湿热环境下粘钢加固混凝土界面的粘结性能

姚国文，刘宇森，吴甜宇，李世亚

(1.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地；土木工程学院，重庆 400074；2.大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连 116023)

粘贴钢板加固法是修复受损混凝土结构并延长其剩余使用寿命的常用加固方法，在广泛使用的同时存在着诸多耐久性问题[1]。而在西南地区的湿热环境长期作用下，胶粘剂的抗拉强度、弹性模量明显降低，环氧树脂的变形性能也会发生改变[2]，使得带裂缝工作的混凝土结构更容易发生碳化、化学腐蚀、钢筋锈蚀及粘钢材料界面滑移等耐久性能的劣化，对加固结构的耐久性极为不利，不能满足正常使用寿命周期内的安全性、可靠性[3]。因此，湿热环境下粘钢加固混凝土结构的耐久性研究，具有重要的指导意义和工程价值。

钢板和混凝土之间良好的粘结性能保证了两者之间的荷载传递，直接关系着加固结构的效果[4]。 已有研究表明[5]，粘钢加固混凝土界面的粘结应力主要为剪应力，加固构件的失效形式不是加固材料的受拉破坏，而是在外贴钢板和混凝土界面粘结处，因抗剪承载力不足而引起的剥离失效。而实际工程结构中的腐蚀劣化环境会加速其脆性破坏，这种破坏不同于粘贴纤维补强聚合物(FRP)加固的软化段破坏,不仅造成钢材的浪费，而且影响加固结构的安全性。近年来，学者们采用试验方法和有限元模拟对粘钢加固混凝土结构的整体受力特性[6-7]、界面剥离行为[8]、疲劳性能[9]进行了研究，但考虑湿热环境下粘钢加固耐久性的研究较少，而纤维粘贴加固在这方面的研究较多：Shrestha等[10]通过潮湿环境作用下的FRP与混凝土试样，研究了湿度对界面粘结强度及组成材料耐久性的影响；Dai等[11]考虑高温环境对FRP与混凝土界面粘结滑移行为的影响，从断裂力学角度确定了界面断裂能和脆性系数的双参数曲线模型；胡克旭等[12]研究了温度作用下胶粘剂性能对碳纤维(CFRP)-混凝土界面有效黏结长度的影响，并以胶粘剂玻璃化温度与试验温度的温差值参数对存在胶体软化段的界面剪切性能进行修正及预测。然而，加固混凝土结构的耐久性试验研究都集中于单一环境温度或湿度，考虑温湿度耦合作用的试验研究较少。

为探明实际服役环境尤其是湿热耦合环境对粘钢加固结构造成的耐久性损伤，以钢板-混凝土为研究对象，在环境温度、湿度的耦合作用下，对钢板-混凝土试件进行双剪试验，测量钢板应变分布，并分析粘结界面在湿热环境中的剪切性能，结合试验结果提出考虑环境折减系数的粘结-滑移本构模型，以评价湿热环境对界面耐久性能的影响。

1 钢板-混凝土界面双剪试验

1.1 试验材料及试件制作

钢板-混凝土试件由混凝土、钢板、粘钢胶、钢筋4种材料构成。参照《道路建筑材料》确定试验混凝土配合比为水泥∶碎石∶砂∶水=1∶1.33∶3.10∶ 0.39，采用重庆市拉法水泥有限公司生产的LARFAGE牌P.O 42.5R型普通硅酸盐水泥，粗骨料为粒径5～20 mm的碎石，细骨料为细砂，制备强度等级为C40的混凝土立方体试件，在标准养护室中养护28 d。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)，通过液压式压力试验机进行立方体试件的力学性能试验，实测立方体抗压强度fcu,k为42.5 MPa，根据《混凝土结构设计规范》(GB 50367—2013)换算得到混凝土力学性能参数，见表1。钢板采用重庆钢铁有限公司生产的Q235B热轧普碳钢板，厚度为3 mm，针对西南地区高温、潮湿、多雨的气候特点，采用可在湿热环境中正常粘接的普通粘结剂——四川隆昌承华牌CH-2C手涂式环氧粘钢AB胶，按重量比10∶3配制，钢板和环氧树脂粘结剂的力学性能见表2、表3。采用公称直径22 mm的HRB400级月牙肋钢筋，长度为460 mm，起辅助加载作用。

