由于纖維增強聚合物復合材料(FRP),如碳纖維布、碳纖維板等具有高強輕質等優點,粘貼FRP加固鋼筋混凝土(RC)構件的方法已在土木工程領域得到了廣泛的應用,國內外許多研究人員對FRP加固混凝土結構的靜力學和疲勞性能進行了探討,得到了許多有益的成果[1-5]。以往的研究多針對加固構件整體性能,而FRP-混凝土之間粘結界面的性能往往決定了加固工程的成敗和實際的使用效果。目前有關FRP-混凝土界面力學行為的研究還比較少,特別是界面疲勞損傷的形成機制、演化過程都非常復雜,界面的抗疲勞能力是FRP加固鋼筋混凝土梁的關鍵力學問題之一,對此有必要進行進一步的探討。
    本文中結合系列常幅疲勞試驗,應用紅外探測技術跟蹤受彎加固RC梁中FRP與混凝土界面的疲勞破壞過程,對界面疲勞損傷擴展規律和疲勞壽命等進行分析探討。
    1　疲勞試驗設計
    1. 1　試件制作
    試驗用RC梁尺寸為1850 mm×100 mm×200 mm。所用混凝土材料為C40中砂碎石混凝土,其質量比為水泥∶水∶砂∶碎石=1. 0∶0. 5∶2. 06∶3. 66,彈性模量30 GPa。配置2根直徑10 mm的Ⅱ級縱向鋼筋,配筋率0. 98%,彈性模量200 GPa,屈服強度335 MPa,延伸率為35%;箍筋Φ8@100 mm。
    在RC梁的底部受拉區粘貼FRP,粘貼方向沿RC梁的縱向,粘貼長度1600 mm。FRP是采用碳纖維絲T300-3 K編制成寬度100 mm、計算厚度0.23 mm的預浸條帶,纖維取向沿板長度方向。固化后FRP的彈性模量230 GPa,伸長率1. 5%,其基體材料以及與混凝土間的粘結劑均為環氧樹脂膠,膠體鋁-鋁拉伸抗剪強度15 MPa。FRP的粘貼方法和步驟為: (1)對RC梁的粘貼表面進行打磨處理使之平整,用壓縮空氣除去表面的浮塵并采用棉紗和丙酮清洗,確保粘貼面的潔凈; (2)將粘結樹脂均勻地涂抹在需粘貼FRP的RC梁表面,膠層的涂抹厚度為0. 1~0. 2mm,要求均勻、無遺漏、無氣泡; (3)將FRP粘貼于混凝土的表面上,采用刮梳、滾筒等工具把FRP壓實; (4)檢查確保粘貼界面無空洞、無氣泡后,用加壓工具固定、加壓,常溫下固化48~72 h后去除加壓裝置。
    1. 2　加載方法
    試驗采用三點彎曲常幅疲勞加載,加載頻率設為10 Hz,正弦波形,應力比R=σmin/σmax=0.1,見圖1。

    參考加固構件的極限承載力,疲勞試驗的荷載水平分別取25. 0、27. 5、30. 0、32. 5和35. 0kN,所用的加載設備為MTS 810型試驗機,加載方式見圖2。若循環加載次數達到2×106次,則認為構件在實際設計使用期限內不會破壞,停止加載

    在FRP跨中位置粘貼電阻應變片,并采用DH5937系統采集記錄應變數據,荷載和位移數據由MTS實時記錄。
    界面的紅外探測試驗主要針對30. 0 kN組中的試件C-1和試件C-2。
    1. 3　界面剝離的探測方法
    本次試驗中應用紅外熱像儀攝像機跟蹤記錄界面剝離的情況,該系統的探測器采用第3代非致冷焦平面技術,主要性能參數:溫度分辨率0. 07℃(在30℃時),響應波段8~14μm,像素320×240。
    為了提高對比度,對FRP (試驗中具體采用的是碳纖維薄板)通以低壓電進行加熱?；炷恋臒釋?. 51 W/ (m?K)[11],空氣的熱導率0. 025 W/ (m?K), FRP加熱后,界面剝離區域由于存在空洞,散熱效率較低,溫度會比粘結區域高,這個溫差可通過紅外熱像儀攝像機來觀測記錄。
    界面剝離的檢測精度主要取決于剝離區和粘結區溫度差異的大小。圖3為FRP-混凝土界面剝離區和粘結區長度各100 mm的試件加熱后某一時刻溫度場的分布,可以看出溫度曲線變化均勻連續,2個區域之間有明顯的溫度梯度,界面粘結區和剝離區溫差約8℃。[-page-] 
    2　界面疲勞破壞過程
    本次試驗中紅外檢測的FRP加固RC梁2個試件界面的失效過程相似,可簡述如下。

