劉 萍
(中鐵十九局集團第六工程有限公司，江蘇 無錫 214028)
纖維增強復合材料(FRP)常被采用于加固土木工程結構，廣大研究者和工程人員正在致力于尋求新方法以便優化材料的設計和使用，從而修復有一定程度損傷的結構部件以及需提高使用性能的部件[1-3]。在建筑中，最常用的加固材料是玻璃纖維增強材料(GFRP)、碳纖維增強復合材料(CFRP)和芳綸纖維增強復合材料(AFRP)。CFRP層壓板由碳(纖維)和環氧樹脂(基體)組成。根據纖維的方向可分為具有一個、兩個或三個方向加固行為的層壓板[4]。其中單向層壓板(具有單個方向的纖維力學行為)常被用于鋼筋混凝土結構加固，其滿足了抵抗拉伸應力的全部要求，并通過環氧樹脂黏附于外部。由于復合材料尚處于發展階段，在土木工程中的應用也相對較晚，加之FRP本身的復雜性，FRP和混凝土之間的黏附力損失非常嚴重，在鋼筋混凝土結構加固方面的研究甚少[5-6]。
現有的試驗結果表明，FRP的黏附失效機制是鋼筋構件在剪切或彎曲時行為的關鍵因素[7-8]。此外，需要改進試驗技術來更準確地預測FRP和混凝土之間的滑動及FRP分層造成的黏附力損失[9]。此文設計了一個試驗來研究層壓板和混凝土之間的黏附力。
為研究混凝土—環氧樹脂—CFRP層壓板之間的應力傳遞，此文設計了雙剪切試驗。目的是對層壓板施加拉力，并將軸向應力傳遞到加固區，而避免不良彎曲效應的產生。為此，建造了一對0.250m×0.250m×1m的混凝土砌塊，并通過兩個CFRP層壓板以近乎對稱的方式連接。層壓板的尺寸為0.05m×0.25m×1.25m。
1.1 鋼筋混凝土構件的表面處理
確定放置層壓板的區域前，須對該區域的混凝土構件表層(小于1mm)進行力學清除。利用振動錘處理混凝土表面，使固定層壓板的區域略微粗糙。利用輕度酸洗去除混凝土的點狀缺陷區域，如結垢、碳化或微小裂紋。得益于表面的輕微粗糙度，層壓板與混凝土間連接的環氧樹脂具有適中的黏附力。
1.2 膠黏劑
將MBRACE膠黏劑涂抹于酸洗過的混凝土和層壓板的表面(見圖1)。用抹刀涂抹約1mm厚的接觸層，覆蓋在待加固區域任何不規則的小型構件。如果裂紋較大，應事先用修補砂漿進行處理。
圖1 膠黏劑層
1.3 儀器的放置
在混凝土加固表面層壓板上，每隔0.05m放置有一個應變片(見圖2)。在圖2中可以看到，標有1～5的量具位于黏附區，標有A/B的量具(SG)用于校驗層壓板的對稱與否，試驗還測量了帶有傳感器混凝土砌塊的相對位移。
圖2 試驗儀器
1.4 層壓板的放置
將層壓板放置于膠黏劑層上(見圖3)。按壓層壓板，去除氣泡并改善不同表面間的接觸。
圖3 黏合后的層壓板
1.5 試驗的實施
雙剪切試驗通過荷載控制進行(見圖4)，荷載被施加在其中一個砌塊上。連接執行器的砌塊以500N/min的低負荷速率被拉動，直到層壓板脫落。故障發生的時間極短：較短的層壓板先行脫落，另一層壓板隨即脫落。
圖4 執行器與混凝土砌塊的連接
由于試驗裝置的位置調整，試驗開始時觀察到了非線性現象(見圖5)。在混凝土—環氧樹脂—纖維增強復合材料界面上，因黏附力損失，系統的剛度開始降低，在約15kN的荷載下呈現線性行為。
圖5 雙剪切試驗中的荷載(P)—位移(Ux)曲線
2.1 層壓板應變
為進行荷載控制試驗，將5個量具(SG)放置在錨固區的層壓板上。此外，在量具A/B(SG A/B)的兩側放置兩個控制桿，以驗證樣品兩側之間無應變差異， 從而確保荷載均勻分布在兩個層壓板上(見圖6)。
圖6 層壓板的應變分布
當荷載達到25kN時，層壓板脫落，測量器顯示了荷載如何隨黏附區面積的減小而變化。可以看出，即使在完全脫離層壓板的情況下，荷載水平和應變量也遠低于層壓板的彈性極限。因此，在試驗中的任意時刻，層壓板都具有彈性行為，并且只受到純拉伸(軸向應力)。
隨著外荷載的增大，非線性加載狀態首先出現在SG4梁段中，然后出現在SG3、SG2梁段中，最后出現在SG1梁段中，直至層壓板脫落。A/B控制桿顯示，樣品間的應變無差異，如SGA/B曲線所示。此外，觀察到黏附區以外的樣品保持線性行為(見圖7)。
圖7 不同荷載下使用測量器測量的層壓板應變
2.2 界面損傷
雙剪切模擬試驗可以研究混凝土和環氧樹脂損傷的演變過程，對界面的失效機理進行全面分析。試驗中的最大荷載為25kN(見圖8)。由于層壓板滑動和混凝土砌塊末端部分脫落，試件在失效期間均表現出低延展性。這說明，材料的延性行為可能彌合材料的層間滑移以及局部損傷。建議分析該類復合材料的力學行為時，需要獨立分配各成分的本構模型，從而根據所使用的模型觀察內部變量的演變。
