗；24 h后拆模，在室內(nèi)自然養(yǎng)護28天。

2)用砂輪機打磨RC梁底部，并用丙酮清洗，然后涂抹一層AHS黏結劑，緊密粘貼長度為1 580 mm的CFRP。

3)分別在距試驗梁底部跨中截面距離s=0、100、200、300、500、700 mm處的CFRP表面粘貼應變片(圖1)，然后繼續(xù)自然養(yǎng)護5天。

圖1 試驗梁應變片粘貼示意

1.2 濕熱環(huán)境設定

考慮到結構吸能會出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，設定試驗的濕熱環(huán)境為：溫度60 ℃，相對濕度95%。采用上海多禾試驗設備有限公司生產(chǎn)的DSCR-53-40-P-A型步入式高低溫環(huán)境試驗箱進行濕熱環(huán)境控制。

試驗梁經(jīng)歷的濕熱作用齡期t= 0、15、30 d。

1.3 濕熱環(huán)境耦合荷載加載

1.3.1 加載工況及跨中持載值

7根試驗梁中，L1為自然狀態(tài)，未經(jīng)歷濕熱環(huán)境耦合荷載加載，L2～L7為經(jīng)歷了不同的濕熱環(huán)境耦合荷載加載，荷載包括空載、靜載及交變載。

先對自然狀態(tài)的試驗梁L1進行三點加載試驗，得到極限荷載Pu=40 kN；在濕熱環(huán)境耦合荷載加載時，選取靜載、交變載的跨中持載值F=60%Pu=24 kN[15]。交變載加載制度為：0 → 24 kN、4 h → 0 kN、4 h。

加載工況詳見表2。表中“加載工況”英文字母表示加載方式：NL—空載，SL—靜載，AL—交變載；數(shù)字表示濕熱作用齡期：0、15、30天。

表2 濕熱-荷載耦合加載工況

1.3.2 濕熱環(huán)境耦合荷載加載

首先，將L2～L7置于環(huán)境試驗箱里(圖2)，在試驗梁的跨中位置施加荷載F，直至設定的齡期t，完成本次濕熱環(huán)境耦合荷載加載試驗；然后，取出試驗梁，進行三點加載試驗。

圖2 濕熱環(huán)境耦合荷載加載示意

1.3.3 三點加載

在自制反力架上，利用千斤頂對濕熱環(huán)境耦合荷載加載后的試驗梁進行三點加載試驗，測得試驗梁的跨中極限撓度Du、極限荷載Pu，及CFRP從混凝土表面初始剝離時的荷載Psplit，CFRP極限應變εCFRP, u、受拉縱筋極限應變εbar, u。結果見表3。

表3 三點加載試驗結果

2 試驗結果分析

1)對比L2、L3的Pu值和Psplit值發(fā)現(xiàn)，L2的均比L3的大，表明濕熱作用時間越長，試驗梁的極限荷載降低越多，黏結膠層性能劣化越嚴重。

2)對比L3、L5、L7的Pu值和Psplit值發(fā)現(xiàn)，L3的最大，L7的最小，L5的居中，表明濕熱環(huán)境耦合荷載時，交變荷載更容易降低CFRP的加固效果，從而大幅降低CFRP加固RC梁的抗彎性能。

3)對比L3、L5、L7的εCFRP，u值發(fā)現(xiàn)，L3的最大，L7的最小，L5的居中，表明濕熱環(huán)境耦合荷載作用下，交變荷載更容易降低CFRP的抗拉性能，致使CFRP加固RC梁更早的發(fā)生結構失效。

綜上，當濕熱環(huán)境耦合荷載尤其是交變荷載加載時，CFRP加固RC梁的極限荷載退化速率顯著加快，退化速率與時間呈正相關關系。原因可能是：①濕熱環(huán)境耦合荷載作用過程中，試驗梁帶裂縫工作，為空氣中的H2O、CO2等腐蝕物質(zhì)進入混凝土和黏結膠層提供了通道，導致混凝土內(nèi)部碳化，增大了梁體剛度；②由于CFRP和黏結膠層熱膨脹系數(shù)不匹配，當試驗梁處于高溫環(huán)境時，CFRP與黏結膠層脫粘，降低了結構剛度；③水分子在黏結膠層中符合Fick擴散規(guī)律，裂縫通道和荷載的共同作用增大了黏結膠層的吸濕率，引起黏結膠層塑化，加快了黏結界面性能的退化[22]，最終降低了黏結界面?zhèn)鬟f荷載的能力?；炷猎黾拥膭偠葘φw結構的貢獻不及黏結界面性能退化引起結構剛度的衰減，所以CFRP會更早發(fā)生剝離破壞。

