使用同质聚合物改性水泥砂浆的玻璃纤维增强塑料筋加固薄层修复中界面过渡区的高温劣化

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：High-temperature deterioration of the ITZ in GFRP bars-reinforced thin-layer repairs using homologous polymer-modified cement mortar

　　

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  同系树脂改性改善了砂浆-GFRP 粘结性能。
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  高温通过树脂相变削弱粘附力。
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  确定了粘结失效的关键温度区间。
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  微裂纹扩展与相组成变化有关。

引言

老化和劣化的基础设施是许多国家的主要安全隐患 [1]。根据 Onuaguluchi [2] 的说法，混凝土基础设施的修复工作仍然是一个主要挑战，因为修复材料无法长期发挥作用。薄层修复因其高效和最小干扰而被广泛采用 [3]，然而，当应用于带有暴露钢筋的钢筋混凝土 (RC) 构件时，其耐久性经常受到损害 [4], [5], [6]。因此，原有钢筋的持续腐蚀产生膨胀压力，不可避免地导致修复层的二次开裂和界面脱粘 [7], [8]。

传统的缓解策略，如阻锈剂或保护涂层，由于严格的厚度限制，在薄层修复中效果有限 [9]。相比之下，纤维增强聚合物 (FRP) 钢筋提供了一种更优越的解决方案，利用其高强重比和固有的耐腐蚀性来消除腐蚀引起的开裂风险 [10], [11], [12]。在各种 FRP 类型中，具有环氧树脂基体的玻璃纤维增强聚合物 (GFRP) 钢筋特别适合修复应用。这种组合因其成本效益高、强度高以及玻璃纤维与环氧树脂之间出色的化学相容性而在商业项目中广受欢迎 [13], [14], [15], [16]。

然而，FRP 钢筋的有机树脂基体与无机水泥基砂浆之间的不相容性通常会导致界面粘结弱，从而降低修复效果。虽然机械锚固可以在大体积混凝土中提供足够的粘结强度 [17]，但薄层修复独特地受到厚度有限和界面应力集中易感性的挑战 [18]。因此，提高界面强度对于确保协同承载和耐久性至关重要 [19]。为解决此问题，聚合物改性水泥砂浆 (PCM) 作为一种有前途的解决方案应运而生。通过将环氧树脂掺入水泥基体中，PCM 不仅致密化了微观结构，还建立了连续的树脂相。这种有机 - 无机复合系统作为一种连接介质，显著改善了 FRP 钢筋与修复层之间的化学相容性和粘结强度 [20], [21], [22], [23], [24]。

聚合物的稳定性受温度影响显著，引入聚合物相显著增加了系统的热敏感性 [25]。在高温或太阳辐射下，修复系统可能接近聚合物的玻璃化转变温度 (T_g)，触发载荷传递和失效模式的关键变化 [19], [26], [27]。这种温度敏感性也引起了人们对 FRP 系统的担忧，因为树脂软化。从消防安全角度来看，热分解可能在更严重的温度下严重损害复合材料的机械和粘结性能 [28]。以往关于 FRP 在高温下粘结行为的研究得出了相互矛盾的结果：虽然一些报告称由于树脂软化，粘结强度在 T_g 附近急剧下降 [19], [29], [30]。Banthia 等人 [31] 指出，FRP 纤维与混凝土基体之间的粘结力在 20°C 时相对稳定。当温度超过 80°C 时，粘结力逐渐恶化。而另一些人观察到波动甚至增加，归因于后固化效应 [11], [32], [33]。这些看似矛盾的结果可能源于聚合物化学、固化状态和 T_g 的差异，这些差异改变了瞬态后固化或持续水化与随后树脂软化之间的平衡。现有的高温修复砂浆主要包括基于地质聚合物的系统和聚合物改性水泥基系统。地质聚合砂浆通常表现出更好的剩余强度和粘结保留率，因为它们具有热稳定的铝硅酸盐网络和优化的骨料相容性。聚合物改性水泥或硫铝酸盐砂浆可以提高中温下的修复性能，但随着温度升高，可能会发生聚合物分解、孔隙粗化、开裂和机械性能退化 [34], [35]。

