預(yù)應(yīng)力纖維布加固混凝土梁凍融特性試驗(yàn)*

寧寶寬， 李 碩， 劉 偉， 張俊祥

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 中冶沈勘工程技術(shù)有限公司 總工辦， 沈陽 110004)

建筑工程

預(yù)應(yīng)力纖維布加固混凝土梁凍融特性試驗(yàn)*

寧寶寬1， 李 碩1， 劉 偉2， 張俊祥1

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 中冶沈勘工程技術(shù)有限公司 總工辦， 沈陽 110004)

為了研究預(yù)應(yīng)力碳纖維布對(duì)受凍融作用影響的混凝土梁的加固效果，從而進(jìn)一步認(rèn)識(shí)混凝土與碳纖維布共同工作的行為，研究了加固梁中碳纖維布和混凝土的各自力學(xué)性能以及碳纖維布加固混凝土梁的整體力學(xué)性能.結(jié)果表明，凍融后的試驗(yàn)梁開裂荷載和極限承載力有所下降；初始預(yù)應(yīng)力水平越高，試驗(yàn)梁的開裂荷載和極限荷載下降速度越快；在凍融循環(huán)和預(yù)應(yīng)力耦合作用下混凝土內(nèi)部損傷嚴(yán)重，碳纖維布-混凝土界面的粘結(jié)力退化明顯.

凍融循環(huán)； 預(yù)應(yīng)力； 碳纖維布； 混凝土梁； 應(yīng)變； 開裂荷載； 極限承載力； 撓度

碳纖維布自身具有耐腐蝕、自重輕和不增加結(jié)構(gòu)尺寸等優(yōu)點(diǎn)，可以明顯提高混凝土結(jié)構(gòu)的極限承載力[1-4]，增強(qiáng)構(gòu)件抵抗變形的能力，提高梁的整體剛度，有效抑制結(jié)構(gòu)的變形、開裂，提高混凝土結(jié)構(gòu)的性能[5-7]，施工簡(jiǎn)捷方便，在結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用較多.

在我國(guó)部分地區(qū)，由于溫度較低且低溫持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，大部分建筑結(jié)構(gòu)更容易受到凍融侵蝕的影響，造成結(jié)構(gòu)局部開裂，甚至整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)裂紋，且增加裂紋的發(fā)展速度最終導(dǎo)致承載能力降低，使用壽命減少.凍融循環(huán)還會(huì)對(duì)纖維布、固化膠產(chǎn)生影響，有些學(xué)者已經(jīng)做了相關(guān)研究[8-9].國(guó)外學(xué)者對(duì)纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)方面做了相關(guān)研究[10-11].凍融條件對(duì)碳纖維布加固混凝土梁的耐久性研究多集中在直接將碳纖維布貼在混凝土梁底部，由此研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)碳纖維布加固混凝土梁整體力學(xué)性能的影響.而關(guān)于預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋混凝土梁受凍融循環(huán)后的力學(xué)性能也有必要進(jìn)行研究.預(yù)應(yīng)力的施加，相當(dāng)于在碳纖維布與混凝土界面施加了持續(xù)的應(yīng)力，這種持續(xù)應(yīng)力在凍融循環(huán)中是否會(huì)加劇混凝土梁的凍害需進(jìn)一步進(jìn)行研究證實(shí).在此背景下，研究?jī)鋈谘h(huán)后預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁的力學(xué)性能變化規(guī)律具有一定的意義.

試驗(yàn)主要研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固混凝土梁中的纖維布和混凝土各自的力學(xué)性能以及加固梁整體力學(xué)性能的影響.本文主要研究預(yù)應(yīng)力碳纖維布對(duì)混凝土開裂加固的性能，采用素混凝土試件梁為研究對(duì)象.試驗(yàn)中以不同的初始預(yù)應(yīng)力水平和不同的凍融次數(shù)為試驗(yàn)參數(shù)變量，研究?jī)鋈谘h(huán)后加固混凝土梁的力學(xué)性能變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)梁制備

1.1 混凝土梁的制備

試驗(yàn)混凝土梁的強(qiáng)度等級(jí)選為C30，水泥標(biāo)號(hào)為42.5，配合比如表1所示.混凝土梁設(shè)計(jì)尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，分為12組，每組3個(gè)試驗(yàn)梁，共36個(gè)混凝土梁，具體分組如表2所示.