2.3 CFRP加固RC梁的破壞形態(tài)

試驗梁的破壞形態(tài)和裂縫分布如圖3。

圖3 試驗梁的破壞形態(tài)

由圖3可見：

1)7根試驗梁均在跨中位置出現(xiàn)豎向裂縫，混凝土受壓區(qū)完好而受拉縱筋屈服，破壞模式均為CFRP剝離。

2)加載初期，在L1兩個支點附近出現(xiàn)了裂縫；隨著荷載的增大，兩支點間產(chǎn)生大量細小裂縫；當荷載達到39.50 kN時，可聽見CFRP從混凝土表面開始剝離發(fā)出的輕微“噼啪”聲；荷載繼續(xù)增大，L1跨中底部一條斜裂縫不斷發(fā)展，直至發(fā)生CFRP剝離破壞，如圖3(a)。

3)L2～L5發(fā)生CFRP剝離破壞時，混凝土保護層界面完整，試驗梁頂部混凝土無壓潰跡象。

4)L6、L7發(fā)生CFRP剝離破壞時，大量黏結膠層殘留在碳布上，部分CFRP呈片狀被縱向撕裂、剪斷。

分析原因是：①逐漸增大的荷載導致試驗梁體裂縫不斷發(fā)展、裂縫數(shù)量不斷增加，當裂縫寬度大于CFRP與試驗梁底部混凝土的滑移量時，出現(xiàn)CFRP剝離跡象，直至黏結界面抗剪強度達到極限，發(fā)生CFRP剝離破壞；②因裂縫處應力集中與黏結膠層的共同作用，裂縫處的混凝土更易被CFRP扯下；③荷載作用使CFRP和黏結膠層的孔隙率不斷改變[23]，進而影響了黏結界面的性能。

綜上，一方面，隨著濕熱作用齡期的延長，試驗梁的黏結膠層發(fā)生了氧化、熱降解、脫粘等，劣化了CFRP加固RC梁的強度[2]；另一方面，空載、靜載、交變載加速了裂縫的發(fā)展，降低了CFRP的加固效果。最終，在溫度應力、濕度應力、持載應力共同作用下，黏結界面的樹脂老化[17]程度成為判斷CFRP發(fā)生剝離破壞的關鍵指標。

2.4 荷載-撓度曲線

濕熱環(huán)境耦合荷載作用30 d后，試驗梁的荷載-跨中撓度(P-D)關系曲線如圖4。

圖4 試驗梁的P-D曲線

由圖4可見：

1)空載、靜載、交變載加載工況下，試驗梁的P-D曲線變化趨勢相似。曲線分為3個階段：第1階段，當三點加載試驗的加載值P<7 kN時，D隨P呈線性增大；第2階段，當P=7～35 kN時，試驗梁上的裂縫快速發(fā)展，且在梁體跨中位置產(chǎn)生了豎向裂縫，D快速增大；第3階段，當P>35 kN時，縱向受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土中裂縫急劇發(fā)展，黏結膠層抗剪強度達到極限，試驗梁發(fā)生CFRP剝離破壞。

2)結合表3中L1、L2、L3的跨中極限撓度Du值，可見粘貼CFRP會降低混凝土延性，且高溫高濕作用時間越久，混凝土延性越差；而從L3、L5、L7的跨中極限撓度Du值可以看出荷載作用會降低試驗梁的撓度，交變荷載下?lián)隙冉档妥畲蟆?/p>

分析原因可能是：帶裂縫工作的CFRP加固RC梁的密實性較低，空氣中H2O、CO2等易滲進黏結膠層和混凝土內(nèi)部，從而加速黏結膠層老化和混凝土碳化，降低黏結膠層的粘結能力和混凝土延性，發(fā)生脫粘現(xiàn)象，且交變荷載的破壞作用比靜載的大。

2.5 CFRP和鋼筋的荷載-拉應變(P-ε)曲線

2.5.1 基于試驗值的P-ε曲線

加載初期，試驗梁CFRP的整體粘結性能較好，若不考慮黏結膠層和混凝土內(nèi)部微小裂縫的變化，受拉縱筋與CFRP具備協(xié)調(diào)的變形關系，兩者的P-ε曲線變化趨勢極為接近，如圖5。

