高寒環(huán)境下碳纖維加固RC雙向板抗彎工作性能研究

李俊清 李永兵

（1.內(nèi)蒙古呼倫貝爾學(xué)院建筑工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008 2.內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)工商管理學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

引言

碳纖維材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)加固中，但在極高寒如呼倫貝爾地區(qū)有關(guān)碳纖維加固 RC結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能的研究成果幾近空白。

工程結(jié)構(gòu)過早地破壞，許多情況下并不是設(shè)計(jì)缺陷而是建筑物的耐久性未達(dá)到要求，通常認(rèn)為，工程材料自身特性和施工質(zhì)量是決定結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)因，而工程結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件和防護(hù)措施則是影響其耐久性的外因。在我國(guó)呼倫貝爾地區(qū)，凍融作用是影響室外工作環(huán)境下混凝土構(gòu)件耐久性的主因之一?；炷两Y(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)過反復(fù)凍融循環(huán)后，內(nèi)部顆粒之間的空隙會(huì)逐漸增大，裂紋增多，混凝土疏松，強(qiáng)度降低從而破壞?，F(xiàn)通過對(duì)12塊2005年制作的受10年凍融作用的鋼筋混凝土雙向板進(jìn)行碳纖維加固試驗(yàn)研究，以分析其抗彎工作性能。

1.試驗(yàn)情況說明

1.1 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)正常溫度（20±3℃）下貼布加固，室外平均氣溫-39℃條件下進(jìn)行加載試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)所用構(gòu)件為 2005年制作的 12塊1800mm×1500mm×70mm的鋼筋混凝土雙向板，這些板在室外自然環(huán)境下層疊堆放10年，已經(jīng)過由季節(jié)變換而致的多次凍融循環(huán)。板內(nèi)受力鋼筋采用HPB235，于板底雙向配置，各板配筋均為：長(zhǎng)向φ6.5@207mm，短向φ6.5@194mm。試驗(yàn)板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C20，板的平均保護(hù)層厚度為15mm。由于板處于未工作狀態(tài)，因此其受損情況不嚴(yán)重，外觀依然完好。未有明顯的混凝土大面積脫落發(fā)生。

1.3 材料性能

C20混凝土彈性模量2.85×104MPa，棱柱體抗壓強(qiáng)度17.75 MPa，立方體抗壓強(qiáng)度26.52 MPa；鋼筋彈性模量屈服強(qiáng)度MPa，極限強(qiáng)度。加固材料采用日產(chǎn)UT70-30碳纖維布及相關(guān)的配套用膠，碳纖維布單層厚度0.167mm，彈性模量，抗拉強(qiáng)度fcu=3430MPa，極限應(yīng)變 2.1%。

1.4 加載加固方式

因?qū)嶒?yàn)室條件有限，且為了與2005年室溫條件下加固板的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，本試驗(yàn)依然采用2005年的試驗(yàn)設(shè)備，采用手動(dòng)千斤頂進(jìn)行四點(diǎn)靜力加載法實(shí)現(xiàn)加載，用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集鋼筋、混凝土及碳纖維的應(yīng)變。表 1中列出試驗(yàn)加載對(duì)象，每一類型試驗(yàn)板取2兩塊重復(fù)兩次試驗(yàn)，取試驗(yàn)結(jié)果的兩次平均值。

表1 試驗(yàn)板貼布、貼片、加載方案

2.試驗(yàn)結(jié)果分析比較

2.1 荷載——鋼筋拉應(yīng)變曲線分析

以下為 2015年冬季室溫（20±3℃）及高寒（平均-39℃）條件下對(duì)比板與加固板相關(guān)測(cè)點(diǎn)鋼筋拉應(yīng)變曲線對(duì)比圖。

