CFRP加固混凝土梁的凍融試驗(yàn)研究

張 勇 卜娜蕊 馬國(guó)慶

（1.石家莊文濤建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司；2.河北建筑工程學(xué)院）

FRP在土木工程加固中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中應(yīng)用較多的是碳纖維和玻璃纖維.玻璃纖維由于自身的性能限制而制約了其在工程上的大力應(yīng)用.碳纖維以高強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫等良好的性能在加固工程領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用.在我國(guó)北方地區(qū)，潮濕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)不可避免的容易受到凍害作用，并引起混凝土的開裂和剝落，且進(jìn)一步造成鋼筋銹蝕等更嚴(yán)重的破壞.碳纖維其對(duì)混凝土的長(zhǎng)期加固性能未得到證實(shí).因此，研究碳纖維加固混凝土構(gòu)件在凍融循環(huán)作用下的耐久性很有現(xiàn)實(shí)意義.基于此，本研究對(duì)碳纖維加固混凝土構(gòu)件的凍融破壞進(jìn)行了試驗(yàn)研究，希望對(duì)碳纖維在工程加固上的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)，為后繼的研究工作提供參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試件混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，采用國(guó)產(chǎn)碳纖維布，粘結(jié)劑采用國(guó)產(chǎn)環(huán)氧樹脂.碳纖維和環(huán)氧樹脂的性能參數(shù)見表1和表2.

表1 碳纖維布的性能指標(biāo)

表2 結(jié)構(gòu)膠的材料參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的素混凝土試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm.試驗(yàn)試件為6個(gè)試件.凍融循環(huán)的主要變化參數(shù)為循環(huán)次數(shù)，試件加載時(shí)采用三分點(diǎn)加載，加載示意圖見圖1.凍融循環(huán)試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ 82-85）中抗凍性能試驗(yàn)的快凍法進(jìn)行，每次凍融循環(huán)時(shí)間是3 h，控制試件中心溫度最低（－17±2）℃、最高（8±2）℃.凍融循環(huán)次數(shù)2組試件為25次、2組為50次，并將凍融次數(shù)作為參數(shù)變化.根據(jù)預(yù)計(jì)的破壞荷載值，采用壓力試驗(yàn)機(jī)，量程為200 k N.為準(zhǔn)確量取混凝土和纖維在受荷狀態(tài)下的應(yīng)變，在構(gòu)件的純彎段粘貼應(yīng)變片并采用國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集.試件的編號(hào)、開裂荷載、開裂應(yīng)變、極限荷載和跨中位移的數(shù)據(jù)見表3.

表3 試驗(yàn)梁的加固情況與主要試驗(yàn)結(jié)果

圖1 混凝土試驗(yàn)梁的加載示意圖

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）粘貼碳纖維布對(duì)構(gòu)件的加固作用分析

對(duì)未加固的混凝土試件在施加荷載時(shí)，試件一開裂，裂縫就迅速發(fā)展，試件發(fā)生脆斷破壞；由碳纖維加固的試件開裂后并未直接發(fā)生破壞現(xiàn)象，說明經(jīng)過碳纖維加固后試件延性有所提高.試驗(yàn)結(jié)果表明，粘貼碳纖維加固的混凝土試件較之未加固的試件承載力提高較明顯，開裂荷載和極限荷載分別平均提高了23.7%和88%.圖2為由碳纖維加固的混凝土試件的荷載一應(yīng)變曲線.在混凝土開裂前，碳纖維的應(yīng)變很小，但碳纖維仍發(fā)揮了很大的作用，彌補(bǔ)了混凝土抗拉強(qiáng)度低的不足.混凝土開裂后，受拉區(qū)的混凝土完全退出工作，碳纖維的應(yīng)變急劇增加.隨著纖維的應(yīng)變?cè)黾?，加固的混凝土試件的承載力也相應(yīng)增加.試驗(yàn)現(xiàn)象表明碳纖維加固的混凝土試件在破壞時(shí)發(fā)生的是剝離破壞，破壞比較突然.

