凍融循環(huán)作用下表層嵌貼CFRP—混凝土界面黏結(jié)性能試驗(yàn)研究

彭暉+劉洋+付俊俊+蘇鵬+劉揚(yáng)

摘 要：以嵌貼CFRP-混凝土黏結(jié)的凍融耐久性為研究對(duì)象，通過拔出試驗(yàn)考察了凍融循環(huán)作用下嵌貼FRP與具有不同強(qiáng)度或抗凍性能混凝土的黏結(jié)性能，討論了凍融循環(huán)下嵌貼FRP-混凝土界面黏結(jié)的退化機(jī)理；分析了凍融循環(huán)作用下混凝土槽至試件邊緣距離、膠層厚度等因素對(duì)試件界面黏結(jié)性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明：凍融循環(huán)作用下普通C30混凝土力學(xué)性能退化顯著，添加引氣防凍劑和減水劑的C30混凝土強(qiáng)度下降顯著小于普通C30混凝土，C60混凝土強(qiáng)度反而有所提高；凍融循環(huán)導(dǎo)致了嵌貼CFRP-普通C30混凝土的黏結(jié)承載力下降和破壞模式轉(zhuǎn)變，但嵌貼CFRP與抗凍混凝土間的黏結(jié)承載力沒有顯著降低，表明混凝土凍融損傷是凍融循環(huán)下嵌貼FRP-混凝土黏結(jié)退化的主要原因；槽壁厚度較小時(shí)，加載端槽壁混凝土出現(xiàn)錐形斜裂縫；膠層厚度較薄時(shí)，凍融循環(huán)作用下試件黏結(jié)承載力的降低較膠層較厚的試件更為顯著.

關(guān)鍵詞：表層嵌貼；CFRP；黏結(jié)性能；凍融循環(huán)；混凝土

中圖分類號(hào)：TU378 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)的加固[1].但目前應(yīng)用的外貼（Externally bonded，EB） FRP方法加固混凝土結(jié)構(gòu)尤其是受彎構(gòu)件時(shí)，容易發(fā)生FRP與結(jié)構(gòu)之間的剝離，導(dǎo)致加固效率降低和結(jié)構(gòu)過早失效.近年來表層嵌貼（Near Surface Mounted，NSM） FRP技術(shù)逐漸得到發(fā)展，該技術(shù)將FRP 嵌入預(yù)先開出的混凝土槽中，通過FRP與混凝土的三面甚至四面黏結(jié)，大幅增大兩者間的黏結(jié)面積，顯著提高FRP-混凝土界面的黏結(jié)承載力，因此可更好地發(fā)揮FRP材料強(qiáng)度，并且FRP材料因嵌入混凝土保護(hù)層而擁有了更好的耐久性能，因此表層嵌貼FRP技術(shù)在未來的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域具有顯著的潛力[2].

近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)室溫環(huán)境下外貼和表層嵌貼FRP-混凝土界面的黏結(jié)性能開展了大量工作.許多學(xué)者針對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度、破壞模式以及黏結(jié)長度、混凝土強(qiáng)度、開槽構(gòu)造等因素的影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探索[3-8].這些工作取得了一些共識(shí)，如黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土強(qiáng)度提高而增大；嵌貼剝離界面存在殘余摩擦，因此黏結(jié)承載力隨著黏結(jié)長度的增大而提高[6-9]；但也還存在若干分歧，如De Lorenzis[3]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Hassan等[10]給出的變形FRP筋最小凈間距和槽邊距的建議值不足以消除NSM FRP和混凝土之間的相互作用，試件仍然出現(xiàn)了混凝土剝落破壞.但總體上，通過上述工作研究人員對(duì)嵌貼FRP的黏結(jié)性能已經(jīng)建立了一定程度的認(rèn)識(shí).

另一方面，F(xiàn)RP加固結(jié)構(gòu)的耐久性也是研究者與工程人員關(guān)心的主要問題之一，國內(nèi)外對(duì)侵蝕環(huán)境下外貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，尤其是凍融循環(huán)作用下EB FRP-混凝土黏結(jié)界面的耐久性開展了相當(dāng)多的工作.Yun等[11]通過單剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，外貼CFRP-混凝土的黏結(jié)承載能力出現(xiàn)了不同程度的降低，大部分試件的破壞模式均是混凝土表面剝離破壞.任慧韜等[12]提出，凍融環(huán)境作用對(duì)CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)為黏結(jié)面性能退化，CFRP-混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的降低是因?yàn)榛炷良羟袕?qiáng)度下降和界面黏結(jié)力下降共同作用的結(jié)果.Green等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)的增加，CFRP-混凝土界面的黏結(jié)承載力沒有降低，試件破壞模式逐漸由混凝土內(nèi)聚破壞向黏結(jié)界面轉(zhuǎn)移，因而認(rèn)為：破壞模式的轉(zhuǎn)變不是因?yàn)閮鋈趯?dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低引起的，而是黏結(jié)樹脂的剪切模量降低導(dǎo)致的.李杉[14]和Qiao等[15]均認(rèn)為CFRP-混凝土黏結(jié)性能的降低是因?yàn)閮鋈谇治g作用導(dǎo)致黏結(jié)界面損傷引起.由上述文獻(xiàn)可看出，關(guān)于凍融環(huán)境下外貼FRP-混凝土界面的損傷退化機(jī)理，研究人員間尚存在分歧.

