碳纖維加固鋼筋混凝土板的試驗(yàn)研究

周慶華，吳建平

(中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230)

鋼筋混凝土板是典型的受彎構(gòu)件。鋼筋混凝土板在荷載作用下，位于受拉區(qū)的混凝土容易出現(xiàn)裂縫，從而導(dǎo)致鋼筋腐蝕，承載力和耐久性降低，結(jié)構(gòu)功能退化甚至成為結(jié)構(gòu)安全的隱患，因此，研究鋼筋混凝土板的碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固具有較顯著實(shí)際意義。

1 試件制備

1.1 試件方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)研究共制作了4塊板，編號(hào)分別為 B1、B2、B3、B4。板的規(guī)格相同，均為340 cm×100 cm。板的設(shè)計(jì)如圖1所示。其中 B1為基準(zhǔn)板，B2、B3、B4為加固板。三塊加固板的碳纖維粘貼網(wǎng)格及碳纖維用量各不相同，其加固方案列于表1中，碳纖維加固設(shè)計(jì)如圖2～圖4所示。

表1 板的編號(hào)及粘貼碳纖維方式

本試驗(yàn)所用的加固材料是重億型碳纖維布，粘結(jié)劑為Araldite牌膠。試件混凝土水灰比采用0.5，強(qiáng)度等級(jí)C40，鋼筋采用普通HPB235級(jí)鋼筋制作，鋼筋混凝土板的材料及加固材料的性能如表2所示。

圖1 鋼筋混凝土板設(shè)計(jì)(單位:mm)

圖2 板B2碳纖維加固方式(網(wǎng)格1，單位:cm)

圖3 板B3碳纖維加固方式(網(wǎng)格2，單位:cm)

圖4 板B4碳纖維加固方式(網(wǎng)格3，單位:cm)

表2 材料力學(xué)性能

1.2 試件制作

混凝土澆筑后自然養(yǎng)護(hù)至28 d粘貼碳纖維布。粘貼前打磨構(gòu)件表面，打磨后清除混凝土表面浮灰，均勻飽滿地涂一層底膠，等底膠干后，涂一層均勻的粘結(jié)劑，將已裁剪好的碳纖維布粘貼上去，同時(shí)用刷子沿碳纖維受力方向刷動(dòng)，以利于碳纖維布和底膠的充分結(jié)合，并將布內(nèi)氣泡中的空氣趕壓出去。隨后，在碳纖維表面再刷一層粘結(jié)劑，待7 d后粘結(jié)劑完全固化，即進(jìn)行加載試驗(yàn)。

2 加載試驗(yàn)

2.1 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容包括:板的底面與頂面混凝土縱向應(yīng)變、板的豎向位移(撓度)和板的裂縫。應(yīng)變測(cè)量使用大標(biāo)距(10 cm)電阻式應(yīng)變片、位移測(cè)量使用百分表、裂縫測(cè)量使用刻度放大鏡和塞尺。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)總數(shù)為24個(gè):其中板底面布置15個(gè)，板頂面布置9個(gè)。板底面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在碳纖維布表面，而板頂面的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在混凝土表面。

位移測(cè)點(diǎn)總數(shù)為6個(gè)，分別沿板的兩側(cè)對(duì)稱布置，每側(cè)3個(gè)百分表。

2.2 加載試驗(yàn)

本項(xiàng)試驗(yàn)的板均為單向板，兩短邊簡(jiǎn)支，兩長(zhǎng)邊自由。板的凈跨為lo=3 000 mm。采用加載方式進(jìn)行加載。加載程序?yàn)?0級(jí)→1級(jí)(17 kN)→2級(jí)(34 kN)→3級(jí)(51 kN)→4級(jí)…，4級(jí)以后的荷載因板而異。施加給板的試驗(yàn)荷載通過(guò)分配板及兩條木方轉(zhuǎn)換成兩平行線性荷載，兩荷載間距為80 cm。每級(jí)荷載施加完畢后測(cè)讀一次全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，待該級(jí)荷載作用下，板的變形穩(wěn)定后再測(cè)讀一次全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后才施加下一級(jí)荷載，直至板破壞。在加載過(guò)程中，記錄開(kāi)始出現(xiàn)裂縫時(shí)的荷載，以及裂縫的開(kāi)展寬度與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)荷載。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 板的豎向位移試驗(yàn)結(jié)果及分析

