凍融循環(huán)與持載對CFRP加固高強(qiáng)混凝土梁變形性能的影響

王蘇巖+宋澤林+丁荔

摘要：通過四點彎曲試驗，研究了凍融循環(huán)與持載對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）加固高強(qiáng)鋼筋混凝土梁變形性能的影響。分析了不同環(huán)境作用下試驗梁的承載力、剛度及破壞形態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明：在凍融循環(huán)單獨作用下，試驗梁的性能變化很??；凍融與持載耦合作用時，兩者均對梁的性能造成不利影響，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，承受持載梁的CFRP-混凝土界面黏結(jié)性能有所下降；在凍融循環(huán)作用下，CFRP-混凝土界面存在應(yīng)力時會增大界面的劣化程度，從而引起加固梁性能的下降。

關(guān)鍵詞：CFRP；凍融循環(huán)；持載；高強(qiáng)混凝土梁；極限承載力；變形性能

中圖分類號：TU375.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-2049（2017）02-0026-07

Abstract：The four-point bending test was conducted to investigate the influence of freeze-thaw cycles and sustained loads on the deformation performance of high strength concrete beams strengthened with carbon fiber reinforced polymer （CFRP）. The bearing capacity， stiffness and failure mode of the test beam under different environmental conditions were analyzed. The results show that the performance of test beam changes little under the action of freeze-thaw cycles. Both of the two factors have negative effects on the performance of beam under the coupling action of freeze-thaw and sustained load， and the bond behavior of CFRP-concrete interface of beam under sustained load decreases with the increase of freeze-thaw cycles. The stress of CFRP-concrete interface will increase the deterioration degree of the interface under freeze-thaw cycles， and the performance of strengthened beam will decrease.

Key words：CFRP； freeze-thaw cycle； sustained load； high strength concrete beam； ultimate bearing capacity； deformation performance

0引 言

CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于工程中，迄今為止已有研究證實了CFRP加固混凝土梁在無復(fù)雜環(huán)境作用下的有效性[1]。然而，在北方近海工程中，CFRP加固后的鋼筋混凝土梁長期處于凍融循環(huán)與持載耦合作用下，這將影響加固梁黏結(jié)界面及混凝土材料的長期性能，因此對復(fù)雜環(huán)境作用下CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究十分必要。目前對CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境下的研究大多局限于試塊[2-9]的單剪或雙剪試驗，而CFRP加固混凝土梁的實際受力更復(fù)雜，單純的剪切試驗研究結(jié)論能否應(yīng)用到梁等構(gòu)件中不得而知。少數(shù)梁試驗即使采用鋼筋混凝土梁進(jìn)行研究[10-17]，其作用環(huán)境也多為凍融循環(huán)或持載單一因素，研究很少涉及高強(qiáng)混凝土和復(fù)雜環(huán)境的耦合作用。

由試塊凍融與持載耦合作用下的雙剪試驗研究可知，耦合作用時CFRP-混凝土界面性能劣化程度更明顯，因此針對單一環(huán)境作用下CFRP加固混凝土梁的研究并不能合理分析實際工程中加固梁的性能變化。曹大富等[18]的研究表明強(qiáng)度高的混凝土梁抗凍效果明顯高于強(qiáng)度低的混凝土梁?；诖爽F(xiàn)狀，本文利用自行設(shè)計的持續(xù)加載儀器對梁施加持載，對施加了持載的CFRP加固高強(qiáng)鋼筋混凝土梁在凍融循環(huán)作用下的性能進(jìn)行研究，以探討凍融、持載對加固高強(qiáng)混凝土梁剛度、承載力、破壞形態(tài)等方面的影響。

1試驗概況

1.1試驗材料

試驗中混凝土的強(qiáng)度等級為C60，配合比見表1。實測混凝土28 d標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為71.43 MPa。采用日本東麗I300碳纖維布，其物理力學(xué)性能見表2。采用大連凱華公司JGN型底涂膠和浸漬膠，浸漬膠抗拉強(qiáng)度為40 MPa，抗壓強(qiáng)度為75 MPa，彈性模量為2 500 MPa。

