由于纤维增强聚合物复合材料(FRP),如碳纤维布、碳纤维板等具有高强轻质等优点,粘贴FRP加固钢筋混凝土(RC)构件的方法已在土木工程领域得到了广泛的应用,国内外许多研究人员对FRP加固混凝土结构的静力学和疲劳性能进行了探讨,得到了许多有益的成果[1-5]。以往的研究多针对加固构件整体性能,而FRP-混凝土之间粘结界面的性能往往决定了加固工程的成败和实际的使用效果。目前有关FRP-混凝土界面力学行为的研究还比较少,特别是界面疲劳损伤的形成机制、演化过程都非常复杂,界面的抗疲劳能力是FRP加固钢筋混凝土梁的关键力学问题之一,对此有必要进行进一步的探讨。
    本文中结合系列常幅疲劳试验,应用红外探测技术跟踪受弯加固RC梁中FRP与混凝土界面的疲劳破坏过程,对界面疲劳损伤扩展规律和疲劳寿命等进行分析探讨。
    1　疲劳试验设计
    1. 1　试件制作
    试验用RC梁尺寸为1850 mm×100 mm×200 mm。所用混凝土材料为C40中砂碎石混凝土,其质量比为水泥∶水∶砂∶碎石=1. 0∶0. 5∶2. 06∶3. 66,弹性模量30 GPa。配置2根直径10 mm的Ⅱ级纵向钢筋,配筋率0. 98%,弹性模量200 GPa,屈服强度335 MPa,延伸率为35%;箍筋Φ8@100 mm。
    在RC梁的底部受拉区粘贴FRP,粘贴方向沿RC梁的纵向,粘贴长度1600 mm。FRP是采用碳纤维丝T300-3 K编制成宽度100 mm、计算厚度0.23 mm的预浸条带,纤维取向沿板长度方向。固化后FRP的弹性模量230 GPa,伸长率1. 5%,其基体材料以及与混凝土间的粘结剂均为环氧树脂胶,胶体铝-铝拉伸抗剪强度15 MPa。FRP的粘贴方法和步骤为: (1)对RC梁的粘贴表面进行打磨处理使之平整,用压缩空气除去表面的浮尘并采用棉纱和丙酮清洗,确保粘贴面的洁净; (2)将粘结树脂均匀地涂抹在需粘贴FRP的RC梁表面,胶层的涂抹厚度为0. 1~0. 2mm,要求均匀、无遗漏、无气泡; (3)将FRP粘贴于混凝土的表面上,采用刮梳、滚筒等工具把FRP压实; (4)检查确保粘贴界面无空洞、无气泡后,用加压工具固定、加压,常温下固化48~72 h后去除加压装置。
    1. 2　加载方法
    试验采用三点弯曲常幅疲劳加载,加载频率设为10 Hz,正弦波形,应力比R=σmin/σmax=0.1,见图1。

    参考加固构件的极限承载力,疲劳试验的荷载水平分别取25. 0、27. 5、30. 0、32. 5和35. 0kN,所用的加载设备为MTS 810型试验机,加载方式见图2。若循环加载次数达到2×106次,则认为构件在实际设计使用期限内不会破坏,停止加载

    在FRP跨中位置粘贴电阻应变片,并采用DH5937系统采集记录应变数据,荷载和位移数据由MTS实时记录。
    界面的红外探测试验主要针对30. 0 kN组中的试件C-1和试件C-2。
    1. 3　界面剥离的探测方法
    本次试验中应用红外热像仪摄像机跟踪记录界面剥离的情况,该系统的探测器采用第3代非致冷焦平面技术,主要性能参数:温度分辨率0. 07℃(在30℃时),响应波段8~14μm,像素320×240。
    为了提高对比度,对FRP (试验中具体采用的是碳纤维薄板)通以低压电进行加热。混凝土的热导率1. 51 W/ (m・K)[11],空气的热导率0. 025 W/ (m・K), FRP加热后,界面剥离区域由于存在空洞,散热效率较低,温度会比粘结区域高,这个温差可通过红外热像仪摄像机来观测记录。
    界面剥离的检测精度主要取决于剥离区和粘结区温度差异的大小。图3为FRP-混凝土界面剥离区和粘结区长度各100 mm的试件加热后某一时刻温度场的分布,可以看出温度曲线变化均匀连续,2个区域之间有明显的温度梯度,界面粘结区和剥离区温差约8℃。[-page-] 
    2　界面疲劳破坏过程
    本次试验中红外检测的FRP加固RC梁2个试件界面的失效过程相似,可简述如下。