與上述研究相對(duì)的是，關(guān)于凍融循環(huán)下表層嵌貼FRP-混凝土界面的黏結(jié)性能國內(nèi)外的研究非常匱乏[16]，基于已有的研究結(jié)果難以深入認(rèn)識(shí)凍融循環(huán)作用對(duì)表層嵌貼FRP-混凝土黏結(jié)性能的影響，而這對(duì)于在寒冷地區(qū)如我國北方應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.鑒于此，本文對(duì)經(jīng)歷了不同凍融次數(shù)的嵌貼FRP-混凝土試件實(shí)施拔出試驗(yàn)，研究凍融環(huán)境作用對(duì)嵌貼FRP-混凝土界面黏結(jié)性能的影響，分析界面性能的退化機(jī)理，考察混凝土性能、膠層厚度等因素所導(dǎo)致的黏結(jié)性能變化，以期把握凍融環(huán)境下嵌貼FRP-混凝土界面的黏結(jié)耐久性，為表層嵌貼FRP加固技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件及參數(shù)設(shè)計(jì)

本文試件由混凝土棱柱體及嵌貼的CFRP板條組成，混凝土棱柱體采用150 mm×150 mm ×300 mm和150 mm×150 mm×500 mm兩種尺寸規(guī)格，其中500 mm長試件采用較長模具澆筑；混凝土開槽寬度和深度分別為10 mm和30 mm，試件制作時(shí)CFRP板條均埋置在槽中部.制作工藝包括：1）在試件表面標(biāo)出黏結(jié)區(qū)域，用無水酒精清洗槽內(nèi)并風(fēng)干；2）按要求均勻拌合黏結(jié)樹脂，將樹脂注入槽內(nèi)至一半槽深，并用灰刀插搗擠壓保證樹脂密實(shí)；3）將CFRP板條垂直、對(duì)中插入槽中，用帶卡槽的木條封堵黏結(jié)區(qū)域兩端并固定板條，以保證板條水平并且埋深準(zhǔn)確；4）再注入黏結(jié)樹脂，用灰刀壓實(shí)、抹平，保證膠層表面平整，將試件放置于室溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d.

混凝土棱柱體分別采用C30，CA30（添加具有引氣、減水和防凍功能的早強(qiáng)防凍劑）、CW30（添加高效減水劑）以及C60等4種不同混凝土制作，各型號(hào)混凝土試件同時(shí)制作對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件.試驗(yàn)選用美國Aslan公司的500型CFRP板條，截面規(guī)格分別為16 mm×2.0 mm 和16 mm×4.5 mm兩種.試驗(yàn)所用的黏結(jié)劑為瑞士Sika公司生產(chǎn)的Sikadur-30型樹脂.上述材料的力學(xué)性能指標(biāo)如表1 所示，各試件的參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示.

1.2 凍融試驗(yàn)方法

本次凍融循環(huán)試驗(yàn)參照ASTM C 666/C 666M-03《混凝土抗速凍和速融的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》采用快速凍融法，在國產(chǎn)TDS-300型凍融試驗(yàn)機(jī)（內(nèi)徑尺寸1 175 mm×520 mm×500 mm）上進(jìn)行，每次凍融循環(huán)為4 h，試驗(yàn)中心溫度分別為（-18±2）℃和（4±2）℃.試驗(yàn)凍融循環(huán)次數(shù)分別選擇為0次、150次和300次.

1.3 試驗(yàn)加載與量測

本文試驗(yàn)采用單剪拔出試驗(yàn)方法，試驗(yàn)裝置如圖1所示.

