专栏故事
《玻璃纤维》期刊创刊于1972年，刊号：ISSN1005-6262，CN32-1129/TQ，是经国家新闻出版总署批准、南京玻璃纤维研究设计院有限公司主管/主办的全国建材类核心期刊。多年来，期刊秉持“引领行业风尚，反映学科进展，突出实际应用，传递市场信息”的办刊宗旨，内容涵盖玻璃纤维等高性能纤维及复合材料的生产、应用、测试、回收等各环节，重点围绕工程技术领域新技术、新工艺、新方法，展现最新科技成果和科研进展。
为了响应国家科技创新的号召，分享玻纤行业最新科研成果，凸显行业前沿动态，推动学术交流和科研发展，同时增强读者与作者之间的互动和交流，《玻璃纤维》期刊特别策划“主编荐读”专栏，每月推出一篇由本刊主编推荐的优秀论文。欢迎大家对主编荐读的论文进行评论和互动，共同助力期刊高质量发展。
本期为大家带来“主编荐读”——《碳纤维复合材料片材与混凝土粘结界面的力学性能研究进展》，作者：闵信哲 南京工程学院建筑工程学院、李华冠 南京工程学院材料工程学院。
碳纤维复合材料片材与混凝土粘结界面的
力学性能研究进展
闵信哲1，李华冠2
（1. 南京工程学院建筑工程学院，南京 211167；
2. 南京工程学院材料工程学院，南京 211167）
摘 要：针对该粘结界面的力学性能，对国内外相关研究进行归纳对比，总结了静力与疲劳荷载作用下界面的剥离破坏模式，归纳了界面有效粘结长度的计算公式，研究了界面疲劳剥离的开展模式与预测方法。最后，对界面剥离与被加固构件整体受力性能之间的耦合关系提出了进一步研究的建议。
关键词：碳纤维复合材料；混凝土结构加固；粘结界面；剥离破坏
————————
项目编号：52408181；BK20230703；23KJB560010；YKJ202122
项目名称：国家自然科学基金青年基金；江苏省基础研究计划自然科学基金青年基金；江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究面上项目；南京工程学院引进人才科研启动基金项目
在已投入使用的土木建筑工程结构领域，随着使用时间的延长、环境的不断侵蚀以及荷载的逐步提高，工程结构的性能可能出现难以继续满足当下或未来的使用需求。若将这些不满足要求的工程结构一概拆除后重新建造，不但会引发大量资源的浪费， 还会对正常的社会生产造成严重的延误。鉴于此，针对既有土木建筑结构开展加固改造，成为一种兼具经济性与高效性的结构增强修复，能够促使工程结构在既有基础上获取更高的抗载能力以及更优的性能。
纤维复合材料（Fiber Reinforced Plastic，简称FRP）， 特别是碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，简称CFRP），具有高强度、轻质量、耐腐蚀以及抗疲劳等诸多优点，在土木学界掀起了研究热潮。其中，外贴CFRP加固法更是成为备受瞩目的加固改造新工艺方法。外贴 CFRP 加固法具备施工简便、人力耗费少、加固后结构外观变动微小等优点，受到了工程界与学界的与日俱增的关注。并且，外贴FRP加固技术已在桥梁主梁等受弯构件的加固工程中得到了广泛的应用。
1982年，瑞士学者Meier开创性地运用外贴FRP技术，采用CFRP片材对Ibach桥实施了加固［1］。1995年日本阪神大地震发生后，CFRP片材加固技术在桥梁以及房屋等混凝土结构的加固工程中得到了广泛的应用。截至1997年，全日本仅用于混凝土结构加固的CFRP布使用量就已高达100万余平方米［2］。此后，FRP片材加固技术在欧洲、美国、日本等国家受到了高度重视。我国于20世纪90年代从国外引入FRP加固混凝土结构相关技术，随后国内众多高校及科研院所也相继投身于FRP加固领域的研究。现阶段，我国在该领域已然取得了颇为丰硕的科研成果，编制了《纤维增强复合材料工程应用技术标准》（GB 50608）以及《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146）等多部相关技术标准与技术规程，有力地推动了复合材料在土木工程 领域中的应用。
