冻融循环作用下表层嵌贴CFRP―混凝土界面黏结性能试验研究

摘 要：以嵌贴CFRP-混凝土黏结的冻融耐久性为研究对象，通过拔出试验考察了冻融循环作用下嵌贴FRP与具有不同强度或抗冻性能混凝土的黏结性能，讨论了冻融循环下嵌贴FRP-混凝土界面黏结的退化机理；分析了冻融循环作用下混凝土槽至试件边缘距离、胶层厚度等因素对试件界面黏结性能的影响.试验结果表明：冻融循环作用下普通C30混凝土力学性能退化显著，添加引气防冻剂和减水剂的C30混凝土强度下降显著小于普通C30混凝土，C60混凝土强度反而有所提高；冻融循环导致了嵌贴CFRP-普通C30混凝土的黏结承载力下降和破坏模式转变，但嵌贴CFRP与抗冻混凝土间的黏结承载力没有显著降低，表明混凝土冻融损伤是冻融循环下嵌贴FRP-混凝土黏结退化的主要原因；槽壁厚度较小时，加载端槽壁混凝土出现锥形斜裂缝；胶层厚度较薄时，冻融循环作用下试件黏结承载力的降低较胶层较厚的试件更为显著.

关键词：表层嵌贴；CFRP；黏结性能；冻融循环；混凝土

中图分类号：TU378 文献标志码：A

文章编号：1674-2974（2017）05-0063-10

Abstract：The durability of the interface between NSM FRP and concrete under freeze-thawing cycles was examined. The pull-out tests were conducted to investigate the influence of freeze-thawing cycles on the bond performance between NSM FRP and concrete with normal strength， high strength， or additional frost resistance. The mechanism of the bond degradation between NSM FRP and concrete under the freeze-thawing cycles was also discussed. Moreover， the influences of the distance between concrete edge and groove （edge distance） and the thickness of epoxy adhesive on the bond durability of the NSM FRP were studied. The test results show that freeze-thawing cycling resulted in the strength deterioration of ordinary concrete， while the high strength concrete and the concrete with frost resistance showed no significant deterioration under freeze-thawing cycles. Freeze-thawing cycling also caused the transformation of failure mode and the relatively significant decrease in bond capacity for specimens using ordinary concrete. Nevertheless， it had no substantial impact on the bond performance of specimens made by concrete with high strength or frost resistance. This result indicates that the bond deterioration of NSM FRP under freeze-thawing cycles was caused by low strength of concrete. Moreover， the decrease of edge distance resulted in cone-shape cracks at the loading end. When the thickness of epoxy adhesive was reduced， the bond strength degradation induced by freeze-thawing cycles was more significant compared with that of specimens with thicker epoxy adhesive.

Key words：near-surface mounted； CFRP； bond performance； freeze-thawing cycles； concrete

w维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）具有轻质、高强和耐久性好等优点，被广泛应用于土木工程结构的加固[1].但目前应用的外贴（Externally bonded，EB） FRP方法加固混凝土结构尤其是受弯构件时，容易发生FRP与结构之间的剥离，导致加固效率降低和结构过早失效.近年来表层嵌贴（Near Surface Mounted，NSM） FRP技术逐渐得到发展，该技术将FRP 嵌入预先开出的混凝土槽中，通过FRP与混凝土的三面甚至四面黏结，大幅增大两者间的黏结面积，显著提高FRP-混凝土界面的黏结承载力，因此可更好地发挥FRP材料强度，并且FRP材料因嵌入混凝土保护层而拥有了更好的耐久性能，因此表层嵌贴FRP技术在未来的钢筋混凝土结构加固领域具有显著的潜力[2].

