干濕循環(huán)下預應力CFRP加固高強混凝土的耐久性*

洪雷 江海鑫

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

在混凝土服役過程中，CFRP加固混凝土結構處于腐蝕環(huán)境并在惡劣氣候的影響下工作，CFRP與混凝土的黏結性能是保證加固結構整體性能的前提[1- 4].國內外學者對惡劣環(huán)境(如凍融、干濕、高溫等)作用下CFRP加固混凝土結構的耐久性已經做了大量研究[5- 14].大部分研究表明:CFRP耐久性良好，在惡劣環(huán)境下強度和彈性模量變化不大；在溫度和水的作用下，會對樹脂結構膠黏結性能產生不利影響；加固試件的承載力降低，界面破壞方式也發(fā)生變化.但多數研究主要集中于正拉、單剪、雙剪試驗，且只針對非預應力CFRP和普通混凝土，對預應力CFRP加固高強混凝土結構的研究還較少.在近海工程中，加固后的結構仍承受著海水干濕循環(huán)的腐蝕作用，另外粘貼的CFRP由于預應力的存在，界面存在著持續(xù)應力的作用，這一界面應力將會對結構的耐久性產生影響.文中利用自行設計的加載裝置[15]，通過四點加載試驗研究了干濕循環(huán)下不同預應力等級的CFRP加固高強混凝土的耐久性.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

混凝土強度等級為C60，使用材料為PII52.5R普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰、Sika高性能減水劑和緩凝劑等.實測28 d混凝土標準立方體抗壓強度為70.83 MPa，配合比見表1.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3

采用日本東麗UT70-30單向編織碳纖維布，密度300 g/m2，物理力學性能見表2.浸漬樹脂采用JGN型建筑結構膠，力學性能見表3.

1.2 試件制作

預應力張拉裝置采用自行設計的加載裝置，主要包括上部連接裝置、持載裝置和固定裝置3部分，

表2 CFRP力學性能Table 2 Mechanical properties of CFRP

表3 浸漬樹脂力學性能Table 3 Mechanical properties of dipping adhesive

如圖1所示.上部連接裝置為連接持載裝置和試驗機的裝置,主要由球鉸、力傳感器、槽型鐵和插銷組成；持載裝置為直接作用在試件上提供持續(xù)荷載的裝置,由半圓頂柱、螺桿、調節(jié)螺母和底座組成；固定裝置由固定平臺、T型板和固定螺桿組成，是連接試件與試驗臺的裝置.

圖1 加載裝置Fig.1 Loading device

采用100 mm×100 mm×400 mm的試件，標準養(yǎng)護28 d后將試件兩側打磨平整粘貼CFRP布作為錨固端，布寬為34束(約為90 mm)，為防止預應力張拉時剝離，在兩個錨固端處再貼一層CFRP布，粘貼區(qū)域示意圖如圖2所示.通過預應力張拉裝置施加預應力，調整至相應等級的預應力值后將CFRP粘貼在試件的底面，見圖3.將試件同持載器在室溫環(huán)境下靜置7 d，待結構膠完全固化后剪斷CFRP，將持載器拆下，并除去多余部分.

圖2 CFRP粘貼區(qū)域(單位：mm)Fig.2 Paste areas of CFRP(Unit:mm)

圖3 預應力張拉裝置Fig.3 Prestress tension device

1.3 試驗方法

試驗所采取的侵蝕介質為質量分數為3.5%的NaCl溶液，利用電腦全自動溫濕度測控儀，控制溫度為(20±1) ℃，濕度為40%±5%.干濕循環(huán)制度為8 h浸泡和16 h的干燥狀態(tài).

干濕循環(huán)次數分別為0、40、80、120次，每組循環(huán)下分別有P0(非預應力)對比件和P1(0.15fcfk)、P2(0.3fcfk)2個等級的預應力試件，其中fcfk為碳纖維片材的抗拉強度標準值.根據干濕循環(huán)次數和預應力等級對試件進行命名，W表示干濕循環(huán)，P表示預應力，共12組，每組3個試件取平均值，如W120P2表示經120次干濕循環(huán)的預應力水平為0.3fcfk的試件.

采用100 t電液伺服試驗機進行4點加載試驗，加載速率為0.2 mm/min，試驗裝置如圖4所示.通過粘貼在梁底面CFRP上的應變對各部分應變進行測量，應變片布置位置見圖5，從左到右依次編號為1-11.

