CFRP板加固混凝土結(jié)構(gòu)不同方法的黏結(jié)性能比較

呂毅剛，吳攀，3，彭暉，喬杰，饒攀，韓偉威

（1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410114；2.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；3.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100088）

若橋梁的新老混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足安全性、適用性和耐久性的要求，則需要對其結(jié)構(gòu)進行加固。碳纖維復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，簡稱為CFRP）是由碳纖維材料與基體材料按一定比例進行混合，經(jīng)過一定工藝復(fù)合而成的新型材料，具有強度高、抗疲勞性強、耐腐蝕、施工性能好等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)中[1-5]。

表面粘貼CFRP 板是用高性能的黏結(jié)劑將CFRP 板粘貼于原結(jié)構(gòu)受拉側(cè)表面，使之與原結(jié)構(gòu)協(xié)同受拉。在粘貼前需對混凝土表面進行打磨、整平、清灰、干燥等處理，該加固法不改變橋梁自重與外觀，具有設(shè)計與計算簡單、施工簡易方便等優(yōu)點[6]。

表層嵌貼（nera-surface mounted，簡稱為NSM）CFRP 加固技術(shù)是先在混凝土上開凹槽，再將CFRP 嵌入，并用環(huán)氧樹脂粘合，使CFRP 與混凝土充分黏結(jié)并協(xié)同受力，相比于表層粘貼CFRP，加固效率更高。CFRP 材料主要分為板材、棒材兩種。CFRP 板相比于CFRP 棒，周長與橫截面積比更大，NSM CFRP 板與周圍混凝土之間的黏結(jié)力也更大，抗拉強度的利用率更高。因此，在嵌貼加固中，CFRP板比其他材料更牢固[7-10]。

表層嵌貼CFRP 板加固技術(shù)是把原有構(gòu)件的部分承載力傳遞給高強抗拉的CFRP 板，其荷載傳遞效率取決于CFRP 板與混凝土界面的黏結(jié)性能。目前，許多CFRP 加固試件發(fā)生了界面剝離破壞，研究CFRP 板-混凝土界面黏結(jié)性能具有重要意義[11-14]。已有許多學(xué)者對表面粘貼、表層嵌貼CFRP 板加固混凝土界面黏結(jié)性能展開了系統(tǒng)研究[15-18]。但在這些研究中，CFRP 板的嵌貼方向均為豎向。在實際工程應(yīng)用中，豎向嵌貼CFRP 板所需的槽深較深（通常在25 mm 以上），而水平嵌貼CFRP 板對槽深要求較低（最低只需15 mm 左右）。舊橋主梁保護層可供開槽的深度有限，因而采用水平嵌貼CFRP 板更有優(yōu)勢。因此，本研究擬對水平方向嵌貼CFRP 板加固混凝土棱柱體試件進行單剪拔出試驗，研究試件的界面黏結(jié)承載力、破壞模式、CFRP 應(yīng)變分布、荷載-端部滑移等，分析其界面的黏結(jié)性能，并與表面粘貼、表層嵌貼CFRP 板加固混凝土的棱柱體試件結(jié)果進行比較分析。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

CFRP 采用Dextra 公司提供的ASTEC CT124-2型矩形板條，截面尺寸為2 mm×16 mm。為避免加載時CFRP 與混凝土界面相對滑移造成粘貼的CFRP 板條應(yīng)變片的過早損壞，將2 根2 mm 厚CFRP 板用樹脂粘結(jié)疊合在一起，疊合后的截面尺寸為6 mm×16 mm。黏結(jié)劑為Sikadur-30CN環(huán)氧樹脂膠，在常溫養(yǎng)護7 d 可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)強度。兩種加固材料的性能參數(shù)見表1。

表1 加固材料性能參數(shù)Table 1 Properties of reinforcement materials

1.2 試驗參數(shù)

本試驗共設(shè)計了4 個CFRP 板加固混凝土棱柱體試件，其中，1 個采用表面粘貼方式加固，1 個采用表層嵌貼方式加固，剩余2個采用不同槽深的水平嵌貼方式加固。被加固的混凝土棱柱體尺寸為200 mm×220 mm×300 mm，采用C40 混凝土，每個試件的加固長度均為280 mm。以水平嵌貼CFRP板加固為例，典型單剪拔出試件如圖1所示。所有采用嵌貼加固試件的CFRP 板均位于槽的正中心，采取表面貼貼加固方式的試件不開槽，只將CFRP 板粘貼于相對應(yīng)的位置，表層嵌貼加固試件則將CFRP 板嵌貼方向改為水平方向，試驗參數(shù)見表2。

表2 試驗參數(shù)設(shè)計Table 2 The design of test parameter

圖1 水平嵌貼CFRP板單剪拔出試件（單位：mm）Fig.1 The single shear pull-out specimen reinforced by horizontal-embedded CFRP strips(unit:mm)