表1 C30混凝土試驗(yàn)梁配合比Tab.1 Mixture ratio of test beam preparedwith C30 concrete kg

表2 凍融循環(huán)試驗(yàn)分組Tab.2 Grouping for freezing and thawing cycle test

1.2 加載方式及應(yīng)變片參數(shù)

試驗(yàn)采用三點(diǎn)加載的方式，試驗(yàn)梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖及碳纖維布加固方式見圖1(單位：mm).試驗(yàn)加載設(shè)備采用電液伺服試驗(yàn)機(jī)，量程為500 kN，加載過程中速率控制在1.5 kN/s，為測(cè)得混凝土和碳纖維布試驗(yàn)過程中的應(yīng)變，在跨中底部貼應(yīng)變片，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是D3820靜態(tài)應(yīng)變采集儀.在混凝土梁底部中間位置布置一個(gè)應(yīng)變片，在碳纖維布底部中部位置相對(duì)平整的地方布置兩個(gè)應(yīng)變片并用樹脂完全包裹，如圖2所示.

圖1 試驗(yàn)梁加載示意圖Fig.1 Schematic loading of test beam

圖2 梁底部應(yīng)變片位置Fig.2 Locations of strain gauges at bottom of beam

1.3 初始預(yù)應(yīng)力水平的確定

試驗(yàn)采用的碳纖維布抗拉強(qiáng)度為3 400 MPa，取其抗拉強(qiáng)度的7.4%、13.5%和16.8%，得到三種不同的預(yù)應(yīng)力水平，分別為250、460和570 MPa.

1.4 凍融循環(huán)條件

試驗(yàn)采用慢凍法對(duì)混凝土梁進(jìn)行凍融循環(huán)，凍融環(huán)境如下：凍融試驗(yàn)箱能使試驗(yàn)梁保持靜止?fàn)顟B(tài)，并通過氣凍水溶；在滿載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冷凍過程試驗(yàn)箱的溫度保持在-15～-12 ℃范圍內(nèi)；水溫保持在12～15 ℃范圍內(nèi)；滿載時(shí)凍融試驗(yàn)箱內(nèi)各點(diǎn)的溫差不超過2 ℃.

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1梁底跨中混凝土荷載-應(yīng)變分析

圖3～5為三組混凝土荷載-應(yīng)變曲線.經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后，試驗(yàn)梁的荷載-應(yīng)變曲線仍呈線性關(guān)系，說明試驗(yàn)梁經(jīng)過凍融循環(huán)后仍保持良好的彈性；混凝土梁受到凍融循環(huán)的影響，曲線的斜率均有下降，說明凍融循環(huán)加快了裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展以及開裂，降低了彈性模量.當(dāng)預(yù)應(yīng)力為570 MPa，不同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)，斜率依次為0.042、0.040、0.039和0.037，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相對(duì)于無凍融循環(huán)作用的試驗(yàn)梁，彈性模量依次下降了4.76%、7.14%和11.90%，彈性模量減小的速度逐漸增大.

圖3 A組混凝土荷載-應(yīng)變曲線Fig.3 Load-strain curves of concrete in group A

圖4 B組混凝土荷載-應(yīng)變曲線Fig.4 Load-strain curves of concrete in group B

圖5 C組混凝土荷載-應(yīng)變曲線Fig.5 Load-strain curves of concrete in group C

凍融循環(huán)次數(shù)的增加和初始預(yù)應(yīng)力的減少都會(huì)降低開裂荷載，如表3所示.預(yù)應(yīng)力為460 MPa時(shí)，開裂荷載分別降低了19.82%、33.92%和49.78%，并且隨著凍融次數(shù)的增加，開裂荷載降低速率增大.預(yù)應(yīng)力為570 MPa時(shí)，開裂荷載分別降低了15.36%、32.23%和58.43%，凍融循環(huán)次數(shù)為50和75次時(shí)，開裂荷載降低幅度均小于相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力為460 MPa的試驗(yàn)梁，但循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次時(shí)，開裂荷載降低幅度超過相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力為460 MPa的試驗(yàn)梁.表明隨著凍融次數(shù)的增加，不僅開裂荷載降低速率加大，而且凍融循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，初始預(yù)應(yīng)力加大開裂荷載降低速率，其原因在于凍融循環(huán)次數(shù)造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)小裂紋，降低了混凝土開裂荷載，但碳纖維布提高的預(yù)應(yīng)力抑制了混凝土內(nèi)部裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，提高了混凝土開裂荷載.但當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，由于混凝土在凍融循環(huán)和初始預(yù)應(yīng)力雙重作用下產(chǎn)生的微裂紋增加，在外荷載作用時(shí)，即使仍有預(yù)應(yīng)力存在，但抑制裂縫發(fā)展的能力減小.

