堿環(huán)境下玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁的受力性能

楊 濤，郝海超，盧維平，鄭宏宇

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué) 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004；3.防災(zāi)減災(zāi)與工程安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004)

堿環(huán)境下玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁的受力性能

楊 濤1,2,3，郝海超1,2,3，盧維平1,2,3，鄭宏宇1,2,3

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué) 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004；3.防災(zāi)減災(zāi)與工程安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004)

為了研究堿環(huán)境對(duì)玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁受力性能的影響，對(duì)經(jīng)歷堿溶液侵蝕作用后的玻璃纖維布和玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁試件分別開展單調(diào)靜力試驗(yàn)。研究表明：堿環(huán)境下玻璃纖維布的受力性能退化明顯，但浸漬樹脂的存在可顯著改善其耐久性能；在pH值為12.8的堿溶液中浸泡60 d后，玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁的承載能力和變形性能無明顯退化；GFRP加固鋼筋混凝土梁的受力性能與玻璃纖維布和混凝土梁界面處的粘結(jié)性能密切相關(guān)。

玻璃纖維布；加固；堿環(huán)境；耐久性能

GFRP是一種常用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，經(jīng)GFRP加固修復(fù)后結(jié)構(gòu)的受力性能可以得到明顯的改善[1-3]。我國有面積分布廣泛的鹽堿地，而鹽、堿環(huán)境會(huì)對(duì)GFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生不利影響[4-5]，如：材料力學(xué)性能的降低、GFRP材料與混凝土破壞特征的改變等。部分學(xué)者對(duì)GFRP材料及GFRP加固結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境與凍融循環(huán)等環(huán)境條件下的耐久性開展了試驗(yàn)研究[6-9]，但對(duì)其在堿環(huán)境下的耐久性能開展的試驗(yàn)研究相對(duì)有限。本文通過試驗(yàn)研究了堿環(huán)境對(duì)玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁受力性能的影響，探討了在材料老化后其承載能力、破壞形態(tài)等受力性能的變化特點(diǎn)。

1 玻璃纖維布耐久性試驗(yàn)

采用單向玻璃纖維布作為受損鋼筋混凝土梁試件的加固材料，粘貼劑采用浸漬樹脂。單向玻璃纖維布的抗拉強(qiáng)度為1 502 MPa，浸漬樹脂的抗拉強(qiáng)度為43.4 MPa。為了評(píng)估玻璃纖維布在堿環(huán)境中的耐久性能，設(shè)計(jì)了兩類玻璃纖維布試件：第一類試件寬為30 mm，寬度范圍內(nèi)共包含6束玻璃纖維；第二類試件的規(guī)格尺寸與第一類試件完全相同，但在試件表面均勻涂抹了浸漬樹脂，以考察浸漬樹脂對(duì)玻璃纖維布耐久性的影響。按照在1 L無離子水中拌制含Ca(OH)2、NaOH和KOH分別為11.9、0.9和4.2 g的分析純的比例制作試驗(yàn)所用的堿溶液，溶液的pH值約為12.8。將上述兩類玻璃纖維布試件分別浸泡在堿溶液中20、40和60 d，達(dá)到預(yù)定時(shí)間撈出并干燥后測(cè)試其力學(xué)性能。為防止試件夾持端在加載過程中因局部受力而提前破壞，在試件的兩端設(shè)置鋁片進(jìn)行局部加強(qiáng)，試件如圖1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在堿溶液中浸泡20 d后，第一類玻璃纖維布試件的極限抗拉荷載均值由4.20 kN降至了1.15 kN，降幅達(dá)到了72.6%，可見堿溶液環(huán)境對(duì)玻璃纖維布的受力產(chǎn)生了極為不利的影響。第二類玻璃纖維布試件的初始極限抗拉荷載均值約8.15 kN，在堿溶液環(huán)境中浸泡20 d后的抗拉強(qiáng)度未下降；分別浸泡40 d和60 d后，試件的極限抗拉荷載均值降為7.9 kN和7.04 kN，降幅分別約2.5%和13.6%。通過兩類玻璃纖維布試件試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可見，堿環(huán)境下浸漬樹脂可以有效改善玻璃纖維布的耐久性能。

