帶工作裂縫GFRP筋混凝土梁抗彎性能受環(huán)境影響試驗研究*

代 力 何雄君 楊文瑞 王 江

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

帶工作裂縫GFRP筋混凝土梁抗彎性能受環(huán)境影響試驗研究*

代 力 何雄君 楊文瑞 王 江

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

通過24根帶工作裂縫玻璃纖維增強材料(glass fiber reinforced polymer, GFRP)筋混凝土梁的抗彎性能試驗，研究了不同加速老化環(huán)境下對其抗彎性能的影響，得到了帶工作裂縫GFRP筋混凝土梁在不同環(huán)境下的破壞形態(tài)、截面應變、荷載-撓度曲線.試驗研究表明,不同工況下帶工作裂縫GFRP筋混凝土梁受力變形直至破壞過程中，跨中截面實測應變分布基本符合平截面假定；不同環(huán)境下帶工作裂縫GFRP筋混凝土梁的抗彎性能相差較大；處于水溶液、堿性溶液環(huán)境下預裂試件的抗彎承載力與室外環(huán)境下預裂試件的抗彎承載力相比分別降低了13.7%和35.3%；而對于非預裂試件而言，處于同樣環(huán)境下浸泡的試件抗彎承載力與室外環(huán)境下相比分別降低了11.5%、7.7%；工作裂縫的存在使得試件的抗彎能力在室外環(huán)境、水溶液、堿性溶液中分別下降了10.90%、13.04%、37.50%.

混凝土梁；GFRP筋；預裂；加速老化環(huán)境；抗彎承載力

玻璃纖維增強材料(glass fiber reinforced polymer, GFRP)筋是由多股連續(xù)玻璃纖維作為增強材料與基體材料膠合，通過擠壓、拉拔等工藝制成[1-2].近年來，國內(nèi)外學者曾對GFRP筋混凝土梁的正截面抗彎性能進行了較為系統(tǒng)的理論和試驗研究[3-8]，這些研究主要針對的是在室內(nèi)環(huán)境下進行養(yǎng)護，待達到預期強度后即進行承載力試驗的GFRP筋混凝土梁.本文對6組共24根帶工作裂縫的GFRP筋混凝土梁在不同加速老化環(huán)境下的抗彎性能進行了試驗研究，主要分析了裂縫、水溶液、堿性溶液環(huán)境等因素對GFRP筋混凝土梁抗彎性能的影響.

1 試驗概況

1.1 材料性能

試驗中采用GFRP筋由南京鋒暉復合材料有限公司提供，GFRP以玻璃纖維為增強材料、乙烯基樹脂及固化劑為基體材料，通過拉擠工藝加工成型.筋體表面采用噴砂處理，以增加筋體與混凝土之間的粘結(jié)力.GFRP筋名義直徑為10 mm，相關力學參數(shù)(由廠商提供)見表1.

1.2 試件設計與環(huán)境作用

試驗梁為矩形截面簡支梁，截面尺寸均為b×h=80 mm×110 mm，跨度為1 100 mm.試件采用C30混凝土澆筑，縱筋為直徑為10 mm的GFRP筋，GFRP筋保護層厚度為30 mm.

為模擬混凝土梁帶裂縫工作的狀態(tài)，用自制反力架對混凝土梁進行預裂加載.加載工況分為2種:第一種,施加開裂彎矩，待產(chǎn)生穩(wěn)定裂縫后將持續(xù)彎矩減小為極限承載力的25%；第二種,直接施加持續(xù)荷載，大小為極限承載力的25%，作為對比試件進行分析，試驗工況見表2.

表2 試驗工況

環(huán)境類型荷載工況試件編號試件數(shù)量室外 預裂+持續(xù)荷載B-14室外 持續(xù)荷載 B-34水溶液 預裂+持續(xù)荷載B-64水溶液 持續(xù)荷載 B-84堿性溶液預裂+持續(xù)荷載B-184堿性溶液持續(xù)荷載 B-204

將16根加載后的梁體試件分別放入恒溫水溶液、堿性溶液(pH=13.5)中進行浸泡，溶液溫度為(20±2) ℃，浸泡時間為2個月.放置在室外環(huán)境下的8根試件作為參照.

1.3 試驗加載與測試方法

試件在不同介質(zhì)溶液浸泡2個月后取出，將試件的混凝土表面進行打磨、平整，去掉1～2 mm的表面疏松層.2點加載布置見圖1.考慮到試件體積較小，無法使用分配梁進行加載，故在加載點處采用液壓千斤頂對稱分級加載，并在2加載點處放置壓力傳感器控制加載.在加載點下方以及跨中處共設置3個位移計，并在梁跨中截面沿高度方向均勻設置5個應變片，所有量測數(shù)據(jù)均由靜態(tài)應變測量系統(tǒng)同步采集.