試驗(yàn)采用荷載傳感器控制加載荷載的大小，以1 kN/min的加載速率進(jìn)行加載，CFRP應(yīng)變采用TDS-530靜態(tài)應(yīng)變儀記錄.沿CFRP板條的黏結(jié)長度布置多個(gè)應(yīng)變測試點(diǎn)，在加載端附近應(yīng)變片適當(dāng)加密，取30 mm間距連續(xù)布置3個(gè)電阻應(yīng)變片，之后取間距40 mm直至自由端，應(yīng)變片布置如圖2所示.另外，在CFRP板條加載端和自由端布置CDP位移傳感器以測量滑移值.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土性能的影響

如前所述，大量研究表明凍融循環(huán)作用對(duì)FRP與混凝土之間的黏結(jié)有顯著影響[11-15].但對(duì)于這一影響的作用機(jī)理現(xiàn)有研究仍存在明顯分歧：部分學(xué)者認(rèn)為凍融循環(huán)是通過劣化混凝土力學(xué)性能降低了FRP-混凝土間黏結(jié)性能，另有研究人員提出凍融循環(huán)是削弱了FRP與黏結(jié)樹脂的結(jié)合能力.鑒于此，本文考察具有不同抗凍性能的混凝土，包括C30，C60，摻減水劑的CW30和防凍劑的CA30等，在凍融循環(huán)作用下與FRP黏結(jié)性能的變化規(guī)律，以揭示凍融循環(huán)對(duì)FRP-混凝土黏結(jié)的劣化機(jī)制.

本文試驗(yàn)首先考察了凍融循環(huán)作用下，C30，C60兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，以及摻減水劑的C30混凝土（CW30）、摻防凍劑的C30混凝土（CA30）的力學(xué)性能變化規(guī)律.其中C30，C60混凝土的立方體試塊分別經(jīng)歷0次，150次，225次和300次凍融循環(huán)；CW30，CA30混凝土分別承受0次、150次和300次凍融循環(huán)，再通過荷載試驗(yàn)測試其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示.

由圖3可知C30混凝土受凍融循環(huán)作用后，強(qiáng)度降低相當(dāng)明顯，凍融300次強(qiáng)度下降達(dá)26.6%，這說明凍融循環(huán)造成了C30混凝土的顯著損傷和性能下降.但C60混凝土反而出現(xiàn)強(qiáng)度增大現(xiàn)象，這可能是因?yàn)椋阂环矫鍯60混凝土內(nèi)部孔隙率較低，密實(shí)性較好，因此抗凍能力較強(qiáng)；另一方面C60混凝土的水灰比較低，隨著凍融循環(huán)有少量水分進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，致使C60混凝土進(jìn)一步水化，在凍融循環(huán)次數(shù)不過高時(shí)，水化對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高效應(yīng)大于凍融環(huán)境的退化效應(yīng)，因此C60混凝土強(qiáng)度有所增長.

降低水灰比和摻防凍劑也是提高混凝土抗凍性能的有效手段，因此本文還考察了設(shè)計(jì)強(qiáng)度同樣為C30，但摻有減水劑（CW30）和引氣防凍劑（CA30）的混凝土在凍融循環(huán)下的力學(xué)性能變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)歷150次和300次凍融循環(huán)后，CA30的力學(xué)性能略有下降，立方體抗壓強(qiáng)度分別降低了3.6%和9.4%，遠(yuǎn)較C30混凝土為小；CW30的力學(xué)性能出現(xiàn)了起伏，150次凍融循環(huán)后立方體抗壓強(qiáng)度下降了11.6%，但300次凍融循環(huán)后立方體抗壓強(qiáng)度卻提高了12.6%，這應(yīng)該是由于混凝土強(qiáng)度的離散性所致.總體上，摻防凍劑和減水劑都有效改善了混凝土的抗凍性能，在此基礎(chǔ)上本文進(jìn)一步比較了不同混凝土抗凍性能對(duì)凍融下嵌貼CFRP-混凝土黏結(jié)的影響.

2.2 凍融循環(huán)作用下混凝土性能對(duì)界面黏結(jié)的影響

在考察凍融循環(huán)對(duì)混凝土力學(xué)性能影響的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究了C30，CA30，CW30和C60等4種不同性能的混凝土與FRP黏結(jié)拔出試驗(yàn)分別進(jìn)行不同次數(shù)凍融侵蝕后的靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3及圖4所示.由表3中數(shù)據(jù)可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，普通C30混凝土試件的黏結(jié)荷載力逐漸降低，同時(shí)破壞模式也由CFRP板條的拉斷破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轲そY(jié)界面的剝離（圖5）.黏結(jié)性能的退化和破壞模式的轉(zhuǎn)變應(yīng)該是主要因?yàn)閮鋈谘h(huán)對(duì)C30系列試件的混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生了劣化作用.如前所述，凍融次數(shù)為300次時(shí)C30混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度降低了26.6%，也可觀察到棱柱體試件表面混凝土呈現(xiàn)明顯的酥松狀，這導(dǎo)致了混凝土表面薄層與樹脂的結(jié)合力下降，從而出現(xiàn)黏結(jié)界面剝離，黏結(jié)承載力降低15%.