表3 梁底跨中混凝土的開裂荷載Tab.3 Cracking load of concretein bottom span of beam kN

2.2 梁底跨中碳纖維布荷載-應(yīng)變分析

圖6～8為三組碳纖維布荷載-應(yīng)變曲線.在荷載加載初期，荷載比較小時(shí)，各系列碳纖維布的荷載-應(yīng)變呈線性關(guān)系，而且在預(yù)應(yīng)力為460和570 MPa時(shí)，不論凍融循環(huán)的次數(shù)多少，斜率相差不多.說明在加載初期，混凝土處于彈性工作階段，裂縫并沒有發(fā)展，而且初始預(yù)應(yīng)力越大，混凝土開裂時(shí)的應(yīng)變和荷載也越大.隨著荷載的繼續(xù)增大，各應(yīng)變曲線出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載正是混凝土的開裂荷載.圖6中，拐點(diǎn)之前圖像斜率依次為0.078、0.071、0.066和0.073，圖3中，圖像斜率依次為0.077、0.069、0.069和0.060，表明在加載初期，由于混凝土與碳纖維布之間固化膠的存在，混凝土和碳纖維布的彈性模量相差不多，說明混凝土和碳纖維布能共同工作.預(yù)應(yīng)力為460 MPa時(shí)，開裂荷載相對(duì)無凍融循環(huán)的試驗(yàn)梁分別降低了14.41%、26.58%和46.85%，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后荷載略有增加，但應(yīng)變急速增加，說明隨著荷載的增加，混凝土內(nèi)部的縫隙進(jìn)一步發(fā)展，受拉混凝土開裂，開裂的混凝土退出工作，荷載由碳纖維布承擔(dān)，導(dǎo)致碳纖維布應(yīng)變?cè)龃?

碳纖維布的拉應(yīng)變隨著荷載的增加而增加，在混凝土達(dá)到開裂荷載后，碳纖維布依然保持高應(yīng)力工作狀態(tài)，說明碳纖維布充分發(fā)揮了受拉作用性能，碳纖維布加固的作用明顯.在凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，初始預(yù)應(yīng)力水平越高，圖像的拐點(diǎn)越高，即試驗(yàn)梁的開裂荷載越大；從斜率可以看出，預(yù)應(yīng)力能夠延緩裂紋的出現(xiàn)和發(fā)展，且預(yù)應(yīng)力水平越高，延緩裂紋出現(xiàn)的能力越強(qiáng)，曲線的斜率越小，梁的應(yīng)變?cè)酱?，說明在凍融循環(huán)與持續(xù)應(yīng)力作用下，加固梁的碳纖維布與混凝土粘結(jié)面退化加快.

圖6 A組碳纖維布荷載-應(yīng)變曲線Fig.6 Load-strain curves of carbon fiber cloth in group A

圖7 B組碳纖維布荷載-應(yīng)變曲線Fig.7 Load-strain curves of carbon fiber cloth in group B

圖8 C組碳纖維布荷載-應(yīng)變曲線Fig.8 Load-strain curves of carbon fiber cloth in group C

2.3 梁跨中荷載-撓度分析

圖9～11為三組梁荷載-撓度曲線.由圖9～11可以看出，每個(gè)圖像都存在拐點(diǎn)，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載為混凝土開裂荷載，在開裂破壞之前，荷載與跨中的撓度成線性關(guān)系.在圖像拐點(diǎn)之前，梁受到凍融循環(huán)的影響，荷載-撓度斜率有所降低.受到凍融循環(huán)的影響之后，在相同荷載作用下，初始預(yù)應(yīng)力越大，混凝土梁的撓度越大，說明在凍融循環(huán)和預(yù)應(yīng)力耦合作用下加快了混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，同時(shí)也加快了碳纖維布與混凝土界面粘結(jié)性退化速率.膠層受持續(xù)應(yīng)力和凍融侵蝕的雙重作用后粘結(jié)性能退化比單一的環(huán)境因素作用更快.

