摘要
为研究冻融和高温作用下碳纤维增强塑料布（carbon fiber reinforced plastic sheet，简称CFRP布）粘贴页岩砖黏结性能的变化规律，对冻融环境、高温（60 ℃）环境、冻融和高温环境循环作用下，页岩砖、CFRP布和环氧树脂胶的材料性能进行测试，并对CFRP布粘贴页岩砖单面剪切性能的变化规律进行试验研究。结果表明：页岩砖、CFRP布和环氧树脂在冻融和高温循环作用下的材料性能受到较大影响，经历3次大循环作用后，页岩砖的抗压强度降低了31.62%，CFRP布的抗拉强度和弹性模量分别下降了44.38%和42.28%，环氧树脂的抗拉强度和弹性模量分别下降了32.45%和35.36%；冻融和高温循环作用对CFRP布粘贴页岩砖的单面剪切性能影响最明显，其次是单独冻融循环作用的影响，单独高温的影响最小。给出不同侵蚀环境下CFRP布粘贴页岩砖的单面剪切承载力计算公式，可以准确地计算不同环境下CFRP布粘贴页岩砖的单面剪切承载力。
Abstract
In order to study the variation in bonding performance of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) sheet bonded shale bricks under freeze-thaw and high-temperature conditions, the material properties of shale bricks, CFRP sheet, and epoxy resin adhesive were tested under individual freeze-thaw environments, high-temperature (60 ℃) environments, freeze-thaw and high-temperature cycling environments. The single shear experiment was also conducted to explore the effect of bonding performance of CFRP sheet bonded shale bricks under different conditions. The test results show that the material properties of shale bricks, CFRP sheet, and epoxy resin are significantly affected by the cycles of freeze-thaw and high-temperature conditions. After three major cycles, the compressive strength of shale bricks decreased by 31.62%, the tensile strength and elastic modulus of CFRP sheet decreased by 44.38% and 42.28%, respectively. The tensile strength and elastic modulus of epoxy resin decreased by 32.45% and 35.36%, respectively. The freeze-thaw and high-temperature cycling effects have the most significant effect on the single shear performance of CFRP sheet bonded shale bricks, followed by the effect of freeze-thaw, and the effect of high-temperature being the least. The proposed calculation formula can accurately calculate the single shear bearing capacity of CFRP sheet bonded shale bricks under different environments.