PCM-GFRP 修复系统包含具有不同 T_g 值的多个聚合物相。这种差异可能导致同系聚合物改性水泥砂浆 (HPCM)-GFRP 界面过渡区 (ITZ) 内的热机械不匹配，导致局部软化和过早损伤。然而，以往的研究大多分别检查了 FRP-混凝土粘结退化和聚合物改性砂浆退化，对于薄层同系树脂 ITZ 的耦合热演化——特别是后固化与热软化之间的竞争——理解不足。这一差距促使了当前针对界面相容性、应力传递、表面化学演化和裂纹发展的温度分辨多尺度研究。

因此，本研究提出了一种包含 GFRP 钢筋和同系环氧树脂的薄层 HPCM 修复系统，以增强 ITZ 相容性和粘结强度。它研究了同系树脂相是否能改善界面相容性和初始粘结强度，以及由此产生的树脂介导的 ITZ 如何在聚合物转变区域附近劣化。在薄层修复条件下进行粘结测试，以量化温度依赖的性能退化，以评估所提出的系统。然后使用 DSC、DMA、FTIR 和 XPS 表征基体和 HPCM-GFRP ITZ 的热响应、聚合物演化和表面化学变化。进一步采用原位热监测、图像分析和 EDS 来追踪裂纹发展及其与局部元素分布的空间关联。这种温度分辨的多尺度分析确定了 HPCM-GFRP ITZ 的耦合劣化路径，为这种新型修复系统的长期可靠性提供了关键见解。

章节片段

GFRP 钢筋

实验所需的 GFRP 钢筋是在实验室中独立制备的 [14]。材料参数和生产工艺详见 支持信息。玻璃纤维由 2400Tex 未捻股纱制成。选择双酚 A 环氧树脂 E51 (DGEBA) 作为浸渍纤维的树脂基体。固化剂为酸酐型高温固化剂 (MeTHPA)。选择 5 mm GFRP 钢筋以适应 5-20 mm 修复层的有限厚度

高温下界面粘结强度的退化

在养护 28 天后对薄层粘结试件进行了薄层粘结测试（图 4 a）。结果显示，HPCM-GFRP 系统的粘结强度比 PCM-GFRP 系统高 26%，比纯 HPCM 的极限承载能力高 32%（见 支持信息）。结果表明，同系树脂改性增强了粘结强度，且掺入 GFRP 钢筋提高了极限承载

结论

本研究通过用同系环氧树脂改性砂浆增强 GFRP 钢筋 - 基体界面，解决了薄层修复中的界面脱粘和腐蚀风险。系统分析了高温条件下的损伤演化机制，得出以下结论：

• 1.
  同系树脂改性增强了界面强度，而 GFRP 钢筋提高了修复层的承载能力。
• 2.
  ITZ 从 30 到 90°C 逐渐退化，经历

CRediT 作者贡献声明

曹玉斌：监督，形式分析。 庞博：监督，方法论。 徐明飞：写作 – 初稿，可视化，验证，数据整理。 金祖权：写作 – 审查与编辑，监督，资源，项目管理，概念化。 王红：验证，调查。 孙亚楠：调查

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本研究客观性的竞争性财务利益或个人关系的利益冲突。

竞争利益声明

作者声明，在这篇题为“使用同系聚合物改性水泥砂浆的 GFRP 钢筋增强薄层修复中 ITZ 的高温劣化”的手稿中没有利益冲突。

致谢

本工作是 国家自然科学基金（编号 52225905，编号 52478260）、山东省自然科学基金（ZR2026QB23）资助项目的一部分。

金祖权 | 徐明飞 | 庞博 | 曹玉斌 | 孙亚楠 | 王红