在外贴FRP用于加固混凝土受弯构件的时候（如图1所示），有效的界面应力传递是FRP与混凝土协同承载的根本前提。然而，剥离现象（如图1、图2所示）的出现会对混凝土与FRP之间的应力传递造成严重破坏，极大程度地削减外贴FRP的加固成效，从而加快被加固构件的破坏进程。故而，对于采用FRP外贴加固的桥梁结构而言，FRP的剥离无疑是不可小觑的安全隐患之一。与此同时，桥梁主梁在其服役阶段需要承受多达上百万次的重复荷载作用，而由重复荷载作用所引发的疲劳问题是影响桥梁结构安全的关键要素之一。
a 铁路桥外贴FRP加固 b 外贴FRP剥离开展
图1 铁路桥梁中的外贴FRP加固与剥离开展
a FRP剥离开展的梁底视角 b FRP剥离开展的梁侧视角
图 2 外贴FRP加固梁中的剥离破坏［3］
以典型的 FRP-混凝土粘结界面面内剪切试验试件为例，此 FRP-混凝土界面试验试件是由多个部分构成的，其中包括混凝土、FRP以及粘结树脂。除此之外，该试件还涵盖了两个界面层，分别为 FRP 与树脂之间的界面层以及混凝土与树脂之间的界面层。当 FRP 承受拉力作用时，试件的破坏可能出现在这 3 种材料当中或者两个界面之中，即破坏模式主要包含以下几种类型［4］，如图 3 所示。
a FRP断裂或者分层破坏；b FRP-树脂层界面剥离破坏；
c 树脂层内部剪切破坏；d 树脂层-混凝土界面剥离破坏；
e 混凝土内部开裂引发的剥离破坏。
图 3 常见的FRP-混凝土界面破坏模式［4］
FRP-混凝土界面的承载力具备较为突出的特性，即存在“有效锚固长度”，具体而言：当FRP与混凝土之间的粘结长度小于有效锚固长度Le时，粘结界面的承载力会伴随粘结长度的增加而提升；然而，当粘结长度大于有效锚固长度Le时，粘结界面的承载力则会维持在一个定值，超出有效锚固长度Le的粘结界面仅仅会延长整个试件的破坏进程，即在一定程度上为粘结界面提供破坏延性。鉴于FRP-混凝土界面的承载力能够相对直观地从试验中获取，所以国内外已有众多学者针对FRP-混凝土界面提出了粘结强度模型。其中具有代表性的FRP-混凝土界面粘结强度模型如表1所示。由于FRP-混凝土界面的剥离破坏发生在FRP下方的薄层混凝土中， 所以混凝土强度对界面的承载力有着重要影响。一般来说，在相同的加固条件下，混凝土的强度等级越高，FRP-混凝土界面的承载力也就越高。
表1 典型的FRP-混凝土界面粘结强度Pu模型汇总
注：下标为c-混凝土，p-FRP，a-树脂；L-粘贴长度，mm ；Le-有效粘结长度，mm ；b-宽度，mm ；t-厚度，mm ；E-弹性模量，MPa ；f-抗拉或抗压强度，MPa ；Gp-界面断裂能，J/mm2；τu-平均粘结应力，MPa ；I-惯性矩，mm4。
由于借助构件层面（例如梁或者板等）的试验，难以切实有效地探究剥离开展的详细过程，并且FRP的剥离和被加固构件整体性能之间也存在着相互作用关系，因此需要更加细致的界面力学性能研究。不少文献认为梁中因中部弯曲裂缝所引发的剥离与界面试验存在极高的相似性［12，13］。因此，对于FRP-混凝土粘结界面的力学性能研究，主要是通过单独开展的界面试验来进行的，其主要形式涵盖了单剪试验［14-19］、双剪试验［20-24］以及修正梁试验［25-27］等（如图4所示）。通过界面试验，不但能够直观地获取界面剥离破坏模式（图5），而且还能够得到诸如FRP-混凝土界面的疲劳寿命预测S-N 曲线［14，20，24，28，29］、界 面 的 粘 结 滑 移 关 系［23，30］、 疲劳剥离开展速率［21，31-34］等一系列重要的界面疲劳性能特征。
a 界面单剪试验 b 界面双剪试验 c 修正梁试验
图 4 FRP-混凝土界面试验示意图
图 5 FRP-混凝土界面单剪试验中的剥离破坏［35］
