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    碳纖維布用量對(duì)劣化混凝土梁加固效果的影響

    2015-11-28 08:39:10吳元周呂恒林方忠年溫海燕
    建筑材料學(xué)報(bào) 2015年6期
    關(guān)鍵詞:劣化粘貼碳纖維

    吳元周,呂恒林,方忠年,溫海燕,孫 雷

    (1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 徐州 221116)

    碳纖維布(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度,被廣泛應(yīng)用于混凝土梁的受拉區(qū),用以加固補(bǔ)強(qiáng).研究發(fā)現(xiàn)[1-3],用CFRP加固混凝土構(gòu)件能增加混凝土的彈性區(qū)范圍,特別是縱向受拉鋼筋屈服后效果顯著.由于CFRP 為完全彈性材料,它與鋼筋共同工作會(huì)減弱鋼筋的塑性變形,影響構(gòu)件延性的提高,因此CFRP 用量過(guò)多時(shí),構(gòu)件延性會(huì)有所降低[2].

    CFRP加固鋼筋混凝土梁(以下簡(jiǎn)稱加固梁)正截面受彎破壞形式有以下幾種[4-6]:(1)受壓區(qū)混凝土被壓碎,但受拉鋼筋未達(dá)到屈服強(qiáng)度,CFRP未達(dá)到極限拉應(yīng)變;(2)受壓區(qū)混凝土被壓碎,受拉鋼筋已達(dá)到屈服強(qiáng)度,但CFRP 未達(dá)到極限拉應(yīng)變;(3)鋼筋屈服后CFRP達(dá)到極限拉應(yīng)變被拉斷,受壓區(qū)混凝土尚未破壞;(4)保護(hù)層混凝土剪切受拉剝離破壞;(5)CFRP與混凝土基層間黏結(jié)剝離破壞.

    加固梁正截面受彎承載能力提高程度受以下因素影響:混凝土劣化程度、受拉鋼筋銹蝕率、CFRP黏貼層數(shù)及利用率,以及CFRP 與劣化混凝土界面的黏結(jié)性能等[4,6-8].特別地,對(duì)于多層CFRP的利用率,需考慮折減系數(shù)[7].文獻(xiàn)[9]給出的折減系數(shù)k的表達(dá)式為:

    式中:ncf為CFRP的層數(shù);Ecf為CFRP的彈性模量;tcf為每層CFRP的厚度.

    縱向粘貼CFRP在一定程度上能夠提高銹蝕鋼筋混凝土梁的抗彎剛度;設(shè)置橫向U 型箍能有效提高加固體系的整體工作性能[1,10].CFRP 加 固 梁 抗彎剛度的衰減曲線包括初始的快速減小階段、穩(wěn)定衰減階段和梁臨近破壞時(shí)的快速減小階段[11].

    現(xiàn)有文獻(xiàn)充分研究了粘貼CFRP對(duì)劣化鋼筋混凝土梁承載能力的提高程度,卻忽略了混凝土梁整體劣化程度(即混凝土劣化、鋼筋銹蝕以及兩者間黏結(jié)性能退化等)對(duì)加固效果的影響.因?yàn)槭芷茐哪J降挠绊?,CFRP的有效利用率不是一個(gè)常量,而是與混凝土和鋼筋劣化程度相關(guān)聯(lián)的變量.故有必要仔細(xì)研究加固梁的抗彎性能與CFRP用量的關(guān)系.

    本文通過(guò)對(duì)分別粘貼1層和2層CFRP的劣化鋼筋混凝土梁進(jìn)行正截面受彎試驗(yàn),來(lái)研究加固梁的力學(xué)性能時(shí)變規(guī)律.同時(shí)分析加固梁承載力模型、CFRP用量對(duì)加固梁剛度的影響,以及影響CFRP有效利用率的主要因素.為研究混凝土劣化、鋼筋銹蝕以及CFRP與劣化混凝土界面黏結(jié)性能退化等因素對(duì)加固效果的影響,本文將試驗(yàn)梁劣化狀態(tài)分為輕度劣化(有銹斑,受拉縱筋位置混凝土無(wú)明顯銹脹裂縫)、中度劣化(有明顯銹脹裂縫,受拉縱筋位置混凝土保護(hù)層未剝落)和重度劣化(受拉縱筋位置混凝土保護(hù)層銹脹剝落).

