沙漠地區(qū)風(fēng)沙磨蝕加劇混凝土基礎(chǔ)設(shè)施損傷，給碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）加固工程帶來挑戰(zhàn)。近日，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院柳本立研究員團(tuán)隊與蘭州交通大學(xué)張凱副教授合作，在風(fēng)沙磨蝕對 CFRP 加固混凝土界面粘結(jié)性能影響研究中取得重要進(jìn)展，為沙漠環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計提供了全新科學(xué)依據(jù)。相關(guān)成果發(fā)表于《復(fù)合材料B：工程》。
“傳統(tǒng)CFRP-混凝土界面研究多基于平整表面的理想化條件，難以反映沙漠風(fēng)沙侵蝕的實際情況。”柳本立表示，研究團(tuán)隊通過模擬不同風(fēng)沙磨蝕條件，結(jié)合剪切試驗與二維、三維微觀形貌分析，首次量化了磨蝕后混凝土表面粗糙度，系統(tǒng)揭示了風(fēng)沙磨蝕對界面粘結(jié)性能的影響規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙磨蝕并非單純造成混凝土損傷，反而能增加其表面粗糙度，顯著提升CFRP - 混凝土界面極限承載力，相較于未磨蝕試件最高提升 31%。
研究還發(fā)現(xiàn)，磨蝕時間為8分鐘時，界面粘結(jié)性能達(dá)到最優(yōu)，峰值應(yīng)變、局部最大應(yīng)力和有效粘結(jié)長度分別提升22%、28%和15.9%。機制分析表明，風(fēng)沙磨蝕會移除混凝土表層水泥漿體形成錨固坑，為膠粘劑提供機械咬合力；隨著風(fēng)沙攻角從30°增至120°，錨固坑形態(tài)轉(zhuǎn)變使界面局部最大應(yīng)力最高提升38.7%。基于研究結(jié)果，團(tuán)隊建立了考慮磨蝕損傷效應(yīng)的界面承載力及粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型，實現(xiàn)了對沙漠環(huán)境下混凝土加固界面性能的精準(zhǔn)預(yù)測。
此次成果突破了傳統(tǒng)加固研究的場景局限，填補了沙漠風(fēng)沙環(huán)境下CFRP 加固混凝土界面性能研究的空白，為我國西北干旱區(qū)鐵路、公路、水利等混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的耐久性提升和加固設(shè)計提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
