CFRP修復(fù)隧道中凍融損傷混凝土層間力學(xué)性能研究

王豐倉，高 宏，廖 勇

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)計院，天津 300133）

CFRP修復(fù)隧道中凍融損傷混凝土層間力學(xué)性能研究

王豐倉1，高 宏2，廖 勇3

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)計院，天津 300133）

為研究CFRP修復(fù)黃土隧道的安全性問題，結(jié)合西安地鐵2號線魚化寨附近區(qū)間隧道與基坑連接處部分混凝土凍融損傷加固工程案例，對CFRP修復(fù)不同凍融程度的混凝土結(jié)構(gòu)進行彎剪試驗。研究結(jié)果表明：隨著凍融次數(shù)的增加，修復(fù)試件的抗彎承載力逐漸下降，延性增加，層間位移加大；混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和撓度主要隨著CFRP中CF布粘結(jié)長度的增加而提高。據(jù)此建議增加CFRP中CF布的粘結(jié)長度和粘貼層數(shù)。

碳纖維復(fù)合材料；混凝土；凍融損傷；隧道修復(fù)；彎剪試驗；力學(xué)性能；有限元模擬；研究

0 引言

地鐵已是城市最大的基礎(chǔ)設(shè)施之一，修建時工程浩大，環(huán)境復(fù)雜，施工中結(jié)構(gòu)病害時有發(fā)生，在復(fù)雜環(huán)境下如何處理已成為難題[1]。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）修復(fù)技術(shù)在工程中應(yīng)用較多，主要應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中[2]，由于種種原因，也出現(xiàn)不少因CF布粘結(jié)失效引發(fā)的工程事故[3]，但目前國內(nèi)外研究CFRP加固技術(shù)大多是在假設(shè)碳纖維（CF）布粘結(jié)良好的情況下進行，對CF布粘結(jié)工藝問題較少研究。同時調(diào)查發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變片內(nèi)外貼法不一，會對混凝土、CFRP受力和相對滑移都會產(chǎn)生較大影響[4]。對于CF布粘結(jié)研究方法有多種，目前主要有單-雙面剪切試驗[5]、彎曲試驗[6～7]以及直拉試驗[8]等。Horiguchi等人用直拉方法研究CFRP中CF布粘結(jié)力，但試驗過程中加載速度很難控制，且無法控制偏心影響；雙面剪切太復(fù)雜因此很少用。研究基于彎剪試驗，結(jié)合西安地鐵3號線D3GD-某標(biāo)魚化寨附近基坑與區(qū)間隧道連接處發(fā)生隧道混凝土結(jié)構(gòu)凍害修復(fù)工程案例，首次將CFRP技術(shù)引用到黃土隧道結(jié)構(gòu)修復(fù)中，針對CFRP修復(fù)凍融損傷混凝土結(jié)構(gòu)層間力學(xué)性能進行研究，主要對CF布粘貼的不同層數(shù)和不同長度對CFRP修復(fù)試件得到承載力最高，撓度相對較大的修復(fù)效果；同時還利用有限元軟件對試驗進行模擬，確保了試驗的可行性。

1 工程概況與CF布粘結(jié)應(yīng)力試驗

1.1 工程概況

地鐵三號線軌道工程D3GD-某標(biāo)包括三號線正線及輔助線、二號線與三號線聯(lián)絡(luò)線、出入場線全長約28.736 km（單線）。線路起自雁塔區(qū)的魚化寨停車場，途中設(shè)車站。此次事故位于魚化寨附近，基坑與區(qū)間隧道連接處的混凝土襯砌工程暴露在外，風(fēng)力較大，加之存在大量積水，且西安地處黃土高原，冬季白晝溫差較大，出現(xiàn)了隧道凍融病害，如圖1所示。

1.2 試驗方案

圖1 襯砌凍融現(xiàn)場圖Fig1 lining concrete freeze-thaw damage concrete diagram

圖2 試驗加載簡圖及破壞圖Fig2 Loading and damaging diagram

前期對CFRP修復(fù)構(gòu)件承載力已做研究，試驗主要針對CF布粘結(jié)效果進行研究。試驗共計21 根短梁，梁截面尺寸100×100×200 mm ，取兩個凍融損傷的梁對頭放置，放置距離10 mm，再用CF布修復(fù)試件，如圖2所示。每組試驗平均3 次，試驗主要參數(shù)見表1[9]。