FRP与混凝土等基体材料的粘结性能与FRP板材自身的宽度、厚度、刚度等具有直接的影响关系，进而也决定了FRP板材在端部的锚固性能。Bizindavyi［14，29］等研究了涵盖界面的粘结-滑移关系、裂缝开展状况以及应变分布情况等的界面试验研究，发现当应力幅相等时，若疲劳荷载下限较高，相较于疲劳荷载下限为零的试件，其界面的疲劳寿命会大幅降低。Yun［22］等对CFRP布条带在不同锚固体系下的疲劳性能开展了研究，发现无论疲劳加载循环次数多少，界面荷载-滑移滞回环的斜率均未发生显著变化，也就是说界面的刚度并不会随着疲劳循环次数的增加而出现退化现象。Daud［4］等发现前期的疲劳加载会导致CFRP板剥离应变降低，CFRP板刚度越大剥离应变的降低幅度越大。李可［26］等发现当粘贴长度大于CFRP布的有效粘结长度时，粘结界面疲劳破坏过程可划分为初始剥离形成、剥离缓慢发展以及剥离快速发展的三阶段模式。
粘结界面的本构关系主要通过粘结-滑移曲线表征，其准确性直接影响了相关分析模型的准确性。Ko［23］等结合疲劳试验结果所形成的界面粘结滑移曲线包络面，给出了包含曲线特征常数、卸载刚度、最大滑移等7个经验参数的循环荷载作用下 的FRP-混凝土界面粘结滑移曲线。Diab［33］等基于断裂力学理论和Paris 公式的形式，推导出了界面剥离速率与界面断裂能以及界面最大应变释放率之间的关系，在分析过程中考虑了与循环加载相关的双线性界面粘结滑移模型，同时引入了考虑已剥离长度对后续剥离速率影响的影响因子。
导致FRP-混凝土界面粘结性能在疲劳荷载作用下退化的原因十分复杂，其主要原因在于界面层微裂缝的萌生和扩展，确定这一机理的表征方式则显得更为重要。基于试验现象提出了能够反映界面剥离发展状况的界面损伤定义公式。针对粘结界面的疲劳裂纹扩展问题，黄培彦［36］等开展了粘结界面的双剪疲劳试验，并提出了疲劳荷载幅、应力幅与疲劳寿命的界面疲劳寿命预测曲线，构建了界面损伤模型。谢建和［37］等基于断裂力学理论推导出了预应力CFL 加固混凝土梁界面裂纹尖端的应力强度因子，提出了界面疲劳裂纹扩展速率，从而将加固梁所承受的荷载与界面疲劳裂纹的扩展速率建立起联系。Carloni［15］等通过疲劳试验发现当疲劳荷载幅值降低时，界面的疲劳寿命会显著提高。界面的刚度会随着疲劳循环次数的增加而持续降低。CFRP板和混凝土界面的疲劳性能还会受到胶层厚度与粘结长度对界面疲劳性能的影响［38］，胶层厚度较大时，损伤开展长度相对较短。并发现界面的疲劳损伤会从加载段逐渐向自由端方向蔓延，在达到一定循环次数后，损伤会在某个位置停止继续向前发展。Zhou［28］等基于深入的理论分析和大量的试验研究将FRP-混凝土界面简化为Ⅱ型裂纹扩展问题，并构建了界面的损伤累积模型，并提出必须充分考虑粘结区混凝土裂缝不确定性所带来的影响。
现有的文献资料与研究成果表明，外贴 FRP 加固受弯土木建筑构件中的剥离现象会导致构件中剧烈的应力重分布，进而导致被加固构件的疲劳寿命远无法达到预期目标，造成安全隐患。目前，国内外学者对 FRP-混凝土界面和外贴 FRP 加固混凝土受弯构件的疲劳性能已经开展了一定的研究，对于由应力重分布导致的被加固混凝土梁自身的疲劳损伤累积与FRP 的疲劳剥离开展之间的耦合机理的研究仍然十分匮乏。该机理的明晰对准确预测被加固构件的疲劳寿命起到决定性作用，忽略FRP 的剥离对加固梁整体疲劳性能以及疲劳寿命的影响将导致严重的安全隐患。因此，研究存在预应力的FRP片材与混凝土之间粘结界面的疲劳剥离开展机理，进而对外贴 FRP 加固土木建筑梁提出合理的疲劳设计方法，对于安全使用外贴 FRP 加固技术起到至关重要的作用，值得更加深入的研究。
参考文献：
［1］Meier U. Proposal for a carbon fibre reinforced composite bridge across the Strait of Gibraltar at its narrowest site［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part B ：Management and engineering manufacture，1987，201（2）：73-78.