圖1 B0短跨跨中鋼筋拉應(yīng)對(duì)比變曲線圖

圖2 B1短跨跨中鋼筋拉應(yīng)對(duì)比變曲線圖

圖3 B5短跨跨中鋼筋拉應(yīng)對(duì)比變曲線圖

圖4 B4短跨跨中鋼筋拉應(yīng)對(duì)比變曲線圖

圖5 高寒加載條件 B0、B1、B2、B3、B4、B5短跨中點(diǎn)鋼筋拉應(yīng)變曲線

從總體分析各板鋼筋應(yīng)變曲線圖可知，各試驗(yàn)板的短跨中點(diǎn)的鋼筋均已屈服，且均有較明顯的屈服臺(tái)階。但與2005年試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)比板與加固板鋼筋的屈服強(qiáng)度降低，應(yīng)變?cè)黾?，而且?duì)比板B0的室溫破壞強(qiáng)度值及各加固板的破壞強(qiáng)度值比2005年的試驗(yàn)結(jié)果有一定降低，這緣于混凝土構(gòu)件的時(shí)效及反復(fù)凍融的影響結(jié)果。

各加固板鋼筋屈服后其荷載——拉應(yīng)變曲線斜率發(fā)生突變，原因是碳纖維發(fā)揮作用所致。有的鋼筋其荷載——應(yīng)變曲線走勢(shì)異常，分析原因主要是由于應(yīng)變片粘貼質(zhì)量較差或是鋼筋變形過大，加載過程中應(yīng)變片從鋼筋上脫落等原因?qū)е隆Ａ硗鈴拿總€(gè)加固板鋼筋應(yīng)變曲線圖上可以看出，室溫與高寒環(huán)境下同方案加固的雙向板在同值荷載作用下其鋼筋應(yīng)變只是高寒環(huán)境下的稍大些，且高寒環(huán)境下板的破壞荷載均小于室溫環(huán)境，其中多數(shù)是由于碳纖維早剝離所致。

從圖5曲線可以看出，對(duì)比板B0短跨中點(diǎn)鋼筋應(yīng)變最大，中密兩疏貼法的板與加壓條的板其短跨中點(diǎn)鋼筋應(yīng)變最小。可見在同量碳纖維下，多條密布且中密兩疏粘貼方式效果最好，應(yīng)優(yōu)先采用。而加壓條的加固板的受力性能幾乎等同于中密兩疏分條貼的板，因此加壓條尤為必要。由圖5還可知，同荷載下粘貼兩層布的B4板的鋼筋應(yīng)變比粘貼一層的板小，因此適量增加貼布量可行。加壓條后的板B5其鋼筋拉應(yīng)變遠(yuǎn)小于同載下的 B1板，且小于同載下的兩層粘貼板 B4。可見在雙向板的加固中，加壓條的加固方式同樣是非常有效且應(yīng)優(yōu)先采用的。說明即使在高寒環(huán)境下，中密兩疏及加壓條的貼布方式仍是有效的加固方案。

