董 磊，趙 坤，靳文強,2，聶 丹，張家瑋,2，郭樂樂

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，蘭州 730070； 3.中國市政工程西北設計研究院有限公司，蘭州 730030)

0 引 言

碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)加固技術已廣泛用于實際工程中，CFRP加固砌體結構是在砌體表面粘貼CFRP片材，使其形成一個整體，協(xié)同工作、共同受力。因此，加固效果取決于CFRP與黏土磚界面的粘結性能[1-3]。截至目前，關于CFRP與黏土磚界面的粘結性能已有學者做了相應研究[4-6]，對其界面力學行為進行了分析，提出了相應的界面粘結-滑移模型，但大多數(shù)都是基于標準環(huán)境下的試驗研究。在實際工程應用中，被加固磚砌體古建筑以及其他砌體結構都處于室外環(huán)境，長期經(jīng)受酸、堿、凍融、紫外線等惡劣環(huán)境的影響，國內(nèi)外已有學者展開了一些考慮不同侵蝕環(huán)境對加固砌體結構影響的試驗研究[7-9]，其中硫酸鹽侵蝕環(huán)境是對加固砌體結構危害的侵蝕環(huán)境之一，硫酸鹽侵蝕引起CFRP加固砌體結構損傷或失效已經(jīng)成為一種常見和嚴重的工程問題[10-11]。因此研究硫酸鹽侵蝕環(huán)境對CFRP-黏土磚界面粘結性能的影響具有重要意義。

本文利用硫酸鹽加速侵蝕的方法，對CFRP-黏土磚界面在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下粘結性能展開研究，在試驗基礎上利用有限元ABAQUS軟件采用內(nèi)聚力本構關系模型對CFRP-黏土磚單剪試驗進行數(shù)值模擬[12-14]，充分發(fā)揮有限元分析的優(yōu)勢，對界面發(fā)展各階段進行詳細地描述，通過與試驗結果對比，分析模擬結果的準確性，為探索硫酸鹽侵蝕環(huán)境下CFRP-黏土磚界面的粘結性能退化規(guī)律提供一種有效的方法。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗所用的黏土磚為表面平整、質地均勻且邊角完整的既有建筑黏土磚，使用質量分數(shù)為5%的硫酸鈉溶液。試驗所用CFRP片材及浸漬膠(CFSR A/B)由上?？ū?Carbon)復合材料有限公司生產(chǎn)，主要性能實測值詳見表1、表2。

表1 CFRP片材主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of CFRP sheet

表2 浸漬膠的主要性能參數(shù)Table 2 Main performance parameters of impregnating glue

1.2 試驗設計

試驗考慮硫酸鹽干濕循環(huán)作用，同時以實驗室環(huán)境(稱為室溫)作為對比環(huán)境。硫酸鹽干濕循環(huán)具體設計如下所示。

圖1 CFRP片材與浸漬膠試件Fig.1 CFRP sheet and impregnating glue specimen

(1)試驗共制作140個試件，其中70個為黏土磚試件，另外70個為CFRP試件與浸漬膠試件。黏土磚試件中35個粘貼CFRP片材作為加固試件，粘結長度為180 mm,寬度為50 mm，靠近加載端預留30 mm非粘結區(qū)，CFRP片材加載端50 mm范圍進行加強處理，另外35個黏土磚作為輔助試件，以測得不同循環(huán)周期下黏土磚抗壓強度。參照《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》(GB 1447—2005)[15]與《樹脂澆鑄體性能試驗方法》(GB/T 2567—2021)[16]，制作CFRP試件與浸漬膠試件各35個，如圖1所示，所有試件都分7組，每組5個試件，其中一組為對比試件。

(2)干濕循環(huán)試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[17]的抗硫酸鹽腐蝕試驗方法進行，干濕循環(huán)周期為24 h，在質量分數(shù)為5%、溫度為(20±2) ℃的Na2SO4溶液中浸泡12 h，風干2 h,烘干8 h(40 ℃)，冷卻2 h。當試件循環(huán)次數(shù)達到20次、40次、60次、80次、100次、120次時各取出一組試件進行試驗。

1.3 加載方案

試驗采用WDW-50型電子萬能試驗機，以0.5 mm/min的恒定速率進行位移加載，直至試件破壞。DH3816靜態(tài)信號采集系統(tǒng)按每5 s采集1次應變。CFRP試件和浸漬膠試件，應變片沿試件長度方向中線中心位置布置一個應變片，加固試件應變片沿CFRP片材中線每20 mm布置一個應變片。