圖9 A組梁荷載-撓度曲線Fig.9 Load-deflection curves of beams in group A

圖10 B組梁荷載-撓度曲線Fig.10 Load-deflection curves of beams in group B

圖11 C組梁荷載-撓度曲線Fig.11 Load-deflection curves of beams in group C

表4為各組試驗(yàn)梁撓度值.由表4可知，當(dāng)外荷載為10 kN，預(yù)應(yīng)力為570 MPa時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)增加，撓度相應(yīng)增加.在無凍融循環(huán)時(shí)，預(yù)應(yīng)力越大，撓度越小，說明預(yù)應(yīng)力可以有效提高試驗(yàn)梁的剛度；在凍融循環(huán)次數(shù)為50次時(shí)，預(yù)應(yīng)力越大，撓度越小，但撓度相差不大，說明凍融循環(huán)和預(yù)應(yīng)力耦合作用下造成試驗(yàn)梁損傷破壞，降低了試驗(yàn)梁的剛度，并且預(yù)應(yīng)力越大，耦合作用越大.在凍融循環(huán)次數(shù)為100次時(shí)，預(yù)應(yīng)力為570 MPa的試驗(yàn)梁撓度低于預(yù)應(yīng)力為460 MPa的試驗(yàn)梁撓度，說明相對(duì)于預(yù)應(yīng)力為460 MPa的試驗(yàn)梁，即使預(yù)應(yīng)力為570 MPa時(shí)，在凍融循環(huán)和預(yù)應(yīng)力的耦合作用下，剛度減少，但由于初始預(yù)應(yīng)力較大，在外荷載作用時(shí)，仍會(huì)對(duì)減小撓度發(fā)揮有利作用.

表4 各組試驗(yàn)梁撓度Tab.4 Deflection of test beams in each group mm

3 結(jié) 論

本文主要從試驗(yàn)梁的破壞現(xiàn)象和承載能力等方面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：

1) 受到凍融循環(huán)的影響，試驗(yàn)梁的彈性模量有了不同程度的損失，初始預(yù)應(yīng)力水平對(duì)試驗(yàn)梁的彈性模量損失影響不大，因此，在實(shí)際工程中可以忽略初始預(yù)應(yīng)力水平對(duì)結(jié)構(gòu)彈性模量的影響；

2) 隨著凍融次數(shù)的增加，各組試驗(yàn)梁的開裂荷載和極限承載力都有了不同程度的下降，說明凍融循環(huán)對(duì)碳纖維布加固混凝土梁產(chǎn)生了不利影響；

3) 隨著凍融次數(shù)的增加，降低了試驗(yàn)梁的剛度，在存在初始預(yù)應(yīng)力的情況下，凍融循環(huán)對(duì)試驗(yàn)梁的影響加劇，初始預(yù)應(yīng)力越大，凍融循環(huán)對(duì)試驗(yàn)梁的影響越大.

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(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Experimentonfreezingandthawingcharacteristicsofprestressedcarbonfiberclothreinforcedconcretebeams

NING Bao-kuan1, LI Shuo1, LIU Wei2, ZHANG Jun-xiang1

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Chief Engineer Office, Shenyang Survey Engineering & Technology Co. Ltd., China Metallurgical Group, Shenyang 110004, China)

In order to clarify the strengthening effect of prestressed carbon fiber cloth on the concrete beams under the freezing and thawing action, and further understand the co-working behavior of concrete and carbon fiber cloth, the respective mechanical properties of carbon fiber cloth and concrete in the reinforced beam as well as the overall mechanical properties of carbon fiber reinforced concrete beams were investigated. The results show that after freezing and thawing, the cracking load and ultimate bearing capacity of test beams decrease. The higher the initial pre-stress level is, the faster the decreasing speed in both cracking load and ultimate load of test beams is. Under the action of freezing and thawing cycle and prestressed coupling, the concrete exhibits serious inside damage, and the deterioration of bonding force between carbon fiber cloth and concrete is obvious.

freezing and thawing cycle; prestress; carbon fiber cloth; concrete beam; strain; cracking load; ultimate bearing capacity; deflection

TU 528

： A

： 1000-1646(2017)05-0567-05

2016-07-05.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474050).

寧寶寬(1971-)，男，遼寧撫順人，教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)和巖土工程等方面的研究.

* 本文已于2017-01-19 17∶56在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1756.004.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.17