CFRP加固凍融損傷柱力學試驗研究

聶紅賓，高 宏，廖 勇

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術學院 軌道工程系，陜西 渭南 714000；2. 延長油田股份有限公司 富縣采油廠，陜西 富縣 727500；3. 中鐵隧道勘測設計院，天津 300133）

CFRP加固凍融損傷柱力學試驗研究

聶紅賓1，高 宏2，廖 勇3

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術學院 軌道工程系，陜西 渭南 714000；2. 延長油田股份有限公司 富縣采油廠，陜西 富縣 727500；3. 中鐵隧道勘測設計院，天津 300133）

為了研究碳纖維復合材料（CFRP）加固凍融損傷混凝土柱的力學性能，對CFRP加固混凝土柱進行軸壓試驗。結(jié)果表明：CFRP能有效提高凍融損傷柱的承載力和變形性能；隨著凍融損傷程度的加劇，試件破壞逐漸呈45°角剪切破壞，裂縫多且分散；試件凍融損傷程度越嚴重，CFRP加固效果越好，特別是全包方式。

碳纖維復合材料；凍融損傷；混凝土柱；加固修復；力學性能；試驗

0 引言

CFRP因具有良好的力學性能和耐久性能，目前已被廣泛的應用到工程技術當中，尤其是建筑結(jié)構(gòu)。為了使CFRP技術更好的應用在工程實際當中，我國也出臺了相應的規(guī)范[1]，但隨著CFRP加固技術在工程應用中越來越多，也暴露出很多問題。其中，主要有CFRP的粘結(jié)性、耐久性及工程應用范圍的拓展問題等[2～3]。況且我國大部分地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)裸露在-10°的環(huán)境中，受到不同程度的凍融損傷，如骨料剝離[4]。然而我們對于CFRP的研究僅僅停留在理想狀態(tài)下的粘結(jié)且干燥的工程環(huán)境中[5～7]。試驗在前人的基礎上進行探索性研究，即在混凝土結(jié)構(gòu)受到凍融損傷后，CFRP在潮濕的環(huán)境下加固，并對試件進行軸心抗壓試驗，研究CFRP對凍融損傷混凝土柱加固修復后的受力性能、破壞形態(tài)、承載力和延性的提高率。

1 試驗方案及概況

試驗由陜西省高性能混凝土實驗室和沈陽大學共同完成。柱的尺寸100×100×400 mm[8～9]，混凝土凍融是在快速凍融試驗機上完成的，參數(shù)為凍融50、100至150 次，CFRP加固方式為全包和不同分包（見表1）。試件制作及加固見圖1，應變片具體位置及試驗過程如圖2所示。試驗在5 000 kN壓力機上進行，荷載控制，加載速率為50 N/s。

表1 試驗參數(shù)Table1 Test parameters

圖1 CFRP加固成型工藝圖Fig1 The bonding process map of CFRP sheets

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

CFRP加固試件的破壞見圖2-b所示，CFRP加固凍融損傷試件受荷一定時，聽到“噼里啪啦”聲響，最終以CFRP拉斷和混凝土開裂破壞，同時聽到巨大響聲，與普通加固破壞形態(tài)基本一樣。凍融50 次和凍融0 次試件破壞一樣，裂縫貫通呈雙曲線，但凍融100 次后，混凝土發(fā)生了剪切破壞。全包試件中表面CFRP發(fā)生局部彎曲，說明此時CFRP發(fā)生層間剪切破壞，且全包試件破壞時變形很大，分包試件CFRP周邊裂縫多且分散，詳見表2所示。

2.2 試驗分析

在CFRP加固凍融損傷混凝土柱軸壓試驗中，主要對不同分包方式下承載力、應變等參數(shù)進行對比分析。對比發(fā)現(xiàn)：凍融50 次試件基本沒有損傷，凍融100 次后試件損傷嚴重，150 次后試件破壞，不加固已無承載力能力。全包加固試件基本呈) (狀，且隨著凍融加劇越來越嚴重。

2.2.1 承載力分析

圖2 CF粘貼成型及CFRP加固凍融損傷件試驗加載圖Fig2 Thepaste of CFRPandloading of testdiagram

⑴ 未加固凍融試件承載力分析。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融100 次后，混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生脹裂，承載力下降。但混凝土變形增大。

⑵ CFRP全包凍融損傷試件承載力分析。隨著凍融損傷的加劇，CFRP全包試件承載力也下降，在同等凍融條件下，CFRP全包試件比未加固的承載力增大了20%～300%。

⑶ CFRP分包試件承載力分析。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，分包試件的承載力下降很大，中間分包下降40%～80%，兩端分包下降59.4%～68.8%，但當試件破壞嚴重時，承載力下降不明顯，但試件分包區(qū)的延性大大增加。

