氯鹽侵蝕下TRC加固承載RC受彎梁抗裂性能

尹世平，余玉琳，那明望

（1.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 江蘇省土木工程環(huán)境災變與結構可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

1 研究背景

處于海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境中的鋼筋混凝土橋梁等結構，氯鹽侵蝕是引起鋼筋銹蝕的最主要原因，而荷載作用會從微細觀尺度上改變混凝土的孔隙特征，甚至使混凝土產生損傷和開裂，進而影響氯鹽向鋼筋表面的傳輸速率和鋼筋脫鈍、起銹時間［1-2］。大壩、渡槽及水閘等水工結構在腐蝕環(huán)境下一旦發(fā)生破壞，就會使結構本身產生裂縫，隨著水荷載的反復作用以及進一步的腐蝕作用，裂縫將進一步擴大，這樣不但會對結構的耐久性和使用壽命產生直接的影響，而且會造成一定輸水損失，從而造成較大的經濟損失。這就在客觀上需要對這些混凝土結構進行修復、加固、補強，增強其耐久性和可靠性［3］。目前最常用的加固鋼筋混凝土結構的技術是外部粘結纖維增強聚合物（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP），但是此加固方法存在一定局限性［3］，如：（1）耐高溫和耐火性差及受紫外線影響大；（2）低溫環(huán)境下施工過于困難，且不適用于潮濕的混凝土表面；（3）膠體材料與混凝土基底的不協(xié)調性，且缺乏蒸汽滲透性。纖維編織網增強混凝土（Textile Reinforced Concrete，TRC）的出現(xiàn)為解決這個問題提供了一個新的思路，TRC不僅結合FRP的一些優(yōu)點，而且能夠克服FRP的一些不足［4］。與傳統(tǒng)加固材料相比，TRC和既有混凝土結構能更好地協(xié)調和相容［5］。此外，TRC基本不會使原構件的尺寸和自重發(fā)生改變［3，6］。

目前，許多學者對TRC加固混凝土結構的抗彎性能和裂縫發(fā)展規(guī)律進行了研究。尹世平等［7-8］研究表明，采用單面加固或U形加固都可以提高梁的承載力和疲勞壽命，改善裂縫形式；同時把TRC與CFRP加固的RC梁進行了對比，發(fā)現(xiàn)TRC的荷載提高能力稍遜于CFRP，但延性和裂縫控制能力優(yōu)于CFRP。Contamine等［9］研究表明，常規(guī)環(huán)境下使用TRC對混凝土梁進行加固和使用CFRP加固對梁的整體性能影響比較相似，但是TRC加固梁的整體性能更趨于穩(wěn)定。Gopinath等［10］對單調荷載和低周疲勞荷載作用下的玄武巖TRC加固梁研究表明，不管是單調荷載還是低周疲勞荷載下加固梁的破壞模式和裂縫開展基本相同，都得到了較好的改善。Verbruggen等［11］研究了不同加固接觸面積對素混凝土梁裂縫開展的影響，研究發(fā)現(xiàn)，TRC對裂縫的開展具有較好的橋接作用，能較好地限制裂縫開展和提升承載力。文獻［12-13］還針對環(huán)氧樹脂浸漬過的纖維編織網聯(lián)合鋼筋增強混凝土受彎構件的計算理論進行了研究，并給出了整個加載過程中不同階段正截面的承載能力的計算公式。

通過以往的研究可以發(fā)現(xiàn)，TRC對混凝土梁的抗彎增強有著較好的效果。然而氯鹽侵蝕作用下TRC加固承載RC梁的研究還較少，本文在現(xiàn)有研究的基礎上，綜合考慮干濕循環(huán)及其與彎曲應力的耦合作用對TRC加固承載RC受彎梁抗裂性能的影響。