如前所述，CA30系列試件通過對(duì)混凝土摻防凍劑提高了混凝土的抗凍性能，經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度下降9.35%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C30混凝土.混凝土抗凍性能的變化導(dǎo)致了凍融循環(huán)作用下表層嵌貼的CFRP與混凝土間黏結(jié)性能沒有出現(xiàn)顯著退化，試件CA30-L300-0在62 kN時(shí)破壞于CFRP拉伸斷裂，而經(jīng)歷了凍融循環(huán)的試件CA30-L300-150和CA30-L300-300分別于60 kN和64 kN時(shí)破壞于黏結(jié)界面剝離（圖6）.經(jīng)歷300次凍融循環(huán)后CFRP與抗凍混凝土間的黏結(jié)承載力顯著高于CFRP與普通C30混凝土（試件C30-L300-150和C30-L300-300）；并且，雖然破壞模式不同，但試件CA30-L300-300破壞時(shí)的極限荷載甚至略高于CA30-L300-0.

混凝土立方體強(qiáng)度試驗(yàn)表明，降低水灰比也有效控制了凍融循環(huán)對(duì)混凝土的劣化，CW30混凝土的強(qiáng)度經(jīng)歷過凍融后強(qiáng)度沒有被顯著削弱，CW30-300的強(qiáng)度反而有所增加.與之對(duì)應(yīng)的是，摻減水劑的CW30系列試件破壞模式均為FRP拉伸斷裂.CW30-L300-0在54 kN時(shí)CFRP板條被拉斷，CW30-L300-150在46 kN時(shí)發(fā)生CFRP斷裂，這可能是因?yàn)殄^具的安裝問題所致，而CW30-L300-300是在50 kN出現(xiàn)FRP斷裂，對(duì)比試件C30-L300-300在47 kN時(shí)的黏結(jié)剝離破壞模式，有理由認(rèn)為摻減水劑引起的混凝土抗凍性能增強(qiáng)也提高了CFRP-混凝土界面黏結(jié)的抗凍融循環(huán)能力.

與CW30試件類似，C60系列試件的破壞模式也均為CFRP板條拉斷，其中試件C60-L300-300甚至在66 kN發(fā)生FRP斷裂而不是黏結(jié)剝離破壞，說明經(jīng)過300次凍融后，嵌貼CFRP-混凝土間的黏結(jié)承載力也超過了66 kN.與CA30-L300-300在64 kN發(fā)生黏結(jié)剝離破壞相比，C60-L300-300更高的界面黏結(jié)承載力應(yīng)該是C60試件混凝土強(qiáng)度更高所致.從上述試件的試驗(yàn)對(duì)比可得出結(jié)論，凍融循環(huán)作用所導(dǎo)致的表層嵌貼CFRP-混凝土黏結(jié)性能降低主要源自于凍融作用下混凝土的損傷和性能退化，當(dāng)混凝土抗凍性能得到改善時(shí)，凍融循環(huán)對(duì)嵌貼CFRP與混凝土間黏結(jié)性能的退化效應(yīng)也得到了顯著控制.

圖7和圖8描繪了經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，混凝土具有不同抗凍性能的試件在30 kN拉伸荷載作用下的CFRP應(yīng)變和界面黏結(jié)應(yīng)力分布.由圖7可看出，相同荷載作用下試件C30-L300-300的應(yīng)力傳遞長度顯著大于其它混凝土具有一定抗凍性能的試件，這說明經(jīng)過凍融循環(huán)作用后，混凝土的退化導(dǎo)致了CFRP與混凝土界面的黏結(jié)強(qiáng)度顯著下降，需要更大的應(yīng)力傳遞長度以抵抗相同的拉拔荷載.圖8更加清晰地反映了這一點(diǎn)，在30 kN的拉伸荷載下試件C30-L300-300的界面黏結(jié)應(yīng)力峰值已經(jīng)向自由端移動(dòng)，而CW30-L300-300和C60-L300-300的黏結(jié)應(yīng)力峰值仍在加載端.