碳纤维增强塑料布（ carbon fiber reinforced plastic sheet，简称 CFRP 布）具有强度高、质量轻和耐久性好的特点，是目前广泛应用于实际加固工程的一种复合材料。 CFRP 布的加固效果除了自身的材料特性和施工工艺外，还与加固工程所处的环境有很大关系，如中国北方地区的冻融和高温的恶劣环境会导致界面黏结性能的下降[1-2]。 CFRP 布加固砌体结构作为 GB 50702 《砌体结构加固设计规范》推荐的一种方法，有必要对 CFRP 布粘贴砌体结构界面黏结性能的耐久性开展研究。于峰等[1] 将 CFRP 布分别放在室温环境、碱溶液和盐溶液的环境中，对其材料性能进行了研究，发现碱溶液和盐溶液对 CFRP 布的抗拉性能影响较小。 Cao 等[2] 将 CFRP 布放置在 16~200℃ 的高温中，随后进行材料性能试验，发现高温环境对 CFRP 布的抗拉性能有一定影响。郭春红等[3] 和 Kinloch 等[4] 发现潮湿环境能对环氧树脂的性能产生显著影响。任慧韬等[5-6]对湿热条件下 CFRP 布与混凝土的界面黏结性能进行了试验，发现湿热环境会加速 CFRP 布与混凝土界面黏结性能的退化。 Benzarti 等[7] 和 Mukhtar 等[8]也对湿热环境下 CFRP 布粘贴混凝土的黏结强度进行了研究，发现水分子在界面孔隙中的扩散是导致黏结强度降低的重要因素。 Karbhari 等[9]、李趁趁等[10] 和任慧韬等[11] 都对纤维增强塑料（FRP）布与混凝土界面的抗冻融性能进行了研究，发现黏结强度随着冻融循环次数的增加而降低。
实际工程中，CFRP 片材的弹性模量相对加固结构较低，导致两者之间的协同工作性能相对较差。而且，粘贴层与加固结构的表面处理质量、施工工艺和使用环境等有很大关系，而关于 CFRP 片材加固结构耐久性方面的研究相对较少，限制了 CFRP 片材加固技术的应用。目前，针对 FRP 布与混凝土界面之间的耐久性已经开展了很多研究，但是对 FRP 布粘贴砌体耐久性的研究相对较少[12-13]，而且试验环境多为单一环境，考虑耦合工况的研究更少。室外加固结构会经历冬季的冰冻和夏季的高温交替作用，因此，开展冻融和高温作用对 CFRP 布粘贴砌块黏结性能影响的研究具有重要意义和工程参考价值。
1 试验
根据课题组前期的研究成果[12-13]，发现使用环境中的高温（60℃）和冻融循环环境对 CFRP 布粘贴砖砌体黏结强度的影响较大，故进一步采用这两种环境交替作用对 CFRP 粘贴页岩砖的材料性能和黏结力学性能进行试验研究。
CFRP 布由北京丽都怡和复合材料有限公司生产，实测厚度 0.28 mm，实测弹性模量和抗拉强度分别为 178 869. 00 MPa 和 1 713.45 MPa，粘贴胶采用配套的环氧树脂胶。试验环境采用先冻融 10 次，再高温（60℃）7 d 交替作用的方式，为 1 个大循环，如图1所示。再继续冻融 10 次，高温 7 d，为两个大循环。试验共进行 3 个大循环。
1.1 材料性能试验
图1试验环境
Fig.1Test environment
图2材料性能试件尺寸
Fig.2Specimen size of material test
1.2 单面剪切试验
单面剪切试验试件的尺寸如图3所示，试验装置如图4所示。试验采用位移加载控制，以 0.5 mm / min恒定速率进行加载，直至试件被破坏。考虑到试验设备空间的大小，每种试验环境下 CFRP 布粘贴页岩砖的试件数量为 3 个。
图3单面剪切试件尺寸
Fig.3Specimen size of single-lap shear bond
图4试验装置
Fig.4Test device
2 试验结果
2.1 试验环境对材料性能的影响