2 結果與討論

2.1 原材料性能

(1)硫酸鹽干濕循環(huán)0次、20次、40次、60次、80次、100次、120次下黏土磚平均抗壓強度如表3所示，分別為13.03 MPa、14.83 MPa、18.92 MPa、16.90 MPa、15.03 MPa、12.74 MPa、10.09 MPa，可以看出黏土磚的抗壓強度隨循環(huán)次數(shù)的增長呈先增大后減小的趨勢。循環(huán)40次之前，黏土磚抗壓強度小幅度增大，在循環(huán)40次時達到極值，相較于0次，上升了45.26%；循環(huán)40次之后，黏土磚的抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢，隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，在循環(huán)120次后，相比0次下降了22.55%。侵蝕前期(40次之前)抗壓強度增大，由于前期隨著試驗的進行，黏土磚內(nèi)部不斷有硫酸鹽晶體填充孔隙，使孔隙密實，黏土磚強度增加；但循環(huán)后期，晶體在孔隙中累積、膨脹，使黏土磚產(chǎn)生微裂縫，最終導致黏土磚強度下降。

表3 黏土磚隨硫酸鹽干濕循環(huán)周期增加抗壓強度變化情況Table 3 Changes of compressive strength of clay brick with the increase of sufate drying and wetting cycles

(2)硫酸鹽干濕循環(huán)120次后，CFRP片材與浸漬膠試件試驗結果如表4所示，CFRP片材抗拉強度、伸長率、彈性模量試驗結果為5個試件試驗平均值，相較于0次分別降低了3.67%、2.99%、6.79%，下降幅度在7%以內(nèi)；浸漬膠試件的抗拉強度、伸長率以及彈性模量相較于0次分別降低了7.24%、4.37%、5.58%，浸漬膠性能有所降低，但下降幅度均在8%以內(nèi)。由此表明，硫酸鹽干濕循環(huán)作用對CFRP片材與浸漬膠試件性能影響并不大。

表4 CFRP片材和浸漬膠試件性能試驗結果Table 4 Performance test results of CFRP sheet and impregnating glue

2.2 破壞模式及界面承載力

通過觀察35個加固試件的破壞過程得出，在硫酸鹽干濕循環(huán)不同周期下，破壞模式不盡相同，主要有剪切破壞和剝離破壞兩種模式。圖2為硫酸鹽干濕循環(huán)作用下加固試件破壞形態(tài)，由圖2可以看出在侵蝕前期(40次之前)，界面的破壞形態(tài)以CFRP片材下方黏土磚剪切破壞為主，剪切破環(huán)發(fā)生在距加載端3～5 cm，且與黏土磚粘貼一側的CFRP片材上被粘下一層較厚的黏土磚碎屑，黏土磚表面會粗糙不平，且有坑槽(圖2(a)、(b))；當循環(huán)次數(shù)較高(約為80次之后)時，CFRP-黏土磚界面的破壞以剝離破壞為主，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加CFRP片材上粘下來的黏土磚碎屑越來越薄，當循環(huán)周期達到120次時，CFRP上被粘下來的黏土磚碎屑只有薄薄一層，隱約可以看到CFRP片材下的浸漬膠。

圖2 硫酸鹽干濕循環(huán)作用下加固試件破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of strengthened specimens under sulfate drying and wetting cycles

圖3 硫酸鹽干濕循環(huán)不同周期下單剪極限承載力Fig.3 Single shear ultimate bearing capacity under different sulfate drying and wetting cycles

界面極限承載力在不同循環(huán)周期下變化如圖3所示，由試驗結果分析可得，界面極限承載力變化趨勢與黏土磚強度變化一致。由此表明，在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下，加固試件界面極限承載力隨循環(huán)次數(shù)變化主要取決于黏土磚自身強度變化，循環(huán)后期(約80次之后)黏土磚強度下降較快，同時CFRP片材與浸漬膠試件性能也有所下降，極限承載力也隨之下降。

3 CFRP-黏土磚界面粘結-滑移模型

界面粘結滑移關系可以反映界面的性能變化規(guī)律。Popovics模型[18](見式(1))通過延性參數(shù)n來反映界面延性的變化情況，n越小則表明界面的延性越好。本文基于Popovics模型，通過對硫酸鹽干濕循環(huán)作用下CFRP-黏土磚的性能試驗數(shù)據(jù)進行歸納分析，探討CFRP-黏土磚界面的粘結-滑移關系。

(1)