表1 混凝土的力学性能Table 1 Measured mechanical property of concrete

表2 钢板的力学性能Table 2 Mechanical property of steel plate

混凝土试块截面尺寸为150 mm×150 mm，长度为300 mm，由两个带有钢筋的混凝土试块组成双剪试验试件，如图1。在浇筑试块前埋入带肋钢筋，埋入混凝土长度为300 mm，并将其穿过截面形心处预留的钢筋外径大小的木模板，从孔口延伸出150 mm ，便于加载，也使两个混凝土试块中用来实施加载的钢筋保持在同一直线上，保证界面在加载过程中处于纯剪状态，避免所测试验数据不准确。

图1 双剪试件(单位：mm)Fig. 1 Double-shear specimens

根据《钢材力学及工艺性能试验取样规定》(GB 2975—1982)裁制钢板，钢板长度290 mm，厚度3 mm，钢板与混凝土粘结宽度80 mm，混凝土养护28 d后，在混凝土表面进行打磨并采用丙酮清洗，用滚筒刷涂抹底胶，待底胶干燥后混凝土表面无气泡、无缺漏时双面粘贴钢板，并采用加压工具压实24 h，再置于室内养护10 d，直至环氧树脂粘结胶完全固化，如图2。

图2 粘贴钢板制作过程Fig.2 Manufacturing process of bonded steel

1.2 试验方案

为避免室外环境暴露使试验针对性不强、可重复性不高，采用室内加速试验，分析界面在湿热环境中的剪切粘结耐久性能。根据西南地区亚热带气候高温、潮湿、多雨的大气环境，选取试验特征温度为8(冬季室温)、25、60 ℃，湿度为78%(冬季室内湿度)、85% RH、95% RH，模拟湿热环境。同时，考虑到温度与湿度的耦合作用，采用全面试验，因素为环境变量中的温度、湿度、腐蚀时间，将两对湿热环境(25 ℃/85%RH)、(60 ℃/95%RH)交叉组合，设置4种工况(25 ℃/85%RH)、(25℃/95%RH)、(60 ℃/85%RH)、(60℃/95%RH)，将钢板-混凝土试件分批次置于高低温湿热环境试验箱中，该仪器是上海多禾试验设备有限公司生产的DSCR-53-4 0-P-A型步入式高低温环境试验箱，可在1 h内提高精准的试验环境，并通过放置于试验箱的温度计、湿度计，进行实时监测，如图3。根据《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2013)及《纤维增强塑料性能实验方法总则》(GB/T 1446—2005)对恒温恒湿处理条件的规定，分别进行5、10、15 d的加速湿热老化，并与未经过湿热处理的室温组试件(8 ℃/78%RH) 对比，共9组，每组3个试件，试验分组见表4。试验主要考虑高温高湿的最不利环境，对(25 ℃/85%RH)、(60 ℃/85%RH)试件组仅开展5 d的湿热老化试验。

图3 放置于高低温湿热环境箱的双剪试件Fig.3 Double-shear specimens placed in the high and low temperature hydrothermal environment

1.3 试验加载及测试内容

双剪试验的加载是通过两个混凝土试件中间的千斤顶向两端推出来实现，但较难准确控制加载过程的荷载步。试验对此做了改进，利用带肋钢筋表面凸起的肋纹与试块混凝土的机械咬合力及接触面上的摩擦力，由试块两端伸出的钢筋实现间接加载。加载前，通过夹具将混凝土试块的上下端夹紧，将电子数显千分表布置在两个混凝土块中间；加载开始，对下夹头施加荷载，钢筋与混凝土的粘结作用将钢筋的受力传给混凝土；荷载增加，钢板与混凝土试块产生相对位移，实现界面在加载过程中纯剪切状态。

表4 试验分组Table 4 Test groupings

注：试件编号首字母S表示试件进行的双剪试验，各数字表示每种工况下有3个独立试件、湿热环境、老化时间。

湿热老化后，在室温条件下，待试件自然晒干，在100 t微机控制电液伺候万能试验机上进行加载试验，如图4。采用荷载控制，分级荷载取S组试件极限荷载的5%，5 kN为一级，下夹头以0.5 kN/s的加速度向下施加荷载，每级荷载稳定15 s，记录破坏过程；钢板外表面布置应变片，通过YE2539高速静态应变仪采集应变数据，并用电子数显千分表测量两个混凝土试块间的相对位移；分级加载至钢板与混凝土试块完全脱离，观察试件粘结面、混凝土的破坏形态，并记录界面破坏时的极限荷载。其中，混凝土块间距为50 mm，沿试件间隔中线(加载端)向一侧混凝土试块方向(自由端)均匀布置应变片，间距为35 mm，在选取的5个测点截面上横向布置3个应变片，进行数据校核，测点布置如图5。