［2］Fukuyama H，Sugano S. Japanese seismic rehabilitation of concrete buildings after the Hyogoken-Nanbu Earthquake［J］. Cement and Concrete Composites，2000，22（1）：59-79.
［3］Peng H，Zhang J，Shang S，et al. Experimental study of flexural fatigue performance of reinforced concrete beams strengthened with prestressed CFRP plates［J］. Engineering Structures， 2016，127 ：62-72.
［4］Daud R A，Cunningham L S，Wang Y C. Static and fatigue behaviour of the bond interface between concrete and externally bonded CFRP in single shear［J］. Engineering Structures， 2015，97 ：54-67.
［5］Chen J F，Teng J. Anchorage strength models for FRP and steel plates bonded to concrete［J］. Journal of Structural Engineering， 2001，127（7）：784-791.
［6］陆新征. FRP-混凝土界面行为研究［D］. 北京 ：清华大学， 2004.
［7］Sato Y，Vecchio F J. Tension stiffening and crack formation in reinforced concrete members with fiber-reinforced polymer sheets ［J］. Journal of Structural Engineering，2003，129（6）：717- 724.
［8］Izumo K，Saeki N，Fukao M，et al. Bond behavior and strength between fiber sheets and concrete［J］. Transactions of the Japan Concrete Institute，2000，21 ：423-430.
［9］Van Gemert D. Force transfer in epoxy bonded steel/concrete joints［J］. International Journal of Adhesion and Adhesives， 1980，1（2）：67-72.
［10］Chaallal O，Nollet M-J，Perraton D. Strengthening of reinforced concrete beams with externally bonded fiber-reinforced-plastic plates ：design guidelines for shear and flexure［J］. Canadian Journal of Civil Engineering，1998，25（4）：692-704.
［11］Yoshizawa H. Analysis of debonding fracture properties of CFS strengthened RC member subject to tension［C］. Non-Metallic （FRP） Reinforcement for Concrete Structures，Proc. 3rd Intern. Symp.，1997 ：287-294.
［12］Lu X，Teng J，Ye L，et al. Intermediate crack debonding in FRP-strengthened RC beams：FE analysis and strength model［J］. Journal of Composites for Construction，2007，11（2）：161- 174.
［13］Teng J，Smith S T，Yao J，et al. Intermediate crack-induced debonding in RC beams and slabs［J］. Construction and building materials，2003，17（6）：447-462.
［14］Bizindavyi L，Neale K W，Erki M A. Experimental Investigation of Bonded Fiber Reinforced Polymer-Concrete Joints under Cyclic Loading［J］. Journal of Composites for Construction， 2003，7（2）：127-134.
［15］Carloni C，Subramaniam K V，Savoia M，et al. Experimental determination of FRP-concrete cohesive interface properties under fatigue loading［J］. Composite Structures，2012，94（4）：1288-1296.
［1 6］Cornetti P，Muñoz-Reja M，Mantič V. Cohesive Crack Models and Finite Fracture Mechanics analytical solutions for FRP-concrete single-lap shear test ：An overview［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics，2022，122 ：103529.
［17］Calabrese A S，Colombi P，D''antino T. Analytical solution of the full-range behavior of adhesively bonded FRP-steel joints made with toughened adhesives［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2023，292 ：109569.
［18］Zhang W，Tang Z. Numerical Modeling of Response of CFRP- Concrete Interfaces Subjected to Fatigue Loading［J］. Journal of Composites for Construction，2021，25（5）：04021043.
［19］Al-Saoudi A，Kalfat R，Al-Mahaidi R，et al. Numerical and experimental investigation into the fatigue life of FRP bonded to concrete and anchored with bidirectional fabric patches［J］. Engineering Structures，2021，239 ：112335.
［20］Ferrier E，Bigaud D，Hamelin P，et al. Fatigue of CFRPs externally bonded to concrete［J］. Materials and structures， 2005，38（1）：39-46.
［21］Diab H，Wu Z. Nonlinear constitutive model for time-dependent behavior of FRP-concrete interface［J］. Composites Science & Technology，2007，67（11）：2323-2333.
［22］Yun Y，Wu Y-F，Tang W C. Performance of FRP bonding systems under fatigue loading［J］. Engineering Structures， 2008，30（11）：3129-3140.
