混凝土表面處理對FRP加固效果的影響

王 健

(石家莊市公路管理處勘測設計隊)

1 概述

目前，采用“纖維增強聚合物”(FRP)對混凝土橋梁進行加固已非常普遍。這是因為它具有強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點。但是，有時會出現(xiàn)纖維織物開膠現(xiàn)象，這也是FRP加固遭人非議的主要理由。開膠可能于兩種混凝土表面缺陷有關，一是氣泡，二是裂縫。按施工指南要求FRP粘結前必須對混凝土表面進行嚴格處理。包括消除浮漿，并露出粗集料;填補氣泡和裂縫注漿。

2 氣泡和裂縫的不利影響

對混凝土表面的氣泡如果不予處理就意味著減小了FRP和混凝土之間的粘結面積，消弱了兩種材料的諧同性，甚至導致早期開膠。由于在操作時碾壓不充分，氣泡還可能存在于環(huán)氧樹脂和FRP之間，雖然當初看不問題，時間長了也同樣會出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。

氣泡的存在對加固效果的影響與氣泡大小、形狀有關。大部分學者認為，氣泡對FRP和混凝土的粘結力有不利影響。然而，絕對杜絕氣泡是很困難的，所以有人提出，對氣泡處理與否應該有一個限值。曾有人建議:凡直徑大于φ12mm，或深度大于3.2mm的氣泡均應進行填封;但也有人認為φ15mm以下氣泡對粘結力無多大影響，可以不去管它。

同樣，混凝土表面裂縫也會對FRP加固效果產(chǎn)生不利影響。裂縫的存在不利于力的傳遞，還可能造成FRP被拉斷。對帶裂縫的混凝土梁進行FRP加固已有很多研究，結果指出，與未開裂梁相比，其剛度和極限強度略有降低，但整體性能沒有多大區(qū)別。也就是說，固有裂縫的存在進行FRP加固時，仍能取得較滿意的效果。1996年曾對一批預應力實心板和空心板進行了試驗:先加載至接近板的抗彎強度(已開裂)，然后用CFRP進行加固。結果表明，實心板恢復了強度的90%，空心板恢復了178%。

現(xiàn)有的規(guī)范或指南，大多要求對混凝土表面裂縫進行處理。對小裂縫可以進行封閉，對大于0.25 mm的裂縫必須進行注漿處理。本文試圖通過理論研究和實踐觀測確定出需要處理的閾值。

3 兩種加固工藝

用碳纖維增強聚合物(CFRP)加固橋梁時有兩種形式:

(1)層鋪法:這是我們最常用的方法。首先，將成卷的碳布運至工地，根據(jù)尺寸要求進行裁剪，然后一層環(huán)氧樹脂一層布，貼在混凝土表面上，使碳布充分浸漬在環(huán)氧樹脂中，也稱濕鋪法。

(2)成品板粘貼法:加固材料是在工廠內(nèi)制成的成品板(棒)，它自身就是CFRP材料。用環(huán)氧樹脂把成品板粘貼在混凝土表面即可。也有采用嵌入法加固的:先在混凝土保護層中開槽，槽內(nèi)填充環(huán)氧樹脂，然后將CFRP板(棒)嵌入其中，最后將擠出的環(huán)氧樹脂抹平。

4 混凝土表面氣泡的限值

4.1 濕鋪法

試驗觀測到，荷載達到峰值后，F(xiàn)RP出現(xiàn)開膠現(xiàn)象。開膠發(fā)生在跨中，逐漸向兩端發(fā)展。U形箍破壞后，荷載再不增加。與4條U形箍相比，設11道箍時，承載能力提高，撓度減小。4道箍是FRP開膠破壞，11道箍是FRP拉斷破壞。

氣泡的大小對梁的開裂荷載及鋼筋屈服荷載沒有明顯影響。

4.2 成品板粘貼

將廠家產(chǎn)生的CFRP板直接粘貼在混凝土表面上或嵌入混凝土保護層內(nèi)。此時，在相同的面積比(氣泡面積占粘貼面積的百分比)時，隨著氣泡尺寸的加大，荷載峰值、跨中撓度和FRP的應變均相應減小;氣泡直徑越大，梁的延性越小;彎曲(或彎剪)裂縫的出現(xiàn)引起FRP開膠，承載力大幅下降。

5 裂縫寬度的限值

5.1 濕鋪法

設4道U形箍的梁，在不同裂縫深度和間距時，其“荷載—撓度”曲線的斜率基本相同;當U形箍從4道增加到11道時。被加固梁顯示出相當大的強度和延性，還改變了結構破壞模式，但不同的裂縫寬度對被加固梁的影響并不顯著。

5.2 成品板粘貼

較密的裂縫會引起撓度和FRP應變的增加，它對剛度影響較大，而對強度影響不大，這類加固，梁的破壞都是由FRP開膠引起的。

6 結論

試驗研究旨在探討混凝土表面缺陷對加固效果的影響。采用的變量有:氣泡的大小和深度;裂縫的寬度和間距;U形箍的數(shù)量。這些參數(shù)的前提是:氣泡是圓形;氣泡面積占粘貼面積的5%;FRP開膠系對稱發(fā)生;FRP片(板)采用單層粘貼;采用U形箍進行錨固。結論匯總如下。

(1)無論開膠是什么形式和多大范圍，在用4道箍錨固時，開膠是引起加固梁破壞的主要原因。開膠始自跨中附近，然后向支座方向逐步擴展。當U形箍被拉斷時，加固梁發(fā)生破壞。

(2)當U形箍從4道增加到11道時，會改變梁的破壞模式:從FRP被拉斷破壞。

(3)無論錨固強弱和破壞模式如何，混凝土表面氣泡只要控制在一定范圍之內(nèi)，對加固梁的整體性沒有多大影響。目前設計規(guī)范和施工指南規(guī)定的φ12.7 mm為氣泡直徑的控制值過于保守。

(4)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，凡寬度大于0.25 mm的裂縫均需注漿處理過于保守，建議改為0.8 mm作為寬度限定值，這主要是針對加固梁的耐久性。裂縫間距對加固梁的總體性能有影響。當裂縫寬度為0.25～0.8 mm時，裂縫間距小于38 mm時應適當處理。

總之，這里定出了對混凝土表面各種缺陷處理的閾值，超過該值時應進行處理。