    从红外图像上可以看出在加载前FRP上就存在一些较高温度区(图4 (a)、4 (e)),这些区域是由于粘结施工质量不佳造成的界面空洞或未粘结处,属于界面初始损伤。混凝土是一种裂纹敏感性材料,在疲劳加载的数个到数十个加载循环内,就会在RC梁底部产生大量的弯曲或弯剪裂缝,这些裂缝主要集中在梁跨中附近并向梁上部持续扩展。混凝土裂缝的产生及其快速扩展会在裂缝根部的界面上产生应力集中,导致FRP与混凝土的局部剥离。
    接下来的界面剥离稳定扩展阶段是一个长期的过程,界面裂纹在跨中附近混凝土裂缝根部萌生后缓慢向梁端扩展,红外图像见图4 (b)、4 (f)。
    粘结树脂和混凝土之间存在一个软弱过渡层,通常比其它两相组成要弱[12],疲劳荷载下, FRP不断反复承受拉力,界面软弱层由于传递剪力而逐渐产生微裂纹。界面软弱层的微裂纹不断分叉、扩展和产生新的微裂纹,当遇到石子等大粒径粗集料时会沿着石子表面发展,并有一些微裂纹逐渐连通,疲劳损伤持续累积,导致粘结面的抗剪力软化,FRP与混凝土间产生相对滑动。在界面剥离稳定发展过程中,构件的刚度和变形未出现显著变化,在界面快速剥离阶段前没有明显的破坏征兆。
    整体来看这个阶段是界面软弱层微裂纹的产生、发展、相互作用以及后形成一个界面宏观剥离裂纹的过程,但此时界面裂纹非常细小,界面剥离发展缓慢, FRP表面的红外温度场只有局部的变化,主要发生在跨中附近和有初始损伤的区域。当界面微裂纹逐渐贯通连接在一起时,就进入下一个界面剥离快速发展的阶段。
    在界面剥离快速发展阶段,在循环载荷作用下,跨中部位FRP温度先明显升高,高温条带向梁一端发展,见图4 (c)、4 (g),界面的有效承载面积不断减小,界面持续剥离, FRP与混凝土梁界面发生明显的相对错动,后当FRP的粘结长度小于必需的小锚固长度(约6cm)时,界面发生突然的脆性断裂,粘结面从梁一端完全分离,导致整个构件失效。从红外图像(图4 (d)、4 (h))的变化可以看出,终FRP剥离的部分和界面初始损伤较严重的部位并不完全一致, FRP剥离的扩展更多受到混凝土梁斜剪裂缝的位置和倾斜方向的影响,见图5。试验过程中可以观察到混凝土斜裂缝相对于梁下表面明显的上下错动,这会在界面上产生很大的正应力[13],从而加速界面的破坏。
　　这个阶段伴随着界面剥离的噼啪声音,是一个快速完成的过程。一般情况下, FRP剥离后承拉钢筋受力急剧增大,一般会导致屈服破坏的发生。界面剥离发生在粘结剂与混凝土间的软弱层,剥离的FRP会附着一层混凝土,相较于静载,疲劳破坏面更加光滑平整,结合面上混凝土粗骨料显露但一般没有剥落的现象,如图6所示。