1.3 CFRP修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)層間力學(xué)試驗

⑴ 混凝土配合比。試驗水泥采用與工程所用水泥材料一致，即粗骨料為碎石，細(xì)骨料為河砂，試件直接在工地制作養(yǎng)護。

⑵ CF布-樹脂基本力學(xué)指標(biāo)。試驗中CF布、樹脂都是由遼建科提供的，基本指標(biāo)見表2～3所示。

⑶ 試驗在90 kN壓力試驗臺上進行，試驗過程及試件破壞如圖2所示。

2 試驗數(shù)值模擬

試驗利用ABAQUS軟件對CF布粘貼層間力學(xué)性能試驗進行數(shù)值模擬，在前處理模塊中進行，CF布采用S4R模型、混凝土采用C3D8R模型，樹脂采用C0H3D8模型，接觸面采用tie連接。建立參考點加載，并建立參考點和加載處的耦合關(guān)系分析后，試件的mise應(yīng)力云圖如圖3～11所示。

表1 試驗參數(shù)Table1 Test parameters

表2 CF布基本參數(shù)表Table2 The Parameter table of CF sheets

圖3 N150試驗破壞圖Fig3 test damageable diagram of N150

圖4 N250試驗破壞圖Fig4 test damageable diagram of N250

圖5 CF布N150應(yīng)力圖Fig5 N150 stress diagram of CF sheet

表3 樹脂基本參數(shù)Table3 The properties of the binder

圖6 N250 CF布應(yīng)力云圖Fig6 N250 stress diagram of CF sheet

3 CFRP修復(fù)試件試驗結(jié)果與分析

3.1 CFRP修復(fù)試件試驗結(jié)果

CFRP修復(fù)凍融損傷混凝土層間力學(xué)性能試驗破壞過程如圖2所示，試件受荷很小時便發(fā)生破壞，且無任何征兆，加載過程中會聽到 “叭叭叭”的持續(xù)聲響，且聲音很小，經(jīng)過仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，這是由于加載過程中CF與樹脂之間不斷發(fā)生破裂，當(dāng)試件即將發(fā)生破壞時，會聽到連續(xù)巨大的斷裂聲，繼續(xù)加載，直到荷載值下降到峰值荷載的80%時，停止加載，試件彎曲明顯。對于裂縫在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，破壞均發(fā)生在混凝土與CFRP的粘結(jié)面，試件也出現(xiàn)了剪切破壞，說明試驗的成敗與試件的截面尺寸和剪跨比有關(guān)。

圖7 N150樹脂應(yīng)力云圖Fig7 N150 stress diagram of binder

圖8 N250樹脂應(yīng)力云圖Fig8 N250 stress diagram of binder

圖9 N350試驗破壞圖Fig9 test damageable diagram of N350

圖10 N350 CF布應(yīng)力云圖Fig10 N350 stress diagram of CF sheet

圖11 N350樹脂的應(yīng)力圖Fig11 N350 diagram of binder

3.2 CF布粘結(jié)試驗分析

3.2.1 承載力分析

不同CF布粘結(jié)長度及層數(shù)的承載力對比如表4所示，就粘結(jié)長度對比： N350（1）的承載力最高，可見承載力隨著CF布粘結(jié)長度的增加而增加， 以N150（1）承載力（5 kN）為基礎(chǔ)相比，N350（1）和N250（1）分別提高了500%和200%，可見承載力增加率隨著粘結(jié)長度增加而增加。

表4 試件破壞類型Table4 Damageable types of specimen

就粘結(jié)層數(shù)相比，荷載值為：N350（1）＜N350（2）＜N350（3）和N250（1）＜N250（2）＜N250（3），以N350（1）為基礎(chǔ)相比，N350（3）和N350（2）分別增加了58.9%、8.9%，同理，對于粘結(jié)長度為250 mm的粘結(jié)2和3層，承載力分別提高了18.48%和31.4%，說明承載力隨著CF布層數(shù)增加而增加，但提高不明顯。

通過分析可得結(jié)論，試件的承載力隨著CF布粘結(jié)長度增加而增加，隨著CF布粘結(jié)層數(shù)的增加，承載力也隨之提高，但提高效果不顯著。