［23］Ko H，Sato Y. Bond Stress-Slip Relationship between FRP Sheet and Concrete under Cyclic Load［J］. Journal of Composites for Construction，2007，11（4）：419-426.
［24］Fathi A，El-Saikaly G，Chaallal O. Fatigue Behavior in the Carbon-Fiber-Reinforced Polymer-to-Concrete Bond by Cyclic Pull-Out Test ：Experimental and Analytical Study ［J］. Journal of Composites for Construction，2023，27（4）： 04023033.
［25］Li K，Zhao D，Wang X，et al. Investigation of crack growth in CFRP-concrete interface under fatigue loading［C］. Structures， 2021 ：356-367.
［26］李可，曹双寅，王新玲，等. 碳纤维复合材料-混凝土界面梁 铰式疲劳试验与分析［J］. 建筑结构学报，2015，36（9）：143-150.
［27］Yuan H，Luo G，Liu C，et al. Interfacial properties of CFRP sheets and concrete subjected to variable amplitude fatigue loading［J］. Structural Concrete，2021，22（4）：1927-1945.
［28］Zhou H，Zhang S S，Fernando D，et al. The bond-behaviour of CFRP-to-concrete bonded joints under fatigue loading ：A damage accumulation model［J］. Engineering Fracture Mechanics，2023，284 ：109272.
［29］Bizindavyi L，Neale K. Transfer lengths and bond strengths for composites bonded to concrete［J］. Journal of composites for construction，1999，3（4）：153-160.
［30］Zheng X H，Huang P Y，Chen G M，et al. Fatigue behavior of FRP-concrete bond under hygrothermal environment［J］. Construction & Building Materials，2015，95 ：898-909.
［31］Bocciarelli M. A new cohesive law for the simulation of crack propagation under cyclic loading. Application to steel- and concrete-FRP bonded interface［J］. Theoretical and Applied Fracture Mechanics，2021，114 ：102992.
［32］Min X，Zhang J，Tu Y，et al. A full-range fatigue life prediction model for RC beams strengthened with prestressed CFRP plates accounting for the impact of FRP debonding［J］. Engineering Structures，2024.
［33］Diab H，Wu Z，Iwashita K. Theoretical solution for fatigue debonding growth and fatigue life prediction of FRP-concrete interfaces［J］. Advances in structural engineering，2009，12 （6）：781-792.
［34］Min X，Zhang J，Li X，et al. A nonlinear prediction model of the debonding process of an FRP-concrete interface under fatigue loading［J］. Construction and Building Materials，2023，369 ：130583.
［35］Min X，Zhang J，Wang C，et al. Experimental Investigation of Fatigue Debonding Growth in FRP-Concrete Interface［J］. Materials，2020，13（6）：1459.
［36］黄培彦，郑小红，周昊，等. CFRP-混凝土界面的疲劳性能 ［J］. 华南理工大学学报（自然科学版），2012，40（10）： 184-189.
［37］谢建和，黄培彦，郭永昌，等. 预应力 FRP 加固 RC 梁界面疲 劳裂纹扩展行为研究［J］. 工程力学，2011，28（7）：180- 185.
［38］彭晖，王博，张建仁，等. CFRP-混凝土界面粘结的疲劳性能 试验研究［J］. 实验力学，2014，29（2）：189-199.
电脑PC端进入网站http:/contribute.cic-namte.com:10000点击“期刊专栏”，“进入投稿系统”。
联系人：
曹 卉13914714268（微信同号）
金雪霞13813975891（微信同号）
殷天容15852925233（微信同号）
方式一：
成为中硅会玻纤分会/全国玻纤情报网会员，获赠全年《玻璃纤维》期刊
联系人：陈依婷13675163721（微信同号）
（扫码添加微信）
方式二：
（扫码添加微信）
▓ 责编：情报君
往期精彩推荐
➤江苏玻纤产业工匠学院“‘送教入企’走进长海”培训活动成功举办
➤【独家专栏】2024年1-11月玻璃纤维及其制品进出口数据分析报告
➤巨石集团有限公司“数字孪生助推玻纤行业质量变革”入选工信部2024 年度工业和信息化质量提升与品牌建设典型案例拟入选公示名单
扫码关注视频号
电话：025- 52125229
南京市江宁区彤天路99号