板的位移測(cè)點(diǎn)共有6個(gè)，編號(hào)分別為百分表1～百分表6。其荷載—位移曲線如圖5～圖8所示。

從圖5可以看出，基準(zhǔn)板 B1在加載達(dá)到34 kN時(shí)，位移的變化呈明顯的線性特征?？梢耘袛嘣谶@一階段，板底部混凝土尚未開(kāi)裂，中性軸穿過(guò)截面的幾何中心，拉應(yīng)力由鋼筋與混凝土共同承擔(dān)。

圖5 板B1荷載—位移曲線

當(dāng)加載達(dá)到51 kN時(shí)，板底部位移開(kāi)始出現(xiàn)非線性增大的趨勢(shì)，從裂縫測(cè)量結(jié)果來(lái)看，這時(shí)的板底部出現(xiàn)肉眼可觀察到的裂縫，寬度很小，只有0.05 mm。裂縫出現(xiàn)后，截面中性軸上移，拉應(yīng)力僅由鋼筋承擔(dān)，到加載達(dá)到61 kN時(shí)，位移增長(zhǎng)很快，非線性特征已經(jīng)非常明顯?？梢耘袛?，加載在51～61 kN之間時(shí)，鋼筋達(dá)到了屈服點(diǎn)。

繼續(xù)加載到66 kN時(shí)，板底位移的增長(zhǎng)繼續(xù)加快，加載到71 kN時(shí)，跨中位移超過(guò)百分表量程，同時(shí)板底裂縫寬度達(dá)到7.50 mm，板達(dá)到其承載力極限，已經(jīng)破壞。

根據(jù)板B1的荷載—位移關(guān)系曲線可以判定，板B1的極限承載力為65 kN，正常使用荷載可以取為53 kN，對(duì)應(yīng)的彎矩為34.78 kN·m。從圖6可以看出，板 B2的位移在加載達(dá)到51.0 kN時(shí)，仍然保持非常明顯的線性特征。加載達(dá)到63.8 kN時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)板底裂縫，寬度為0.05 mm，位移開(kāi)始出現(xiàn)加快增長(zhǎng)的現(xiàn)象，但在這之后，一直到加載達(dá)到91.8 kN，位移的增長(zhǎng)又呈線性，從圖6上看就是曲線以另一個(gè)較大的斜率延伸。加載到98.8 kN后，可聽(tīng)到碳纖維稍許剝離聲響，位移曲線的斜率又有增加，最后加載到101.8 kN，又出現(xiàn)少許碳纖維剝離聲，板底裂縫達(dá)到0.55 mm，停止加載。

根據(jù)板B2的荷載—位稱變化規(guī)律可以判定，正常使用荷載可以取為85 kN。板的極限荷載為98 kN。

圖6 板B2荷載—位移曲線

比較板B1和板B2的位移，最大的不同之處在于板B2的位移曲線有兩個(gè)線性段。第一個(gè)線性段與板B1的線性段相同，是從開(kāi)始到板出現(xiàn)可測(cè)量裂縫之前。第二個(gè)線性段從板出現(xiàn)可測(cè)量裂縫一直到板達(dá)到承載力極限前出現(xiàn)碳纖維剝離聲響。剝離聲出現(xiàn)后，再加載，位移加速增加，直至達(dá)到承載力極限。

板B3的位移規(guī)律同板B2相同(見(jiàn)圖7)，也有兩個(gè)明顯的線性段，不同之處在于板B3的承載力稍低，比板B2低5%，位移和板底裂縫較大，加載達(dá)到96.8 kN時(shí)，碳纖維剝離聲較大，而且連續(xù)出現(xiàn)，最后的裂縫寬度達(dá)1.50 mm。

圖7 板B3荷載—位移曲線

板B3與板B2的碳纖維粘貼方式稍有不同，從承載力提高幅度上看，板B3的提高幅度明顯劣于板B2。

根據(jù)板B3的荷載—位移變化規(guī)律可以判定，正常使用荷載可以取為82 kN。極限荷載為93 kN。板B4的位移規(guī)律同板 B3、板 B2相同(見(jiàn)圖8)，同樣有兩個(gè)明顯的線性段。不同之處在于，板B4的承載力比板B2提高了10.8%，比B3提高了16.5%。同時(shí)板底位移、裂縫寬度較板B2、B3也有所減小。

