碳纤维布加固腐蚀钢材力学性能试验研究

龚美琦，张春涛，2，王汝恒

（1.西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2.工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室，四川 绵阳 621010）

钢材在工程结构中应用广泛，但在长期的腐蚀环境和使用荷载的双重作用下，容易产生裂纹、缺陷、腐蚀等问题［1-4］。碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）具有轻质高强、耐久性能良好、可设计性强和加工方便等优点，可用来对钢材进行修复［5-8］。

近年来，学者分别通过试验和数值模拟研究了CFRP对钢材的裂纹、缺陷的修复作用。张宁等［9］以半圆孔模拟缺陷钢构件进行拉伸试验，结果表明粘贴CFRP可明显提高钢结构的屈服荷载，但不能明显提高钢构件的极限荷载。Colombi等［10］通过试验研究了CFRP板对开孔钢板的修复加固作用。郑云等［11］采用有限元模型对裂纹前缘的应力强度因子进行了计算，结合CFRP加固含裂纹钢板的试验结果，验证了加固前后损伤钢板的剩余疲劳寿命。张术宽［12］采用理论推导、数值分析与实验相结合的方法对CFRP加固含缺陷钢结构的粘结界面及表面裂纹局部的破坏机理进行力学分析，结果表明：CFRP对带细长浅裂纹状缺陷的钢结构的加固效果较好。姜丰等［13］对CFRP加固后的开孔钢板进行单轴拉伸试验，发现开孔导致了应力集中，但孔口塑性区的扩展，没有导致极限荷载下的名义应力降低。张彤彤［14］研究了腐蚀环境对胶黏剂性能的影响以及盐雾环境下粘贴复合材料防止钢构件腐蚀的作用，发现CFRP可隔绝恶劣环境对钢结构的影响，有效防止钢结构的腐蚀。霍君华等［15-16］用工字钢下翼缘部分宽度模拟钢梁局部腐蚀程度，开展CFRP布加固腐蚀钢梁受弯性能的研究。但钢材发生腐蚀时，各点的微观腐蚀速率并不相同，就必然导致钢材表面产生孔洞和裂纹［17］。现有对CFRP加固腐蚀钢材的研究文献较少，且大多没有考虑到腐蚀后钢材界面受力变化特征。

本文采用CFRP对H2SO4溶液腐蚀后的Q235钢材加固，进行力学性能试验，分析CFRP对腐蚀钢材的加固效果，探索腐蚀后钢材与CFRP的界面受力情况。

1 试验材料与方案

1.1 试件准备

试验所用钢材为Q235钢，试件采用机加工方式制备，原始标距为85 mm，总长度为265 mm，平行长度的原始截面尺寸为20 mm×6 mm，各项参数依据《金属材料拉伸试验拉伸第一部分：室温测试方法》（GB／T 228.1—2010）确定，试件尺寸及形状如图1所示。

图1 试件示意图

用砂轮机将试件表面打磨平整，在粘贴部位（钢板中间长度为85 mm的矩形部位）沿横向打磨出纹路，以增强CFRP与钢材的粘结性能。打磨完成后用丙酮清洗钢板表面，除去表面油污。

将试件分为3组，每组4个试件，全部浸入1 mol／L H2SO4溶液中，分别放置24、48、96 h。达到预定时间后，取出试件，依次进行清水冲洗、毛刷擦拭、丙酮脱脂、干燥称重，试件的质量分别变化31、39、45 g。腐蚀处理步骤均按照《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》（GB 10124—88）要求进行。

1.2 CFRP加固模式

试验所用纤维增强材料为四川兴达建筑有限公司生产的UCP-300型CFRP，材料性能参数如表1所示；粘接剂是上海滠口有限公司生产的SKO碳纤维浸渍胶，材料性能参数如表2所示。将粘接剂均匀涂刷在试件表面，并沿纤维受力方向粘贴CFRP，挤出气泡，使CFRP与试件表面紧密粘贴。为保证粘结剂的充分渗浸，放置30 min，在此期间及时处理浮起、错位等现象。然后，在CFRP表面涂刷一层粘结剂，养护72 h。粘贴两、三层CFRP时重复以上工序。