圖4 試驗裝置Fig.4 Testing set-up

圖5 應變片布置(單位：mm)Fig.5 Distribution of stain gauges(Unit:mm)

2 結果分析

2.1 干濕循環(huán)對高強混凝土強度的影響

為了研究干濕循環(huán)過程對高強混凝土抗壓強度的影響，設置了4組邊長150 mm的立方體試塊，編號分別為CW0、CW40、CW80、CW120(干濕循環(huán)次數分別為0、40、80、120).待侵蝕試驗完成后取出，實測混凝土強度見表4.由表可得，干濕循環(huán)后高強混凝土試塊抗壓強度先小幅增加后減小，整體浮動變化不大.由于高強混凝土孔隙率小、密實性好，與普通混凝土相比，能夠較好地阻礙侵蝕介質的傳輸，減少侵蝕破壞.高強混凝土水膠比小(本試驗中高強混凝土水膠比為0.32)，并且摻有高效減水劑，后期水化能力強，從而抵消了部分侵蝕作用.

表4 高強混凝土試塊抗壓強度Table 4 High-strength concrete compression strength

2.2 荷載及撓度分析

表4給出了經歷不同干濕循環(huán)次數的各組試件的開裂荷載和極限荷載.由表4可見，未經干濕循環(huán)時，相較于P0非預應力試件，P1預應力試件的開裂荷載和極限荷載分別提高了約58%和30%；P2預應力試件的開裂荷載和極限荷載分別提高了約75%和42%.預應力CFRP顯著提高了試件的承載能力，對開裂荷載的提高尤為明顯.

在干濕循環(huán)過程中，3個等級試件的開裂荷載均呈現先小幅增加后減小的趨勢.一方面由于干濕循環(huán)前期過程中高強混凝土強度提高，從而增強了CFRP-高強混凝土界面的黏結力；另一方面，已有的研究表明[7,9]，樹脂內部的高聚物可能進一步固化增強，發(fā)生了后固化反應，在一定程度上有利于界面的黏結性能，抵消了一部分侵蝕作用.120次干濕循環(huán)后，預應力P1和P2試件的開裂荷載分別較對比件降低了5.5%和12.5%.

經歷不同次數干濕循環(huán)過程后，P0非預應力試件和P1預應力試件的極限荷載均呈現先增加后減小的趨勢.在40、80次干濕循環(huán)后，極限荷載隨循環(huán)次數增加逐步上升.120次干濕循環(huán)后，承載力開始下降，此時P0、P1試件的極限荷載分別比同預應力等級對比試件降低了7.6%和5%.P2預應力等級試件的極限荷載隨循環(huán)次數的增加呈均勻下降的趨勢，120次干濕循環(huán)后降低了16.5%.80次干濕循環(huán)后，P2試件的極限荷載低于P1試件.這表明預應力越大，荷載降低越顯著，試件的界面黏結性能損傷越嚴重.

表5 試件開裂荷載和極限荷載Table 5 Cracking load and ultimate load of specimens

圖6給出了P0非預應力試件和P1、P2預應力試件干濕循環(huán)0、40、80、120次后的荷載-撓度曲線.試件的荷載-撓度曲線走勢基本相同，大致可分為3個階段：第1階段為混凝土開裂前的彈性階段，荷載-撓度曲線近似呈直線；第2階段從混凝土開裂至荷載達到試件的極限承載力，混凝土開裂后截面混凝土拉應力釋放，傳至CFRP,導致裂縫處混凝土和CFRP之間局部界面應力迅速增大，達到臨界值時發(fā)生剝離破壞；第3階段是達到極限荷載后荷載突然下降，此時主裂縫高度已經發(fā)展至50～90 mm，主裂縫處CFRP剝離速度變快，并朝向一側端部迅速發(fā)展直至完全剝離，試件喪失承載力.

對比未經干濕循環(huán)的P0、P1、P2 3種不同預應力等級的試件，預應力CFRP通過提高試件的開裂荷載和極限荷載提高了試件的抗彎剛度，隨著預應力等級的提高，剝離破壞前相同荷載下試件撓度逐漸減小，預應力顯著減小了試件的變形.

在120次干濕循環(huán)后，預應力試件破壞前撓度增長較快，表明在干濕循環(huán)侵蝕下，CFRP-混凝土界面黏結性能下降，試件抗彎剛度下降.預應力越大，性能降低越顯著.