1.2試驗梁設(shè)計

鋼筋混凝土梁截面尺寸為80 mm×120 mm，梁長900 mm，計算跨度為800 mm。上部架立鋼筋采用26，下部受拉鋼筋采用2[XCwsya.tif，JZ]8，箍筋采用6@80。鋼筋混凝土梁的尺寸及配筋如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)

Fig.1[KG2.7mm]Dimension and Reinforcement of Concrete Beam （Unit：mm）

[HL）][TS）]

[WT5BZ][ST5BZ][HT5SS]

養(yǎng)護(hù)28 d后，打磨掉混凝土梁上待貼CFRP布位置處的浮漿。將760 mm×70 mm的CFRP布條粘貼在梁底部，所有試驗梁均粘貼2層。為防止CFRP布與混凝土界面發(fā)生端部滑移，在端部分別粘貼2層70 mm寬的CFRP布條。CFRP布粘貼位置如圖2所示，粘貼方法參照文獻(xiàn)[19]。

1.3持續(xù)加載系統(tǒng)設(shè)計

試驗梁有3種持載等級：L0（0 kN），L30（9 kN），L60（18 kN），分別為未粘貼CFRP布混凝土梁極限承載力的0%，30%，60%。持載通過自行設(shè)計的持載器施加到混凝土梁上（圖3），用夾式引伸計測量2個加載點處混凝土梁至持載器底板的豎向位移，加載到預(yù)定荷載時停止加載并記錄夾式引伸計的讀數(shù)；卸載并重復(fù)上一步驟，當(dāng)相鄰2次加載結(jié)束且夾式引伸計讀數(shù)相差小于5%時停止重復(fù)，此操作可消除梁與支座接觸不良而造成的誤差。再次加載到預(yù)定荷載，擰緊螺母后卸載，調(diào)整螺母使夾式引伸計的讀數(shù)達(dá)到目標(biāo)值。

1.4凍融循環(huán)試驗

凍融試驗采用快凍法進(jìn)行，凍融前將試驗梁浸泡5 d。平均每次凍融循環(huán)時間為3 h，混凝土試件中心溫度上限和下限分別為（8±2）℃和（-17±2）℃，凍融循環(huán)在清水中進(jìn)行，凍融循環(huán)次數(shù)取100，200，300三個等級。

1.5試驗梁編號

試驗采用12根梁，分別作用于不同環(huán)境下，試驗參數(shù)設(shè)計如表3所示。

1.6加載試驗

采用100 t電液伺服材料試驗機(jī)對梁進(jìn)行四點彎曲加載，加載速度控制為0.2 mm·min-1。試驗中主要采集以下數(shù)據(jù)：①通過10t荷載傳感器測量施加在試驗梁上的實際荷載；②通過線性可變差動變壓器（LVDT）測量混凝土梁跨中撓度；③通過粘貼在CFRP布上的應(yīng)變片對CFRP片材的應(yīng)變進(jìn)行測量，每根試驗梁CFRP表面粘貼13個應(yīng)變片；④通過粘貼在混凝土梁側(cè)面的5個應(yīng)變片來測量梁的側(cè)面變形情況；⑤通過預(yù)埋應(yīng)變片測量混凝土中縱向受力鋼筋的應(yīng)變，判斷鋼筋屈服情況；⑥用Supereyes超眼電子顯微鏡測量混凝土梁側(cè)面的裂縫寬度，觀察混凝土裂縫發(fā)展情況，并記錄混凝土開裂荷載及梁達(dá)到正常使用極限狀態(tài)時的荷載。除裂縫寬度外，所有數(shù)據(jù)均由動態(tài)IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。試驗梁測點布置如圖4所示。

