混凝土是目前应用最广泛的建筑工程材料^[1]。但由于其存在抗拉强度低、韧性差、易开裂等缺点，在冲击、冻融循环和氯盐侵蚀等复杂环境下，传统混凝土面临巨大挑战^[2-3]。因此受损后的混凝土构件进行有效的修复加固以延长其使用寿命变得至关重要^[4-5]。

工程水泥基复合材料(Engineering Cementitious Composite, ECC)是一种具有超高韧性的水泥基复合材料，具有应变硬化特性^[6-7]，极限拉应变可达到3%以上，还具有优异的抗裂性、韧性^[8]和多点开裂性能^[9-10]，因此ECC在工程修复加固领域具有重要作用。Zhou等^[11]发现ECC作为加固层，可有效解决混凝土结构的耐久性问题。谷音等^[12]发现ECC可明显改善桥墩的破坏形态，控制裂缝的宽度和发展，使整体表现出良好的延性和耗能能力。碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)具有质量轻、抗拉强度高和弹模高等优点^[13-14]，能够承受酸、碱性环境的腐蚀作用，常用于加固建筑结构^[15-16]。Liang等^[17]发现碳纤维布约束后的混凝土柱力学性能优于无约束状态。刘沐宇等^[18]研究了CFRP修复加固混凝土梁的疲劳性能，发现可大幅提高混凝土梁疲劳寿命，并改善抗裂性能。

虽然ECC和CFRP在修复加固工程中均有了广泛应用，但在复杂环境下，如修复结构在冲击、爆炸等动态荷载环境下，修复加固工程面临更严峻的挑战，因此采用CFRP与ECC构成复合增强层用于混凝土构件的加固。Wu等^[19]对CFRP-ECC复合材料加固的钢筋混凝土梁进行四点弯曲试验，发现CFRP-ECC复合材料在加固混凝土结构方面具有卓越的推广潜力。Hu等^[20]将碳纤维布附着在ECC层，用以代替一定厚度的受损混凝土，发现CFRP-ECC复合加固能显著提高梁的抗弯承载力，并有效抑制混凝土的裂缝发展。近年来，对于CFRP-ECC复合加固层的静态承载力研究趋于完善，而复合加固层作为超具潜力的加固材料，进一步探索其动力特性具有重要理论和工程意义。且目前CFRP在修复加固工程中大多采用端面粘贴，能否采用其他粘贴方式以实现相同修复效果有待进一步研究。

修复受损混凝土构件一般采用置换混凝土法，即开凿修复，将受损部分凿去，再浇注修复材料达到修复加固的目的。当采用CFRP加固时，一般先开凿，后浇注修复材料，成型后在修复材料外端面粘贴CFRP。针对小尺寸受损构件，本研究提出新的粘贴方式，即在开凿部分放入铁皮套筒，且该套筒与混凝土构件之间预留0.2 mm的缝隙(正常粘贴CFRP的厚度)，待修复材料浇注成型后拆除套筒，裁剪与开凿部位侧面相同尺寸的CFRP，并放入缝隙中，最终倒入碳纤维浸渍胶。

基于上述，本研究采取端面粘贴、环绕粘贴CFRP的两种粘贴方式增强ECC约束混凝土，模拟修复加固混凝土构件。针对不同粘贴方式下的CFRP增强ECC修复加固混凝土试件(简称组合体)进行动态压缩试验，分析了冲击气压和CFRP粘贴方式对组合体试件的抗压性能、破坏形态和能量特性的影响规律，评估新型粘贴方式下CFRP增强ECC的修复效果。

待加固混凝土中水泥采用淮南水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用最大粒径≤16 mm的级配碎石，相对密度2.63；细骨料采用最大粒径4.75 mm的天然河砂，细度模数2.4。ECC中使用的胶凝材料包括水泥和粉煤灰，其中水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为淮南某公司生产的Ⅰ级粉煤灰；纤维采用日本某公司生产的RECS15×8 mm型PVA纤维；骨料采用最大粒径为0.5 mm的细河砂；减水剂采用江苏某公司生产的PCA-1高性能聚羧酸液体减水剂；水为自来水。CFRP为广东某公司生产的抗拉强度≥3 400 MPa的碳纤维布。