近年来国内外众多学者对室温环境下外贴和表层嵌贴FRP-混凝土界面的黏结性能开展了大量工作.许多学者针对黏结强度、破坏模式以及黏结长度、混凝土强度、开槽构造等因素的影响进行了较为系统的探索[3-8].这些工作取得了一些共识，如黏结强度随混凝土强度提高而增大；嵌贴剥离界面存在残余摩擦，因此黏结承载力随着黏结长度的增大而提高[6-9]；但也还存在若干分歧，如De Lorenzis[3]试验发现Hassan等[10]给出的变形FRP筋最小净间距和槽边距的建议值不足以消除NSM FRP和混凝土之间的相互作用，试件仍然出现了混凝土落破坏.但总体上，通过上述工作研究人员对嵌贴FRP的黏结性能已经建立了一定程度的认识.

另一方面，FRP加固结构的耐久性也是研究者与工程人员关心的主要问题之一，国内外对侵蚀环境下外贴FRP加固混凝土结构的耐久性，尤其是冻融循环作用下EB FRP-混凝土黏结界面的耐久性开展了相当多的工作.Yun等[11]通过单剪试验发现，经历冻融循环作用后，外贴CFRP-混凝土的黏结承载能力出现了不同程度的降低，大部分试件的破坏模式均是混凝土表面剥离破坏.任慧韬等[12]提出，冻融环境作用对CFRP加固混凝土结构的影响主要表现为黏结面性能退化，CFRP-混凝土黏结强度的降低是因为混凝土剪切强度下降和界面黏结力下降共同作用的结果.Green等[13]通过试验发现随着冻融次数的增加，CFRP-混凝土界面的黏结承载力没有降低，试件破坏模式逐渐由混凝土内聚破坏向黏结界面转移，因而认为：破坏模式的转变不是因为冻融导致混凝土强度降低引起的，而是黏结树脂的剪切模量降低导致的.李杉[14]和Qiao等[15]均认为CFRP-混凝土黏结性能的降低是因为冻融侵蚀作用导致黏结界面损伤引起.由上述文献可看出，关于冻融环境下外贴FRP-混凝土界面的损伤退化机理，研究人员间尚存在分歧.

与上述研究相对的是，关于冻融循环下表层嵌贴FRP-混凝土界面的黏结性能国内外的研究非常匮乏[16]，基于已有的研究结果难以深入认识冻融循环作用对表层嵌贴FRP-混凝土黏结性能的影响，而这对于在寒冷地区如我国北方应用该项技术具有重要的现实意义.鉴于此，本文对经历了不同冻融次数的嵌贴FRP-混凝土试件实施拔出试验，研究冻融环境作用对嵌贴FRP-混凝土界面黏结性能的影响，分析界面性能的退化机理，考察混凝土性能、胶层厚度等因素所导致的黏结性能变化，以期把握冻融环境下嵌贴FRP-混凝土界面的黏结耐久性，为表层嵌贴FRP加固技术的应用提供理论依据.

1 试验方案

1.1 试件及参数设计

本文试件由混凝土棱柱体及嵌贴的CFRP板条组成，混凝土棱柱体采用150 mm×150 mm ×300 mm和150 mm×150 mm×500 mm两种尺寸规格，其中500 mm长试件采用较长模具浇筑；混凝土开槽宽度和深度分别为10 mm和30 mm，试件制作时CFRP板条均埋置在槽中部.制作工艺包括：1）在试件表面标出黏结区域，用无水酒精清洗槽内并风干；2）按要求均匀拌合黏结树脂，将树脂注入槽内至一半槽深，并用灰刀插捣挤压保证树脂密实；3）将CFRP板条垂直、对中插入槽中，用带卡槽的木条封堵黏结区域两端并固定板条，以保证板条水平并且埋深准确；4）再注入黏结树脂，用灰刀压实、抹平，保证胶层表面平整，将试件放置于室温环境下养护7 d.

混凝土棱柱体分别采用C30，CA30（添加具有引气、减水和防冻功能的早强防冻剂）、CW30（添加高效减水剂）以及C60等4种不同混凝土制作，各型号混凝土试件同时制作对应的标准立方体试件.试验选用美国Aslan公司的500型CFRP板条，截面规格分别为16 mm×2.0 mm 和16 mm×4.5 mm两种.试验所用的黏结剂为瑞士Sika公司生产的Sikadur-30型树脂.上述材料的力学性能指标如表1 所示，各试件的参数设计如表2所示.