2 GFRP加固混凝土梁老化后的靜力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了4根鋼筋混凝土梁試件，試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，試件的尺寸和配筋如圖2所示。在對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固前，采用兩點(diǎn)對(duì)稱加載的方式對(duì)試件施加大小約為0.3Pu(9.4 kN)的初始荷載以在梁上形成初始損傷，Pu為鋼筋混凝土梁試件的計(jì)算極限承載力；加載裝置如圖3所示。在初始荷載作用下，試件跨中梁底區(qū)域均觀測(cè)到了裂縫。形成初始損傷后，用單向玻璃纖維布對(duì)梁進(jìn)行加固處理：梁底面全長粘貼玻璃纖維布，同時(shí)在梁側(cè)面粘貼U形箍，加固后的試件如圖4所示。梁中縱向受拉鋼筋和箍筋分別采用HRB 400級(jí)和HPB 300級(jí)鋼筋；混凝土軸心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為46.2 MPa。

整個(gè)試驗(yàn)包括堿溶液中的浸泡老化試驗(yàn)和浸泡后的靜力試驗(yàn)。首先，將試件S1-S3在堿溶液中分別浸泡20、40和60 d，而對(duì)比試件S0放置在自然環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。在浸泡試驗(yàn)結(jié)束后，待試件干燥，分別對(duì)4根梁開展單調(diào)靜力加載試驗(yàn)，試驗(yàn)加載裝置同圖3。加載設(shè)備采用液壓千斤頂，最大加載能力為500 kN。在靜力加載試驗(yàn)過程中主要測(cè)量試件的裂縫分布、承載能力和跨中變形等受力性能。

表1 試件設(shè)計(jì)

2.2 靜力試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 受力過程

試件S0：試驗(yàn)開始后，加載到35 kN時(shí)，跨中靠近加載點(diǎn)梁底位置觀測(cè)到第一條縫；隨著荷載的繼續(xù)增加，梁上裂縫不斷增多，已有裂縫寬度變大；加載到95 kN時(shí)，試件彎剪區(qū)內(nèi)的斜裂縫大多已延伸到梁頂；加載到165 kN時(shí)，跨中梁頂部混凝土受壓開裂并最終被壓碎，隨后跨中梁底部GFRP與混凝土剝離并發(fā)生斷裂。最終破壞時(shí)，梁的彎曲變形較為明顯。

試件S1：當(dāng)加載到40 kN時(shí)，跨中觀測(cè)到第一條裂縫；加載到105 kN時(shí)，試件彎剪區(qū)內(nèi)的斜裂縫延伸到梁頂；當(dāng)加載至168 kN時(shí)，在梁一側(cè)的彎剪區(qū)內(nèi)形成主斜裂縫，U形箍與混凝土梁之間有局部剝離現(xiàn)象發(fā)生，試件發(fā)生最終破壞。

試件S2-S3：兩個(gè)試件在荷載作用下的受力過程較為相似。加載至35～40 kN時(shí)，在梁的跨中區(qū)域首先觀測(cè)到裂縫，隨后彎剪段的斜裂縫逐漸增多，縫寬逐漸增大。在最終受力階段，跨中梁頂混凝土被壓碎，而梁底部GFRP與混凝土之間發(fā)生了不同程度的剝離現(xiàn)象。

2.2.2 破壞形態(tài)

各試件的破壞形態(tài)如圖5所示。試件S1在受力過程中U形箍與混凝土梁局部剝離，其破壞形態(tài)屬于剪切破壞；其他3根試件在最后受力階段梁底GFRP布與混凝土梁之間也有脫開、剝離現(xiàn)象的發(fā)生，其破壞形態(tài)均屬于彎曲破壞。對(duì)比可見，在經(jīng)歷堿溶液的侵蝕作用后，GFRP布與混凝土梁界面間易發(fā)生粘結(jié)破壞，并會(huì)對(duì)GFRP布加固混凝土梁的破壞形態(tài)產(chǎn)生直接的影響。