不同试验环境下页岩砖抗压强度的变化规律如图5所示。图中的工况 1、工况 2 和工况 3，在交替循环作用中依次对应大循环 1 次、2 次和 3 次; 在高温环境中依次对应 60℃ 环境下的作用时间为 7、 14、21 d; 在冻融循环环境中依次对应冻融次数为 10、20、30，以下图中工况的含义同此。由图5可以看出，在高温环境下页岩砖抗压强度的变化较小，但是在另外两种环境作用下抗压强度降低 BU 较为明显，而且在交替循环作用下抗压强度的降低程度比冻融环境下的降低程度更明显。冻融循环 30 次和交替作用 3 次大循环后，页岩砖的抗压强度分别降低了 20.19% 和 31.62%。
图5页岩砖的力学性能变化
Fig.5Changes of mechanical properties of shale brick
CFRP 布在不同环境条件下材料性能的变化如图6所示。可以看出，CFRP 布的弹性模量和抗拉强度均随着侵蚀时间的增加呈减小的趋势。在高温（60℃）21 d 后、冻融循环 30 次后以及 3 次大循环交替作用后，CFRP 布的抗拉强度分别降低了 20.13%、34.37% 和 44.38%，弹性模量分别降低了 20.64%、37.95% 和 42.28%。通过试验数据可知，交替循环作用对 CFRP 布材料性能的影响较大，冻融循环作用的影响次之，高温条件的影响最小。
环氧树脂胶在不同环境条件下材料性能的变化如图7所示。
图6CFRP 布力学性能的变化
Fig.6Changes of mechanical properties CFRP sheet
图7环氧树脂材料性能随侵蚀环境的变化
Fig.7Changes in properties of epoxy resin materials with erosion environment
由图7可以看出，高温条件对环氧树脂胶的影响相对较小，经过 7 d 高温环境后，其抗拉强度和弹性模量仅下降 2. 04% 和 0.96%，这是由于后固化效应的作用，在 60℃ 环境下环氧树脂胶可以继续固化。冻融环境和交替循环作用对环氧树脂胶材料性能的影响较大，而且，在交替循环作用下抗拉强度和弹性模量的下降值更大。在冻融循环 30 次后，环氧树脂胶的抗拉强度和弹性模量分别下降 21. 00% 和 29.24%; 交替 3 次大循环作用后，抗拉强度和弹性模量分别下降 32.45% 和 35.36%。
2.2 试验环境对单面剪切性能的影响
2.2.1 破坏过程和破坏形态
CFRP 布粘贴页岩砖试件的破坏形态如图8所示。可以看出，CFRP 布粘贴页岩砖的单面剪切破坏形式有界面剥离破坏（28 个）和 CFRP 布的断裂破坏（两个）。 CFRP 布的断裂破坏属于个别现象，对照破坏试件分析其原因，一方面是后期固化 CFRP 布时局部刷胶不均匀导致，另一方面，在搬运过程中 CFRP 布边缘会产生部分滑丝现象，降低了 CFRP 布的宽度，从而导致了 CFRP 布的断裂。界面的剥离破坏属于正常设计的破坏形态，在加载初期，CFRP 布有轻微的响声，随着荷载不断增加，会持续发出“噼噼啪啪” 的响声，直到突然“ 砰” 的一声，CFRP 布被完全剥离。
图8典型破坏模式
Fig.8Typical failure modes
2.2.2 荷载-滑移曲线
实测 CFRP 布粘贴页岩砖加载点端部的荷载滑移曲线如图9所示。荷载-滑移曲线在不同侵蚀环境下的形状基本都呈现二段式特征，在加载前期滑移值增长较快，荷载与滑移值基本呈抛物线关系; 加载至 CFRP 布开始滑移后，滑移值快速增加，荷载增加缓慢，曲线呈水平直线形状。相对室温条件下的荷载-滑移曲线，在各种侵蚀环境下曲线的滑移值更大，极限荷载有不同程度的降低。尤其是冻融和高温循环作用的影响最明显，其次是冻融循环作用的影响，而高温的影响最小。在冻融和高温循环作用下，经历过 1 次、2 次和 3 次大循环作用后，剪切承载力分别降低了 17.11%、37.29% 和 43.81%，最大滑移值分别增加了41.37%、50.94%和136.33%。
图9荷载-滑移曲线
Fig.9Loading-slip curve
2.2.3 剪应力-滑移曲线
