抗彎加固中CFRP片材-混凝土界面結(jié)合技術(shù)對(duì)比分析

陸巍天

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519000）

碳纖維復(fù)合材料CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、易加工等特點(diǎn)，CFRP失效的方式分為CFRP片材與混凝土界面的剝離破壞和CFRP片材的拉斷破壞。剝離破壞的產(chǎn)生是由于CFRP或混凝土與膠結(jié)劑界面的粘接力不足，導(dǎo)致CFRP在到達(dá)極限工作狀態(tài)前就與混凝土界面剝離，剝離破壞是最常見的破壞形式，但不是最理想的破壞形式。因此，如何提高CFRP與混凝土界面之間的粘接力，延緩甚至避免剝離破壞的發(fā)生，是當(dāng)今眾多學(xué)者研究的主要問題之一。

1 CFRP片材與混凝土的結(jié)合技術(shù)分類

針對(duì)上述問題，前人已對(duì)界面處理技術(shù)做了大量的研究。本文分別從在混凝土界面上進(jìn)行處理、在結(jié)合方式上進(jìn)行處理這兩大類別對(duì)各種結(jié)合技術(shù)進(jìn)行綜述，如圖1所示。

圖1 CFRP-混凝土界面結(jié)合技術(shù)分類

1.1 在混凝土界面上進(jìn)行處理的技術(shù)

1.1.1 物理糙化

物理糙化是指采用人工、機(jī)械等工具增加混凝土構(gòu)件表面的粗糙度。目前，物理糙化有四種方法。一是高壓水槍噴射處理法。相比人工鑿毛法和砂輪打磨法，該方法更能提高混凝土的粘接強(qiáng)度，而且工作效率高。二是手工鑿毛處理法。該方法不需要設(shè)備，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較多，常用于多層CFRP片材復(fù)合加固，但CFRP材料容易被過早地拉斷。三是砂輪打磨處理法。與手工鑿毛法相比，在使用單層CFRP片材進(jìn)行加固的情況下，該方法對(duì)被加固構(gòu)件延性的提高幅度較大。四是機(jī)械噴砂處理。該方法需要配備機(jī)械設(shè)備，目前較少使用。

1.1.2 化學(xué)糙化

化學(xué)糙化方法使用酸性物質(zhì)或堿性物質(zhì)進(jìn)行糙化，但已有研究表明，上述方法都會(huì)使粘接強(qiáng)度降低。因此，目前，化學(xué)糙化方法在工程中較少應(yīng)用。

1.1.3 總結(jié)對(duì)比

上述幾種方法都是通過提高混凝土的粗糙度來實(shí)現(xiàn)對(duì)粘接力的提升。王先偉等[1]研究發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)環(huán)境下，當(dāng)混凝土表面粗糙度為0.33時(shí)，混凝土表面對(duì)CFRP-混凝土界面的粘接效果最好，但該研究只考慮了凍融環(huán)境。目前，通過量化粗糙度來分析粗糙度與CFRP-混凝土界面剪切強(qiáng)度關(guān)系的研究相對(duì)缺乏，發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

1.2 在結(jié)合方式上進(jìn)行處理

在鋼筋混凝土（RC）構(gòu)件的抗彎加固中，CFRP片材-混凝土界面的結(jié)合方法可以分為三大類，即外貼法、表面嵌貼法和新型錨固法。外貼法是采用環(huán)氧樹脂等粘接劑把CFRP外貼在構(gòu)件受力區(qū)的加固方法。表面嵌貼法是將CFRP片材嵌入混凝土表層的預(yù)開槽中，使其與混凝土共同受力的技術(shù)，影響粘接強(qiáng)度的主要影響因素有槽寬、槽邊距。新型錨固法又可以細(xì)分為五種。