圖8 板B4荷載—位移曲線

根據(jù)板B4的荷載—位移變化規(guī)律可以判定，正常使用荷載可以取為98 kN。板的極限荷載可以取為101 kN。

從加固效果來(lái)看，考慮到板B4比板B2、B3多使用5.5%的碳纖維，粘貼方式網(wǎng)格式3仍然明顯優(yōu)于網(wǎng)格式1和網(wǎng)格式2。分析其原因，可能是較均勻的碳纖維分布有利于充分發(fā)揮碳纖維的受力性能。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明:①碳纖維加固可以明顯增強(qiáng)鋼筋混凝土板的正截面剛度，減小位移量，在本試驗(yàn)研究中，接近極限荷載時(shí)，加固板的位移大大小于基準(zhǔn)板位移，位移的減小量達(dá)50%左右;②碳纖維加固后的鋼筋混凝土板，其荷載—位移規(guī)律在達(dá)到極限荷載前，有明顯的兩個(gè)線性段，兩個(gè)線性段的斜率不同，第二個(gè)線性段斜率明顯大于第一個(gè)線性段，兩個(gè)線性段的交點(diǎn)在板出現(xiàn)可測(cè)量裂縫時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載附近;③碳纖維的粘貼方式對(duì)板的承載力提高幅度有影響，用較窄的碳纖維布條與用較寬的碳纖維布條相比，在碳纖維總用量相同的情況下，前者更能減小板的位移，對(duì)承載力提高更有利。

3.2 板的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及分析

板的縱向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)共有24個(gè)，其中板底面15個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置在碳纖維布表面，板頂面9個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置在混凝土表面。應(yīng)變與荷載的關(guān)系曲線如圖9～圖16所示。

對(duì)于基準(zhǔn)板 B1而言，板頂和板底跨中的應(yīng)變隨荷載的變化關(guān)系比較簡(jiǎn)單。板底的跨中應(yīng)變?cè)谝绯銮?，隨荷載的變化呈明顯的線性關(guān)系。而對(duì)于板頂跨中應(yīng)變，在加載小于34 kN時(shí)，呈明顯線性關(guān)系，在超過(guò)34 kN后，則呈非線性關(guān)系(見(jiàn)圖9和圖10)。

加固板B2的荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線與基準(zhǔn)板明顯不同。板底面的測(cè)試結(jié)果其實(shí)是碳纖維的應(yīng)變，其變化規(guī)律與豎向位移的結(jié)果非常類似，荷載—應(yīng)變曲線也有兩個(gè)線性段。第一個(gè)線性段線性程度非常高，而第二個(gè)線性段線性程度是近似的。同時(shí)，兩個(gè)線性段的交點(diǎn)也在初始可測(cè)量裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載附近。板頂面的測(cè)試結(jié)果是混凝土的應(yīng)變，其荷載—應(yīng)變曲線在荷載<51kN時(shí)呈很好的線性關(guān)系，當(dāng)荷載超過(guò)51 kN且小于98 kN時(shí)，曲線也近似呈線性，但是離散性較大(見(jiàn)圖11、圖12)。

圖9 板B1跨中底面荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖10 板B1跨中頂面荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖11 板B2跨中底面荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖12 板B2跨中頂面荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線

加固板B3與加固板B2的荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線比較接近，跨中底面碳纖維的應(yīng)變與荷載的關(guān)系曲線也有兩個(gè)線性段。同時(shí)，兩個(gè)線性段的交點(diǎn)也在初始可測(cè)量裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載附近。板頂面混凝土的荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線在荷載<51 kN時(shí)呈很好的線性關(guān)系，當(dāng)荷載超過(guò)51 kN，但小于93 kN時(shí)，曲線近似呈線性，但是離散性較大(見(jiàn)圖13、圖14)。

圖13 板B3跨中底面荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖14 板B3跨中頂面荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線

對(duì)于加固板B4，其荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線同板B2、B3比較接近。板底跨中碳纖維的荷載—應(yīng)變曲線也有兩個(gè)線性段，第二個(gè)線性段線性程度是近似的，其斜率較板B2、B3小，而第一個(gè)線性段線性程度較高。同時(shí)，兩個(gè)線性段的交點(diǎn)也在初始可測(cè)量裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載附近。板頂?shù)膽?yīng)變是混凝土應(yīng)變，當(dāng)荷載<51 kN時(shí)呈明顯的線性關(guān)系，當(dāng)荷載超過(guò)51 kN但小于101 kN時(shí)，曲線呈近似線性關(guān)系。不同測(cè)點(diǎn)的離散性較小(見(jiàn)圖15、圖16)。

