潘毅教授、郭瑞副教授为您解读FRP 网格-ECC 复合层加固混凝土界面定量化处理及黏结性能试验研究

传统FRP网格加固方法是首先在混凝土表面喷洒少量黏结材料作为底漆，放置FRP网格后，再喷洒黏结材料，使FRP网格嵌入黏结材料中，如图1所示。该方法通常采用环氧树脂作为黏结材料。然而，环氧树脂存在有机物易老化、耐高温性差、耐久性差等缺陷。因此，研究人员提出可使用工程水泥基复合材料(engineered cementitious composites，ECC)取代环氧树脂作为黏结材料。ECC作为一种无机材料，具有良好的耐久性、耐火性、耐冲击性和抗紫外线性等优点。FRP网格-ECC加固法结合了FRP材料高强度和ECC材料高延性的特点，逐渐受到学者的关注。

采用FRP网格-ECC复合加固钢筋混凝土的关键在于保证复合层与混凝土界面的黏结性能，然而，研究结果表明，传统界面处理方法常存在施工质量无法保证，复合层界面存在“空鼓”等缺陷，导致加固层局部剥离而无法充分发挥加固效果的情况，如图2所示。故有必要优化界面处理方法，并对其界面黏结性能进行研究。

为了解决上述问题，课题组提出界面粗糙度定量化处理的改进加固方法。在国家自然科学基金项目（52008350）的资助下，通过试验研究验证方案的可行性。

采用传统FRP网格-ECC复合层（简称“复合层”）加固RC结构时，界面层局部一旦破坏就会出现剥离，很大程度影响黏结性能。参考植筋增大截面加固法和传统FRP网格外贴加固法，提出在混凝土表面系统钻孔后浇筑ECC（FRP网格内嵌）的界面粗糙度定量化处理改良加固方法，如图3所示。

在量纲分析法的基础上，通过不同孔体积和孔纵横间距来反映界面处理程度，构建界面处理程度的评价指标，即界面处理率 ρ _cl ，如下式所示：

式中： ρ _cl 为界面处理率； r 为孔半径； d 为孔深度； a 为孔纵向间距； b 为孔横向间距； t _f,e 为FRP网格-ECC复合层厚度。

为验证改进加固方法的可行性，设计并制作双面搭接剪切试件，对其开展界面黏结性能试验。测试段混凝土尺寸取550 mm（长度）×150 mm（宽度）×150 mm（高度），固定段混凝土尺寸取300 mm（长度）×150 mm（宽度）×150 mm（高度），时间三维轴测示意如图4所示。试验共设计4种不同界面的双剪试件，每种试件各浇筑3个，共计12个双剪试件。试件编号中SJ表示双剪试件，W、R、Z、Q分别表示界面未处理（ ρ _cl =0）、弱处理（ ρ _cl =0.041）、中处理（ ρ _cl =0.053）、强处理（ ρ _cl =0.131），每组设置3个平行试件。

试验加载装置自行设计制作，包括固定段装置、加载段装置和测试段装置，如图5所示。试验中采用等速分级加载，荷载级差约为1 kN，相邻两级荷载间隔时间约为3 s。当出现位移量突增或荷载增幅减缓时，采用位移控制加载，加载速率为0.02 mm/s，以便读取界面出现滑移后的荷载、位移数据，也防止试件受力不均而过早破坏。

4.1 破坏模式

双剪试件共发生了三种破坏模式，分别为界面剥离、临界断裂和复合层断裂，如图6所示。界面剥离是指复合层从测试段混凝土表面剥落，加载段复合层未发生断裂，全部发生于未经界面处理的SJ-W试件；试件SJ-R-2、SJ-R-3的破坏过程为在第一个孔洞处的ECC被剪断后，复合层在测试段第一个孔洞后面发生了断裂破坏，本文将此种破坏模式定义为临界断裂破坏；复合层断裂是指加载段复合层断裂，测试段界面未剥落，出现在试件SJ-R-1、SJ-Z组和SJ-Q组试件中。

4.2 荷载-位移曲线

以SJ-R组试件和SJ-Z组试件的荷载-位移曲线为例进行分析，如图7所示。各阶段的力和位移如表1所示。其中：阶段1的荷载主要为界面之间的摩擦阻力，位移为复合材料层的变形。阶段2荷载主要为化学胶着力，位移为复合材料层变形和界面滑移；阶段2.5的荷载为削弱的化学胶着力和屈服的机械咬合力，位移包括孔洞中ECC的塑性变形；阶段3为界面逐渐剥离。