經(jīng)過300次凍融循環(huán)后各試件的加載端荷載滑移曲線如圖9所示.由圖可以看出加載初期各試件的荷載滑移曲線較為接近，隨著荷載增大試件C30-L300-300的滑移增量顯著大于其它試件，這驗(yàn)證了之前的分析：相比其他試件而言，普通C30混凝土試件受凍融侵蝕更加嚴(yán)重，凍融引起的普通C30混凝土性能退化導(dǎo)致了嵌貼CFRP-普通C30混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度下降.另外，圖10繪制了各試件的加載端黏結(jié)應(yīng)力滑移曲線.可以看出，凍融試件C60-L300-300和CW30-L300-300和C30-L300-300的黏結(jié)滑移曲線應(yīng)力峰值依次遞減，相同凍融次數(shù)下C30-L300-300的峰值應(yīng)力較C60-L300-300降低了約26%，并且峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滑移值也有顯著增加，因此黏結(jié)滑移曲線上升段的割線斜率顯著減小，可見混凝土性能提高可以明顯地改善凍融循環(huán)作用下嵌貼 CFRP-混凝土試件的黏結(jié)性能.

2.3 凍融循環(huán)作用下槽壁厚度對(duì)界面黏結(jié)的影響

作者已有工作表明[9]，槽壁厚度（槽壁至試件邊緣距離）對(duì)嵌貼FRP-混凝土的黏結(jié)性能有顯著影響，過薄的槽壁混凝土難以抵抗由嵌貼CFRP傳遞來的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，因此槽壁厚度較小時(shí)可能發(fā)生槽壁混凝土的剪切破壞；另一方面較小的槽壁厚度也對(duì)應(yīng)著較小的截面剛度，降低了對(duì)嵌貼FRP的約束.鑒于此，本文對(duì)凍融條件下槽壁厚度對(duì)嵌貼CFRP-混凝土黏結(jié)性能的影響進(jìn)行了探索.

表4比較了不同槽壁厚度試件在經(jīng)過不同次數(shù)凍融循環(huán)后的黏結(jié)性能變化.從表中可看出，槽壁厚度由70 mm減小至40 mm后，試件黏結(jié)承載力有所降低，破壞模式由FRP拉斷變?yōu)榱损そY(jié)界面剝離，并且在加載端較薄槽壁側(cè)混凝土出現(xiàn)了斜裂縫.說明本文試驗(yàn)中40 mm的槽壁厚度無法抵抗CFRP受拉所引起的混凝土內(nèi)剪應(yīng)力及拉應(yīng)力，槽壁開裂后混凝土對(duì)CFRP板條的約束減小，導(dǎo)致界面發(fā)生黏結(jié)剝離破壞.

經(jīng)過150次凍融后，試件C30-G40-150的極限荷載較C30-L300-150略小，破壞模式也同樣為界面黏結(jié)剝離破壞，但因?yàn)椴郾诤穸容^薄，前者的黏結(jié)行為呈現(xiàn)出了較大的不同：20 kN時(shí)在較薄的槽壁一側(cè)20 mm處（約槽壁厚度一半）出現(xiàn)斜向FRP板發(fā)展的裂縫，荷載增加至34 kN時(shí)另一側(cè)槽壁同樣出現(xiàn)斜裂縫，兩側(cè)裂縫共同形成錐形的混凝土破壞面，如圖11所示；繼續(xù)增加荷載至40 kN時(shí)，沿CFRP板出現(xiàn)裂縫并隨著荷載的增加逐漸向自由端擴(kuò)展，48 kN時(shí)發(fā)生界面黏結(jié)剝離，CFRP板條被拔出，加載端混凝土呈現(xiàn)較明顯的錐形破壞面.需要指出的是，槽壁厚度為70 mm的C30-L300-150沒有出現(xiàn)類似的裂縫形態(tài).出現(xiàn)錐形斜裂縫的原因應(yīng)是凍融循環(huán)作用導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能下降后，40 mm的槽壁厚度不足以抵抗荷載引起的拉應(yīng)力.由此可看出，減小槽壁厚度導(dǎo)致嵌貼FRP的界面黏結(jié)性能進(jìn)一步下降.試件C30-G40-300由于夾錨問題，在38 kN時(shí)發(fā)生FRP斷裂的非正常破壞.

圖12描繪了不同槽壁厚度試件在不同次數(shù)凍融后的黏結(jié)滑移曲線.從圖12可看到，與凍融150次后相比，凍融300次后C30-G40系列試件和C30-L300系列試件的黏結(jié)峰值應(yīng)力都有顯著下降，其中C30-L300-300的峰值應(yīng)力較C30-L300-150降低19.8%，C30-G40-300較C30-G40-150降低24.2%，反映出凍融循環(huán)削弱了FRP-混凝土界面的黏結(jié)能力，而槽壁較薄時(shí)其性能下降幅度更大；另一方面，試件C30-G40-150對(duì)應(yīng)峰值黏結(jié)應(yīng)力的滑移值略大于C30-L300-150，C30-G40-300也略大于C30-L300-300，從圖中也可看到C30-G40系列試件的黏結(jié)滑移曲線上升段的斜率更小，表現(xiàn)出了更明顯的黏結(jié)強(qiáng)度退化趨勢.