本研究中待加固混凝土为普通C30混凝土，水灰比为0.43，配合比见表 1。

混凝土拌和物制作完成后，在直径为50 mm，高度分别为100 mm(静态试验)、50 mm(动态试验)的圆柱体模具中浇入一半混凝土(利用标尺进行衡量)，放在振动台上振捣成型，养护24 h后脱模。用角磨机将脱模后的混凝土表面打磨去除杂质，使混凝土与ECC的黏结面具有一定的粗糙度，在受力破坏时不会出现界面滑移现象^[21]。处理后的混凝土层放回原模具中用以组合体浇注。

参照经典ECC的配合比^[22]，本研究中ECC水胶比定为0.26，砂胶比定为0.4，纤维体积掺量为2%，配合比见表 2。

ECC拌和物制作流程如下：依次将水泥、粉煤灰、河砂倒入搅拌机中干拌4 min；接着将水、减水剂充分混合后倒入湿拌5 min；待浆体均匀流动，少量多次将纤维加至浆体中，以保证纤维的均匀分布，再湿拌8~10 min。将ECC拌和物浇至装有一半成型混凝土的模具中，振捣密实，置于室温养护36 h。待ECC与混凝土两界面黏合后脱模，转入标准养护室中养护28 d。试验前利用碳纤维浸渍胶将CFRP以端面平铺和环绕两种方式粘贴到ECC部件上，顺着纤维方向多次按压、滚压以挤除气泡，使胶体充分浸润纤维布^[16]，最后室温放置2 d至粘贴牢固。组合体构造示意图如图 1所示，试验类型及试件个数如表 3所示。

图 1 组合体构造 Fig. 1 Combination specimen structure

图选项

为研究加固后构件在服役过程中受静态荷载时的力学性能，使用万能试验机对圆柱体试件进行单轴压缩试验，加载速度为0.5 MPa/s，下降到峰值应力的50%时停止试验。

针对加固后构件在冲击、爆炸等动态荷载下引起的动态破坏问题，本研究利用Φ50 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)开展组合体的冲击压缩试验，气压分别为0.3，0.4，0.5，0.6和0.7 MPa，试验装置及示意图如图 2所示。试验前，调整冲击杆、入射杆和透射杆在同一水平线上，并在试件与杆件的表面涂抹凡士林以减少端面摩擦。试验中，通过高压氮气将冲头以一定速度撞击入射杆，其动能转化为入射能，能量以波的形式传递到试件后，一部分能量转化为反射能储存在反射波中，一部分储存在透射波中被吸能装置吸收，其余部分主要被试件吸收，用于新裂纹的生成^[23]。试验数据(入射波、反射波及透射波)是通过入射杆和透射杆上的应变片采集脉冲信号，最后由应变测试系统将脉冲信号转化为应变信号。应力和应变可根据式(1)进行计算。

图 2 SHPB试验装置 Fig. 2 SHPB test device

图选项

(1)

式中，σ, ε分别为试件的应力和应变；E, A, C分别为压杆的弹性模量、横截面积和波速；A_s, L_s分别为试件的初始横截面积和初始长度；ε_i, ε_r, ε_t分别为入射应变、反射应变和透射应变。

SHPB试验中，利用入射和透射压杆的应变变化来计算入射波、反射波和透射波所具有的能量，并利用三者之间的关系计算试件吸收能。4种能量的计算公式如下^[24]。

(2)

式中，U_i, U_r, U_t分别为入射波、反射波和透射波所具有的能量；U_a为试件所吸收能量。

CB-1与CB-2两种试件单轴抗压强度分别为48.534，52.726 MPa，高于C30混凝土，且CB-2的单轴抗压强度较CB-1提高了8.63%。组合体静态破坏形态如图 3所示，图 3(a)中混凝土层出现明显的片状及少量块状剥落，并存在一条主裂纹贯穿至ECC层，但整体来说，混凝土层保持着较为完整的形态，可见CFRP-ECC复合增强层对混凝土构件有一定的加固作用；图 3(b)中混凝土层只出现少量纵向裂纹和片状剥落且主裂纹并未完全贯穿至ECC层，表现出整体协同变形的延性破坏特征。因此CFRP以环绕方式与ECC构成复合增强层对混凝土的修复加固作用更明显。

图 3 组合体静态破坏形态 Fig. 3 Static failure modes of combination specimens

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利用SHPB装置测试ECC的动态抗压强度，冲击试验加载过程中，试件两端应力能否达到平衡决定了试验结果是否可靠^[23]，因此有必要对应力平衡性进行验证。入射波和反射波之和与透射波曲线的离散程度可以反映组合体试件在加载过程中的应力平衡状态，图 4可以看出，两曲线吻合较好，因此试件两端应力平衡可以得到满足。