图4 试验设备及加载

图5 应变测点布置Fig.5 Measurement point arrangement of

2 试验结果及分析

2.1 破坏模式

所有试件都表现为钢板与混凝土粘结面的剪切剥离破坏。加载初期，钢板应变值很小，仅在加载端附近的1～2个应变片约45 mm范围内有读数；随着荷载增加，千分表读数变大，钢板与混凝土间的滑移更加明显，加载端附近应变急剧增加，并能听到轻微响声；继续加载，接近界面粘结强度时，千分表读数急剧上升，钢板与混凝土间相对位移凸显。最终，“咔嗒”一声，试件由于界面剪应力过高而产生剥离破坏，钢板与混凝土完全脱离，不再有残余应变，胶层保留在钢板和混凝土上。

试件界面的破坏模式可能表现为钢板破坏、胶层破坏、界面表层混凝土破坏。图6(a)为室温环境下的破坏形态，钢板表面粘有一层骨料混凝土，破坏发生在表层混凝土；对比图6(b)湿热老化后的试件，可看见混凝土表面灰色的环氧粘钢胶，部分混凝土没有被粘下，试件破坏是胶层内部与表层混凝土的综合表现，说明湿热环境对粘结树脂产生了腐蚀，粘结树脂强度降低，湿热老化作用对界面粘结性能有不利影响。若在界面粘结剪切应力达到胶层抗剪强度前，钢板达到其极限拉应变，则会发生钢板被拉断的破坏，但钢板强度较大，不同的湿热老化环境和环境作用时间下，并未出现钢板被拉断的现象。因此，钢板-混凝土试件界面的破坏模式与湿热老化条件和胶层的抗剪强度有关，与钢板强度、混凝土性能、环境作用时间没有明显的相关性。

图6 试件破坏模式Fig.6 The failure pattern of

2.2 剪切粘结强度

表5中剪切粘结强度τavg直接反映了钢板-混凝土界面的粘结性能，其计算公式为

(1)

式中：Pu为界面破坏时的极限承载力；S为界面粘结面积。

由于25 ℃试件组所处环境对胶体的后固化作用[13]，未完全固化的胶体随温度升高而加速固化，这对界面粘结强度的有利影响大于湿热老化的不利因素，故相比于室温S组试件，A1、B1组的粘结强度有所提升。但是，胶体和混凝土具有不同的热膨胀系数，随着腐蚀时间延长，吸水老化后的胶体会在界面产生应力，湿热劣化因子对界面的影响逐渐占主导，引起界面粘结力退化，10、15 d湿热作用的B2、B3组粘结强度有明显下降；从60 ℃试件组来看，高温高湿状态下的C1、D1组试件，粘结强度相比于A1、B1组下降更为显著，说明实际环境中的温度、湿度不利因素，两者耦合作用下的影响比单一不利因素更大，随着劣化时间增加，这种湿热老化更为明显，15 d湿热处理的D3组试件粘结强度较室温S组试件下降最大，达到9.32%。

另一方面，分别对比腐蚀5 d的试验组，仅在湿度变化下，A1和B1粘结强度较室温组试件分别提高了7.49%和7.16%，C1和D1分别降低了7.12%、8.19%，但两组对比都变化不大。这意味着湿度的改变对界面粘结强度的影响不敏感；但是，60 ℃湿热作用下的C1、D1组粘结强度较25 ℃作用的A1、B1组分别下降更多，说明随着温度的上升，粘结强度下降凸显，温度劣化对界面粘结强度的影响更为敏感，且大于25 ℃环境的后固化作用。同时，10、15 d腐蚀的D2、D3组试件在高温高湿条件下，环境中大量的水分子热作用加速，进入钢板与混凝土粘结界面的微小孔隙，扩散进入树脂后与环氧树脂大分子相结合，产生新的关联而引起大分子溶胀，使树脂材料变脆[14]，宏观力学性能表现在极限荷载下降显著，导致粘钢界面粘结性能的退化，直接影响粘钢加固结构的效果，这也进一步说明高温高湿环境耦合作用加速了界面剪切粘结强度的下降，本文从试件的宏观力学行为证明了这一点。

表5 试验结果Table 5 Test results

续表5

注：极限荷载为试件破坏时的荷载值，界面承载力Pu为3个试件极限荷载的平均值，粘结强度相对变化率为A、B、C、D湿热组试件分别与室温S组试件剪切粘结强度的差值与室温S组试件剪切粘结强度的比值。

2.3 局部剪应力

钢板与混凝土粘结界面在长度和宽度方向上存在不均匀分布的局部剪应力，为说明湿热老化环境对界面剪力传递的劣化作用，假定相邻应变片间的轴力线性变化，其局部平均剪应力可由式(2)计算[15]。