式中:τ為界面剪應力；τmax為峰值剪應力；S為界面滑移量；S0為τmax所對應的滑移量；n為界面延性系數(shù)。

由式(1)可知，CFRP-黏土磚界面的粘結性能需考慮界面應力峰值τmax及對應的滑移量S0和界面延性系數(shù)n這三個參數(shù)，而Popovics模型反映的為自然條件下界面延性的變化情況，黏土磚在硫酸鹽干濕循環(huán)作用下界面的變化情況無法準確表達，因此本文在已有的Popovics模型的基礎上，引入硫酸鹽干濕循環(huán)時間t的函數(shù)τmax(t)和S0(t)來代替模型中的τmax和S0，用延性參數(shù)n(t)來代替n，由此得到硫酸鹽干濕循環(huán)作用下CFRP-黏土磚界面粘結-滑移表達式[19](見式(2))。

(2)

由于黏土磚具有非均勻性及離散性較大等特點，為保證試驗結果的準確性，以室溫(0次循環(huán))下試件的最大剪應力和滑移量為基準，引入硫酸鹽干濕循環(huán)作用下粘結-滑移綜合影響系數(shù)φi(t)(i表示峰值剪應力及其對應的滑移量)，得到硫酸鹽干濕循環(huán)作用下界面特征值的變化趨勢，將試驗數(shù)據(jù)進行擬合(見圖4)，得到硫酸鹽干濕循環(huán)作用下粘結-滑移綜合影響系數(shù)φi(t)表達式(3)、(4)。

φτ(t)=e(-0.002 63+0.006 96t-7.054×10-5t2)

(3)

φS(t)=e(-0.005 98+0.007 98t-7.828×10-5t2)

(4)

其中，τmax(t)和S0(t)通過式(3)、(4)計算得到表達式如式(5)、(6)所示。

τmax(t)=φτ(t)τmax,0=e(-0.002 63+0.006 96t-7.054×10-5t2)·τmax,0

(5)

S0(t)=φS(t)·S0,0=e(-0.005 98+0.007 98t-7.828×10-5t2)·S0,0

(6)

根據(jù)黃奕輝[20]研究可知延性參數(shù)n與黏土磚強度有關，如式(7)所示。

(7)

室溫環(huán)境下界面最大剪應力τmax試驗值為3.003 MPa，τmax對應的滑移量S0取0.086 3 mm，由式(7)得到室溫環(huán)境下界面延性參數(shù)n=6.726。

圖4 界面特征值隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化趨勢Fig.4 Variation trend of interface characteristic value with different drying and wetting cycles

為避免黏土磚材料不均勻性導致試驗數(shù)據(jù)離散，本文以室溫環(huán)境下的延性參數(shù)為基準，對不同循環(huán)周期下的試驗數(shù)據(jù)進行無量綱分析。如圖5所示，對延性參數(shù)與硫酸鹽干濕循環(huán)進行擬合，得到界面延性參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)式(8)可得到界面延性影響系數(shù)，由此得到不同循環(huán)次數(shù)下界面延性參數(shù)表達式(見式(9))。

φn(t)=1.000 2+0.001 2t-1.237×10-4t2+3.005 1×10-6t3-2.775 3×10-8t4+8.851 7×10-11t5

(8)

n(t)=φn(t)n0=(1.000 2+0.001 2t-1.237×10-4t2+3.005 1×10-6t3- 2.775 3×10-8t4+8.851 7×10-11t5)·n0

(9)

將式(5)、(6)以及(9)得到的τmax(t)、S0(t)以及n(t)代入式(2)得到硫酸鹽干濕循環(huán)作用下CFRP-黏土磚界面粘結-滑移模型。將經(jīng)歷0次、40次、80次以及120次硫酸鹽干濕循環(huán)后的模型預測值與試驗值對比,結果如圖6所示。

圖5 界面延性參數(shù)隨硫酸鹽干濕循環(huán)變化曲線Fig.5 Curve of interfacial ductility parameter changing with sulfate drying and wetting cycles

圖6 硫酸鹽干濕循環(huán)不同周期下試驗值與模型計算值對比Fig.6 Comparison between experimental value and model calculation value under different sulfate drying and wetting cycles

4 有限元模擬

4.1 有限元模型建立

本文基于ABAQUS軟件對CFRP-黏土磚界面進行數(shù)值模擬，黏土磚單元采用實體單元C3D8R(8節(jié)點六面體線性減縮積分單元)進行模擬。由于碳纖維布沒有抗彎剛度，因此選用S4R殼單元(4節(jié)點四邊形有限薄膜應變性完全積分單元)來進行模擬，該單元是一種通用的殼單元，且具有良好的適應性。CFRP-黏土磚界面層采用COH3D單元(八結點三維粘結單元)，該單元適用于材料斷裂問題。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