從上述分析可看出，減小槽壁厚度增大了混凝土內(nèi)應(yīng)力，加上凍融循環(huán)侵蝕下混凝土強(qiáng)度降低，可能導(dǎo)致槽壁混凝土開裂，嵌貼FRP受到的約束被削弱，界面黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)一步降低，更容易發(fā)生剝離破壞.在凍融侵蝕環(huán)境下，為充分發(fā)揮CFRP板條的抗拉強(qiáng)度并避免槽壁混凝土開裂，需保證一定的槽壁厚度.

2.4 凍融循環(huán)作用下膠層厚度對(duì)界面黏結(jié)的影響

表層嵌貼FRP與混凝土之間的膠層厚度顯著大于外貼的FRP.在凍融循環(huán)條件下不同的膠層厚度能否導(dǎo)致不同的黏結(jié)性能，是研究人員關(guān)心的問題之一.本文試驗(yàn)通過采用不同厚度的板條改變膠層厚度，考察了凍融循環(huán)作用下不同膠層厚度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.表中T4.5-L450系列試件采用了厚度為4.5 mm厚的CFRP板條，黏結(jié)長度相應(yīng)延長到了450 mm，所采用的混凝土棱柱體尺寸為150 mm×150 mm×500 mm，混凝土強(qiáng)度與C30-L300系列試件相同，槽寬也同樣為10 mm，則平均膠層厚度為2.7 mm.

經(jīng)歷150次凍融循環(huán)后，試件T4.5-L450-150在加載至66 kN時(shí)擋板處混凝土邊緣出現(xiàn)裂縫，這是由于加載端混凝土受壓不均勻所致，此時(shí)黏結(jié)界面完好，沒有出現(xiàn)裂紋.繼續(xù)增加荷載至72 kN時(shí)，加載端槽兩側(cè)的樹脂混凝土黏結(jié)界面出現(xiàn)裂紋（圖13），且隨著荷載進(jìn)一步增加界面裂縫不斷擴(kuò)展且聽到其發(fā)展聲音，繼續(xù)增加荷載至82 kN時(shí)黏結(jié)試件出現(xiàn)通長裂紋，自由端可見明顯裂縫，繼續(xù)加載至86 kN時(shí)荷載突然大幅下降至66 kN，繼續(xù)加載時(shí)荷載無法維持，加載至68 kN后荷載又下滑至50 kN，繼續(xù)補(bǔ)加荷載時(shí)荷載值掉至30 kN，保持穩(wěn)定.

試件T4.5-L450-300加載至30 kN時(shí)加載端槽兩邊的混凝土出現(xiàn)細(xì)小裂紋，但黏結(jié)界面保持完好，沒有出現(xiàn)開裂跡象，加載至70 kN時(shí)加載端黏結(jié)界面突然出現(xiàn)長度約為5 cm的裂縫，當(dāng)荷載繼續(xù)增加時(shí)裂縫逐漸向自由端擴(kuò)展（圖14），加載端滑移也出現(xiàn)突然的顯著增長.當(dāng)荷載增加至84 kN時(shí)，F(xiàn)RP板條突然斷裂破壞.鑒于FRP板條斷裂荷載遠(yuǎn)小于其抗拉承載力，并且斷裂時(shí)黏結(jié)界面已經(jīng)出現(xiàn)超過大半黏結(jié)長度且持續(xù)發(fā)展的明顯裂縫，因此判斷FRP斷裂是錨具安裝誤差所致，該試件破壞模式仍應(yīng)為界面黏結(jié)破壞.

由上述描述可知，經(jīng)歷凍融循環(huán)后，膠層厚度減小的試件發(fā)生了顯著的黏結(jié)承載力退化，并且破壞模式由CFRP拉斷轉(zhuǎn)變?yōu)樵跇渲炷两缑姘l(fā)生的黏結(jié)破壞，清晰表明凍融循環(huán)作用引起的混凝土性能退化導(dǎo)致了嵌貼FRP-混凝土黏結(jié)性能的下降.值得注意的是，膠層厚度較小的T4.5-L450試件其黏結(jié)承載力的降低幅度顯著大于C30-L300試件（前者經(jīng)歷150，300次凍融循環(huán)后承載力分別降低33.8%，35.4%；后者分別降低7.2%，14.5%），這應(yīng)當(dāng)是膠層厚度減小和黏結(jié)長度增加所共同導(dǎo)致.