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    3　界面疲劳损伤的演化规律
    本文中定义界面剥离面积与界面总面积的比值为损伤因子,包括界面宏观裂纹阶段,是一个广义上的损伤,    即D = Adeb/Atot(1)
    式中: D表示界面的损伤; Adeb表示界面的失效面积; Atot表示界面总面积。
    根据试件C-1和试件C-2的红外试验数据,得到界面损伤与循环加载次数的关系,见图7。
    FRP-混凝土界面的疲劳损伤演化具有较好的规律性,可分为3个阶段:第Ⅰ阶段,当0≤n/N<0.005时, n表示加载次数, N表示实测的加固构件疲劳寿命,界面的疲劳损伤萌生,此时界面损伤(初始损伤)较小,2个试件初始损伤值均小于0.05;第Ⅱ阶段,当0.005≤n/N<0.995时,界面的疲劳损伤平稳缓慢增长,变化幅度较小;第Ⅲ阶段,当0.995≤n/N≤1时,界面的损伤快速增长至临界值,并导致加固梁的破坏。
    在本试验条件下,一般在几十次循环加载内混凝土裂缝就会产生,界面剥离萌生;界面快速剥离阶段也一般在6000次左右的加载循环内完成。因此,对于实际加固构件的力学性能分析,通常可忽略第Ⅰ和第Ⅲ阶段,第Ⅱ阶段是界面疲劳寿命的主要阶段。
    对于第Ⅱ阶段,界面损伤发展规律为
    试件C-1　　D=0.0213n/N+0.1094(2)
    试件C-2　　D=0.0356n/N+0.0165(3)
    本试验条件下(具体见1.2节),2个试件界面损伤扩展速率dD/dn分别为0.0213/N、0.0356/N,平均为0.0285/N;这个值与荷载水平和加载频率等参数有关,本文中只讨论了荷载水平30.0 kN、加载频率10 Hz情况下的界面损伤发展现象,更多的试验和更详细的分析是非常有必要的。由于界面剥离一般仅从跨中向梁的一端发展,另一端则没有发生剥离,见图5,破坏时界面损伤值约0.62。

    4　界面的疲劳传力效果
    界面起着传递荷载的作用, FRP应力的疲劳加载历程直接显示了界面疲劳力学性能的变化。本次实验中,跨中截面FRP应力σmax的变化规律如图8所示。由于疲劳加载过程中应变片失效,有些试件只测到部分数据。
    从试验数据可以看出,在疲劳加载的初期(约初始0. 05倍的疲劳寿命期内,和界面损伤的第Ⅰ阶段对应),由于RC梁跨中主裂缝的产生和构件刚度的降低导致FRP应力快速上升;随后的稳定发展阶段对应界面损伤的第Ⅱ阶段,在这个阶段FRP应力缓慢地下降。终构件的破坏阶段是迅速完成的, FRP应变快速上升,表现为脆性的界面破坏,如30. 0 kN组的试件C-3所示;由于FRP上的应变片往往在终破坏前已损坏,其它的试件测得的FRP应力没有体现出这个阶段。
    FRP应力和归一化疲劳寿命拟合直线斜率在-0. 042到0. 030之间,平均斜率-0. 034σmax/N。整体来看, FRP应力在疲劳寿命的主要阶段内变化幅度微小,变化历程平稳,表明界面的疲劳力学性能是稳定的。[-page-] 
    5　界面疲劳寿命
    应力-疲劳寿命常用函数表达形式:
    σβmaxN = C (4)该式表示在给定应力比R或者平均应力σm的条件下应力幅σmax与寿命N之间的幂函数关系。β和C是2个常数,与材料性质、试件结构和加载方式等有关,由试验确定。将式(4)两边取对数,有lgN =lgC-βσmax(5)
    对于三点弯曲载荷作用下的FRP加固RC梁界面疲劳寿命, S-N曲线的横坐标可用FRP应力表示,纵坐标为加固梁的容许疲劳寿命。根据疲劳试验数据,可得到FRP加固梁容许疲劳寿命的变化曲线。
    由于变化幅度很小,在分析中取FRP应力为其均值,将相应实验数据代入上式,根据小二乘法求得公式(5)中的常数:β=2. 342×10-3, lgC=7. 5633。则在本文的试验条件下,由FRP应力所决定的界面疲劳寿命的公式为lgN =7.5633-2.342×10-3σmax(6)
    图9表明σmax与lgN基本成线性关系,理论预测曲线与实验值基本一致。根据式(6),测定FRP上的应力,就可方便地预测FRP加固RC梁界面的疲劳寿命。
    根据本课题组FRP加固RC梁静载试验,FRP、主筋和混凝土的应力随静载加载的典型变化规律如图10所示,在钢筋屈服时, FRP的应力为576 MPa,钢筋断裂以后FRP应力快速增长。和静载的试验结果对比可以发现,疲劳荷载水平为25~35 kN时,钢筋已经达到屈服强度,试验中构件的受力情况与工程中应用承载力极限状态理论设计的RC梁构件一致。
    根据式(6),当疲劳寿命达到2×106次时(相当于桥梁服役20年), FRP的大循环应力为539 MPa,接近静载钢筋屈服时FRP的强度。显然,此时远未达到FRP的极限强度3500 MPa,也小于静载条件下界面破坏时FRP的应力1650 MPa,界面的疲劳破坏会显著地制约材料高强性能的充分利用。