圖2 BI-2試驗(yàn)梁荷載－應(yīng)變曲線圖

（2）凍融對(duì)加固混凝土試件的整體影響觀察試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過25次凍融循環(huán)后，混凝土梁試件表面有輕微的剝離現(xiàn)象；經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，混凝土試件表面的剝離現(xiàn)象已經(jīng)很明顯，試件表面已有明顯的粉末狀物.表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在經(jīng)過25次和50次凍融循環(huán)后，混凝土試件的抗拉強(qiáng)度分別平均下降了24%和39%.可見，凍融循環(huán)對(duì)混凝土試件有較大的不利影響.凍融循環(huán)對(duì)由碳纖維加固的混凝土試件的整體影響比較復(fù)雜，要考慮的因素包括：①凍融循環(huán)對(duì)混凝土的影響；②凍融循環(huán)對(duì)碳纖維的影響；③凍融循環(huán)對(duì)碳纖維與混凝土之間的粘接力的影響.凍融循環(huán)對(duì)混凝土的影響，筆者已經(jīng)做了討論.而凍融循環(huán)對(duì)纖維的影響方面，當(dāng)混凝土梁變形較小時(shí)，凍融循環(huán)對(duì)纖維片材性能的影響并不會(huì)降低纖維片材加固混凝土梁的效果；當(dāng)混凝土梁變形較大時(shí)，由于凍融循環(huán)使纖維片材變脆，從而會(huì)使加固的混凝土梁的延性降低.凍融循環(huán)對(duì)混凝土與纖維之間的粘接的影響，纖維片材與混凝土的粘接易受到凍害的影響.所以，凍融循環(huán)后碳纖維加固混凝土試件整體的力學(xué)性能下降.在試驗(yàn)中，表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：經(jīng)過碳纖維加固的試件經(jīng)過25次和50次的凍融循環(huán)后，延性明顯下降.從承載力分析，經(jīng)過碳纖維加固的混凝土試件，凍融循環(huán)對(duì)其影響也較大.經(jīng)過25次凍融后的加固試件BI-5與對(duì)比試件BI-1相比開裂荷載和極限荷載分別平均下降了17%和15%，而經(jīng)過50次的凍融循環(huán)的加固試件BI-6卻平均下降了65%和42%.在試件開裂之前，纖維的應(yīng)變發(fā)展仍不大，平均應(yīng)變分別為270（經(jīng)過25次凍融后的加固試件）和189（經(jīng)過50次凍融后的加固試件），但纖維還是起著很大的作用.說明在粘接良好的條件下，碳纖維加固對(duì)混凝土試件的抗凍融起到一定的有利作用.經(jīng)過50次循環(huán)承載力下降幅度較大，這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)對(duì)纖維與混凝土的粘接起到了不利影響，從而影響了碳纖維對(duì)混凝土試件的加固作用.

1.4 結(jié) 論

（1）未經(jīng)凍融的混凝土試件經(jīng)過碳纖維加固后，其力學(xué)性能得到了提高，開裂荷載和極限荷載分別平均提高了23.7%和88%.經(jīng)過碳纖維加固的混凝土構(gòu)件的變形滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定值，說明碳纖維的加固是有效的.

（2）凍融對(duì)混凝土試件的受力性能有較大的不利影響.

（3）碳纖維加固的混凝土試件的跨中位移，經(jīng)過25次凍融循環(huán)后試件的變形仍滿足規(guī)范的要求，說明碳纖維的加固是有效的.碳纖維基本能滿足寒冷地區(qū)的加固要求.

（4）碳纖維加固的混凝土試件經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，承載力降低程度較大，這是由于凍融循環(huán)對(duì)纖維和混凝土之間的粘接產(chǎn)生了不利影響.