1.2 冻融试验方法

本次冻融循环试验参照ASTM C 666/C 666M-03《混凝土抗速冻和速融的标准试验方法》采用快速冻融法，在国产TDS-300型冻融试验机（内径尺寸1 175 mm×520 mm×500 mm）上进行，每次冻融循环为4 h，试验中心温度分别为（-18±2）℃和（4±2）℃.试验冻融循环次数分别选择为0次、150次和300次.

1.3 试验加载与量测

本文试验采用单剪拔出试验方法，试验装置如图1所示.

试验采用荷载传感器控制加载荷载的大小，以1 kN/min的加载速率进行加载，CFRP应变采用TDS-530静态应变仪记录.沿CFRP板条的黏结长度布置多个应变测试点，在加载端附近应变片适当加密，取30 mm间距连续布置3个电阻应变片，之后取间距40 mm直至自由端，应变片布置如图2所示.另外，在CFRP板条加载端和自由端布置CDP位移传感器以测量滑移值.

2 试验结果及分析

2.1 冻融循环作用对混凝土性能的影响

如前所述，大量研究表明冻融循环作用对FRP与混凝土之间的黏结有显著影响[11-15].但对于这一影响的作用机理现有研究仍存在明显分歧：部分学者认为冻融循环是通过劣化混凝土力学性能降低了FRP-混凝土间黏结性能，另有研究人员提出冻融循环是削弱了FRP与黏结树脂的结合能力.鉴于此，本文考察具有不同抗冻性能的混凝土，包括C30，C60，掺减水剂的CW30和防冻剂的CA30等，在冻融循环作用下与FRP黏结性能的变化规律，以揭示冻融循环对FRP-混凝土黏结的劣化机制.

本文试验首先考察了冻融循环作用下，C30，C60两种强度等级的混凝土，以及掺减水剂的C30混凝土（CW30）、掺防冻剂的C30混凝土（CA30）的力学性能变化规律.其中C30，C60混凝土的立方体试块分别经历0次，150次，225次和300次冻融循环；CW30，CA30混凝土分别承受0次、150次和300次冻融循环，再通过荷载试验测试其抗压强度，结果如图3所示.

2.3 冻融循环作用下槽壁厚度对界面黏结的影响

作者已有工作表明[9]，槽壁厚度（槽壁至试件边缘距离）对嵌贴FRP-混凝土的黏结性能有显著影响，过薄的槽壁混凝土难以抵抗由嵌贴CFRP传递来的剪应力和拉应力，因此槽壁厚度较小时可能发生槽壁混凝土的剪切破坏；另一方面较小的槽壁厚度也对应着较小的截面刚度，降低了对嵌贴FRP的约束.鉴于此，本文对冻融条件下槽壁厚度对嵌贴CFRP-混凝土黏结性能的影响进行了探索.

表4比较了不同槽壁厚度试件在经过不同次数冻融循环后的黏结性能变化.从表中可看出，槽壁厚度由70 mm减小至40 mm后，试件黏结承载力有所降低，破坏模式由FRP拉断变为了黏结界面剥离，并且在加载端较薄槽壁侧混凝土出现了斜裂缝.说明本文试验中40 mm的槽壁厚度无法抵抗CFRP受拉所引起的混凝土内剪应力及拉应力，槽壁开裂后混凝土对CFRP板条的约束减小，导致界面发生黏结剥离破坏.