由于黏結(jié)破壞面位于樹脂混凝土界面，膠層厚度較小時(shí)，對(duì)應(yīng)著較小的黏結(jié)面積（圖15），因此凍融循環(huán)作用下破壞模式由FRP拉斷轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑骛そY(jié)破壞時(shí)，除了界面黏結(jié)性能下降之外，膠層厚度對(duì)應(yīng)的較小的黏結(jié)面積也導(dǎo)致黏結(jié)承載力進(jìn)一步減小.另外，與外貼FRP不同，嵌貼FRP與混凝土之間發(fā)生黏結(jié)剝離之后在界面上仍存在殘余摩擦力，沿黏結(jié)長度的黏結(jié)應(yīng)力和殘余摩擦應(yīng)力分布如圖16所示.經(jīng)歷凍融循環(huán)后，剝離界面的殘余摩擦應(yīng)力由于混凝土性能的退化而降低，由于T4.5-L450系列試件黏結(jié)長度（450 mm）大于C30-L300系列試件（300 mm），更大的黏結(jié)長度對(duì)應(yīng)更顯著的凍融所致殘余摩擦力損失，因此T4.5-L450系列試件的黏結(jié)承載力退化顯著大于C30-L300系列試件.

3 結(jié) 論

本文通過24個(gè)混凝土立方體試件的凍融抗壓試驗(yàn)和21個(gè)嵌貼CFRP-混凝土棱柱體試件的拔出試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)作用對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，分析了凍融循環(huán)對(duì)嵌貼FRP黏結(jié)的退化機(jī)理，討論了凍融循環(huán)作用下混凝土強(qiáng)度、槽壁厚度及膠層厚度等因素對(duì)嵌貼CFRP-混凝土試件界面黏結(jié)性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）普通C30混凝土凍融300次后強(qiáng)度降低26.6%；但高強(qiáng)混凝土如C60因二次養(yǎng)護(hù)效應(yīng)，其在300次凍融作用后的強(qiáng)度反而稍有提高；凍融循環(huán)對(duì)摻入減水劑和防凍劑的混凝土CW30和CA30均沒有顯著影響.拔出試驗(yàn)表明，凍融引起的混凝土性能退化導(dǎo)致了嵌貼FRP-混凝土黏結(jié)承載力降低及破壞模式轉(zhuǎn)變，但對(duì)于具有防凍能力其性能未出現(xiàn)顯著下降的混凝土CW30，CA30和C60，其與嵌貼FRP之間的黏結(jié)性能沒有明顯降低.這一結(jié)果表明，凍融循環(huán)作用引起的嵌貼FRP-混凝土黏結(jié)性能下降主要源于混凝土性能的退化.

2）凍融循環(huán)作用下減小槽壁厚度可能導(dǎo)致破壞模式轉(zhuǎn)變及更顯著的黏結(jié)性能退化.槽壁厚度由70 mm減小至40 mm時(shí)，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試件破壞模式變?yōu)榻缑骛そY(jié)破壞，表明較薄槽壁對(duì)嵌貼FRP的約束較??；經(jīng)歷150次凍融循環(huán)后，由于混凝土強(qiáng)度降低和槽壁厚度減小導(dǎo)致拉應(yīng)力增大，試件先在40 mm厚槽壁側(cè)出現(xiàn)斜向裂縫，繼而在另一側(cè)也出現(xiàn)相同裂縫，共同構(gòu)成混凝土錐形破壞面.另外槽壁厚度從70 mm減小至40 mm時(shí)，凍融循環(huán)150次后界面黏結(jié)峰值應(yīng)力的降低幅度由19.8%增大至24.2%，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的滑移也略有增加.

3）本文試驗(yàn)中，膠層厚度減小為2.7 mm，黏結(jié)長度為450 mm的試件在經(jīng)歷150，300次凍融循環(huán)后，黏結(jié)承載力分別下降33.8%和35.4%，破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲炷两缑骛そY(jié)破壞.這應(yīng)是因?yàn)檩^小的膠層厚度減小了黏結(jié)破壞面的面積；同時(shí)凍融循環(huán)作用引起的混凝土性能退化導(dǎo)致了黏結(jié)界面的強(qiáng)度和剝離界面的殘余摩擦力都有所降低；兩者疊加效應(yīng)導(dǎo)致了破壞模式的轉(zhuǎn)變和黏結(jié)承載力顯著減小.