2試驗結(jié)果與分析

2.1極限承載力

表4為持載和凍融循環(huán)作用下各試驗梁的試驗結(jié)果。圖5為試驗梁的極限荷載曲線。由圖5可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，L0持載梁的極限承載力并未下降，這是因為高強(qiáng)混凝土耐凍性強(qiáng)，凍融循環(huán)對不持載梁的侵蝕較小，且凍融過程中混凝土?xí)^續(xù)水化使得其強(qiáng)度得到一定程度的增強(qiáng)[2]；L30，L60持載梁的極限承載力有明顯下降，說明持載會顯著增大凍融循環(huán)對CFRP加固梁的侵蝕程度；L60較L30持載梁的極限承載力下降更顯著，其原因主要為L60持載梁在凍融循環(huán)過程中是帶裂縫工作的，裂縫處的混凝土及環(huán)氧樹脂膠層直接與凍融溶液接觸，裂縫中溶液結(jié)冰膨脹使得附近CFRP-混凝土界面應(yīng)力增加，從而使其受凍融循環(huán)的侵蝕更加充分。

100次凍融循環(huán)時，L0，L30持載梁極限承載力相近，且較初始時都未曾下降，表明在短期凍融循環(huán)下，小于開裂荷載的持載等級對梁的承載力影響很??；L60持載梁極限承載力比L0持載梁降低4%，且較初始時也有所下降，表明無論是否處于凍融循環(huán)下，較高等級的持載均對梁的承載力有明顯的不利影響。

與凍融前相比，凍融循環(huán)200次時，L30持載梁極限承載力下降5.5%，L0持載梁極限承載力沒有下降，說明凍融循環(huán)200次以后，低等級持載也會顯著增大凍融循環(huán)對梁的侵蝕。這與L60持載梁通過裂縫增大侵蝕的機(jī)理不同。由于承受持載，在梁有效長度內(nèi)CFRP-混凝土界面始終有切應(yīng)力作用，切應(yīng)力與凍融循環(huán)共同作用時會加速CFRP-混凝土界面的裂化[2，5]，從而使梁承載力下降。

圖6為試驗梁出現(xiàn)10條裂縫時對應(yīng)的荷載曲線，可以發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)相同時，持載等級對梁裂縫的開展影響顯著。在0，100，200，300次凍融循環(huán)作用下，L60持載等級的試驗梁F1值分別下降了8%，15.4%，15.2%，18.9%。結(jié)果表明，持載作用會加速加固梁裂縫的開展，使得梁的延性變差。

2.2跨中撓度

圖7為各持載等級試驗梁在經(jīng)受不同次數(shù)凍融循環(huán)后的荷載-撓度曲線。由圖7可以看出：經(jīng)受相同次數(shù)凍融循環(huán)的試驗梁在荷載大于15 kN后（由表4可知15 kN時所有試驗梁都已開裂），承受荷載相同時，持載等級越高的試驗梁其跨中撓度越大；未受凍融循環(huán)時，不同持載等級梁的荷載-撓度曲線相差不大。這說明持載對梁剛度的影響在凍融循環(huán)作用下更明顯，其原因為凍融時承受持載越大，梁的CFRP-混凝土界面劣化情況越嚴(yán)重，使得在相同荷載作用下，持載大的梁裂縫發(fā)展更快，CFRP更容易剝離。未受凍融循環(huán)作用時，持載對梁的剛度影響較緩慢，試驗中施加持載的時間不足以對梁的剛度產(chǎn)生顯著影響。

由圖7（b）～（d）可以看出：100，200次凍融循環(huán)時，相同凍融循環(huán)次數(shù)各持載等級的試驗梁在加載前期荷載-撓度曲線幾乎相同，說明凍融循環(huán)200次及以下時，開裂荷載前梁的剛度沒發(fā)生變化；300次凍融循環(huán)時，各持載等級的試驗梁在加載前期荷載-撓度曲線便不同，說明凍融循環(huán)300次時，開裂荷載前梁的剛度已發(fā)生變化。

圖8為持載等級L60的各試驗梁開裂前荷載-撓度曲線。F0，F(xiàn)100，F(xiàn)120，F(xiàn)300分別為凍融循環(huán)0，100，200，300次的試驗梁編號。加載至2 kN后數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，取2～12 kN部分進(jìn)行試驗梁線性階段剛度分析，結(jié)果如表5所示。本文將試驗梁出現(xiàn)裂縫之前的剛度稱為開裂前剛度。由表5可見，凍融循環(huán)次數(shù)越多，試驗梁開裂前剛度降低的程度越大，凍融循環(huán)300次后開裂前剛度已降低38.2%。這說明凍融循環(huán)對承受L60等級持載梁的開裂前剛度有顯著影響。