采用內(nèi)聚力單元來實現(xiàn) CFRP-黏土磚界面剝離破壞的模擬，為保證模擬的精度，對網(wǎng)格進行編輯，由于單元的行為在厚度和面內(nèi)方向上不同，因此采用掃略的網(wǎng)格劃分技術，定義掃略路徑的方式確定單元方向。模型在 CFRP片材與界面層、黏土磚基體與界面層的接觸面上設置綁定約束。本次模擬建立了一個分析步，在初始分析步上設置約束邊界條件，限制前后端面的三個方向的位移自由度，即U1=U2=U3=0；在第一個分析步(“step-1”)上對CFRP 片材加載端設置縱向的位移邊界條件，有限元模型如圖7所示。

4.2 材料參數(shù)設置

本文假定CFRP與黏土磚在界面層發(fā)生破壞，界面層的屬性通過內(nèi)聚力本構關系模型來體現(xiàn)，通過最大名義準則(maxs damage)來表達界面的初始損傷，采用BK準則來描述界面損傷的發(fā)展情況，根據(jù)上文對CFRP-黏土磚界面粘結-滑移關系曲線的分析確定內(nèi)聚力模型所需參數(shù)，界面斷裂能臨界值Gf、界面最大剪應力τmax、S0和初始剛度k0，由斷裂能的定義可知，界面的斷裂能為曲線與x坐標軸所圍成的面積。硫酸鹽干濕循環(huán)不同周期下界面控制參數(shù)如表5所示。

彈性模量是重要的力學性能指標，是進行結構變形驗算、動力分析以及有限元模擬的一個重要參數(shù)。因此本文采用彈性模量作為體現(xiàn)硫酸鹽干濕循環(huán)對黏土磚力學性能的影響參數(shù)。劉桂秋[21]研究表明，黏土磚的彈性模量與抗壓強度密切相關，且隨黏土磚抗壓強度的增大而增大，黏土磚的彈性模量表達式如式(10)所示。

(10)

式中：Eb為黏土磚的彈性模量；fm為黏土磚抗壓強度。

表5 硫酸鹽干濕循環(huán)不同周期下界面控制參數(shù)Table 5 Interface control parameters under different sulfate drying and wetting cycles

根據(jù)式(10)得到不同循環(huán)周期下黏土磚的彈性模量，對不同循環(huán)周期下黏土磚的彈性模量進行無量綱處理得到硫酸鹽干濕循環(huán)作用下黏土磚彈性模量與侵蝕時間之間的關系式周期(見式(11))。

(11)

式中：Et為經(jīng)硫酸鹽循環(huán)t次后黏土磚的彈性模量；E0為自然條件下黏土磚的彈性模量。

本文中自然條件下黏土磚的彈性模量為7.873×103MPa，根據(jù)式(11)可以得到硫酸鹽干濕循環(huán)40次、80次、120次的黏土磚彈性模量，分別為8.360×103MPa、8.181×103MPa、7.372×103MPa。

4.3 CFRP表面應變分布

圖8分別給出了不同荷載作用下硫酸鹽干濕循環(huán)40次和80次的試件沿長度方向的CFRP應變分布曲線，觀察圖8(a)、(b)，在荷載水平較低時，只有靠近加載端附近的應變值較大，而距離加載端越遠，應變值越小，此時荷載只是在加載端附近傳遞，隨著荷載的增加，相鄰兩測點間的應變差增大，此時界面的粘結剪應力也在增大，當荷載增加到一定值時離加載端最近的測點處的應變值達到最大，而相鄰測點間的應變值在減小，如果繼續(xù)加載，CFRP片材將從加載端開始向遠端剝離，當剩余部分的CFRP片材粘結力不足以抵擋外荷載時，試件被破壞。

從圖8可以看出，試驗所得應變分布曲線與有限元模擬所得應變分布曲線的吻合良好，因此可以用本文建立的有限元模型來分析CFRP-黏土磚界面的粘結性能。對于存在的誤差分析原因有以下兩點：其一，本文采用的內(nèi)聚力本構關系模型相較于實際具有一定的假設性與適用性；其二，有限元模型中各材料滿足均勻性與同向性的要求，但實際上黏土磚的非均勻性會使得試驗值與模擬值存在一定的誤差。

圖8 CFRP應變試驗與數(shù)值模擬結果對比Fig.8 Comparison between CFRP strain test and numerical simulation results