參考文獻(xiàn)

[1] SERACINO R，JONES N M，ALI M S M，et al.Bond strength of near-surface mounted FRP-to-concrete joints[J]. Journal of Composites for Construction，ASCE， 2007， 11（4）： 401-409.

[2] DE LORENZIS L， TENG J. Near-surface mounted FRP reinforcement： an emerging technique for strengthening structures[J]. Composites Part B： Engineering， 2007， 38（2）： 119-143.

[3] DE LORENZIS L.Strengthening of RC Structures with near surface mounted FRP rods[D].Lecee： College of Civil Engineering， University of Lecce，2002：12-16.

[4] BLASCHKO M. Bond behaviour of CFRP strips glued into slits[C]//Proceedings RPRCS-6. Singapore： World Scientific， 2003：205-214.

[5] PARRETTI R， NANNI A. Strengthening of RC members using near surface mounted FRP composites： design overview[J]. Advances in Structural Engineering， 2004， 7（6）： 69-83.

[6] 姚諫，朱曉旭，周延陽. 混凝土表層嵌貼CFRP板條的黏結(jié)承載力[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版， 2008， 42（1）： 34-38，169

YAO Jian， ZHU Xiaoxu， ZHOU Yanyang. Bond failure loads of near surface mounted CFRP strips bonded to concrete[J]. Journal of Zhejiang University： Engineering Science，2008， 42（1）： 34-38， 169. （In Chinese）

[7] 周朝陽，胡志海，賀學(xué)軍，等.內(nèi)嵌式碳纖維板條與混凝土黏結(jié)性能的拉拔實(shí)驗(yàn)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2007， 38（2）：357-361.

ZHOU Chaoyang， HU Zhihai， HE Xuejun，et al. Bond behavior of NSM CFRP plate-concrete interface in pull-out experiment[J] . Journal of Central South University： Science and Technology，2007， 38（2）：357-361（In Chinese）

[8] 尚守平，李知兵，彭暉. 碳纖維板混凝土界面黏結(jié)性能的試驗(yàn)研究與有限元分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，41（6）： 45-51.

SHANG Shouping， LI Zhibing， PENG Hui. Experimental research and finite element analysis of the interefacial bonding behavior of CFRP-concrete interface[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2014，4（6）：45-51. （In Chinese）

[9] 彭暉，張建仁，陳俊敏，等.表層嵌貼CFRP 板條混凝土界面黏結(jié)性能的試驗(yàn)研究[J]. 公路交通科技， 2014， 31（6）： 70-79.

PENG Hui， ZHANG Jianren，CHEN Junmin， et al. Experimental study of bond performance of interface between near-surface-mounted CFRP strips and concrete[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2014， 31（6）：70-79. （In Chinese）

[10]HASSAN T， RIZKALLA S. Bond mechanism of near-surface-mounted fiber-reinforced polymer bars for flexural strengthening of concrete structures[J]. ACI Structural Journal， 2004， 101（6）： 830-839.

[11]YUN Y， WU Y F. Durability of CFRP-concrete joints under freeze-thaw cycling[J]. Cold Regions Science and Technology， 2011， 65（3）： 401-412.

[12]任慧韜， 胡安妮， 趙國藩.纖維增強(qiáng)塑料與混凝土黏結(jié)抗凍融性能研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版2003， 43（4）： 495-499.

REN Huitao， HU Anni， ZHAO Guofan. Freeze-thaw resistance behavior of bonded joints between FRP and concrete[J]. Journal of Dalian University of Technology： Science and Technology， 2003， 43（4）： 495-499. （In Chinese）

[13]GREEN M F， BISBY L A， BEAUDOIN Y， et al. Effect of freeze-thaw cycles on the bond durability between fibre reinforced polymer plate reinforcement and concrete[J]. Canadian Journal of Civil Engineering， 2000， 27（5）： 949-959.

[14]李杉. 環(huán)境與荷載共同作用下FRP加固混凝土耐久性[D].大連：大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 2009：44-49.

LI Shan. Durability of concrete strengthened with FRP under environmental and loading conditions[D]. Dalian： College of Civil Engineering， Dalian University of Technology. 2009：44-49 . （In Chinese）

[15]QIAO P Z， XU Y. Effects of freeze-thaw and dry-wet conditionings on the mode-I fracture of FRP-concrete interface bonds[C]//Proceedings of Ninth Biennial Conference on Engineering， Construction and Operations in Challenging Environments. Houston， Texas：American Society of Civil Engineers， 2004： 601-608.

[16]SOLIMAN S M， EL-SALAKAWY E， BENMOKRANE B. Bond performance of near-surface-mounted FRP bars[J]. Journal of Composites for Construction， 2011， 15（1）：103-111.