(2)

式中：ΔF为由两个相邻应变测点的应变求得的轴力差值；Δl为两个相邻应变测点的距离；b为钢板和混凝土的粘结宽度。

图7所示为不同荷载水平下，试件各个应变测点间钢板与混凝土粘结面上局部平均剪应力随荷载变化的曲线。从图7中可以看出：1)同一荷载等级下，剪应力主要分布在加载端45 mm范围内，远离加载端的剪应力偏小，呈现指数递减的趋势；2)随着荷载等级增加，胶层约束了钢板与混凝土间的相对位移并将荷载传递给钢板，距加载端45 mm范围内的剪应力增加迅速，距加载端越远，胶层传递作用越弱，钢板传力区域即钢板量测到的应变向两端延伸；3)外荷载40 kN作用下，相比于室温组试件，经过60 ℃/95%RH高温高湿环境处理15 d的D3组试件在加固端45、45～80、80～115 mm范围内的局部平均剪应力变化较大，分别从3.302、1.624、1.457 MPa变为2.707、1.925、1.471 MPa，说明高温高湿耦合作用下，界面从加载端向自由端的剪力传递更显著。

总体上看，试件加载端45 mm范围内主要承受外部荷载，湿热作用使得加载端45～115 mm范围内的局部剪应力增长加快，剪应力的传递路径更快向自由端发展，并且在高温高湿环境作用下，靠近加载端的界面承担剪应力作用变小，较早出现损伤，进而导致粘钢界面的抗剪性能退化。

图7 钢板与混凝土之间的局部剪应力分布Fig. 7 Local shear stress distribution between steel

2.4 相对位移

图8为试件加载全过程中实测的荷载F与混凝土块相对位移x的关系曲线图，F-x曲线的斜率体现粘钢界面抵抗滑移变形的能力。加载初期，界面的变形随着荷载的增加而呈现线性变化；当荷载达到40 kN 以后，粘结界面开始出现损伤，位移呈现非线性增长，刚度减弱；加载至极限荷载，界面剥离破坏。

图8 不同湿热环境下的荷载-位移(F-x)曲线Fig.8 Relative displacement evolution under different

通过千分表量测得到的两个混凝土试块之间的相对位移，虽不能精确地反映钢板-混凝土界面总的滑移量，却可以看出不同工况下的劣化规律。从图10中可以看出：1)处于高温高湿状态60 ℃/95%RH条件下的D1组试件的F-x曲线斜率最大，即相同荷载下，钢板与混凝土结合面产生更大的位移，刚度变小，这是粘钢界面粘结性能退化的体现；2)D1组试件的极限荷载较其他工况试件最小，却在更小的极限荷载作用下，产生更大的极限位移，试件更易变形，说明高温高湿环境下，界面层受到的湿热腐蚀比其他组更严重；3)将60 ℃工况的高温高湿C1、D1组与25 ℃的常温高湿A1、B1组对比，C1、D1组的F-x曲线斜率更大，极限荷载更小，界面抵抗变形能力更弱，这是因为随着湿热劣化程度加深，在高温高湿耦合腐蚀下，相对位移更快地发展，粘钢界面的粘结性能退化更为严重。

3 粘结滑移模型

3.1 单线性的粘结-滑移模型

通过面内双剪试验测得钢板-混凝土界面剪切粘结强度，钢板厚度很小，可以认为钢板内的拉应力均匀分布，即钢板表面应变可以代表钢板内的拉伸应变。同时，考虑钢板和胶层为线弹性材料，钢板很薄，忽略抗弯刚度，仅考虑界面剪力传递作用[16]。图9为钢板微元体的静力平衡条件，推导出式(3)来计算钢板与混凝土界面某点i处的粘结剪应力。

(3)

式中：τx为测点i和测点i-1之间的粘结剪应力；εi、εi-1为钢板在i、i-1处的应变；Δx为两个测点间的距离；tf为钢板的计算厚度；Ex为钢板弹性模量。

图9 钢板微元体受力图Fig.9 The force diagram of the plate

界面某点i的滑移量si是该点处钢板的滑移量与混凝土、环氧粘钢胶结合面滑移量的差值。已有研究表明，钢板截断处的相对滑移为0[1，17]，基于湿热老化试件的破坏模式是界面表层混凝土与胶层的综合表现，忽略界面较远处混凝土的剪切变形，界面胶层作为连接媒介，其粘结强度较钢板抗拉强度很小，忽略钢板变形。通过钢板上的应变(环氧粘钢胶界面结合层在混凝土块受拉后的总变形)，从钢板自由端向加载端，按公式(4)数值积分得到界面某点i处粘结滑移。