试验得到距加载端 20 mm 处的剪应力-滑移曲线如图10所示。可以看出，CFRP 布粘贴页岩砖的界面剪应力-滑移曲线为两段式直线，加载开始阶段，剪应力随着滑移值的增加而增加，达到最大剪应力后，界面剪应力随着滑移值线性下降。在不同侵蚀环境下，剪应力的峰值不一样，其中，室温条件下的剪应力峰值最大，高温条件的剪应力峰值次之，而循环作用下的剪应力峰值最小。经历过 1 次、2 次和 3 次大循环作用后，CFRP 布粘贴页岩砖的剪应力峰值相对室温环境分别降低了 76.18%、63.28% 和 49.54%。
图10剪应力-滑移曲线
Fig.10Shear stress-slip curves
3 单面剪切承载力计算
不同侵蚀环境下材料的强度与侵蚀时间（或次数）一般符合一阶衰减指数函数[17]，假设冻融循环 N 次后 CFRP 布粘贴页岩砖的单面剪切承载力为 Pu （N），经历过高温 T 时间后的单面剪切承载力为 Pu（T），室温环境下的单面剪切承载力为Pu（0），根据一阶衰减指数函数有
(1)
(2)
式中 a、b、c、d 和 k 均为代求参数。根据试验数据进行拟合，结果如图11所示。
图11拟合分析
Fig.11Fit analysis
则可以分别得到冻融循环和高温环境下 CFRP 布粘贴页岩砖的单面剪切承载力公式:
(3)
(4)
单面剪切承载力计算公式是通过试验数据拟合得到的，其适用条件为:1）环境温度为 CFRP 布的正常使用温度以内; 2）冻融次数为 30 以内; 3）为了保证界面破坏的模式，CFRP 布的粘贴长度应小于最小粘贴长度。
室温下 CFRP 粘贴页岩砖的单面剪切承载力 Pu（0）可参考规范 CNR-DT200 [18]进行计算。
参考耦合损伤演化方程[19]，可以根据冻融循环环境下的损伤变量 DFT 和高温环境下的损伤变量 DT，得出两种环境循环作用下总的损伤变量 D:
(5)
(6)
(7)
代入可以得
(8)
根据损伤变量 D 的含义即可得
(9)
利用式（3）、（4）和（9）可以计算出各种不同环境下 CFRP 布粘贴页岩砖的单面剪切承载力，计算结果与试验值的比较如表1所示。可以看出，计算值与试验值的误差基本都在 10% 左右，只有 3 个大循环后的计算误差为 17.82%，其原因可能是试验数据的离散性和材料的离散性。总体上计算值与试验值吻合较好，可以准确地计算不同环境下 CFRP 布粘贴页岩砖的单面剪切承载力。
表1单面剪切承载力计算
Tab.1 Debonding bearing capacity of CFRP-shale brick
4 结论
1）页岩砖在 60℃ 高温环境下，抗压强度降低较小，但是在冻融、冻融和高温交替循环作用下降低较为明显，冻融循环 30 次和交替作用 3 次大循环后分别降低了 20.19% 和 31.62%; 高温环境、冻融环境以及交替循环环境对 CFRP 布弹性模量和抗拉强度的影响程度逐渐增大，在高温 21 d、冻融循环 30 次以及 3 次大循环交替作用后，其抗拉强度分别降低了 20.13%、34.37% 和 44.38%; 高温条件对环氧树脂胶的抗拉强度影响相对较小，而在冻融环境和交替循环作用下抗拉强度有明显的降低，冻融循环 30 次和交替 3 次大循环作用后，抗拉强度分别降低 21. 00% 和 32.45%。
2）在各种侵蚀环境下，CFRP 布粘贴页岩砖的单面剪切破坏形式主要是界面剥离破坏; 荷载-滑移曲线在不同侵蚀环境下的形状呈现出抛物线上升段加水平直线段的形状; 界面剪应力-滑移曲线为两段式直线形状。
3）在各种侵蚀环境下，CFRP 布粘贴页岩砖的界面剪切强度有不同程度的降低，滑移值逐渐增大。冻融和高温循环作用下对界面剪切强度的影响最明显，剪切强度有着明显的降低，单独的冻融循环作用的影响较小，单独高温的影响最小。经历过 1 次、 2 次和 3 次冻融和高温大循环作用后剪切承载力分别降低了 17.11%、37.29% 和 43.81%，最大滑移值分别增加了 41.37%、50.94% 和 136.33%。
4）给出的不同侵蚀环境下 CFRP 布粘贴页岩砖的单面剪切承载力计算公式，计算值与试验值吻合较好，可以准确地计算不同环境下 CFRP 布粘贴页岩砖的单面剪切承载力。