表1 CFRP性能指标

表2 SKO碳纤维浸渍胶性能指标

1.3 力学性能试验方案

本试验共制作16个试件，未腐蚀试件及腐蚀量分别为31、39、45 g的试件各4个。在工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室的MTS万能试验机上进行单轴拉伸试验，为防止构件与夹具在拉伸过程中发生相对滑移，在构件端部两边安置加强片。试验采用位移加载的方式，加载速率为0.5 mm／min，连续加载直至试件破坏，得到试件力和位移关系曲线，记录试件的承载力变化及试件破坏形式。

2 试验结果

2.1 破坏形态

试件的破坏形态与CFRP层数密切相关，与腐蚀量关系不大。当未粘贴CFRP时，试件中部被拉断，断面与截面大致呈30°夹角。当粘贴一层或两层CFRP时，CFRP大部分与试件剥离后，试件在中间部位断裂。当粘贴3层CFRP时，CFRP层间剥离破坏，CFRP局部拉断，最后试件中间部位断裂，试验现象与文献［18］一致。当试件腐蚀后，表面会生成微小孔洞和裂缝，CFRP与钢构件之间的胶层易产生气泡和空鼓，两者之间的共同受力性能减弱，随着试件的张拉，孔洞和裂缝沿截面发展，胶结层从界面脱开，导致构件失效。

2.2 腐蚀对钢材承载力的影响

表3给出了试件腐蚀后的承载力分布情况。由表3可知，随着腐蚀量的增大，屈服荷载仅略微减小，极限荷载先明显减小。当腐蚀量为31、39、45 g时，屈服荷载较原始试件分别减少2、8、20 kN，极限荷载则分别减小10、55、69 kN。腐蚀后，试件有效截面减损，并形成一些腐蚀孔洞和微裂缝，引起应力集中，导致承载力的下降［19］。腐蚀量越大，腐蚀孔洞和微裂缝越多，试件的承载力下降越快。

表3 不同腐蚀量试件的承载力

2.3 CFRP对钢材承载力的影响

图2给出了试件的荷载随腐蚀量和CFRP层数的分布情况。由图2可知，随着CFRP层数的增多，屈服荷载和极限荷载均有一定程度的增大，且屈服荷载增大更多；随着腐蚀量的增大，屈服荷载和极限荷载均有一定程度的减小，未腐蚀试件与腐蚀量为31 g试件的极限荷载相近，腐蚀量为39 g或45 g试件的极限荷载相近。在试验中，试件到达屈服点之前，CFRP与钢板共同工作，CFRP分担部分荷载，延迟了钢板的屈服，提高了试件的屈服荷载。当试件到达屈服点后，应变急剧增加，CFRP逐渐发生剥离和破坏，所分担荷载减小，故对极限荷载的提高效果不明显。与文献［20］描述的“当CFRP两端未进行锚固时，由于CFRP端部角点处界面存在严重的应力集中，试件接近屈服荷载时，就会出现剥离的情况”相一致。

图2 试件在不同层数纤维布下的承载力

对图2中数据进行承载力提高量化分析，可得图3。由图3可知，屈服荷载的提高率明显大于极限荷载的提高率，不同腐蚀率下的屈服荷载提高率基本一致，且略小于原始试件，粘贴一、二、三层CFRP，对应极限荷载的提高率分别位10%、20%、45%左右；不同腐蚀率下的极限荷载提高率基本一致，粘贴一、二、三层CFRP，对应屈服荷载的提高率分别位1%、5%、11%左右。

图3 试件在不同纤维布下的承载力提高比例

2.4 应力-应变曲线

对试件的荷载-位移数据进行处理，得到不同试件的真实应力-应变曲线，见图4。试件的变形可分为两部分：弹性变形阶段和塑性变形阶段。当腐蚀量相同时，粘贴不同层数的CFRP，弹性变形初始阶段与塑性变形末尾阶段大致重合，CFRP层数越多，进入塑性变形阶段所对应的应力越大，特别是当粘贴两、三层CFRP时，应力-应变曲线达到一个“峰值”后急剧减小并逐渐与粘贴零、一层CFRP时的应力-应变曲线相重合。结合试验现象，达到“峰值”时，CFRP发生剥离破坏，并迅速脱落。

图4 试件的应力-应变曲线

图5给出了不同腐蚀量试件粘贴相同层数CFRP后的典型应力-应变曲线。由图5可知，腐蚀量为0和31 g的试件的应力-应变曲线、腐蚀量为39 g或45 g试件的应力-应变曲线大致重合，这与图3中的荷载值变化规律基本一致。腐蚀量越大，试件表面产生的孔洞越多，最大孔径及深度越大，进入塑性变形阶段后，发生相同应变所需的应力越小；试件破坏的塑性变形越小。由图4、图5可知，在弹性变形阶段，当粘贴CFRP层数变化与钢板腐蚀量变化时，应力-应变曲线的斜率基本重合，可以认为CFRP层数和腐蚀量不影响试件的弹性模量。