    從紅外圖像上可以看出在加載前FRP上就存在一些較高溫度區(圖4 (a)、4 (e)),這些區域是由于粘結施工質量不佳造成的界面空洞或未粘結處,屬于界面初始損傷?；炷潦且环N裂紋敏感性材料,在疲勞加載的數個到數十個加載循環內,就會在RC梁底部產生大量的彎曲或彎剪裂縫,這些裂縫主要集中在梁跨中附近并向梁上部持續擴展?；炷亮芽p的產生及其快速擴展會在裂縫根部的界面上產生應力集中,導致FRP與混凝土的局部剝離。
    接下來的界面剝離穩定擴展階段是一個長期的過程,界面裂紋在跨中附近混凝土裂縫根部萌生后緩慢向梁端擴展,紅外圖像見圖4 (b)、4 (f)。
    粘結樹脂和混凝土之間存在一個軟弱過渡層,通常比其它兩相組成要弱[12],疲勞荷載下, FRP不斷反復承受拉力,界面軟弱層由于傳遞剪力而逐漸產生微裂紋。界面軟弱層的微裂紋不斷分叉、擴展和產生新的微裂紋,當遇到石子等大粒徑粗集料時會沿著石子表面發展,并有一些微裂紋逐漸連通,疲勞損傷持續累積,導致粘結面的抗剪力軟化,FRP與混凝土間產生相對滑動。在界面剝離穩定發展過程中,構件的剛度和變形未出現顯著變化,在界面快速剝離階段前沒有明顯的破壞征兆。
    整體來看這個階段是界面軟弱層微裂紋的產生、發展、相互作用以及后形成一個界面宏觀剝離裂紋的過程,但此時界面裂紋非常細小,界面剝離發展緩慢, FRP表面的紅外溫度場只有局部的變化,主要發生在跨中附近和有初始損傷的區域。當界面微裂紋逐漸貫通連接在一起時,就進入下一個界面剝離快速發展的階段。
    在界面剝離快速發展階段,在循環載荷作用下,跨中部位FRP溫度先明顯升高,高溫條帶向梁一端發展,見圖4 (c)、4 (g),界面的有效承載面積不斷減小,界面持續剝離, FRP與混凝土梁界面發生明顯的相對錯動,后當FRP的粘結長度小于必需的小錨固長度(約6cm)時,界面發生突然的脆性斷裂,粘結面從梁一端完全分離,導致整個構件失效。從紅外圖像(圖4 (d)、4 (h))的變化可以看出,終FRP剝離的部分和界面初始損傷較嚴重的部位并不完全一致, FRP剝離的擴展更多受到混凝土梁斜剪裂縫的位置和傾斜方向的影響,見圖5。試驗過程中可以觀察到混凝土斜裂縫相對于梁下表面明顯的上下錯動,這會在界面上產生很大的正應力[13],從而加速界面的破壞。
　　這個階段伴隨著界面剝離的噼啪聲音,是一個快速完成的過程。一般情況下, FRP剝離后承拉鋼筋受力急劇增大,一般會導致屈服破壞的發生。界面剝離發生在粘結劑與混凝土間的軟弱層,剝離的FRP會附著一層混凝土,相較于靜載,疲勞破壞面更加光滑平整,結合面上混凝土粗骨料顯露但一般沒有剝落的現象,如圖6所示。