4.3 应变分析

以测点F1模拟测试段中距离为0 mm的情况，应变片F2~F13按测点布置中距离测试段端部测点F1的实际距离绘制复合层的应变分布曲线，如图8所示。在荷载较小（0~6 kN）的情况下，复合层的应变处于较低水准且分布均匀。当荷载大于6 kN时，复合层应变均开始增加，但相比于未处理界面的SJ-W组试件，界面处理后的SJ-R组、SJ-Z组、SJ-Q组试件的复合层应变和应力传递范围均有较大提升。

图9中给出了同一试件的荷载-应变和荷载-位移曲线。从图9a中可以看到，试件SJ-R-2在6kN和12.5KN时FRP网格应变曲线出现了两个明显的平台段，在荷载基本不变的情况下，FRP网格的应变出现了小幅增长，同时图9b的荷载-位移曲线也有对应的平台段出现。这是由于孔洞的机械锚固作用，实现了沿孔洞分布方向逐排传递应力。

5.1 黏结滑移模型

通过数学转换公式将双剪试验的FRP网格应变-距离曲线转变为局部应力-滑移散点图，然后对其进行曲线包络，得到对应的应力-滑移曲线。并参考相关文献提出的黏结滑移模型，进行进行FPR网格-ECC复合层与混凝土的应力-滑移曲线的绘制，黏结-滑移模型计算式如下式所示：

图10是试件SJ-Z-1的界面黏结滑移曲线，可以看到，试验结果具有一定离散性，但能基本反映界面的黏结滑移关系。同理，对所有试件的黏结滑移曲线进行绘制，并将得到的参数 τ _max 、 S ₀ 和 n 与界面处理率进行回归分析，构建变量之间的关系，如图11所示。

5.2 界面承载力计算公式

关于FRP与混凝土界面的承载力研究目前多是基于试验和有限元的半理论半经验公式，复合层与混凝土的界面承载力公式参考下列公式：

式中： P _u 为界面承载力； β _l 为锚固长度系数； b _f 为FRP片材宽度； E _f 为FRP片材弹模； t _f 为FRP片材厚度； G _f 为界面剥离能； β _w 为宽度影响系数； b _c 为混凝块宽度； L 为实际黏贴长度； L _e 为有效黏结长度； f _t 为混凝土抗拉强度。

根据文中试验结果，不同界面处理率的试件，其界面约束程度不一致，界面剥离能和有效黏结长度明显不一致。通过回归分析构建界面剥离能、有效黏结长度与界面处理率的关系，如图12所示。

经统计，考虑界面处理率的承载力计算式与试验值的平均值为1.107，标准差为0.150，变异系数为0.135。由此可见，计算式能较好地预测在定量化粗糙度下的FRP网格-ECC复合层与混凝土之间的承载能力，并估计机械咬合力在界面黏结中的作用。

1) 提出定量化界面粗糙度的改良 FRP 网格-ECC 复合加固方法，可解决界面处理质量无法保障的问题。在量纲分析法的基础上，通过不同孔体积和孔纵横间距来反映界面处理程度，并建立此加固方法的界面粗糙度评价指标——界面处理率，可定量化描述粗糙度。

2) FRP 网格-ECC 复合层拉伸应力-应变曲线呈双线性，FRP 网格与 ECC 表现出良好的协同作用，FRP 网格在 ECC 中起着类似于纤维在 ECC 中的桥联效应。

3) 不同界面处理率的双剪试件发生了界面剥离、临界断裂和复合层断裂 3 种破坏模式，定量化界面处理的改良加固法可提高界面黏结强度，抑制界面的剥离，且保证破坏过程具有良好的延性。

4) 改良 FRP 网格-ECC 复合层加固方法可以提高 FRP 网格-ECC 复合层的利用率，增大应力传递范围，并表现出良好的逐次传递应力作用。

5) 考虑界面处理率和复合层拉伸性能的影响，建立了黏结滑移模型和修正界面承载力计算公式，承载力计算值与试验值相比具有良好的预测精度，平均值为 1. 107。

文中所建立的承载力预测公式虽是在既有相关研究的基础上进行修正，但对于孔洞布置、混凝土与复合层的宽度比、复合层的材料性能、混凝土强度等因素对此种界面处理下的黏结行为的影响尚未进行试验和深入分析。因此，在未来的研究中，有必要根据关键设计参数进行此种加固方法适用范围的考虑，以期为结构工程师在实际应用中提供参考。