圖1 加載布置圖(單位：mm)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

不同加速老化環(huán)境下的試件破壞形態(tài)較相似，均出現(xiàn)受壓區(qū)邊緣的混凝土被壓碎的破壞，但GFRP筋未被拉斷.跨中附近出現(xiàn)的裂縫隨著荷載的增加垂直向上延伸，且在純彎段出現(xiàn)更多彎曲裂縫，如圖2a)所示.剪彎段也開始出現(xiàn)斜裂縫，并由支座處向加載點處延伸，隨著受壓區(qū)混凝土壓縮，試驗梁承載力喪失，跨中裂縫幾乎貫穿整個截面，如圖2b)所示.預裂試件由于有裂縫的存在，在水溶液與堿性溶液中浸泡后，比非預裂試件呈現(xiàn)出更強的脆性.

圖2 典型破壞形態(tài)

2.2 荷載-撓度曲線特征

試驗中測定了隨荷載增加時跨中處的豎向位移，并繪制了荷載-撓度曲線，圖3a)～c)為試件分別在室外、水溶液、堿性環(huán)境下放置2個月后的荷載-撓度曲線關系.室外環(huán)境下的試件在開裂前剛度較大，撓度變化緩慢，故曲線斜率較小，開裂后整體剛度突然降低，且GFRP筋彈性模量比鋼筋的彈性模量小，撓度變化加快，曲線斜率逐漸變大，撓曲線可以近似為雙折線關系；在水溶液中，試件的荷載-撓度與處于室外環(huán)境下的比較相似，從加載到破壞的過程中，預裂試件的撓度始終大于非預裂試件撓度；在堿性溶液中，預裂試件與非預裂試件的荷載撓度曲線呈現(xiàn)出線性增長規(guī)律，沒有明顯的轉(zhuǎn)折點.

為了進一步比較6種工況對GFRP筋混凝土梁的荷載-撓度曲線的影響情況，將6種工況下試件的荷載-撓度曲線進行對比，如圖3d)所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在同樣荷載大小情況下，堿性環(huán)境中預裂試件撓度最大，室外環(huán)境下的非預裂試件撓度最小，其余幾種工況下的撓度基本位于兩者之間，且相差不大.這主要是由于預裂試件在浸泡的過程中，OH-和水分子更容易從裂縫進入混凝土內(nèi)部，造成GFRP筋性能的老化和梁承載能力的退化.但由于試件浸泡時間較短，最終反映出來的對比效果并不明顯.

圖3 不同工況下試件荷載-撓度曲線

2.3 混凝土截面應變分布

試驗中測試了每級荷載作用下GFRP筋混凝土梁純彎段混凝土截面的應變情況.圖4為各種工況下GFRP筋混凝土梁在各級荷載作用下沿梁高度方向的應變情況，可以看出，在各種工況下GFRP筋混凝土梁受力變形直至破壞過程中，截面應變基本符合平截面假定，即正截面上各測點應變與該點到中性軸的距離近似成正比，正截面應變基本能夠按照線性規(guī)律分布.試件在室外、水溶液和堿性溶液中下緣混凝土處極限拉應變呈減小趨勢，且極限拉應變所對應的荷載在逐漸減小，可間接反映3種環(huán)境下試件承載力的變化趨勢，說明在室外、水溶液和堿性溶液中試件承載力是逐漸下降的，上緣壓應變變化不是很明顯.

圖4 不同工況時試件截面應變分布

表面粘砂GFRP筋與混凝土之間粘結(jié)較好，在破壞之前兩者能共同受力.由于GFRP筋彈性模量較小，混凝土梁下部受拉區(qū)混凝土開裂時，裂縫迅速向上延伸，中和軸向上升高.