(4)

式中：si、si-1为测点i、i-1处滑移量；εx为测点i、i-1间的应变(i=1，2，3，4，5)。

按式(3)、式(4)计算不同荷载等级下粘结界面的滑移和粘结剪应力，得到粘结剪应力-滑移关系曲线，图10为两个室温组试件的粘结-滑移曲线，其拟合参数R2为0.98，SSE非常接近0。从图10中看出，试验数据均匀分布在拟合直线附近，随着滑移量的增加，粘结剪应力呈现明显的线性特征，贴合相对位移的发展规律。当粘结应力达到最大值时，试件直接剥离破坏，钢板上量测不到应变，滑移量为0，这不同于FRP加固时软化段破坏的下降段。

图10 室温组试件粘结-滑移曲线Fig.10 Bond-slip curve of room

图11为钢板-混凝土界面粘结滑移模式，主要有3个参数：粘结剪应力峰值τmax；粘结应力最大值对应的极限滑移su；曲线的斜率为等效抗剪刚度kT，H，表征粘钢界面抵抗变形能力。

图11 粘结-滑移本构关系模型Fig.11 Bond-slip constitutive

3.2 湿热环境粘结-滑移本构模型

基于加载过程中试验数据分析及剪应力-滑移单线性曲线的关系，同时，参考相关研究成果[18-19]，提出采用考虑与温度、湿度相关的单线性模型来定义粘结界面的本构关系，表达式为

(5)

式中：τ为界面粘结强度；s为界面滑移；su为界面破坏时的滑移，根据不同湿热预处理试件的极限滑移平均值，试验取0.033 1 mm；kT，H为温湿度相关系数，代表湿热环境下界面的等效刚度。

考虑温、湿度的耦合及单线性的本构关系，假设系数kT，H的数学方程为

kT，H=k0+c1T+c2H+c3T·H

(6)

式中：k0为材料相关系数；c1为温度系数；c2为湿度系数；c3为湿热耦合系数。

选取4种5d试验工况的3个独立试件中的两组数据进行拟合，得到不同湿热环境粘结-滑移模型的直线斜率，即温湿度相关系数k1、k2、k3、k4，其拟合参数R2保持在0.96以上，SSE非常接近0，如图12。

图12 不同湿热环境拟合的k值Fig.12 The fitting k values under different hydrothermal

把代表4种湿热工况下粘钢界面等效刚度的拟合系数k1、k2、k3、k4代入式(5)，求解出

kT，H=136.3+1.432T+0.458H-0.021T·H

(7)

将式(7)代入表达式(5)得到本文模型，再把5 d试验组余下的一组数据及B组、D组的10、15 d试验数据代入模型并进行校核，如图13。

图13 不同湿热环境的拟合模型Fig.13 The fitting models under different hydrothermal

从图13可以看出，不同试验工况的温度、湿度代入模型后，数值模拟结果与试验数据吻合良好，表明该本构模型能够正确描述湿热环境影响下界面的抗剪受力行为。在图13(b)、(d)中，B、D组10、15 d的粘结-滑移曲线大致符合模型规律，却具有更小的斜率，即相同剪应力作用下，10、15 d作用下的试件具有更大的位移，说明湿热作用时间对粘结界面的强度有影响，模型能准确描述不同湿热耦合环境的影响，但不能精确考虑湿热作用时间因素。同时，在钢板剥离发生脆性破坏时存在很强的离散性，随着湿热环境作用时间的持续，混凝土材料的变形及测试中夹具滑移使试验离散性增强，部分试验数据存在跳跃。

4 结论

1)钢板与混凝土界面的破坏模式为表层混凝土与胶层的综合表现，界面达到粘结强度后直接剥离破坏，受湿热作用影响，与结构胶性能有关。

2)温度劣化对钢板-混凝土界面粘结强度的影响敏感，而高温高湿耦合作用会加速界面粘结性能的退化，粘结强度较室温组试件最大降低9.32%；随着湿热老化天数延长，粘结性能进一步劣化。

3)高温高湿状态对钢板-混凝土界面粘结性能有较大不利影响，其实质是界面粘结胶层在湿热老化过程中性能退化，使剪应力从加载端更快向自由端发展，粘结刚度下降，对界面耐久性损伤加剧。

4)提出的粘钢加固界面在湿热耦合作用下的粘结-滑移本构模型与试验结果吻合较好，可为实际加固工程应用和相应规范编制提供参考。