一是混合錨固法（Hybrid Bonding of FRP，HBFRP）。在使用粘接樹脂把CFRP片材粘貼在混凝土構(gòu)件上后，沿其長度方向按照一定的間距布置機(jī)械錨固構(gòu)件。二是U型錨固法。在外貼法的基礎(chǔ)上，沿梁的縱向方向按一定的距離設(shè)置U形箍。三是CFRP纏繞錨固法。把被環(huán)氧樹脂浸濕的CFRP布條纏繞到鐵片上，然后通過螺桿固定在鋼筋混凝土梁底。四是CFRP條帶錨固法。使用外貼法粘貼CFRP片材后，再使用CFRP條帶橫向粘貼到使用外貼法粘貼的CFRP片材上。五是波形夾具錨固法。使用該方法粘貼的CFRP布層數(shù)可達(dá)10層。

已有試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的錨固方法條件下，CFRP片材的抗剝離能力主要由CFRP片材的層數(shù)、錨固構(gòu)件的個(gè)數(shù)等控制。CFRP片材的層數(shù)越多，被加固梁的極限承載力越大，延性增大，但隨之CFRP-混凝土界面之間的粘接強(qiáng)度會(huì)降低。在RC梁剪跨段布置的錨具越多，越可以延緩裂縫的發(fā)展甚至避免裂縫的產(chǎn)生，CFRP材料不容易剝離，加固效果更好；RC梁的配筋率低，CFRP片材承擔(dān)混凝土的拉應(yīng)力大，CFRP強(qiáng)度利用率高。

2 各種結(jié)合方法對(duì)比分析

本文從CFRP片材強(qiáng)度利用率、RC結(jié)構(gòu)極限承載力提高幅度、RC架構(gòu)跨中撓度的提高以及對(duì)RC構(gòu)件的損傷程度四個(gè)因素出發(fā)，對(duì)上文提出的不同錨固方法進(jìn)行對(duì)比分析，但影響以上四種變量的因素較多（如RC結(jié)構(gòu)配筋率、CFRP片材規(guī)格等），而且每位學(xué)者的研究中變量也不盡相同，所以只能作為輔助衡量標(biāo)準(zhǔn)。不同錨固方法的加固效果對(duì)比如表1所示[2-7]。從對(duì)RC構(gòu)件的損傷程度來看，表面嵌貼法為10～30 mm，常用20 mm；U型錨固法為0 mm；HB-FRP法為30～70 mm，常用40 mm；FRP纏繞錨固法為10～60 mm，常用50 mm；CFRP條帶錨固法為0 mm；波形夾具錨固法需要對(duì)夾具預(yù)埋，對(duì)RC構(gòu)件損傷程度較大。

表1 不同錨固方法的加固效果對(duì)比

由表1可見，混合錨固方式（HB-FRP）與波形夾具錨固法的加固效果最理想，而且適用于多層CFRP片材的加固中。而U型錨固法與其他幾種錨固方法相比，加固效果比較不理想。

U型錨固法與CFRP條帶法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷最小，而波形夾具錨固法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷最大。對(duì)上述幾種因素進(jìn)行對(duì)比，混合錨固法是目前最理想的連接方式，而波形夾具錨固法具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但需要解決對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷較大的問題。

3 結(jié)論

目前，主流的糙化法為手工鑿毛法，但此方法對(duì)均勻度難以控制，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在不考慮使用機(jī)械設(shè)備等的條件下，高壓水槍噴射法的處理效果最理想；在使用多層CFRP對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固而且被加固梁跨度較小時(shí)，較理想的界面糙化法為手工鑿毛法；當(dāng)需要加固構(gòu)件跨度較大時(shí)，可以選擇砂輪打磨進(jìn)行處理。從構(gòu)件承載力提高幅度考慮，混合錨固法和波形夾具錨固法的效果最好；波形夾具錨固法在允許錨固CFRP片材層數(shù)上更有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)混凝土損傷程度也最大；當(dāng)需要對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行保護(hù)時(shí)，最理想的錨固方法為CFRP條帶錨固法。目前，粗糙度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)繁多，尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而量化粗糙度來研究粗糙度與粘接力的關(guān)系的相關(guān)研究較少。此外，目前還缺少CFRP錨固方法的設(shè)計(jì)規(guī)范。U型錨固法具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但夾具與混凝土表面的連接方法還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。