圖15 板B4跨中底面荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖16 板B4跨中頂面荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線

以上試驗(yàn)結(jié)果表明:①碳纖維加固后的鋼筋混凝土板，其荷載—應(yīng)變規(guī)律同荷載—位移規(guī)律非常類似，在達(dá)到極限荷載之前，有明顯的兩個(gè)線性段，兩個(gè)線性段的斜率不同，第二個(gè)線性段斜率明顯大于第一個(gè)線性段，兩個(gè)線性段的交點(diǎn)在板出現(xiàn)可測(cè)量裂縫時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載附近;②碳纖維的粘貼方式對(duì)板的承載力提高有影響，用較窄的碳纖維布條與用較寬的碳纖維布條相比，在碳纖維總用量相同且均勻分布的情況下，前者的提高幅度更大。

3.3 板的裂縫測(cè)試結(jié)果與分析

混凝土構(gòu)件的裂縫使用刻度放大鏡和塞尺進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量裂縫寬度的同時(shí)，要記錄作用于板的荷載大小。在每塊板的加載過(guò)程中要完整記錄裂縫的發(fā)生、發(fā)展全過(guò)程。圖17為各板的裂縫寬度與荷載的關(guān)系曲線。

圖17 板B1～B4荷載—裂縫寬度曲線

從圖17可以看出，碳纖維加固可以明顯使得初始裂縫出現(xiàn)的對(duì)應(yīng)荷載增大，而且可以延緩裂縫隨荷載的發(fā)展?；鶞?zhǔn)板B1出現(xiàn)可測(cè)量裂縫的對(duì)應(yīng)荷載為51.0 kN，而加固板 B2和板 B3出現(xiàn)可測(cè)量裂縫時(shí)的荷載為63.8 kN，板 B4出現(xiàn)可測(cè)量裂縫時(shí)的荷載為70.8 kN。經(jīng)碳纖維加固后的板，其初始可測(cè)量裂縫出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載增大均在25%以上。

經(jīng)過(guò)碳纖維加固的板，其裂縫隨荷載發(fā)展的速度較基準(zhǔn)板有明顯的延緩。當(dāng)出現(xiàn)初始裂縫后，裂縫寬度隨荷載的增長(zhǎng)有一個(gè)明顯的緩慢增長(zhǎng)段，直到荷載增加到84.8 kN時(shí)，各加固板的裂縫寬度都在0.20 mm以內(nèi)。當(dāng)荷載超過(guò)84.8 kN時(shí)，裂縫寬度增長(zhǎng)速度加速，達(dá)到極限狀態(tài)。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明:①碳纖維加固能夠明顯增加板的抗裂能力，提高板出現(xiàn)初始裂縫的對(duì)應(yīng)荷載;②經(jīng)過(guò)碳纖維加固后，板的裂縫寬度隨荷載的增長(zhǎng)較緩慢，有一個(gè)明顯的緩慢增長(zhǎng)段，直到達(dá)到極限荷載，裂縫才加速發(fā)展。

4 結(jié)論

1)碳纖維加固可以明顯增強(qiáng)鋼筋混凝土板的正截面剛度，減小板的豎向位移，在本試驗(yàn)研究中，接近極限荷載時(shí)，加固板的位移大大小于基準(zhǔn)板位移，位移的減小量達(dá)50%左右。

2)碳纖維加固的鋼筋混凝土板，其荷載(應(yīng)變)—位移規(guī)律在達(dá)到極限荷載前，有明顯的兩個(gè)線性段，兩個(gè)線性段的斜率不同，第二個(gè)線性段斜率明顯大于第一個(gè)線性段，兩個(gè)線性段的交點(diǎn)在板出現(xiàn)可測(cè)量裂縫時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載附近。

3)碳纖維的粘貼方式對(duì)板的承載力提高有影響，用較窄的碳纖維布條與用較寬的碳纖維布條相比，在碳纖維總用量相同的情況下，前者更能減小板的位移，承載力提高幅度更大。

4)碳纖維加固能夠明顯增加板的抗裂能力，使得板的初始裂縫出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載增加，且可延緩板的裂縫隨荷載增加的發(fā)展速度;經(jīng)碳纖維加固后，板的裂縫寬度隨荷載的增長(zhǎng)較緩慢，有一個(gè)明顯的緩慢增長(zhǎng)段，直到達(dá)到極限荷載，裂縫才加速發(fā)展。

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