圖5 鋼筋與CFRP的P-ε曲線

由圖5可見：

1)當鋼筋屈服時，CFRP成為試驗梁后續(xù)承載的主要結構，因此，CFRP的應變增長速率比鋼筋的大。

2)濕熱環(huán)境耦合荷載作用降低了鋼筋和CFRP對試驗梁裂縫的約束能力，所以，當CFRP與鋼筋的極限荷載較為接近時，試驗梁能承受的極限荷載將達到極值。

2.5.2 屈服應變理論值與試驗值對比

1)CFRP和鋼筋的屈服應變理論值。由鋼筋及CFRP的屈服強度σy、彈性模量E，可計算出2種材料的屈服應變理論值εy理論，見表4。

表4 鋼筋和CFRP的屈服應變

2)試驗得到的L1、L3、L5、L7跨中截面鋼筋以及CFRP的荷載-拉應變(P-ε)關系曲線如圖6。

圖6 跨中截面鋼筋及CFRP的P-ε曲線

由圖6可見：4根試驗梁的承載能力和屈服應變均有所下降，下降程度依次為L7>L5>L3>L1，表明濕熱作用時間越久，試驗梁承載能力越低；相比靜載作用，交變載作用下試驗梁的承載能力降低更大；濕熱環(huán)境耦合荷載作用會大大試驗梁的承載能力。分析原因是：荷載作用使梁體產(chǎn)生裂縫；隨著荷載的增大，裂縫經(jīng)萌生、擴展，逐漸發(fā)展到中性軸附近，成長為Ⅰ型裂縫；隨著試驗梁剛度降低，中性軸上移，Ⅰ型裂縫穩(wěn)定擴展，此時，CFRP出現(xiàn)初始剝離現(xiàn)象并產(chǎn)生沿梁的端部擴展的Ⅱ型裂縫，降低了黏結膠層傳遞荷載的能力，導致結構性能下降。相對而言，交變載更容易使試驗梁結構失效。

結合圖6和表4知，鋼筋的屈服應變試驗值稍大于理論值，而CFRP的屈服應變試驗值遠小于理論值。分析原因可能是：一方面，CFRP加固RC梁具有剛度大的優(yōu)點，鋼筋易進入屈服、強化階段，其抗拉作用得以充分發(fā)揮；另一方面，由于CFRP加固RC梁的黏結膠層不是固結約束，CFRP的抗拉性能無法得到充分發(fā)揮，導致CFRP的屈服應變大幅降低。

2.6 CFRP拉應變與剪應力的縱向分布規(guī)律

沿試驗梁縱向取CFRP微元體進行受力分析(圖7)，由CFRP的受力平衡知：

圖7 CFRP微元體受力分析

(1)

式中：τCFRP為CFRP的剪應力。

圖8為不同加載荷載下，L3、L5、L7不同應變測點的拉應變ε與測點距加載端距離s的關系曲線。

圖8 CFRP測點的應變ε與測點距加載端距離s的關系曲線

由圖8可見：

1)當s=0～700 mm，L7的CFRP拉應變值下降速度最快，L3的最慢。可以看出，該過程是逐漸向梁體端部發(fā)展的，表明加載端的剪應力在達到峰值后，會逐漸減小且會向梁體端部移動。

2)越靠近試驗梁梁端，CFRP的拉應變值越趨近“0”，表明施加給試驗梁的能量被逐漸消耗，直至混凝土所承受的荷載無法向CFRP傳遞，發(fā)生CFRP剝離破壞，引起結構失效。

綜上，濕熱環(huán)境對黏結膠層有劣化作用，導致試驗梁跨中承載能力下降，跨中附近的截面會更快、更多地參與結構受力，并向端部衰減傳遞；濕熱環(huán)境耦合荷載作用則加劇了黏結膠層劣化，交變荷載的破壞作用最大。

3 結 論

針對服役環(huán)境下CFRP加固RC梁的耐久性問題，開展了濕熱環(huán)境耦合荷載作用的試驗研究。得到以下主要結論：

1)濕熱環(huán)境耦合荷載作用加速了黏結膠層劣化，降低了試驗梁的極限承載力、跨中撓度和應變；交變荷載的破壞作用最大。

2)梁體和黏結膠層內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫成為H2O、CO2等滲入的通道，黏結膠層的脫粘及混凝土的碳化降低了試驗梁的抗彎性能。

3)濕熱環(huán)境耦合荷載作用加速了黏結膠層性能劣化，降低了粘結界面?zhèn)鬟f荷載的能力，導致試驗梁更易發(fā)生CFRP剝離破壞。