图5 不同腐蚀量试件的典型应力-应变曲线

3 界面应力分析

CFRP与钢板之间的界面存在粘结剪应力，凭此可以完成CFRP与钢板之间的应力传递。粘结剪应力主要分布在CFRP端部一定范围内，超过范围则基本为零［20-21］。定义从FRP端部开始，当FRP中的拉力达到其承担负荷的98%时所对应的长度Leff称为FRP的有效粘结长度，τ（x）为x点的界面剪应力，参照文献［19-20］中分析，有：

式中：Es为钢板的弹性模量，206 GPa；Ep为CFRP的弹性模量，227.6 GPa；P为钢板所受的拉伸荷载；ts为钢板厚度，6 mm；tp为CFRP厚度，0.16 mm；ta为浸渍胶厚度，0.5 mm；lp为CFRP中心距端点距离，42.5 mm；Gs为钢板的剪切模量，79.4 GPa；Ga、Gp分别为浸渍胶和CFRP的剪切模量，由于CFRP之间的粘结主要通过胶层实现，可认为CFRP的剪切模量与浸渍胶的相同［22］。胶层可认为是各向同性材料，则其剪切模量可以用G＝E／2（1+v）来求得。取浸渍胶的泊松比为0.35，求得Gp＝Ga＝996 MPa。

钢板腐蚀后，假设表面孔洞及裂纹中不存在任何锈蚀及杂质，且粘贴CFRP时全部填充浸渍胶，不考虑残余空气的因素。那么2种情况对界面应力有影响：①钢板厚度ts随腐蚀量增大而减小；②钢板表面产生裂纹和孔洞，粘贴CFRP时，浸渍胶的实际厚度ta随腐蚀量增大而增大。

以粘贴一层CFRP为例进行分析：假设只存在第①种情况，不考虑钢板腐蚀后产生的裂纹，且腐蚀量由钢板均匀分摊，ts随腐蚀量增大而减小。对λ求ts的偏导数，得：

代入数据，可求得

当钢板厚度ts由6 mm逐步减小时随着ts的减小，λ有所增大，Leff随之减小，τ（x）减小。

假设只存在第②种情况，钢板腐蚀后产生裂纹，ts实质上未发生变化，产生裂纹后，浸渍胶的实际厚度ta增大，其他参数不变。对ta求偏导得，

在实际情况中，第①、②种情况都存在，腐蚀之后，钢板厚度降低导致界面应力减小；浸渍胶厚度增大，导致界面应力增大。但从试验结果来看，最终的界面应力及对应的界面剥应力增大，可初步推测钢板腐蚀产生的裂缝和孔洞对界面应力的影响更大。

4 结论

1）试件腐蚀后，极限荷载和屈服荷载有所减小。在相同腐蚀量下，极限荷载比屈服荷载下降得更快；腐蚀量越大，试件断裂时的塑性变形越小，当腐蚀量足够大时，试件受力后可能发生脆性破坏。粘贴CFRP层数越多，进入塑性变形阶段越晚，进入塑性变形阶段后的应力越大。

2）试件的破坏形态与CFRP层数密切相关，与腐蚀量关系不大。当未粘贴CFRP时，钢板中部被拉断。当粘贴一层或两层CFRP时，CFRP大部分与钢板剥离后，钢板在中间部位断裂。当粘贴三层CFRP时，CFRP层间剥离破坏，CFRP局部拉断。CFRP的剥离基本都是由端部开始，对端部进行锚固，有可能增加CFRP的加固效果。

3）随着CFRP层数的增多，屈服荷载和极限荷载均有一定程度的增大。不同腐蚀量下的屈服荷载与极限荷载提高率基本一致，粘贴一、二、三层CFRP，极限荷载的提高率分别为10%、20%、45%；明显大于屈服荷载的提高率1%、5%、11%。

4）钢材腐蚀后，表面会产生微小孔洞及裂纹，在CFRP加固工艺及参数不变的情况下，表面孔洞和裂纹越少，CFRP对钢材的加固效果越好。