图 4 动态应力平衡 Fig. 4 Dynamic stress equilibrium

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图 5为两种粘贴方式的组合体在不同气压下的应力-应变曲线。试件的动态应力-应变曲线均经历短暂压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段以及破坏阶段等4个阶段。

图 5 不同气压下的应力-应变曲线 Fig. 5 Stress-strain curves under different air pressures

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由图 5可以看出，随着冲击气压的增大，组合体的峰值应力、峰值应变整体呈上升趋势，具有显著的应变率效应。0.3 MPa气压时，应力到达峰值点后迅速下降，应力-应变曲线呈现脆性行为，这是因为当冲击气压较小时，由于试件较厚，只有少量能量从混凝土层扩散至ECC层。而0.4 MPa气压时，曲线在到达峰值点后，经历了一小段的缓冲后下降，这是因为气压增大，更多冲击波扩散至加固层，发挥了对混凝土层的明显加固作用，使试件在达到峰值应力后仍能承载。气压达到0.5 MPa时，曲线出现较长的平台段增长，应力达到峰值点后，曲线振荡，应力变化很小，应变却持续增长。这是因为CFRP-ECC复合增强层发挥显著作用，为混凝土层提供了环向约束力，抵抗变形的能力增强。

对比两种粘贴方式下的应力-应变曲线，同种气压下，CB-2的峰值应力及峰值应变均高于CB-1。不同气压下，CB-2的峰值应力相对于CB-1的增长幅度先加快后变缓，0.5 MPa气压时，峰值应力增长最多，增幅达到10.9%。这是因为冲击气压较小(≤0.5 MPa)时，扩散至修复层的能量很少，复合增强层对混凝土层的修复加固作用不明显。而在冲击气压>0.5 MPa后，增强层对于混凝土的环向约束力大幅增强，能更有效地阻止试件横向变形，从而提高混凝土层的应力水平^[25]。随着气压的继续增大，由于混凝土的脆性特征及自身有限的强度水平，短时间内试件破坏严重，传递至修复层的能量相对变少，因此应力增长幅度减缓。随着冲击气压的增加，CB-2的峰值应变相对于CB-1均保持增长，且增长幅度不断变大。这是因为CFRP环向约束ECC能够为混凝土层提供比端面约束更强的约束力，对混凝土层的环箍作用更强，也说明CB-2抵抗变形的能力明显优于CB-1。

动态增长因子(DIF)是混凝土的动态强度与静态强度之比，表征材料强度随应变率增大而提高的现象^[26]。图 6为两种组合体DIF随气压的变化过程。

图 6 动态增长因子变化过程 Fig. 6 Variation process of dynamic increase factors

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由图 6可知，随着气压的升高，两种组合体的DIF均呈增大趋势，但在低气压下的增幅小，说明两种组合体试件均具有应变率增长效应，但在低气压下组合体对冲击荷载的敏感性较小。在气压低于0.5 MPa时，CB-1的DIF大于CB-2，在0.5 MPa后，则相反。这是因为低气压时，CFRP发挥作用相对较小，当气压增至0.5 MPa之后，CFRP以环绕的方式约束ECC加固混凝土动态提升效果更好。0.7 MPa气压下，两种组合体的DIF均在1.6左右，表明两者均适宜于高动态荷载作用环境^[27]。

SHPB试验中，两种粘贴方式的组合体在不同气压下的破坏状态如图 7所示。

图 7 组合体的动态破坏形态 Fig. 7 Dynamic failure modes of combination specimens

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由图 7可以看出，两种加固方式下的混凝土层破坏程度随着气压的增大而加剧，碎块尺寸越来越小，最终混凝土层的破坏形态表现为留芯破坏^[25]。这是由于在ECC与混凝土层的黏结面以及黏结面近区，ECC对混凝土层产生的环向约束作用，而这种约束力在黏结面以外逐渐减弱，这使得黏结面以外的混凝土构件在冲击荷载作用下发生更为严重的破坏。

图 8和图 9是两种粘贴方式的组合体在不同冲击气压下的各能量时程曲线。

图 8 CFRP黏结下(端面)组合体在不同冲击气压下的能量时程曲线 Fig. 8 Energy time-history curves of CFRP bonded (bottom) combination under different impact pressures

