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湿热环境下CFRP-混凝土粘结界面力学性能的多维度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

在土木工程领域，随着建筑技术的不断进步和结构耐久性要求的提高，碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP）凭借其轻质、高比强度、耐腐蚀、抗疲劳等一系列优异性能，逐渐成为结构加固与修复的理想材料，得到了广泛应用。例如，在桥梁加固中，CFRP可有效提高桥梁的承载能力和耐久性，延长其使用寿命；在古建筑修复中，CFRP能在不改变原有结构外观的前提下，增强结构的稳定性。

CFRP与混凝土之间的粘结界面是确保两种材料协同工作的关键环节。然而，在实际工程中，CFRP-混凝土结构往往长期暴露于各种复杂的自然环境中，其中湿热环境是最为常见且对粘结界面力学性能影响显著的因素之一。大量工程实践和研究表明，湿度和温度的变化会对CFRP-混凝土粘结界面产生多方面的作用。水分的侵入会使树脂基体发生溶胀，降低其与碳纤维和混凝土的粘结力；高温则会加速树脂基体的老化和降解，改变材料的微观结构和力学性能。二者的共同作用可能导致粘结界面的粘结强度降低、界面提前破坏，进而影响整个结构的安全性和耐久性。

1.1.2研究意义

本研究对于深入理解CFRP-混凝土粘结界面在湿热环境下的力学性能演变规律，具有重要的理论意义。通过系统研究湿热环境对粘结界面力学性能的影响，可以揭示界面破坏的内在机制，丰富和完善复合材料与混凝土粘结的理论体系，为进一步的理论研究提供可靠的实验数据和理论依据。

在实际工程应用中，准确掌握湿热环境对CFRP-混凝土粘结界面力学性能的影响，有助于工程师在结构设计阶段更加科学合理地考虑环境因素，进行耐久性设计。可以根据不同地区的气候条件，选择合适的CFRP材料、粘结剂以及粘结工艺，提高结构的抗湿热性能，减少因环境因素导致的结构病害和维修成本，保障结构的长期安全稳定运行，具有显著的工程实用价值和经济效益。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对CFRP-混凝土粘结界面力学性能以及湿热环境对其影响已开展了大量研究。在粘结界面力学性能方面，早期研究主要集中在常温干燥条件下，通过单剪试验、双剪试验等方法，探究了粘结长度、粘结宽度、混凝土强度等因素对粘结强度、粘结应力分布和粘结-滑移关系的影响。建立了多种粘结-滑移本构模型，用于描述界面的力学行为，如线性粘结-滑移模型、双线性粘结-滑移模型以及基于能量原理的粘结-滑移模型等。

随着对结构耐久性的关注，湿热环境对CFRP-混凝土粘结界面力学性能的影响逐渐成为研究热点。国外学者HomamS.M.研究发现碱溶液和湿气对FRP的粘结性能有不利影响，且高温高湿老化下CFRP与混凝土粘结强度比GFRP与混凝土粘结强度的退化更严重。WoodsJ.M.对海水、酸碱溶液、高温、湿热作用下的FRP与混凝土界面进行耐久性研究，结果表明在上述环境作用后，界面初始断裂韧性均有不同程度下降。国内学者李浩麟等以碳纤维薄板（CFL）与混凝土的粘结界面为研究对象，制作双剪试件进行静载试验，发现湿热老化使FRP-混凝土粘结界面的最大承载力、局部最大剪应力降低，且随着温度升高界面延性变差。刘菊先通过混凝土试块双剪试验和CFRP加固混凝土梁三点弯曲试验，研究了不同湿热工况下CFRP-混凝土粘结界面力学性能，指出高温高湿环境对粘结能力有非常大的不利影响。

尽管已有研究取得了一定成果，但目前对于湿热环境下CFRP-混凝土粘结界面力学性能的研究仍存在一些不足。部分研究仅考虑了单一湿热因素的影响，缺乏对温度和湿度耦合作用的深入分析；已有的粘结-滑移本构模型在考虑湿热环境因素时还不够完善，模型的准确性和通用性有待进一步提高；对于湿热环境下粘结界面微观结构的变化及其与宏观力学性能之间的关系，研究还不够系统和深入。

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

开展不同湿热条件下的CFRP-混凝土粘结界面力学性能试验研究。设置多组不同温度和湿度组合的试验工况，制作大量CFRP-混凝土粘结试件，通过双剪试验、单剪试验等方法，测试试件在湿热环境作用前后的极限承载力、粘结强度、粘结应力分布、相对滑移等力学性能参数，分析湿热条件对这些参数的影响规律。

基于试验结果，深入分析湿热环境对CFRP-混凝土粘结界面力学性能的影响机制。从材料微观结构变化的角度，探讨水分侵入、温度变化对树脂基体、碳纤维以及粘结界面的作用，揭示粘结强度降低、界面破坏提前的内在原因。

考虑湿热环境因素，建立CFRP-混凝土粘结界面的粘结-滑移本构模型。在已有模型的基础上，引入温度