    1 試驗(yàn)

    1.1 原材料

    水泥:徐州巨龍水泥廠產(chǎn)P·O 32.5R普通硅酸鹽水泥,密度為3.18g/cm3,比表面積為350m2/kg.砂:天然河砂(中砂),細(xì)度模數(shù)為2.42.粗骨料:最大粒徑為16mm 的石灰?guī)r碎石.混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25,混凝土配合比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂)∶m(石子)=192∶343∶576∶1 063,水灰比為0.56(質(zhì)量比,文中涉及的水灰比、砂率等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù)),砂率35%.CFRP 及黏結(jié)劑基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1.

    表1 CFRP及黏結(jié)劑基本性能指標(biāo)Table 1 Details of CFRP and binder used in the test

    1.2 試件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案

    試驗(yàn)梁于2009年1月統(tǒng)一制作完成,室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28d.圖1為試驗(yàn)梁配筋及CFRP加固方式示意圖.其中圖1(a)的縱向受拉鋼筋直徑為12mm,上部架立筋直徑為8mm;圖1(b),(c)中為預(yù)防受剪破壞,在梁受剪段每間隔100 mm 粘貼1 層50mm寬U 型箍,同時(shí)設(shè)計(jì)了2 種CFRP 加固量,即分別在試驗(yàn)梁底部受拉面粘貼1層和2層CFRP,其寬度和長(zhǎng)度與梁底面一致.共制作17根試驗(yàn)梁,其中5 根采用方式Ⅰ進(jìn)行加固(編號(hào)記為CL0~CL4),5根采用方式Ⅱ進(jìn)行加固(編號(hào)記為DCL1~DCL5),7根作為各損傷劣化階段的對(duì)比梁(編號(hào)記為L(zhǎng)0~L6).

    圖1 試驗(yàn)梁配筋及CFRP加固方式示意圖Fig.1 Configuration of specimens and strengthening method(size:mm)

    2009年9月開(kāi)始試驗(yàn),所有構(gòu)件統(tǒng)一時(shí)間放入模擬環(huán)境中,按設(shè)計(jì)周期對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行外觀檢查,測(cè)量試驗(yàn)梁面層銹脹裂縫寬度ω.分批對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行正截面受彎試驗(yàn),然后采用取芯法,從梁的兩端不受力處鉆取芯樣,測(cè)量芯樣碳化深度X,并采用軸壓法檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度值fc,隨后對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行破型,取出銹蝕鋼筋,測(cè)量銹蝕率η,極限承載力Fu和跨中撓度δ.

    根據(jù)工程實(shí)測(cè)結(jié)果[12],模擬煤礦地面環(huán)境,開(kāi)展加速劣化試驗(yàn).主要考慮因素為HCl和CO2氣體質(zhì)量濃度以及Cl-和SO2-4質(zhì)量分?jǐn)?shù),不考慮溫濕變化,環(huán)境設(shè)置如表2所示.

    試驗(yàn)梁的截面幾何參數(shù)、劣化程度、加固方式及破壞模式等如表3所示.

    2 結(jié)果及討論

    2.1 破壞模式

    不同程度劣化梁加固前后正截面受彎破壞形態(tài)如圖2所示.

    圖2 CFRP加固前后劣化梁破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of beams before and after strengthening

    由圖2可見(jiàn),劣化梁受彎時(shí)主要有2種破壞模式:受壓區(qū)混凝土壓碎和受拉鋼筋屈服破壞;粘貼1層CFRP加固的劣化梁正截面受彎時(shí)主要破壞形態(tài)為CFRP拉斷,在沿受拉鋼筋方向的銹脹裂縫較寬時(shí),部分混凝土保護(hù)層會(huì)被剝離;粘貼2層CFRP加固的輕度劣化梁(DCL1和DCL2)受彎時(shí),CFRP拉斷破壞,當(dāng)劣化程度較大(中度劣化及重度劣化)時(shí),加固梁的主要破壞模式為CFRP 黏結(jié)層剪斷破壞.試驗(yàn)過(guò)程中,U 型箍始終保持較好的抗剪性能,沒(méi)有發(fā)生破壞.