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    3　界面疲勞損傷的演化規律
    本文中定義界面剝離面積與界面總面積的比值為損傷因子,包括界面宏觀裂紋階段,是一個廣義上的損傷,    即D = Adeb/Atot(1)
    式中: D表示界面的損傷; Adeb表示界面的失效面積; Atot表示界面總面積。
    根據試件C-1和試件C-2的紅外試驗數據,得到界面損傷與循環加載次數的關系,見圖7。
    FRP-混凝土界面的疲勞損傷演化具有較好的規律性,可分為3個階段:第Ⅰ階段,當0≤n/N<0.005時, n表示加載次數, N表示實測的加固構件疲勞壽命,界面的疲勞損傷萌生,此時界面損傷(初始損傷)較小,2個試件初始損傷值均小于0.05;第Ⅱ階段,當0.005≤n/N<0.995時,界面的疲勞損傷平穩緩慢增長,變化幅度較小;第Ⅲ階段,當0.995≤n/N≤1時,界面的損傷快速增長至臨界值,并導致加固梁的破壞。
    在本試驗條件下,一般在幾十次循環加載內混凝土裂縫就會產生,界面剝離萌生;界面快速剝離階段也一般在6000次左右的加載循環內完成。因此,對于實際加固構件的力學性能分析,通?？珊雎缘冖窈偷冖箅A段,第Ⅱ階段是界面疲勞壽命的主要階段。
    對于第Ⅱ階段,界面損傷發展規律為
    試件C-1　　D=0.0213n/N+0.1094(2)
    試件C-2　　D=0.0356n/N+0.0165(3)
    本試驗條件下(具體見1.2節),2個試件界面損傷擴展速率dD/dn分別為0.0213/N、0.0356/N,平均為0.0285/N;這個值與荷載水平和加載頻率等參數有關,本文中只討論了荷載水平30.0 kN、加載頻率10 Hz情況下的界面損傷發展現象,更多的試驗和更詳細的分析是非常有必要的。由于界面剝離一般僅從跨中向梁的一端發展,另一端則沒有發生剝離,見圖5,破壞時界面損傷值約0.62。

    4　界面的疲勞傳力效果
    界面起著傳遞荷載的作用, FRP應力的疲勞加載歷程直接顯示了界面疲勞力學性能的變化。本次實驗中,跨中截面FRP應力σmax的變化規律如圖8所示。由于疲勞加載過程中應變片失效,有些試件只測到部分數據。
    從試驗數據可以看出,在疲勞加載的初期(約初始0. 05倍的疲勞壽命期內,和界面損傷的第Ⅰ階段對應),由于RC梁跨中主裂縫的產生和構件剛度的降低導致FRP應力快速上升;隨后的穩定發展階段對應界面損傷的第Ⅱ階段,在這個階段FRP應力緩慢地下降。終構件的破壞階段是迅速完成的, FRP應變快速上升,表現為脆性的界面破壞,如30. 0 kN組的試件C-3所示;由于FRP上的應變片往往在終破壞前已損壞,其它的試件測得的FRP應力沒有體現出這個階段。
    FRP應力和歸一化疲勞壽命擬合直線斜率在-0. 042到0. 030之間,平均斜率-0. 034σmax/N。整體來看, FRP應力在疲勞壽命的主要階段內變化幅度微小,變化歷程平穩,表明界面的疲勞力學性能是穩定的。[-page-] 
    5　界面疲勞壽命
    應力-疲勞壽命常用函數表達形式:
    σβmaxN = C (4)該式表示在給定應力比R或者平均應力σm的條件下應力幅σmax與壽命N之間的冪函數關系。β和C是2個常數,與材料性質、試件結構和加載方式等有關,由試驗確定。將式(4)兩邊取對數,有lgN =lgC-βσmax(5)
    對于三點彎曲載荷作用下的FRP加固RC梁界面疲勞壽命, S-N曲線的橫坐標可用FRP應力表示,縱坐標為加固梁的容許疲勞壽命。根據疲勞試驗數據,可得到FRP加固梁容許疲勞壽命的變化曲線。
    由于變化幅度很小,在分析中取FRP應力為其均值,將相應實驗數據代入上式,根據小二乘法求得公式(5)中的常數:β=2. 342×10-3, lgC=7. 5633。則在本文的試驗條件下,由FRP應力所決定的界面疲勞壽命的公式為lgN =7.5633-2.342×10-3σmax(6)
    圖9表明σmax與lgN基本成線性關系,理論預測曲線與實驗值基本一致。根據式(6),測定FRP上的應力,就可方便地預測FRP加固RC梁界面的疲勞壽命。
    根據本課題組FRP加固RC梁靜載試驗,FRP、主筋和混凝土的應力隨靜載加載的典型變化規律如圖10所示,在鋼筋屈服時, FRP的應力為576 MPa,鋼筋斷裂以后FRP應力快速增長。和靜載的試驗結果對比可以發現,疲勞荷載水平為25~35 kN時,鋼筋已經達到屈服強度,試驗中構件的受力情況與工程中應用承載力極限狀態理論設計的RC梁構件一致。
    根據式(6),當疲勞壽命達到2×106次時(相當于橋梁服役20年), FRP的大循環應力為539 MPa,接近靜載鋼筋屈服時FRP的強度。顯然,此時遠未達到FRP的極限強度3500 MPa,也小于靜載條件下界面破壞時FRP的應力1650 MPa,界面的疲勞破壞會顯著地制約材料高強性能的充分利用。