圖6 干濕循環(huán)下不同等級預應力CFRP加固高強混凝土荷載-撓度曲線

Fig.6 Load-deflection curves of high-strength concrete strengthened with different levels of prestressed CFRP under wet-dry cycles

2.3 破壞形態(tài)

2.3.1 預應力等級對破壞形態(tài)的影響

P0非預應力試件加載時首先在跨中純彎段出現豎向裂縫，隨著荷載的增加彎剪斜裂縫不斷增多.最終裂縫發(fā)展匯聚成彎剪主裂縫，裂縫處發(fā)生剝離并向端部發(fā)展，破壞形態(tài)為彎剪裂縫引起的CFRP剝離破壞.P1預應力試件加載時純彎段出現2-4條細小裂縫，匯聚成一條主裂縫，CFRP由主裂縫處逐漸向兩側彎剪段剝離，破壞形態(tài)為彎曲裂縫引起的CFRP剝離破壞.對于P2預應力試件，跨中裂縫發(fā)展比較緩慢，主裂縫為彎剪裂縫，破壞形態(tài)為彎剪裂縫引起的CFRP剝離破壞.根據Teng等[16]的分類，以上兩種破壞形態(tài)統(tǒng)稱為中部裂縫引起的CFRP剝離破壞.施加預應力的P1、P2試件相較于P0試件裂縫明顯較少且發(fā)展緩慢，表明預應力CFRP有效抑制了混凝土結構裂縫的產生與發(fā)展.

2.3.2 干濕循環(huán)對剝離形態(tài)的影響

干濕循環(huán)后試件的破壞形態(tài)基本不變，大部分為中部裂縫引起的CFRP剝離破壞.圖7給出了干濕循環(huán)40、120次試件的破壞面剝離形態(tài)，從圖中可以看出，經過干濕循環(huán)作用，剝離的CFRP粘下的混凝土顆粒越來越少，干濕循環(huán)120次的試件剝離時幾乎不再粘下混凝土，剝離面越來越平整，這說明干濕循環(huán)對樹脂層產生了一定的影響，降低了黏結膠層的強度.由于界面黏結性能的劣化，試件由混凝土層剝離逐漸變?yōu)闃渲z層剝離.

圖7 干濕循環(huán)后試件的破壞面Fig.7 Failure surface of specimens after wet-dry cycles

2.4 剝離形式

圖8分別給出了不同等級試件干濕循環(huán)120次后CFRP應變的分布情況.圖8(a)表明，非預應力試件開裂前，隨著荷載的增長，CFRP應變緩慢增加，呈對稱分布，應變由跨中向兩端逐漸減小，此時試件處于彈性狀態(tài)，各應變片工作性能良好.混凝土開裂后，拉應力傳至CFRP，跨中應變出現跳躍增長，應變曲線間隔增加，界面CFRP剝離，并向兩端發(fā)展，兩端應變也逐漸增加，直至試件剝離破壞.

由圖8(b)-8(f)可看出，開裂前預應力試件的應變明顯增加，說明預應力的作用有效提高了CFRP的利用率.開裂后P2預應力試件CFRP應變變化不大，表明CFRP剝離過程比較迅速，破壞比較突然，試件脆性趨勢增加.預應力的存在，CFRP-混凝土界面承受著持續(xù)荷載的作用，造成了界面薄弱處的損傷，使得腐蝕介質更容易滲入這些部位，導致其周圍界面的黏結強度隨之下降，一旦某處達到剝離強度便會同時剝離.

圖8 CFRP應變分布Fig.8 Strain distribution of CFRP

3 結論

(1)在前期的干濕循環(huán)中，試件承載力降低并不明顯.干濕循環(huán)120次后，非預應力試件(P0)和預應力試件(P1、P2)承載力較對比試件分別降低了7.6%、5%和16.5%.預應力試件抗彎剛度下降，P2預應力試件較為明顯.

(2)干濕循環(huán)后各等級預應力CFRP加固試件的破壞形態(tài)均為中部彎剪裂縫引起的CFRP剝離破壞.干濕循環(huán)后預應力試件破壞更加迅速，脆性趨勢增加.

(3)在干濕循環(huán)侵蝕作用下，CFRP-混凝土界面黏結性能下降，破壞時由混凝土層剝離逐漸發(fā)展為樹脂膠層剝離.

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