经过150次冻融后，试件C30-G40-150的极限荷载较C30-L300-150略小，破坏模式也同样为界面黏结剥离破坏，但因为槽壁厚度较薄，前者的黏结行为呈现出了较大的不同：20 kN时在较薄的槽壁一侧20 mm处（约槽壁厚度一半）出现斜向FRP板发展的裂缝，荷载增加至34 kN时另一侧槽壁同样出现斜裂缝，两侧裂缝共同形成锥形的混凝土破坏面，如图11所示；继续增加荷载至40 kN时，沿CFRP板出现裂缝并随着荷载的增加逐渐向自由端扩展，48 kN时发生界面黏结剥离，CFRP板条被拔出，加载端混凝土呈现较明显的锥形破坏面.需要指出的是，槽壁厚度为70 mm的C30-L300-150没有出现类似的裂缝形态.出现锥形斜裂缝的原因应是冻融循环作用导致混凝土力学性能下降后，40 mm的槽壁厚度不足以抵抗荷载引起的拉应力.由此可看出，减小槽壁厚度导致嵌贴FRP的界面黏结性能进一步下降.试件C30-G40-300由于夹锚问题，在38 kN时发生FRP断裂的非正常破坏.

图12描绘了不同槽壁厚度试件在不同次数冻融后的黏结滑移曲线.从图12可看到，与冻融150次后相比，冻融300次后C30-G40系列试件和C30-L300系列试件的黏结峰值应力都有显著下降，其中C30-L300-300的峰值应力较C30-L300-150降低19.8%，C30-G40-300较C30-G40-150降低24.2%，反映出冻融循环削弱了FRP-混凝土界面的黏结能力，而槽壁较薄时其性能下降幅度更大；另一方面，试件C30-G40-150对应峰值黏结应力的滑移值略大于C30-L300-150，C30-G40-300也略大于C30-L300-300，从图中也可看到C30-G40系列试件的黏结滑移曲线上升段的斜率更小，表现出了更明显的黏结强度退化趋势.

从上述分析可看出，减小槽壁厚度增大了混凝土内应力，加上冻融循环侵蚀下混凝土强度降低，可能导致槽壁混凝土开裂，嵌贴FRP受到的约束被削弱，界面黏结强度进一步降低，更容易发生剥离破坏.在冻融侵蚀环境下，为充分发挥CFRP板条的抗拉强度并避免槽壁混凝土开裂，需保证一定的槽壁厚度.

2.4 冻融循环作用下胶层厚度对界面黏结的影响

表层嵌贴FRP与混凝土之间的胶层厚度显著大于外贴的FRP.在冻融循环条件下不同的胶层厚度能否导致不同的黏结性能，是研究人员关心的问题之一.本文试验通过采用不同厚度的板条改变胶层厚度，考察了冻融循环作用下不同胶层厚度的影响，试验结果如表5所示.表中T4.5-L450系列试件采用了厚度为4.5 mm厚的CFRP板条，黏结长度相应延长到了450 mm，所采用的混凝土棱柱体尺寸为150 mm×150 mm×500 mm，混凝土强度与C30-L300系列试件相同，槽宽也同样为10 mm，则平均胶层厚度为2.7 mm.

经历150次冻融循环后，试件T4.5-L450-150在加载至66 kN时挡板处混凝土边缘出现裂缝，这是由于加载端混凝土受压不均匀所致，此时黏结界面完好，没有出现裂纹.继续增加荷载至72 kN时，加载端槽两侧的树脂混凝土黏结界面出现裂纹（图13），且随着荷载进一步增加界面裂缝不断扩展且听到其发展声音，继续增加荷载至82 kN时黏结试件出现通长裂纹，自由端可见明显裂缝，继续加载至86 kN时荷载突然大幅下降至66 kN，继续加载时荷载无法维持，加载至68 kN后荷载又下滑至50 kN，继续补加荷载时荷载值掉至30 kN，保持稳定.

试件T4.5-L450-300加载至30 kN时加载端槽两边的混凝土出现细小裂纹，但黏结界面保持完好，没有出现开裂迹象，加载至70 kN时加载端黏结界面突然出现长度约为5 cm的裂缝，当荷载继续增加时裂缝逐渐向自由端扩展（图14），加载端滑移也出现突然的显著增长.当荷载增加至84 kN时，FRP板条突然断裂破坏.鉴于FRP板条断裂荷载远小于其抗拉承载力，并且断裂时黏结界面已经出现超过大半黏结长度且持续发展的明显裂缝，因此判断FRP断裂是锚具安装误差所致，该试件破坏模式仍应为界面黏结破坏.