2.4 抗彎承載力

通過對正截面破壞構(gòu)件的抗彎承載力進行對比分析(見圖5)，可以看出帶工作裂縫試件極限抗彎承載力小于無裂縫的試件.預裂的試件中，處于水溶液和堿性溶液浸泡環(huán)境下梁的抗彎承載力與室外環(huán)境的相比分別降低了13.7%和35.3%；而相同環(huán)境下無工作裂縫試件的抗彎承載力與室外環(huán)境下的梁相比有所降低，分別降低了11.5%，7.7%.可見，水溶液、堿性溶液浸泡對GFRP筋混凝土梁的抗彎承載能力均有一定影響，且試件的抗彎承載能力在堿性溶液中的降低程度比在水溶液中大，室外環(huán)境的影響相對較小.裂縫的存在使得試件的抗彎承載能力有不同程度的降低，在室外、水溶液、堿性溶液中分別下降了10.90%，13.04%，37.50%.究其原因，在持續(xù)荷載作用下，混凝土內(nèi)部的GFRP筋一直處于受拉狀態(tài)，在拉應力作用下GFRP筋樹脂基體中的初始缺陷與孔隙會因應力集中現(xiàn)象生成微裂縫，水分子通過這些“微裂縫捷徑”滲透至GFRP筋內(nèi)部進行侵蝕，造成樹脂和纖維之間的粘結(jié)能力部分喪失，從而致使試件抗彎性能的降低.在堿溶液環(huán)境中浸泡的帶工作裂縫試件，為OH-進入混凝土內(nèi)部提供了額外的路徑，OH-直接與GFRP筋表面樹脂接觸發(fā)生水解反應，加速了GFRP筋力學性能的退化，因此帶工作裂縫GFRP筋混凝土梁在堿性溶液中浸泡后抗彎性能退化程度最為明顯.

圖5 試件在不同環(huán)境下極限荷載

3 結(jié) 論

1) 本次試驗中GFRP筋混凝土梁在加載后均出現(xiàn)受壓區(qū)邊緣混凝土壓碎的情況；預裂試件由于有裂縫的存在，在水溶液與堿性溶液中浸泡后，比非預裂試件呈現(xiàn)出更強烈的脆性.

2) 在不同工況下GFRP筋混凝土梁受力變形直至破壞過程中，截面應變基本符合平截面假定.

3) 水溶液、堿性溶液對GFRP筋混凝土梁的抗彎承載能力有一定影響，且試件的抗彎承載能力在堿性環(huán)境中的降低程度比在水溶液中大，室外環(huán)境的影響相對較??；裂縫的存在使得試件的抗彎能力有不同程度的降低，在室外、水溶液、堿性溶液中分別下降了10.90%，13.04%，37.50%.

[1]BAKIS C E, LAWRENCE C B. Fiber-reinforced polymer composites for construction: state-of-the-art review [J]. Journal of Composite for Construction, ASCE, 2002,6(2):73-87.

[2]NKURUNZIZA G. Durability of GFRP bars: a critical review of the Literature [J]. Progress in Structural Engineering and Materials, ASCE, 2005,7(4):194-209.

[3]張志強,師曉權(quán),李志業(yè).GFRP筋混凝土梁正截面受彎性能試驗研究[J].西南交通大學學報，2011,10(5):745-751.

[4]薛偉辰,鄭喬文,楊 雨.FRP筋混凝土梁正截面抗彎承載力設計研究[J].工程力學，2009(1):79-85.

[5]徐新生,紀 濤,鄭永峰.FRP筋混凝土梁撓度的特點及計算方法[J].工程力學，2009,6(1):171-175.

[6]VALARINHO L, CORREIA J R, BRANCO F A. Experimental study on the flexural behavior of multi-span transparent glass-GFRP composite beams[J]. Construction and Building Materials, 2013,49:1041-1053.

[7]SAFAN M A. Flexural behavior and design of steel-GFRP reinforced concrete beams[J]. ACI Materials Journal, 2013,110(6):677-685.

[8]JOHNSON D T, SHEIKH S A. Performance of bend stirrup and headed glass fiber reinforced polymer bars in concrete structures[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2013,40(11):1082-1090.

Experimental Study on the Environmental Effect of Bending Performance of GFRP Reinforced Concrete Beams with Work CracksDAI

Li HE Xiongjun YANG Wenrui WANG Jiang

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

An experimental study on 24 GFRP (glass fiber reinforced polymer) reinforced concrete beams with work cracks under different kinds of accelerated aging environments was conducted to investigate their flexural capacity, failure mode, concrete cross-section strain distribution, load-deflection curves. The results show that the measured strain distribution on the cross sections of GFRP reinforced concrete beams for various conditions obeys the plain section assumption from the process of loading to failure and the flexural capacity of GFRP reinforced concrete beams with work cracks under all kinds of accelerated aging environment is different. For the pre-cracked specimens, the effect of environments under water and alkaline solution demonstrated about 13.7%, 35.3% bending capacity decrease respectively on basis of those of the outdoor. For the non-precracked specimens, the bending capacity of specimen under water and alkaline solution is lower than that of the outdoor environment, reduced by 11.5% and 7.7% respectively. The existence of cracks makes the bending capacity of specimen under outdoor environment, water solution and alkaline solution decrease by 10.90%, 13.04%, 37.50% respectively.

concrete beams; GFRP bars; pre-cracking; accelerated aging environment; bending performance

2015-03-10

*國家自然科學基金項目資助(批準號：51178361)

TU377.9

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.018

代 力(1987- )：男，博士生，主要研究領域為橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設計與安全評估