3.2.2 撓度分析

粘結(jié)一層CFRP修復(fù)損傷混凝土試件的撓度如圖12～14中實線所示，根據(jù)圖12分析，N150的極限撓度值為10 mm；N250和N350為17 mm和45 mm。與N150對比，N250增加70%，N350增加350%，說明撓度值隨著CFRP粘結(jié)長度的增加而增加。

3.2.3 結(jié)果對比分析

對CFRP修復(fù)隧道中凍融損傷混凝土層間力學(xué)性能的試驗值和模擬值對比的結(jié)果見圖12～14和表5。圖12～14中，剛加載時試驗與模擬曲線基本重合，但加載一段時間后，試驗撓度增大，但承載力小于模擬值。試驗與模擬之間存在誤差，主要是CFRP的施工工藝引起的。

圖12 N150荷載-撓度圖Fig12 load-deflections diagram of N150

圖13 N250荷載-撓度圖Fig13 load-deflections diagram of N250

圖14 N350荷載-撓度圖Fig14 load-deflections diagram of N350

通過分析可得以下結(jié)論，CFRP層間力學(xué)性能試驗與模擬云圖的破壞位置完全相同； CFRP的施工工藝對試驗的成敗至關(guān)重要；試驗和模擬之間存在5%～8%的誤差率。

表5 承載力參數(shù)表Table5 Comparison table of capacity

4 結(jié)論

試驗以西安地鐵施工中隧道混凝土襯砌為依托，采用工程試驗與數(shù)值模擬的手段研究了CFRP修復(fù)隧道中凍融損傷混凝土層間粘結(jié)的可靠性，為了CFRP修復(fù)技術(shù)能在工程中更好的應(yīng)用，得到以下幾點結(jié)論及后續(xù)研究想法。

通過對CFRP修復(fù)隧道中凍融損傷混凝土試件進行層間力學(xué)性能試驗，彎剪試驗表明，試件承載力和撓度隨著CFRP長度的增加而提高，承載力增加率也增加；隨著CFRP層數(shù)的增加，承載力也有所提高，但是不明顯。因此，要提高修復(fù)試件的承載力，增加CFRP布的長度比增加層數(shù)更有效。

利用AQBAQS有限元模擬CFRP修復(fù)凍融損傷混凝土試件的彎剪試驗可得：修復(fù)試件剛加載時，試驗值和模擬值吻合良好，加載一段時間后，實驗的撓度值大于模擬撓度值，試件最終的破壞位置試驗與模擬值完全相同，CFRP修復(fù)試件承載力的模擬值大于實驗值，試驗、模擬之存在一定的誤差，基本控制在5%～8%之間。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)施工工藝對CFRP的彎剪試驗影響很大。

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

[2] 聶紅賓. CFRP布修復(fù)凍融損傷混凝土抗彎構(gòu)件力學(xué)性能研究[J]. 高科技纖維與應(yīng)用, 2016, 41(2): 38-43.

[3] 聶紅賓. CFRP布加固凍融損傷混凝土構(gòu)件力學(xué)性能研究 [D]. 沈陽: 沈陽大學(xué), 2014: 2-7.

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The research on mechanical properties of freezing-thawing damageableconcrete structure strengthened by CFRP

WANG Feng-cang1, 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)

To study the safety issue that CFRP sheets repair loess tunnel, combine with the concrete freeze-thaw damage reinforcementproject of the foundation pitjoint part and the running tunnel nearby the Yu-hua Zhai station of xi 'an metro line 2, thebending concrete structureshear test of the CFRP sheets repairing the different degree of freeze-thaw is conducted.Experimental results showed that the anti-flexural bearing capacity of the repaired specimens are decreasingwith number of freezing-thawing increasing, meanwhile, the ductility increases, the displacement betweenlayers increase. The bearing capacity and deflection of reinforced concrete structure is mainly increases with theincreases of bond length of CF sheets in the CFRP. According to theexperimental results that the number of pastelayer and the bond length of the CF sheets in CFRP are suggested to increase.

carbon fiber composite materials; concrete; freeze-thaw damage; tunnel repair; bending shear test; mechanical properties; finite element simulation; research

U214.99; U457

A

1007-9815（2016）04-0050-06

定稿日期:2016-07-15

王豐倉（1985-），男，陜西銅川人，助教，主要從事巖土、隧道、盾構(gòu)等工程施工的科研與教學(xué)，(電子信箱) 411249805@qq.com。