圖8 最大荷載為25kN時混凝土砌塊和膠黏劑的損傷
混凝土的最大損傷發生在混凝土塊體的上、下邊緣處，試驗結果顯示FRP的末端最大損傷達到75%。該類損傷從砌塊末端向前延伸到0.28m處，即層壓后的0.07m處。在圖8中可以看到，環氧樹脂在混凝土脫落的末端具有更高的損傷，并向鋼筋的中心收縮。錨固長度為0.21m的環氧樹脂損傷分布不均勻，最大損傷發生在砌塊末端的下部(見圖8)。此外，試驗結果顯示在混凝土界面上比層壓板界面上的損傷更為顯著(見圖9)，混凝土損傷基本為67%，分布均勻，最大損傷為75%，發生在砌塊內層壓結束的末端，對應于界面的失效時刻。
圖9 混凝土損傷
由于層壓板長度較短，應力集中系數較大，膠黏劑的損傷分布不均勻，集中在端部。以上試驗為今后的模擬分析過程提供了建議，即理論分析或數值模擬時也應該考慮環氧樹脂的損傷問題。正如一些研究提出的假設[10-12]，環氧樹脂的損傷行為既不是彈性的，也不是線性的(見圖10)。
圖10 環氧樹脂損傷
2.3 界面應力分布
由于失效發生在埋設鋼筋的砌塊端部區域，因而對鋼筋頂部(即距砌塊底部0.15m處)混凝土、環氧樹脂和纖維增強復合材料的軸向和切向應力的行為進行分析(見圖11、圖12)。
在6.1kN的荷載下，最大的軸向應力出現在CFRP黏附的末端(見圖11)。
圖11 混凝土軸向應力分布
對于其他荷載水平，最大應力(1.85～2.00MPa)發生在鋼筋區域，并朝向FRP末端。對于失效荷載，距鋼筋0.04m處的應力為2.31MPa。
關于切向應力，可以觀察到，對20.9kN以下的不同荷載水平，最大應力發生在FRP黏附的末端，在6.1kN荷載下達到1.68MPa。對超過20.9kN的荷載水平，最大應力在0.75～0.80MPa之間，并發生在層壓板另一端的鋼筋區域。在極限荷載下，應力增加到1.0MPa(見圖12)。
圖12 混凝土切向應力分布
通過分析圖11和圖12可以得出，界面上混凝土的行為對應于切向和軸向應力的共同作用。對第一個載荷級(高達16.6kN)，切向應力達到軸向應力的67%～89%，對其他載荷級，切向應力達到軸向應力的38%～48%。此外，與CFRP末端相比，切向應力對混凝土砌塊末端損傷的影響更大。
對比分析可以看出，即使在失效荷載下，CFRP中的軸向和切向應力數值也較低，這表明FRP的性能未得到發揮。此外，由于切向應力為軸向應力的2%～4%，CFRP大體上是受軸向作用影響的(見圖13、圖14)。
圖13 碳纖維增強復合材料軸向應力分布
圖14 碳纖維增強復合材料切向應力分布
通過比較應力分布及其大小可以得出，混凝土中的最大切向應力(大于16.6kN)為層壓板應力的6%～8%，而軸向應力的占比小于0.1%。因此，環氧樹脂的強度小于層壓板和鋼筋混凝土的強度，須具有足夠的性能，以確保應力從層壓板到混凝土的傳遞和分布。文獻[13]與文獻[14]的研究成果相同，該文進行的模擬試驗通過觀察混凝土、膠黏劑和CFRP的行為，發現軸向應力和切向應力的作用不盡相同。針對界面行為，軸向應力和切向應力在混凝土和環氧樹脂中均占顯著比例，而在CFRP中軸向應力則占主導地位。
本文通過雙剪切試驗評估了混凝土黏結層壓板端部的行為，以及鋼筋脫落過程。在純剪切狀態下研究了層壓板兩端的有效應力和應變分布區域，詳細說明了混凝土—環氧樹脂—CFRP在界面黏附區的受力行為，并得出以下研究結論：
試驗中，CFRP與混凝土之間的界面發生了滑動，CFRP未能有效地起到混凝土構件的加固作用。這是因為較短的層壓板容易發生應力集中，從而使得膠黏劑的損傷分布不均勻，集中在端部。此時環氧樹脂因應力集中而發生損傷。說明環氧樹脂的損傷行為既不是彈性的，也不是線性的。它對CFRP加固效果起著決定性作用。這為CFRP加固設計提供了建議，即需要考慮環氧樹脂因應力集中導致的損傷問題。
界定CFRP加固鋼筋混凝土強度的關鍵參數之一是混凝土與CFRP之間的黏附力，這取決于應力傳遞機制和復合材料的行為。鋼筋混凝土結構的牢固程度既取決于正確選擇加固裝置，也取決于纖維增強復合材料與混凝土之間的黏合力大小；
界面上的混凝土具有切向和軸向應力共同作用的機制。與CFRP末端相比，軸向應力和切向應力在混凝土和環氧樹脂中均占顯著比例，而在CFRP中軸向應力則占主導地位，切向應力對混凝土砌塊末端損傷的影響更大。