表2 CFRP加固凍融損傷試件破壞參數(shù)表Table2 Characteristics table offreeze-thaw damage specimen reinforcedof CFRP

圖3 CFRP未加固試件荷載環(huán)向應變圖Fig3 Load-hoop strain diagram of CFRP unreinforced

圖4 CFRP全包加固試件荷載環(huán)向應變圖Fig4 Load-hoop strain diagram of CFRP inclusive reinforcement

圖5 CFRP中間分包應變圖Fig5 strain diagram of CFRP intermediate subcontract

圖6 兩端分包環(huán)向荷載應變圖Fig6 Load-hoop strain diagram ends of subcontracting

2.2.2 CFRP加固凍融損傷試件中間環(huán)向變形分析

CFRP加固凍融損傷柱的承載力提高，是因為受力過程中CFRP起到約束混凝土作用，而加固試件環(huán)向變形如圖3～6所示。

未加固凍融試件軸壓試驗中，環(huán)向極限應變分別依次為3 500 μm（凍融50 次）、2 120 μm（凍融100 次）和210 μm（凍融150 次），說明凍融50 次試件表面的混凝土無損傷，經(jīng)過凍融100和150 次后，極限應變很小，說明凍融150 次表面發(fā)生了嚴重破壞。

CFRP全包試件在受荷250 kN之前，應變很小，尤其是無凍融全包試件，隨著凍融損傷的加劇，試件的變形性能提高很大。

隨著凍融損傷的加劇，中間分包試件承載力也逐漸降低，中間環(huán)形應變逐漸增大。應變基本趨勢相同。兩端加固凍融150＜50＜100，說明凍融只可以在一定范圍提高未加固區(qū)混凝土延性。

3 結(jié)論

試驗利用CFRP技術修復凍融損傷混凝土柱，并進行軸壓力學性能試驗，CFRP有一定的增強作用，主要結(jié)論如下：

⑴ 通過CFRP加固凍融損傷混凝土柱軸壓力學性能試驗承載力對比發(fā)現(xiàn)，CFRP能有效提高凍融損傷試件的承載力，尤其是全包試件。

⑵ 通過加固試件環(huán)向變形分析可得出，凍融次數(shù)的增加，損傷是從表及里，C30礦渣硅酸鹽水泥制備的混凝土柱凍融循環(huán)50 次，基本沒有損傷。

⑶ 隨著凍融循環(huán)的增加，CFRP加固損傷試件的破壞形態(tài)從一般的雙曲線變化為剪切破壞（斜45°），分包加固區(qū)裂縫多且分散。全包試件CFRP發(fā)生了層間剪切破壞，兩端分包破壞形狀呈燈籠狀。

⑷ 凍融損傷（100 次及150 次）后的加固試件中，CFRP全包能夠大大提高試件的延性，兩端分包破壞形態(tài)明顯。

[1] 賈良, 聶紅賓. CFRP修復隧道中凍融損傷混凝土抗彎構(gòu)件力學性能研究[J]. 隧道建設, 2016, 36(7): 819-825.

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[9] 周禹. 鋼筋銹蝕與凍融作用下鋼筋混凝土梁的抗彎性能[D]. 沈陽: 沈陽建筑大學, 2012.

The research on mechanical properties offreezing-thawing damagedcolumn strengthened by CFRP

NIE Hong-bin1, GAO Hong2, LIAO Yong3

( 1. Department of Rail Engineering, Shaanxi Railway Institute, Shanxi Weinan 714000; 2. Fuxian Oil Production Plant, Yanchang Oilfield Co., Ltd, Shanxi Fuxian 727500; 3. China Railway Tunnel Survey & design Institut, tianjin 300133 China)

The mechanical properties of CFRPstrengthened freeze-thaw damage concrete column are studied. Axial compression tests of the CFRPstrengthened concretecolumnare carried out. The testing resultsshow that: CFRP can effectively improve the bearing capacity and deformation performance of the damaged column. With the increase of degree of freeze-thaw damage, the specimen failure is shear failure with 45° angular and many cracks exist and is scattered; The degree of freezing and thawing is more serious, and the effect of CFRP strengthening is better especiallywholepackage way.

CFRP; freezing-thawing damaged; concrete column; strengthening repair; mechanic property; test

TU375.3; TQ327.3

A

1007-9815（2016）04-0032-03

定稿日期:2016-07-15

國家支撐計劃基金資助項目（2011BAJ06B04）；陜西鐵路工程職業(yè)技術學院科研基金項目（2014-44）

聶紅賓（1986-），男，陜西大荔人，碩士研究生，主要從事纖維混凝土和隧道工程專業(yè)的教學與科研工作，(電子信箱)niehongbin@126.com。