1.3 試驗加載與量測

以HE-15、HE-20 試件為例，其單剪拔出試驗加載裝置如圖2 所示。EB 試件將CFRP 板粘貼表面，NSM 試件的CFRP 板嵌貼方向改為豎向，并使CFRP 錨具相應(yīng)旋轉(zhuǎn)90°。從圖2 中可以看出，被加固試件均通過錨桿固定在擋板上，在加載端依次在同一軸線上布置空心千斤頂、傳感器、CFRP 錨具。通過空心千斤頂頂推CFRP 錨具實現(xiàn)加載，在CFRP 加載端布置位移計，測量試件的端部滑移。CFRP 應(yīng)變片沿整個黏結(jié)長度以40 mm 間隔進行布置，共8 個測點，加載時以2 kN 為一級，每級加載間隔2 min，用東華DH3822 應(yīng)變儀采集每一級加載的CFRP 應(yīng)變值。水平嵌貼CFRP 板加固試件的應(yīng)變布置如圖3所示。

圖2 水平嵌貼CFRP板試件單剪拉拔試驗加載裝置Fig.2 The single shear pull test loading device for horizontalembedded CFRP strips specimen

圖3 CFRP板加固試件的應(yīng)變布置（單位：mm）Fig.3 The strain gauge layout of CFRP strips(unit:mm)

2 試驗現(xiàn)象及力學(xué)行為

EB 試件試驗現(xiàn)象及力學(xué)行為：①加載至20 kN 時，能聽到輕微的嘣響聲，此時距加載端較近的黏結(jié)段開始出現(xiàn)CFRP 板與混凝土界面滑移。②加載至24 kN 時，能聽到較明顯的撕裂聲，更多的CFRP 板與混凝土出現(xiàn)剝離，此級荷載明顯掉力。③最終加載至26 kN 時，試件CFRP 板與混凝土界面發(fā)生剝離破壞，破壞界面的CFRP 板上附著一層薄混凝土，距自由端較近的混凝土表面附著一層薄碳纖維基體。EB試件破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 EB試件破壞形態(tài)Fig.4 The destruction of EB specimen

NSM 試件試驗現(xiàn)象及力學(xué)行為：①加載至42～46 kN 時，能聽到多次明顯的嘣響聲，此時距加載端較近的黏結(jié)段內(nèi)CFRP 板與樹脂開始發(fā)生界面滑移，CFRP 板拉伸正應(yīng)力逐漸向自由端傳遞。②最終加載至74 kN 時，發(fā)出一聲巨響，CFRP 板與樹脂出現(xiàn)整體剝離。NSM 試件破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 NSM試件破壞形態(tài)Fig.5 The destruction of NSM specimen

HE-15 試件試驗現(xiàn)象及力學(xué)行為：①加載至24 kN 時，能聽到輕微嘣響聲，此時距加載端最近2 個應(yīng)變測點間黏結(jié)段內(nèi)的CFRP 板與樹脂發(fā)生界面滑移。②加載至40 kN 時，能聽到劇烈的嘣響聲。表明：此級荷載下，界面滑移行為非常明顯，CFRP 板拉伸正應(yīng)力進一步向自由端傳遞。③加載至56 kN 時，發(fā)出一聲巨響，CFRP 板與樹脂出現(xiàn)整體剝離。HE-15試件破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 HE-15試件破壞形態(tài)Fig.6 The destruction of HE-15 specimen

HE-20 試件試驗現(xiàn)象及力學(xué)行為：①加載至42 kN 時，能聽到輕微的嘣響聲，此級荷載下距加載端較近的黏結(jié)段內(nèi)CFRP 板與樹脂開始發(fā)生界面滑移。②最終加載至61 kN 時，發(fā)出一聲巨響，CFRP 板與樹脂出現(xiàn)剝離破壞。HE-20 試件破壞形態(tài)如圖7所示。

圖7 HE-20試件破壞形態(tài)Fig.7 The destruction of HE-20 specimen

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 黏結(jié)承載力

試件的黏結(jié)承載力最能直觀反映試件的黏結(jié)性能。各試件的黏結(jié)承載力情況如圖8所示。從圖8 中可以看出：①EB 試件的黏結(jié)承載力只有26 kN，遠(yuǎn)低于其他試件的，這是因為CFRP板與混凝土采用表面粘貼加固法時，主要為單面粘結(jié)，其黏結(jié)效果要遠(yuǎn)低于表層嵌貼加固法的與水平嵌貼加固法的。②NSM 試件黏結(jié)承載力最高，表明：表層嵌貼CFRP 板與混凝土的界面黏結(jié)性能最好。③HE-15 和HE-20 兩個試件的黏結(jié)承載力均在56 kN以上，遠(yuǎn)大于EB試件的，雖不及NSM 試件的，但平均黏結(jié)承載力達(dá)到了NSM 試件黏結(jié)承載力的79%。表明：水平嵌貼CFRP 板與混凝土的界面黏結(jié)性能較強，在開槽深度有限的情況下是一種值得考慮的新加固工法。