由上述描述可知，经历冻融循环后，胶层厚度减小的试件发生了显著的黏结承载力退化，并且破坏模式由CFRP拉断转变为在树脂混凝土界面发生的黏结破坏，清晰表明冻融循环作用引起的混凝土性能退化导致了嵌贴FRP-混凝土黏结性能的下降.值得注意的是，胶层厚度较小的T4.5-L450试件其黏结承载力的降低幅度显著大于C30-L300试件（前者经历150，300次冻融循环后承载力分别降低33.8%，35.4%；后者分别降低7.2%，14.5%），这应当是胶层厚度减小和黏结长度增加所共同导致.

由于黏结破坏面位于树脂混凝土界面，胶层厚度较小时，对应着较小的黏结面积（图15），因此冻融循环作用下破坏模式由FRP拉断转变为界面黏结破坏时，除了界面黏结性能下降之外，胶层厚度对应的较小的黏结面积也导致黏结承载力进一步减小.另外，与外贴FRP不同，嵌贴FRP与混凝土之间发生黏结剥离之后在界面上仍存在残余摩擦力，沿黏结长度的黏Y应力和残余摩擦应力分布如图16所示.经历冻融循环后，剥离界面的残余摩擦应力由于混凝土性能的退化而降低，由于T4.5-L450系列试件黏结长度（450 mm）大于C30-L300系列试件（300 mm），更大的黏结长度对应更显著的冻融所致残余摩擦力损失，因此T4.5-L450系列试件的黏结承载力退化显著大于C30-L300系列试件.

3 结 论

本文通过24个混凝土立方体试件的冻融抗压试验和21个嵌贴CFRP-混凝土棱柱体试件的拔出试验，研究了冻融循环作用对混凝土强度的影响，分析了冻融循环对嵌贴FRP黏结的退化机理，讨论了冻融循环作用下混凝土强度、槽壁厚度及胶层厚度等因素对嵌贴CFRP-混凝土试件界面黏结性能的影响，得出以下结论：

1）普通C30混凝土冻融300次后强度降低26.6%；但高强混凝土如C60因二次养护效应，其在300次冻融作用后的强度反而稍有提高；冻融循环对掺入减水剂和防冻剂的混凝土CW30和CA30均没有显著影响.拔出试验表明，冻融引起的混凝土性能退化导致了嵌贴FRP-混凝土黏结承载力降低及破坏模式转变，但对于具有防冻能力其性能未出现显著下降的混凝土CW30，CA30和C60，其与嵌贴FRP之间的黏结性能没有明显降低.这一结果表明，冻融循环作用引起的嵌贴FRP-混凝土黏结性能下降主要源于混凝土性能的退化.

2）冻融循环作用下减小槽壁厚度可能导致破坏模式转变及更显著的黏结性能退化.槽壁厚度由70 mm减小至40 mm时，未经历冻融循环的试件破坏模式变为界面黏结破坏，表明较薄槽壁对嵌贴FRP的约束较小；经历150次冻融循环后，由于混凝土强度降低和槽壁厚度减小导致拉应力增大，试件先在40 mm厚槽壁侧出现斜向裂缝，继而在另一侧也出现相同裂缝，共同构成混凝土锥形破坏面.另外槽壁厚度从70 mm减小至40 mm时，冻融循环150次后界面黏结峰值应力的降低幅度由19.8%增大至24.2%，峰值应力对应的滑移也略有增加.

3）本文试验中，胶层厚度减小为2.7 mm，黏结长度为450 mm的试件在经历150，300次冻融循环后，黏结承载力分别下降33.8%和35.4%，破坏模式转变为树脂混凝土界面黏结破坏.这应是因为^小的胶层厚度减小了黏结破坏面的面积；同时冻融循环作用引起的混凝土性能退化导致了黏结界面的强度和剥离界面的残余摩擦力都有所降低；两者叠加效应导致了破坏模式的转变和黏结承载力显著减小.

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