    與劣化梁相比,加固梁受彎破壞形態(tài)有較大變化.主要存在以下原因:(1)受力裂縫的存在,導(dǎo)致混凝土與CFRP界面存在局部脫黏,裂縫兩側(cè)混凝土豎向撓度不等,對(duì)該位置的CFRP 黏結(jié)層產(chǎn)生剪切作用.此外,CFRP承受拉力,阻礙受拉裂縫的發(fā)展,導(dǎo)致純彎段能量過(guò)于集中.CFRP 同時(shí)承受拉力作用和黏結(jié)層傳遞的剪切作用,破壞形態(tài)存在一定的變異性[5,13-14].(2)受壓區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度降低速度相對(duì)緩慢.(3)加固梁正截面受彎時(shí),U 型箍增強(qiáng)了劣化梁箍筋的抗剪能力,而純彎段則缺少U 型箍,抗剪能力明顯偏弱,在交界位置產(chǎn)生剪力突變.(4)CFRP壓條約束受壓區(qū)混凝土及鋼筋橫向變形,提高了試驗(yàn)梁受壓區(qū)承載能力.(5)鋼筋銹蝕造成劣化混凝土銹脹開(kāi)裂,減弱了鋼筋與混凝土的黏結(jié)能力[6,15].加 固梁破壞時(shí),CFRP與黏結(jié)的混凝土同步發(fā)生破壞,而與銹蝕鋼筋的屈服不同步.

    表2 物理模擬環(huán)境設(shè)置Table 2 Setting details of physical simulation environment

    表3 劣化試驗(yàn)梁加固前后受彎破壞特征參數(shù)Table 3 Flexural test results of beams before and after strengthening

    2.2 極限承載力

    圖3給出了加固梁極限承載力Fu與受拉區(qū)鋼筋銹蝕率η的關(guān)系.

    由圖3 可見(jiàn),相對(duì)于未劣化未加固的基準(zhǔn)梁L0,粘貼1層CFRP加固梁的極限承載力在輕度劣化階段略有增長(zhǎng),在中度劣化階段則持續(xù)降低;粘貼2層CFRP加固梁的相應(yīng)指標(biāo)在中度劣化階段基本穩(wěn)定,而在重度劣化階段持續(xù)降低.由此可見(jiàn),加固梁在輕度劣化時(shí)CFRP用量上的優(yōu)勢(shì)并不明顯.

    圖3 加固梁極限承載力隨受拉鋼筋銹蝕率變化趨勢(shì)Fig.3 Ultimate strength of beams changed with the increase of corrosion rate of rebar

    造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)的因素主要有:(1)CFRP與混凝土界面的黏結(jié)性能;(2)CFRP的用量;(3)鋼筋混凝土梁的劣化程度[1,4,7].界面黏結(jié)性能直接影響了CFRP與鋼筋混凝土梁受力變形的協(xié)調(diào)性,中度劣化后,隨著CFRP用量的增加,加固梁的極限承載力顯著增加,但變化趨勢(shì)相近.

    2.3 荷載-撓度曲線

    加固梁的荷載-撓度關(guān)系曲線如圖4所示.

    由圖4(a)可以看出,加固梁的荷載-撓度曲線上有2個(gè)明顯的拐點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)開(kāi)裂荷載和屈服荷載;在圖4(b)中則看不到開(kāi)裂荷載對(duì)應(yīng)的拐點(diǎn),加固梁到達(dá)屈服階段后仍然保持較大的剛度,直到破壞,表現(xiàn)出較大的脆性,粘貼2 層CFRP 的加固梁尤為顯著.

    圖4 加固梁荷載-跨中撓度曲線Fig.4 Load-deflection curves of strengthened beams

    同級(jí)荷載作用下,加固梁的位移增加量與CFRP用量呈反比.相同加固量時(shí),試驗(yàn)梁的極限變形能力隨其劣化程度增加而減小,原因在于加固梁剛度上的變化.除了CFRP及劣化梁自身材料參數(shù)(鋼筋銹蝕率及力學(xué)性能、混凝土劣化程度)影響外,加固梁的剛度主要受CFRP用量、開(kāi)裂截面內(nèi)力臂系數(shù)、受壓區(qū)邊緣混凝土平均應(yīng)變綜合系數(shù)、鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)以及碳纖維布應(yīng)變不均勻系數(shù)影響[10,16].