4.4 CFRP-黏土磚荷載-滑移曲線對比分析

將硫酸鹽干濕循環(huán)作用下的荷載-滑移曲線與有限元模擬值進行比較,結果如圖9所示。圖9表明，有限元模擬結果與試驗所得荷載-滑移曲線吻合較好，經(jīng)歷0次、40次、80次、120次的界面承載力相對誤差分別為3.26%、9.52%、0.79%、7.77%，在合理范圍之內(nèi)。對比圖9中(b)、(d)曲線，可以看出經(jīng)歷40次循環(huán)和120次循環(huán)的試驗結果與有限元模擬結果誤差較大，分析原因可能是40次循環(huán)前，黏土磚的抗壓強度增大對其產(chǎn)生了強化作用，致使界面的承載能力增強；而試件遭受硫酸鹽長期作用時，黏土磚抗壓強度下降較大，使得界面承載力降低，因此在硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)達到120次時，從加載初期就出現(xiàn)較大的滑移且極限荷載低于有限元模擬結果。

圖9 不同硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)下試件的荷載-滑移曲線Fig.9 Load-slip curves of specimens under different sulfate drying and wetting cycles

通過圖9可得，荷載較小時加固試件的荷載與滑移量呈近似線性關系，表明這一階段CFRP-黏土磚界面粘結處于彈性階段；隨著荷載增加，荷載-滑移曲線開始出現(xiàn)拐點，此時荷載保持不變而滑移量迅速增加，說明界面開始剝離；繼續(xù)加載，當界面達到極限荷載時，CFRP-黏土磚界面處發(fā)生剝離破壞。

4.5 CFRP-黏土磚界面損傷分析

試驗中很難直接觀察界面從加載開始到破壞時的整個損傷演化過程，因此本文以硫酸鹽干濕循環(huán)0次及120次后的CFRP-黏土磚界面應力分布云圖為例，對其界面損傷演化過程進行分析。對比圖10(a)、(b)可以看出界面損傷變化趨勢基本相同， CFRP 與黏土磚界面的剪應力均表現(xiàn)為在加載初期，界面受力區(qū)段較小，界面層端部應力較大，此時界面處于彈性階段；隨著加載進行，應力開始增大，當剪應力滿足起裂準則后，界面開始出現(xiàn)損傷，隨著荷載的進一步增加，剪應力峰值開始右移，加載端的應力開始減小，界面處于彈性-塑性階段；到加載的后期，界面進入塑性-剝離階段，此時表現(xiàn)為在靠近加載端一側的界面已經(jīng)產(chǎn)生剝離，當荷載達到極限荷載時，在加載端附近的界面剪應力幾乎為零，而界面自由端達到峰值剪應力，界面瀕臨破壞。

圖10 界面剪應力分布云圖Fig.10 Cloud maps of interfacial shear stress distribution

5 結 論

(1)硫酸鹽干濕循環(huán)作用對CFRP片材與浸漬膠試件性能影響并不大，且兩者經(jīng)過120次循環(huán)后抗拉強度、伸長率、彈性模量性能與0次相比下降幅度均在8%以內(nèi)。

(2)硫酸鹽干濕循環(huán)作用對黏土磚抗壓強度與加固試件界面極限承載力影響較大，且均隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先小幅度上升后明顯下降的趨勢，侵蝕前期有加強作用，但循環(huán)40次之后劣化影響較大，后期黏土磚抗壓強度與極限承載力下降很明顯。

(3)在已有的標準環(huán)境下CFRP與黏土磚界面粘結-滑移模型的基礎上引入硫酸鹽干濕循環(huán)綜合影響系數(shù)φi(t)，得到硫酸鹽干濕循環(huán)作用下CFRP與黏土磚界面粘結-滑移模型，通過對比分析此模型能準確反映硫酸鹽環(huán)境下CFRP-黏土磚界面粘結性能退化規(guī)律。

(4)在已有試驗的基礎上，利用ABAQUS軟件對硫酸鹽干濕循環(huán)作用下CFRP-黏土磚界面進行數(shù)值模擬，試驗所得應變分布曲線、荷載-滑移曲線與有限元模擬結果吻合度較好，可以用該有限元模型分析CFRP-黏土磚界面的粘結性能。

(5)數(shù)值模擬結果表明，CFRP-黏土磚界面的剝離破壞分為三個階段，分別是彈性階段，彈性-塑性共存階段以及塑性-剝離階段，且在整個剝離破壞過程中界面應力峰值基本保持不變。