3.2 CFRP板應(yīng)變與黏結(jié)剪應(yīng)力

試件HE-15 的CFRP 板應(yīng)變分布如圖9 所示。以該試件為例，結(jié)合式（1）能得到兩相鄰應(yīng)變點間的黏結(jié)剪應(yīng)力τ，推出每級荷載下的黏結(jié)剪應(yīng)力分布[12]：

圖9 HE-15 CFRP板應(yīng)變分布Fig.9 Strain distribution of HE-15 CFRP strip

式中：τ（x，xi+1）為第i、i+1個測點間的黏結(jié)剪應(yīng)力，其中i測點距離加載端更近；xi為第i個測點距原點的軸向距離；εi、εi+1為第i、i+1個測點的CFRP 應(yīng)變值；Ef為CFRP 彈性模量；bf和tf分別為CFRP的板寬和板厚。

在式（1）中，以CFRP 加載端為原點，以CFRP 板軸向為橫向坐標(biāo)軸，可計算出40 kN 時各試件的黏剪應(yīng)力分布，如圖10所示。由于EB試件黏結(jié)承載力低于40 kN，因此不予對比。根據(jù)黏結(jié)剪應(yīng)力的分布，能判斷出CFRP 板由加載端向自由端的拉伸正應(yīng)力傳遞長度。相同荷載下，應(yīng)力傳遞長度越短，CFRP 板剩余可供黏結(jié)承載的長度越長，其與混凝土的界面黏結(jié)性能越好。從圖10 中可以看出，NSM、HE-15、HE-20 三個試件的應(yīng)力傳遞長度分別為距離加載端140、218、187 mm。

圖10 40 kN時各試件黏結(jié)剪應(yīng)力分布Fig.10 Distribution of bond shear stress of each specimen at 40 kN

分析應(yīng)力傳遞長度可知：①相同荷載下，NSM試件的應(yīng)力傳遞長度要小于HE-15、HE-20試件的。表明：表層嵌貼加固試件的界面黏結(jié)性能要優(yōu)于水平嵌貼加固試件的。②NSM 試件應(yīng)力傳遞長度比HE-15 試件的短78 mm，相差較大，但NSM 試件槽的橫截面積大于HE-15 試件槽的，總環(huán)氧樹脂用量要大。因此，HE-15試件的界面黏結(jié)性能較NSM 試件的差。③NSM 試件的應(yīng)力傳遞長度比HE-20 試件的僅短了47 mm，相差不大。④40 kN 時，HE-15、HE-20 兩個試件的平均應(yīng)力傳遞長度約200 mm，而NSM 試件僅加載至47 kN時，應(yīng)力傳遞長度便達(dá)到了200 mm。表明：水平嵌貼CFRP板與混凝土界面黏結(jié)性能較好。

3.3 荷載-端部滑移

各試件的荷載-端部滑移曲線如圖11所示。基于安全考慮，所有試件在最后幾級荷載均不記錄端部滑移值。荷載-端部滑移曲線如圖11所示。從圖11 中可以看出：①EB 試件CFRP 板與混凝土界面黏結(jié)性能最弱，在20 kN 左右曲線斜率驟降，端部滑移值增長明顯，隨后CFRP 板與混凝土出現(xiàn)剝離破壞。②荷載-端部滑移曲線斜率能反映試件的黏結(jié)剛度，NSM 試件的曲線斜率略大于HE-15、HE-20試件的，但總體上相差不大。表明：水平嵌貼CFRP 板與混凝土界面黏結(jié)剛度與表層嵌貼加固試件的相當(dāng)。

圖11 荷載-端部滑移曲線Fig.11 Load-end slip curve

4 結(jié)論

通過單剪拔出試驗，比較了水平嵌貼CFRP板、表面粘貼CFRP 板、表層嵌貼CFRP 板3 種方法加固混凝土結(jié)構(gòu)的界面黏結(jié)性能，得出結(jié)論為：

1）表面粘貼CFRP 板加固試件的界面黏結(jié)性能最弱，表層嵌貼CFRP板加固試件的最強。

2）水平嵌貼CFRP 板加固試件的黏結(jié)承載力遠(yuǎn)高于表面粘貼CFRP 板加固試件的，其平均黏結(jié)承載力能達(dá)到表層嵌貼CFRP 板加固試件黏結(jié)承載力的79%。

3）水平嵌貼CFRP 板加固試件的界面黏結(jié)剛度與表層嵌貼加固試件的相當(dāng)。

4）水平嵌貼CFRP 板加固混凝土結(jié)構(gòu)的界面黏結(jié)性能處于較好水平，且對槽深要求較低，在開槽深度有限的舊橋加固中具有一定的應(yīng)用價值。