2 試驗概況

2.1 試驗設計整個試驗共制作了7根鋼筋混凝土梁。其中不加固梁1個，承載加固梁6個，梁的信息見表1。文獻［8，14］承載加固梁是在0.2的持載比下進行加固。梁的設計基于文獻［15-16］的研究結果，不加固梁的尺寸為：100 mm×200 mm×1200 mm；因為TRC加固層的厚度約為10 mm左右，所以加固之前尺寸為：100 mm×190 mm×1200 mm。受拉區(qū)布置兩根主筋，級別為HRB400，直徑為12 mm?；炷帘Ｗo層厚度為20 mm（包括加固層），架立筋為兩根直徑為8 mm的HPB300級鋼筋，箍筋采用直徑為6.5 mm的HPB300級鋼筋，在梁的剪跨段箍筋間距為60 mm，其純彎段箍筋間距為150 mm，配筋示意圖如圖1。本試驗中RC梁均采用強度等級C40的混凝土，配合比為水泥∶水∶中砂∶碎石∶減水劑=415∶161∶643∶1181∶2.85，標準試塊養(yǎng)護28 d后，測得的平均強度為45.29 MPa。TRC基體所用細?；炷敛捎梦墨I［7］提供的配合比，標準試塊養(yǎng)護28 d后，測得的平均強度為52.9 MPa。試驗中所用纖維編織網的緯向（增強方向）采用了碳纖維束，而在起固定作用（非受力方向）的經向采用了玻璃纖維束，纖維束的間距為10 mm×10 mm，厚度約為2 mm，為提高纖維束和細粒混凝土的黏結，加固前纖維編織網采用環(huán)氧樹脂浸漬并粘砂處理，其力學性能見文獻［7，17］。

表1 試件信息

圖1 試件尺寸、配筋、應變片及位移計位置（單位：mm）

2.2 加固層的施工工藝TRC的加固步驟：第一，使用鑿子對混凝土梁的底部進行人工鑿毛，除掉表面的水泥漿使石子外露，鑿糙是為了增加梁表面的粗糙度，進而增強TRC和老混凝土之間的粘結性能。第二，在梁的兩側放置木板，然后使用夾具進行固定，保持木板邊緣和梁齊平。第三，在老混凝土表面均勻抹上細?；炷?～3 mm，涂抹均勻，接著鋪設纖維編織網，隨后使用3 mm木條把纖維編織網固定在兩側木板上，繼續(xù)在纖維編織網上覆蓋細粒混凝土，使用3 mm的木條是為了控制加固層總厚度為10 mm。第四，重復第三步，最后把加固層表面均勻抹平。第五，進行養(yǎng)護。

由于承載梁加固是在一定的受力水平（0.2的持載比）下進行加固，所以對承載梁鑿毛之后，把梁放在支座上，然后在梁的上部放置水平分配梁，緊接著放上千斤頂和荷載傳感器，按實驗方案設計的承載應力水平來進行四點彎曲加載。加載后按現(xiàn)澆TRC的步驟來進行加固的實施，施工完成之后，在梁底用木板覆蓋，然后用夾子加緊，防止由于TRC的自重導致加固層下墜，影響TRC和老混凝土之間的界面性能。

2.3 侵蝕環(huán)境及持載方式加固28 d后進行腐蝕試驗，腐蝕持載裝置見圖2，使用千斤頂進行四點彎曲加載，純彎段為400 mm。此外，由于應力松弛，在千斤頂上放置一個傳感器，每3 d測試一下加載情況，如果荷載減少，就使用千斤頂進行加載，以保持荷載的恒定。氯鹽干濕循環(huán)系統(tǒng)如下［16］：在室溫條件下，在5%的氯化鈉溶液中浸泡12 h后，再將氯鹽溶液抽干，晾干試件12 h，整個循環(huán)為24 h，此為一次干濕交替循環(huán)。