2.3破壞形態(tài)

所有試驗梁的破壞形態(tài)及破壞過程中裂縫的發(fā)展情況大致相同。取凍融循環(huán)200次的梁進(jìn)行分析，其破壞形態(tài)如圖9所示。加載初期，梁處于彈性階段，隨著荷載的增加在純彎段首先出現(xiàn)幾條豎向裂縫，且裂縫出現(xiàn)于距離梁底面3 cm左右位置，繼而向梁上下2個方向擴(kuò)展。這是因為梁底面粘貼有CFRP布，約束了附近混凝土的開裂。當(dāng)荷載繼續(xù)增加時，在剪彎段出現(xiàn)斜裂縫，靠近加載點處的斜裂縫發(fā)展為主裂縫，破壞是由主裂縫處CFRP剝離引起的，破壞形態(tài)屬于中部彎剪裂縫引起的界面剝離破壞[20]。

由圖9可知，凍融循環(huán)均為200次時，承受持載越大的梁破壞時剝離位置距離跨中越近。這說明200次凍融循環(huán)對加固梁抗彎性能的影響大于對抗剪性能的影響。持載L60梁跨中裂縫數(shù)量明顯少于持載L0，L30，說明帶裂縫凍融的梁延性顯著降低。

對比所有試驗梁破壞后CFRP布粘下混凝土的厚度情況，發(fā)現(xiàn)編號為F200L30，F(xiàn)200L60，F(xiàn)300L30，F(xiàn)300L60的梁CFRP布粘下的混凝土明顯少于其他梁。這說明凍融循環(huán)達(dá)到200次后，持載與凍融耦合作用會對CFRP-混凝土界面造成較為明顯的不利影響，使得膠層與混凝土的黏結(jié)力減弱，CFRP-混凝土界面更容易剝離。這也是破壞形態(tài)相同的情況下這4根梁極限承載力低的原因之一。

運用MATLAB計算后，各試驗梁剝離截面彎矩計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表6所示。

由表6可知，未經(jīng)受凍融循環(huán)的加固梁應(yīng)用上述公式計算結(jié)果偏安全，而經(jīng)受凍融循環(huán)后，會出現(xiàn)計算結(jié)果低于試驗值的情況。這是因為未受凍融循環(huán)的加固梁CFRP-混凝土界面強(qiáng)度高，界面剝離擴(kuò)展速度慢，使得梁截面各材料可以繼續(xù)受力，因此試驗值會高于采用設(shè)計值得到的計算結(jié)果。經(jīng)受凍融循環(huán)的試驗梁，其CFRP-混凝土界面強(qiáng)度較弱，剝離發(fā)生時迅速延伸，截面混凝土受壓區(qū)高度變小，從而使得試驗得到的界面彎矩低于計算值。

3結(jié)語

（1）在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，持載等級越高的梁極限承載力與剛度下降越大。L0，L30，L60持載梁凍融循環(huán)300次后承載力分別下降0%，6.76%，7.76%，凍融循環(huán)作用下裂縫的存在會顯著增加梁性能的劣化程度。

（2）持載等級為L60的加固梁在經(jīng)受300次凍融循環(huán)后，其開裂前剛度下降38.2%，可見凍融循環(huán)對持載梁開裂前剛度有較大影響。

（3）凍融循環(huán)200次時，L60持載梁跨中裂縫數(shù)量明顯少于持載L0，L30，可知持載等級高的梁經(jīng)受凍融循環(huán)后延性顯著降低。

（4）加固梁經(jīng)受凍融循環(huán)以后，采用材料設(shè)計值計算得到的剝離荷載偏小，甚至?xí)陀谠囼炛怠＝ㄗh進(jìn)一步研究凍融循環(huán)后加固梁各材料強(qiáng)度的下降規(guī)律，以得出合理的用于計算加固梁剝離荷載的模型。

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