2.2.3 極限承載能力

4個(gè)試件的極限承載力見表2，可見在堿性溶液中浸泡20、40和60 d后，試件的極限承載力變化不大，并未呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這種現(xiàn)象與以下三點(diǎn)有關(guān)：1)根據(jù)對(duì)兩類玻璃纖維布試件的試驗(yàn)研究結(jié)果可知，在本試驗(yàn)所設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)堿溶液對(duì)涂抹浸漬樹脂的玻璃纖維布的力學(xué)性能影響有限。2)由試驗(yàn)現(xiàn)象可知，GFRP布材料本身未能完全發(fā)揮作用，試件的破壞更多源于GFRP布和鋼筋混凝土梁界面間的粘結(jié)破壞，這也是各試件極限承載力變化不大的原因之一。因此，在堿環(huán)境下浸漬樹脂的抗老化性能與GFRP布加固混凝土梁的耐久性能關(guān)系密切。3)4個(gè)試件在進(jìn)行加固處理時(shí)浸漬樹脂的厚度并不完全相同，這會(huì)導(dǎo)致試件極限承載力有所波動(dòng)。

表2 極限承載能力

2.2.4 荷載-撓度曲線

各試件的荷載-跨中撓度曲線如圖6所示。由圖6可知：1)試件的變形能力與破壞形態(tài)相關(guān)，發(fā)生剪切破壞的試件S1的變形能力最差。2)對(duì)比試件S0、S2和S3可知，堿溶液的侵蝕作用對(duì)GFRP加固混凝土梁變形能力的影響并不顯著。

2.2.5 GFRP的受力狀態(tài)

在各試件的跨中梁底GFRP上布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，得到梁底部GFRP應(yīng)變隨荷載的變化曲線如圖7所示。在達(dá)到極限荷載前，各個(gè)試件的GFRP應(yīng)變隨著荷載的增加而呈線性增長的趨勢(shì)。在試件達(dá)到極限荷載直至最終破壞的過程中，由于浸漬樹脂的作用，GFRP呈現(xiàn)出了一定的塑性變形能力。對(duì)比可見，經(jīng)歷堿溶液侵蝕作用后，各試件上GFRP的工作性能無明顯改變。

3 結(jié)論

1)玻璃纖維布在堿環(huán)境下受力性能退化較為明顯，但浸漬樹脂可以有效改善玻璃纖維布的耐久性能。

2)GFRP布加固鋼筋混凝土梁在經(jīng)歷pH值為12.8的堿溶液侵蝕60 d后，承載能力、變形能力等受力性能無明顯退化。

3)GFRP加固鋼筋混凝土梁的受力性能與GFRP布和混凝土梁界面處的粘結(jié)性能密切相關(guān)，采用抗老化性能好的玻璃纖維布粘貼劑有利于改善加固結(jié)構(gòu)的耐久性能。

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(責(zé)任編輯 李軍)

Mechanical performance of RC beams strengthened with GFRP sheets in alkali environment

YANG Tao1,2,3, HAO Haichao1,2,3, LU Weiping1,2,3, ZHENG Hongyu1,2,3

( 1． College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Guangxi Nanning，530004，China; 2． Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety，Guangxi University，Guangxi Nanning，530004，China; 3． Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education，Guangxi Nanning，530004，China)

To investigate the influence of alkali environment on the mechanical performance of reinforced concrete ( RC) beams strengthened with GFRP sheets，monotonic static tests were conducted on GFRP sheets and RC beams strengthened with GFRP sheets respectively． Which had been subjected tothe corrosion of alkal: solution Experimental results show that mechanical performance of GFRP sheets degenerates significantly in alkali environment，while the impregnating resin can obviously improve the durability of GFRP sheets． Degeneration of the bearing capacity and deformation performance of the strengthened beams is not apparent after being soaked in the alkali solution with pH 12． 8 for 60 days． Mechanical performance of the strengthened beams is closely related to the interface adhesive property between GFRP sheets and RC beams．

GFRP sheet; strengthening; alkali environment; durability

1673-9469(2016)04-0001-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.001

2016-08-28

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(桂科攻1598009-1)；廣西大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目(XJZ130358)

楊濤(1979- )，男，河南淅川人，博士，副教授，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)的研究。

TU375.1

A