2.4 加載方式及測試內容本次試驗采用四點彎曲加載方式進行加載，通過分配梁來對稱布置加載點。試驗中采用千斤頂分級加載，加載等級為5 kN，在梁開裂和鋼筋屈服時，適當加密加載等級，每級加載后保持3～5 min，直到混凝土梁完全破壞。在梁每級加載之后進行裂縫的觀察和最大裂縫寬度的測量，并進行記錄?；炷翍兤N在梁跨中：梁頂1個，梁側面4個，梁底1個；側面的應變片距梁頂?shù)木嚯x依次為40、80、120和160 mm，見圖1?？缰袚隙群椭c的變形用位移計測量。采集設備為東華3816靜態(tài)采集設備。本試驗中所使用的裂縫觀測儀為北京高鐵建GTJ-F210裂縫寬度測試儀，放大倍數(shù)為60倍，自動識別裂縫寬度。

圖2 持載干濕循環(huán)裝置

3 試驗結果與分析

3.1 破壞特征

3.1.1 不同干濕循環(huán)次數(shù) 梁H1、H2和H3的破壞形態(tài)如圖3所示。3根梁的最終破壞形態(tài)都是纖維編織網的拉斷破壞，充分發(fā)揮了纖維編織網的性能。梁H2纖維編織網拉斷后，沿著受拉鋼筋產生橫向裂縫，這是因為干濕循環(huán)次數(shù)的增加促進了氯離子的滲透，加快了鋼筋的銹蝕，同時鋼筋屈服后產生變形，從而削弱了老混凝土與鋼筋的界面性能，使加固層與老混凝土之間的黏結力大于老混凝土與鋼筋之間的黏結力，所以纖維編織網斷裂后裂縫沿著縱筋發(fā)展的概率變大。梁H3最后在纖維編織網斷裂處部分板脫粘，這可能是因為隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，鹽水侵蝕對TRC和老混凝土之間的黏結性能影響較大。因為梁為承載加固，在加固之前進行持載，對梁造成了一定損傷，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，使界面間微觀結構中孔洞和微裂縫增加，同時氯鹽結晶和侵蝕產物增多膨脹引起混凝土開裂，導致界面黏結性能下降，所以在最后破壞時造成了部分TRC脫粘的現(xiàn)象。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)梁的最終破壞形式

3.1.2 不同彎曲應力 梁H4、H5和H6的最終破壞形態(tài)如圖4所示，梁H4和H6的最終破壞形態(tài)為纖維編織網的拉斷破壞，梁H5的最終破壞形態(tài)為端部的脫落破壞。同梁H2，梁H4和H6的破壞過程是鋼筋先屈服，然后上部混凝土壓碎，最后纖維編織網被拉斷，都較好地利用了纖維編織網的性能。梁H5為TRC加固層的端部脫落，一方面可能是由于重復的持載卸載作用，持載加固時梁有一定的變形，卸載后有一定的變形回復，而TRC加固層的限制作用使其與老混凝土間產生了剪切力作用，再進行持載腐蝕時有可能造成層間的輕微錯動，使得二者之間有較多的細微裂縫存在，同時又由于加固之前梁本身已經有較大的裂縫產生，加固之后TRC限制了裂縫的閉合，導致較多較大的裂縫存在，從而促進了氯離子的滲透侵蝕，使TRC與老混凝土的界面粘結性能減弱；另一方面，從圖4（b）中可以看出，板脫落的界面之上和老混凝土分離較為徹底，也可能是施工質量不過關，使得施工時TRC加固層和老混凝土黏結不好，造成了一定的缺陷，再進行一系列的持載干濕循環(huán)后更容易產生剝離破壞。所以上述兩方面因素造成了TRC加固層的端部脫落現(xiàn)象。

圖4 不同彎曲應力梁的最終破壞形式

3.2 裂縫分布及最大寬度裂縫發(fā)展決定了混凝土的工作性能，從結構的可靠性考慮，有效控制混凝土的最大裂縫寬度，可保證結構地安全適用?；谶@一點，本文從裂縫分布和最大裂縫寬度方面來分析TRC的限裂性能。