    3 理論分析

    3.1 CFRP用量對(duì)加固梁極限承載力的影響

    CFRP提高鋼筋混凝土梁抗彎能力的主要原理是彌補(bǔ)了鋼筋銹蝕引起的抗拉能力下降.加固梁受彎裂縫見(jiàn)圖5.其中θ1和θ2分別表示受力裂縫的2個(gè)豎向開(kāi)裂角度;θ3和θ4分別表示混凝土梁中鋼筋受彎變形時(shí)受力裂縫兩側(cè)的撓曲角度;ω 表示受力裂縫寬度;δ1和δ2分別表示鋼筋和碳纖維布豎向變形;l1和l2分別表示受力裂縫兩側(cè)受影響剝離的混凝土長(zhǎng)度;c為混凝土保護(hù)層厚度.

    圖5 CFRP加固劣化梁受彎裂縫Fig.5 Cracks of the beam under loading

    試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在加固梁輕度劣化和中度劣化前期,粘貼1層或2層CFRP,其極限承載力相近.此時(shí),鋼筋與CFRP 受力撓度相等,即δ1=δ2,θ1=θ2=θ3=θ4;在中度劣化后期和重度劣化時(shí),受拉鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開(kāi)裂后,劣化混凝土與銹蝕鋼筋間黏結(jié)性能退化,甚至變?yōu)闊o(wú)黏結(jié)[17],CFRP 與混凝土保護(hù)層形成一體,在加固梁受力裂縫兩側(cè)δ1>δ2,θ1>θ3,θ2>θ4,且θ1≠θ2,此時(shí)對(duì)CFRP黏結(jié)層產(chǎn)生剪切力,U 型箍的約束則對(duì)CFRP加固層產(chǎn)生反向剪切力,兩者相互作用,致使CFRP 黏結(jié)層(嚴(yán)重時(shí)甚至包括CFRP 黏結(jié)層和受拉區(qū)混凝土保護(hù)層兩者)發(fā)生受剪破壞而不能正常發(fā)揮其抗拉性能.CFRP 用量越大,CFRP 黏結(jié)層抗剪能力越強(qiáng),因而承載力也會(huì)增大,直至再次發(fā)生受壓區(qū)混凝土壓碎破壞模式,但增大程度需要進(jìn)一步研究.

    3.2 CFRP用量對(duì)加固梁剛度的影響

    文獻(xiàn)[10]通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算得到碳纖維布加固銹蝕梁的抗彎剛度B,其表達(dá)式為:

    式中:Es和Ecf分別為受拉鋼筋和CFRP彈性模量;As和Acf分別為受拉鋼筋和CFRP截面積;h0和h分別為鋼筋混凝土梁截面有效高度和實(shí)際高度;k(η)為銹蝕鋼筋綜合應(yīng)變系數(shù);ψ 為鋼筋銹蝕后應(yīng)變不均勻系數(shù);αE為鋼筋與混凝土彈性模量之比;αF為CFRP與混凝土彈性模量之比;ρs 為根據(jù)銹蝕縱筋面積計(jì)算的配筋率;ρcf為CFRP加固率.

    為分析CFRP 用量對(duì)加固梁剛度的影響,令k1=EsAsh02,k2=Ecfh2,k3=1.15k(η)ψ+12.54αEρs-0.24,k4=12.54αF,則式(2)可簡(jiǎn)化為:

    式中:b為鋼筋混凝土梁截面寬度.

    由k1,k2,k3和k4的表達(dá)式可知,隨著鋼筋混凝土梁劣化程度的增加,k1和k3逐漸減小,k4逐漸增加,k2為常數(shù).B 值取決于(k1k4-k2k3)與k2k4比值的大小,當(dāng)時(shí),B 隨Acf的增加而增大,反之變小.不考慮式中的常數(shù),EsAs/Ecf是影響B(tài) 變化的主要因素.

    加固梁剛度試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4.