2.2 荷載—碳纖維拉應(yīng)變曲線分析

以下為2015年分別在室溫與高寒環(huán)境下加載碳纖維加固板由數(shù)據(jù)繪制的各板跨中荷載與碳纖維拉應(yīng)變曲線圖。

圖6 B1短跨中碳纖維拉應(yīng)變曲線

圖7 B3短跨中碳纖維拉應(yīng)變曲線

圖8 B5短跨中碳纖維拉應(yīng)變曲線

圖9 高寒加載條件各加固板短跨中部碳纖維拉應(yīng)變曲

從現(xiàn)在試驗(yàn)結(jié)果分析得知，經(jīng)過10年自然氣候環(huán)境下反復(fù)凍融，各試驗(yàn)板貼碳纖維布加固后，碳纖維拉應(yīng)變曲線圖所反映的仍然是隨外荷載的增加碳纖維的拉應(yīng)變不斷增加，且荷載—拉應(yīng)變曲線走勢(shì)依然基本呈線性。各試驗(yàn)板短向跨中碳纖維應(yīng)變均大于長(zhǎng)向跨中碳纖維應(yīng)變，但應(yīng)變均未達(dá)極限。同載下，B4、B5應(yīng)變相對(duì)接近且最小，綜合分析B5比B4應(yīng)變小。因此，同量用布情況加壓條的加固方案與中密兩疏貼布方案應(yīng)優(yōu)先采用。只是各加固板破壞荷載較10年前降低，而板趨于破壞時(shí)碳纖維拉應(yīng)變基本與10年前破壞時(shí)應(yīng)變無太大變化。原因在于現(xiàn)階段受損板開裂早，碳纖維提早接替鋼筋進(jìn)入受拉工作狀態(tài)。

2.3 板承載力分析

經(jīng)過10年高寒自然氣候條件凍融作用，進(jìn)行板加固試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無論是室溫還是高寒條件加載，對(duì)比板B0在受拉鋼筋屈服后，在荷載增量不大的情況下，板的變形很大，板很快破壞。粘貼碳纖維布后，如表 2所示，板的開裂荷載、屈服荷載及破壞荷載都有不同程度的提高。

在碳纖維用量相同，粘貼方式不同的一組試驗(yàn)中，貼了碳纖維的 B1、B2、B3、B4、B5板，在受拉鋼筋屈服后板的承載能力依然很強(qiáng)，可見碳纖維有效地提高了板的后期強(qiáng)度?？傮w分析試驗(yàn)結(jié)果可見，受損板相比于2005年實(shí)驗(yàn)結(jié)果無論是否加固其承載力均相應(yīng)降低較大，但在同時(shí)期（2015年）碳纖維加固后的板其承載力有顯著提高，相對(duì)于未加固板，開裂荷載最高提高達(dá)75%，屈服荷載最高提高達(dá)100%，極限破壞荷載最高提高達(dá)118%。增加貼布量可有效提高板承載力，分條貼比整體貼加固效果好，但從加固效果及經(jīng)濟(jì)角度考慮，分條中密兩疏貼布方案與加壓條的貼布方案仍然是提高加固板承載力最有效的方法。不過分析看出，在2015年高寒環(huán)境下各試驗(yàn)板分別受載后，其開裂荷載，屈服荷載及極限破壞荷載較室溫環(huán)境雖然均有所降低，但降低值不大，只是高寒環(huán)境下加載的板其剝離破壞現(xiàn)象嚴(yán)重。

表2 2015年冬季試驗(yàn)板承載能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.結(jié)論

3.1 在呼倫貝爾高寒特征環(huán)境下，經(jīng)過10年之久的自然氣候反復(fù)凍融作用的混凝土雙向板，其抗彎強(qiáng)度較初始未受損狀態(tài)均有明顯降低。其混凝土表層均已不同程度地質(zhì)變疏松。未加固的受損板的開裂荷載在室溫與高寒加載條件下均降低了25%，屈服荷載均降低了10%，極限荷載在室溫加載下降低了 10%，在高寒加載條件下降低了18%。

3.2 處于高寒環(huán)境經(jīng)受自然氣候反復(fù)凍融作用的鋼砼板，在相同加固方案下，在室溫與高寒條件下加載，板的開裂荷載，屈服荷載，極限破壞荷載均體現(xiàn)為高寒環(huán)境下的值偏低，板內(nèi)鋼筋拉應(yīng)變，碳纖維拉應(yīng)變均體現(xiàn)為高寒環(huán)境下的值偏大。即惡劣的工作環(huán)境會(huì)影響加固效果。

3.3 處于高寒工作環(huán)境下的鋼筋混凝土板，采用碳纖維加固可有效提高板的抗彎工作能力，分條以中密兩疏的方式或在受力碳纖維條帶兩端加壓條的貼布方式是提高板抗彎能力最有效的加固方式，應(yīng)優(yōu)先采用。