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图 9 CFRP黏结下(环绕)组合体在不同冲击气压下的能量时程曲线 Fig. 9 Energy time-history curves of CFRP bonded (surround) combination under different impact pressures

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图 8和图 9表明4种能量均保持上升趋势，最终表现为：入射能＞反射能＞吸收能＞透射能，这是因为试件波阻抗较小，入射能到达入射杆与试件接触的端面时大部分能量发生反射，剩余能量依次透过试件和透射杆，其中大部分剩余能量用于破坏试件，小部分传播到透射杆。不同气压下，各能量随时间的变化趋势大致相同，均呈先缓慢增长再快速增长，最后保持稳定的变化趋势。

同种气压下，两种组合体的入射能有所差异，属于正常误差。CB-2的反射能、透射能及吸收能均高于CB-1。在冲击过程中，反射能和透射能的变化均出现在波阻抗发生突变的位置^[28]，如能量从入射压杆传递到试件时，由混凝土层传递到ECC层时和ECC层传递到透射压杆时。CB-2相较于CB-1有更多的能量被反射，这是因为能量在从ECC层传至透射杆的过程中，对于CB-1试件，端面粘贴的CFRP布和环氧树脂与透射杆之间的波阻抗相差较小，因此反射能量较少。对于CB-2试件，ECC层与透射杆直接接触且两者波阻抗相差较大，导致更多的能量被反射。透射能与试件的应力水平有关，变化规律一致。

耗散能，也称吸收能，代表试件在冲击过程中所吸收的能量。两种组合体的吸收能随气压的变化曲线如图 10所示，在CFRP约束下，试件吸收能量包括试件发生破坏吸收的能量和CFRP布产生变形的能量。由图 10可以看出，CB-1与CB-2在冲击过程中的吸收能均随着气压升高而增大，且呈近线性增长，0.7 MPa气压下，两种组合体的耗散能分别为78.3 J和82.26 J，CB-2较CB-1提高了5.06%。这是因为环绕粘贴CFRP提供相对更高的约束力，吸收更多的能量，也使得该组合体中混凝土层的破坏程度更小，与破坏状态呈现的结果相似。

图 10 两种组合体的吸收能在不同气压下的变化曲线 Fig. 10 Variation curves of absorbed energy of two combinations under different air pressures

图选项

综上所述，在CFRP-ECC复合增强层的约束下，组合体破坏得到有效的抑制，且当CFRP以环绕粘贴的方式加固ECC层时，能进一步提高试件的储能极限，也说明如要呈现与CB-1相同的破坏状态，则需要吸收更多能量。因此，在小尺寸修复工程中，从能量吸收的角度分析，CFRP以环绕粘贴形式加固ECC层构成的复合增强层相较于传统端面粘贴CFRP的方式对混凝土的加固效果更好，整体表现出更好的抗冲击能力。

(1) 随着冲击气压升高，两种组合体的峰值应力、峰值应变和动态增长因子(DIF)均呈上升趋势，0.7 MPa较0.3 MPa气压作用下，两种组合体的DIF分别提高了56.77%，59.41%，都具有明显的应变率效应。此外，环绕粘贴CFRP的组合体(CB-2)在峰值应力及峰值应变方面均表现出优于端面粘贴CFRP的组合体(CB-2)的性能。

(2) 两种组合体中混凝土层的破坏程度均随气压的增大而加剧，最终表现为留芯破坏。高冲击气压下(>0.5 MPa)两种组合体的破坏程度相差不大，但低冲击气压下(≤0.5 MPa)，CB-2的破坏状态明显优于CB-1，抗冲击性能更好，延性更好。

(3) 两种组合体的各能量变化趋势相似，均随气压升高而增大，且入射能>反射能>吸收能>透射能。CB-2的吸收能均高于CB-1，当0.7 MPa冲击气压下，两种组合体吸收能分别为78.3，82.26 J，CB-2的吸收能增幅为5.06%，采用环绕粘贴CFRP的方式能进一步提高组合体的储能极限。

(4) 在小尺寸修复工程中，环绕粘贴方式下CFRP与ECC构成的复合增强层对小尺寸受损混凝土构件的修复加固效果更好。未来急需开展复杂环境下(高温、高氯盐浓度等)该复合材料修复加固性能研究，以期为该材料在小尺寸修复工程中产业化应用提供技术支撑。