基于亚临界脱胶扩展的FRP-混凝土粘结界面耐久性研究

The long-term durability of fiber reinforced polymer (FRP)-concrete interface is still an unresolved problem, in which degradation mechanism and failure modes are not fully understood, and it has become a major barrier to their widespread use in hydraulic structures. In this study, a new method based on the concept of subcritical debonding is proposed to better understand the degradation mechanism and failure modes and predict the long-term durability of FRP-concrete interface. First, subcritical debonding tests of FRP-concrete interface under different humidity are conducted, after which fracture surfaces of the specimen will be analyzed through Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Photoelectron Spetroscopy (XPS). Second, a durability enhancement method using silane coupling agent is proposed, and corresponding subcritical debonding test is conducted to verify this method. Third, a nano-indentation technique and SEM is utilized to characterize the microstructure and mechanical behavior of the interfacial zone, thus revealing the degradation mechanism of FRP-concrete interface. Fourth, apparent activation energy under different temperature is measured. Finally, a life prediction model is developed and validated using a single shear test. In summary, degradation mechanism and failure modes of FRP-concrete interface under service loads and aggressive environment will be fully investigated in this study, paving a solid foundation for the use of FRP material in hydraulic structures.

纤维增强塑料（FRP）-混凝土界面的耐久性问题没有得到根本解决，界面的退化机理和失效模式没有得到充分认识，限制了FRP在水工结构中广泛的应用。本研究基于亚临界脱胶的概念，提出一种新方法来揭示FRP-混凝土界面的退化机理和失效模式。首先，开展不同湿度条件下的FRP-混凝土界面亚临界脱胶测试，接着利用扫描电镜和X射线光电子能谱仪分析断裂面。第二，利用硅烷偶联剂增强FRP-混凝土界面的耐久性，并开展亚临界脱胶测试验证该方法的可行性。第三，利用纳米压痕技术和扫描电镜来表征界面相的微观结构和力学行为，从而表征FRP-混凝土界面的退化机理。第四，测量不同温度下的表观活化能。最后，发展一个FRP-混凝土界面寿命预测模型，并利用单剪试验验证该模型的正确性。总之，通过该项目，将对FRP-混凝土界面在不利环境因素和服役荷载作用下的界面退化机理和失效模式有一个充分的认识，为FRP材料在水工结构中的应用打下基础。

由于FRP具有高的比强度、比模量、耐腐蚀和易于加工等优点，其在水利工程和土木工程中老化混凝土结构的加固、改造和修复以及新结构的建设中都得到了广泛应用。首先，基于界面变形梁理论，开发了一种新型双材料梁单元，由于该单元将完好部分的双层梁分开考虑，因此该单元能够保证裂纹尖端力的连续性，并且该模型考虑了界面处的变形。利用该开发的新单元分析了单臂弯曲试样和端边缺口挠曲试样加载点的位移和能量释放率,结果表明新发展的单元能够很好地计算位移和能量释放率。其次，开发了一种两参数弹性地基梁模型，计算了设计的GFPR/铝-混凝土粘结试样的柔度和能量释放率。利用该设计的试样开展了GFRP-混凝土界面亚临界脱胶试验，分析了实验室环境和水环境对界面断裂的影响；同时探究了不同胶黏剂和硅烷偶联剂的作用。结果表明，在传统环氧树脂作用下，界面失效模式为混凝土薄层和粘结界面混合破坏；在水性底胶作用下界面失效模式为界面粘结破坏，硅烷偶联剂能在一定程度上增强界面的耐久性。再次，利用纳米压痕技术尝试测定了环氧树脂-混凝土界面相的弹性模量，结果表明界面相的弹性模量是远离界面处水泥砂浆弹性模量值的0.83倍。最后给出了I型加载条件下GFRP-混凝土界面的寿命。另外，在GFRP-混凝土界面断裂力学特性研究中，发现界面强度与很多种因素相关，因此需要在未来的研究中开展界面细观力学及多尺度方面的研究。总之，通过该项目，对FRP-混凝土界面在实验室环境和水环境作用下的界面退化机理和失效模式有了充分认识，为FRP材料在水工结构中的应用打下了基础。