    表4 加固梁剛度試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 4 Results comparison of calculation and test

    由表4可見(jiàn),隨著混凝土梁劣化程度的增加,對(duì)于采用相同方式加固的劣化梁,加固梁剛度計(jì)算值和試驗(yàn)值均呈降低趨勢(shì).對(duì)于劣化程度相近的加固梁CL4 和DCL3,由于滿足,它們的剛度隨著CFRP用量增加而增大,因而后者的剛度略高于前者;加固梁CL2和DCL2雖然劣化程度也相近,但不滿足上式,因而加固梁的剛度并未隨CFRP用量增加而增大.

    3.3 CFRP有效利用率

    CFRP用量增加時(shí)加固梁的極限抗彎能力增大,但兩者不成正比關(guān)系.隨著CFRP 層數(shù)的增加,各層CFRP并不能完全共同工作,部分強(qiáng)度沒(méi)有完全發(fā)揮,因而在計(jì)算加固梁正截面極限承載力時(shí)需要考慮CFRP 的有效利用率γ.CFRP 加固梁理想的受彎破壞模式是受壓區(qū)混凝土壓碎的同時(shí),受拉鋼筋屈服且受拉CFRP 拉斷.此時(shí)加固梁極限彎矩Mu的表達(dá)式為:

    式中:α1為受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值;fc為混凝土抗壓強(qiáng)度;x 為受壓區(qū)高度;fy為受拉鋼筋屈服強(qiáng)度;εcf為受拉CFRP 極限拉應(yīng)變,Acf,min為受拉CFRP最小截面積.

    對(duì)于剪斷破壞的試驗(yàn)梁,破壞點(diǎn)主要發(fā)生在剪力突變位置,即靠近純彎段的第1個(gè)U 型箍邊沿.為保障加固梁承載力的提高效果,需要更多的CFRP用量,此時(shí)Acf取極大值A(chǔ)cf,max,其值可由式(5)求得:

    式中:Gc和Gcf分別為混凝土和CFRP 混凝土界面的抗剪模量;τ和τcf分別為混凝土和CFRP-混凝土界面的剪應(yīng)變;fv和f′v分別為受拉鋼筋和受壓鋼筋抗剪承載力;A′s為受壓鋼筋截面積;FS為加固梁界面剪力.

    由式(4),(5)可以求得Acf,min和Acf,max,從而獲得γ的取值范圍:

    根據(jù)式(6)所求得的γ值,可在對(duì)構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)加固時(shí)有針對(duì)性地控制CFRP 用量,并保障加固效果.

    4 結(jié)論

    (1)CFRP加固梁正截面受彎時(shí),隨著混凝土劣化程度的增加,破壞模式逐漸由受壓區(qū)混凝土壓碎轉(zhuǎn)變?yōu)镃FRP拉斷,最終演變?yōu)镃FRP 黏結(jié)層剪斷且混凝土保護(hù)層剝落.

    (2)銹脹裂縫出現(xiàn)是CFRP 加固梁極限承載力快速退化的關(guān)鍵點(diǎn).開(kāi)裂前,CFRP用量對(duì)加固梁極限承載力影響很??;開(kāi)裂后,由于裂縫兩側(cè)的加固層撓度出現(xiàn)不等,對(duì)CFRP黏結(jié)層產(chǎn)生剪力,促使加固梁過(guò)早破壞.CFRP用量越大,CFRP 黏結(jié)層抗剪能力越強(qiáng),因而承載力也會(huì)增大,直至再次發(fā)生受壓區(qū)混凝土壓碎破壞,但增大程度需進(jìn)一步研究.

    (3)加固梁的剛度變化取決于CFRP 彈性模量及用量、銹蝕鋼筋及劣化混凝土參數(shù),其中,銹蝕鋼筋彈性模量Es和剩余截面積As的乘積與CFRP彈性模量Ecf的比值是影響抗彎剛度B 變化的主要因素.

    (4)同級(jí)荷載作用下,加固梁的位移增加量與CFRP用量呈反比.相同加固量時(shí),極限變形能力隨試驗(yàn)梁的劣化程度增加而減小.

    (5)CFRP有效利用率γ 受其自身破壞模式影響較大.在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)當(dāng)有針對(duì)性地對(duì)劣化梁,尤其是銹脹裂縫及受拉區(qū)混凝土保護(hù)層進(jìn)行處理,以提高CFRP有效利用率.

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