3.2.1 不同干濕循環(huán)次數(shù) 如圖5所示，3根梁的裂縫分布較均勻，呈現(xiàn)“密而多”的分布現(xiàn)象，主裂縫被分散成幾條小的次裂縫，延緩了大裂縫的發(fā)展，說明在干濕循環(huán)的作用下TRC仍保持了較好的限裂性能，對加固梁的裂縫發(fā)展限制較好。從圖6中可以看出，在100 kN之前3根梁的最大裂縫寬度基本相似，且發(fā)展情況相似，但是在100 kN之后，梁H3的最大裂縫寬度發(fā)展相對于另外兩根梁明顯加快，這可能是因為TRC的加固作用受到了影響，正如3.1.1所解釋，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的性能下降，TRC與老混凝土的界面粘結性能減弱，從而影響了TRC對梁裂縫的限制作用，使加固梁的限裂性能降低，但是從最終的裂縫寬度來看，影響較小?？偟膩碚f，承載加固對TRC的加固效果有一定的影響，使梁的劣化加快，從而影響了梁的最后破壞形態(tài)。但是從梁的裂縫分布和最大裂縫寬度來看，承載加固時，TRC依然能起到較好的增強作用，可以較好地限制梁受彎裂縫的開展。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)梁的裂縫分布

圖6 梁H1，H2，H3的荷載-最大裂縫寬度

圖7 不同彎曲應力梁的裂縫分布

3.2.2 不同彎曲應力 如圖7所示，隨著彎曲應力的增大，裂縫的分布較為集中，且豎向裂縫向上的延伸程度有一定減小，這可能是因為隨著彎曲應力水平的增大，梁會產生較多較大的裂縫，干濕循環(huán)時，造成氯離子的侵蝕嚴重，對老混凝土損害較為嚴重，引起混凝土內部孔隙的破壞，所以造成裂縫分布相對不均勻。由于梁H5最終破壞形式為TRC加固層的脫落破壞，所以從圖8可以看出，在裂縫發(fā)展的過程中，梁H5的最大裂縫寬度相對于其他3根梁較大，說明TRC的限裂作用受到了影響。從圖8還可以看出，在120 kN之前隨著彎曲應力的增大，裂縫寬度減小，這可能是因為重復的持載卸載作用使鋼筋的強度提高而延性降低，從而鋼筋的變形較小，減緩了裂縫的發(fā)展。但在120 kN之后，彎曲應力較大時，梁的最大裂縫寬度也隨之增大。這可能是受承載加固的影響，正如3.1.2節(jié)所解釋，梁的持載越大，TRC和老混凝土之間承受的反復剪切力作用越大，對TRC和老混凝土之間的界面性能影響越大，從而一定程度上影響了TRC限裂作用的發(fā)揮。但是從圖7和圖8來看，裂縫都較多且間距較小，且4根梁的最大裂縫寬度相差較小，發(fā)展較為相似，說明TRC在荷載和環(huán)境的耦合作用下，仍能保持較好的限裂作用。

4 結論

（1）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，承載加固梁的裂縫開展都加快，最大的裂縫寬度變大，梁的破壞趨向于嚴重，但梁在受力過程中TRC始終保持較好的作用，限制了裂縫的發(fā)展和最大裂縫寬度，防止了因裂縫寬度較大而加速梁的破壞。

（2）隨著持載腐蝕彎曲應力的增大，承載加固梁中TRC和老混凝土之間的界面性能退化明顯，一定程度上影響了TRC的抗裂性能，梁的裂縫開展都有所加快，最大裂縫寬度增加，裂縫延伸減弱。

（3）TRC是一種有效的加固措施，在干濕循環(huán)及其與荷載耦合作用下能較好地限制裂縫的開展，在梁加固前有上部承載時，也能有良好的加固效果，增強了梁的抗裂性能。

綜上所述，TRC具有較好的限裂性能，且適用于海洋等嚴酷環(huán)境下混凝土結構的加固與修復，在水工混凝土領域會有較好的發(fā)展前景。