西部寒旱地区硫酸盐环境及荷载共同作用下FRP-砼界面粘结性能退化规律及劣化机理研究

So far, the research on the effect of salt erosion on FRP-concrete interfacial bond performance has been based on the marine environment (with a high content of chlorides) while little attention has been paid to the cases of sulfate erosion in cold and arid environment in western China. As far as salt erosion is concerned, the chloride salts mainly attacks steel and the sulfates mainly erode concrete through physical and chemical reactions. Thus, the sulfates have a more severe effect on the FRP-concrete interfacial bond performance. This factor is much serious in western alkaline soil areas, where the content of major eroding ions, mostly existing in the form of sulfates, is about 5-10 times that of the marine environment. Based on various contents of sulfate solution, simulating the cold and arid environment in western China by dry-wet cycling and freeze-thaw cycling, and through continuous loading bi-shear experiments, this work is to obtain the FRP-concrete interfacial failure modes, attenuation law of the interfacial parameters, and the erosion of the sulfate ion to the interface together with its distribution and types. Meanwhile, through the study of the micro-configuration, composition and mechanical behavior, it is expected to explore the interfacial failure mechanism. Finally, the interfacial bond-slip constitutive relationship and scaling bearing capacity model is also to be set up, which can be applied in corresponding rehabilitating design.

目前盐类侵蚀对FRP-砼界面粘结性能的影响研究主要集中在东部海水（以氯盐为主）环境方面，而缺少西部寒旱环境硫酸盐侵蚀方面的研究。就盐类侵蚀作用而言，氯盐主要腐蚀钢材，而硫酸盐主要是与砼起物理、化学作用，故硫酸盐对FRP-砼界面粘结性能的影响较氯盐更大。西部盐渍土及盐湖中主要腐蚀离子大约是海水的5～10倍，以含硫酸盐为主。本课题拟基于不同浓度硫酸盐溶液，利用干湿与冻融循环等加速实验方式，模拟西部寒旱环境与硫酸盐腐蚀，通过持续加载的双剪切试验，得到寒旱环境中硫酸盐腐蚀与荷载共同作用下FRP-砼界面破坏模式、界面参数的衰减规律、硫酸根离子在界面中的侵蚀程度、分布规律及组成成分；通过材料微观的形貌、成分及力学特性的研究，分析寒旱环境中硫酸盐腐蚀与荷载共同作用下FRP-砼界面破坏的机理；建立界面粘结-滑移本构关系和承载力模型，为西部寒旱硫酸盐环境下FRP加固砼结构设计提供理依据。

本课题采用干湿与冻融循环等加速实验方式，模拟西部寒旱环境与硫酸盐腐蚀，围绕西部寒旱环境与硫酸盐腐蚀下FRP-混凝土界面粘结性能，展开了以下工作：1）通过CFRP片材的受拉试验，对硫酸盐侵蚀环境作用对FRP片材力学性能的影响进行了研究。研究表明：硫酸盐侵蚀环境作用对FRP片材力学性能有影响较小，在硫酸盐侵蚀环境中FRP片材具有较好的耐久性。2）通过硫酸盐侵蚀环境作用下混凝土耐久性试验，对硫酸盐侵蚀下混凝土抗压强度随侵蚀时间的退化规律进行了研究。试验结果表明：随着硫酸盐侵蚀时间的增加，混凝土的力学性能逐渐降低，但较小的水胶比和较高的粉煤灰掺量可以提高混凝土在硫酸盐侵蚀环境中的耐久性。3）对硫酸盐侵蚀环境作用下FRP-混凝土界面正拉粘结性能和剪切粘结性能进行了试验研究。试验结果表明：FRP-混凝土粘结界面的破坏形态发生了改变，破坏面开始由界面一下混凝土层破坏逐渐变为FRP-混凝土界面处破坏；经硫酸盐侵蚀环境作用后，界面正拉粘结强度、界面极限承载力、FRP最大应变值和界面最大剪应力均随着侵蚀时间的增加而下降，界面有效粘结长度有所增加，同时适当减小混凝土的水胶比和粉煤灰掺量可以提高FRP-混凝土界面在硫酸盐侵蚀环境中的耐久性能。4）通过课题组自行设计的持载装置，采用双剪试验，对硫酸盐侵蚀环境下持载水平不同时，CFRP-混凝土界面粘结性能的退化规律进行了研究。试验结果表明：持载会加剧FRP-混凝土粘结界面的劣化程度，而且施加荷载越大，界面承载力下降幅度越大。5）通过对FRP-混凝土界面参数退化规律的分析，建立了考虑寒旱环境中硫酸盐腐蚀作用影响的界面粘结-滑移关系模型和承载力模型。本项目研究成果为西部寒旱硫酸盐环境下FRP加固砼结构设计和耐久性评价提供了理依据。