碳纖維加固素混凝土抗彎性能試驗研究

彭詩文

(西南交通大學， 四川成都 610031)

粘貼加固法作為我國土木工程領域常用的被動加固法，在不增加建筑高度和建筑自重的情況下，可以有效提高承載力。碳纖維材料最早作為粘貼鋼板加固技術(shù)的替代材料，目前已經(jīng)成為工程常用的粘貼加固材料，這是由于碳纖維的種種優(yōu)良性能。

(1)很高的抗拉強度，可達到鋼材的10倍以上。

(2)較高的彈性模量(鋼材的1～2倍)。

(3)很低的密度。

(4)很強的耐久性，對于酸、堿、鹽的腐蝕都能夠抵抗，不生銹。

(5)柔韌性好，可以包裹各種復雜形狀的結(jié)構(gòu)橫截面。

(6)施工方便，無需大型器具和設備，用量不多就可以修復。使得粘貼碳纖維加固具有很大的前景和優(yōu)勢。

碳纖維是線彈性材料，它的應力—應變曲線是直線。混凝土是非彈性的脆性材料，應力—應變曲線在未超過峰值應變是二次拋物線?？梢哉f碳纖維材料各方面材料性能都與混凝土相差很多，二者共同工作性能是值得研究的。過去對于碳纖維加固混凝土的抗壓等性能已經(jīng)有了很多的研究，也得到很多結(jié)論。受彎構(gòu)件同樣作為土木工程領域常見的受力構(gòu)件，產(chǎn)生的損傷也可使用碳纖維進行加固，本文主要通過試驗研究碳纖維加固素混凝土受彎構(gòu)件的性能，得到碳纖維布加固后的受彎構(gòu)件受力規(guī)律。

1 試驗簡介

選定受彎構(gòu)件的橫截面尺寸8 cm×6 cm，構(gòu)件的長度為1.2 m。碳纖維布不適宜加固強度太低的混凝土構(gòu)件，采用C30強度級別的混凝土，為了不使得粗骨料粒徑過大導致混凝土的質(zhì)量太過于不均勻而影響了試驗效果，篩選小于等于構(gòu)件寬度2/3的粗骨料粒徑，即3 cm以下。

為了使構(gòu)件產(chǎn)生裂縫，以模擬產(chǎn)生病害的構(gòu)件，控制每次加載的量在1.5～2.5 kN(氣壓千斤頂需要用手柄向下的幅度來控制)進行分級加載，讀取構(gòu)件加載期間的撓度和應變數(shù)據(jù)。產(chǎn)生肉眼可見的裂縫后，停止初次加載，并對裂縫位置進行標記。將碳纖維布沿著已經(jīng)處理過的構(gòu)件表面，繞構(gòu)件產(chǎn)生裂縫的橫截面垂直粘貼。養(yǎng)護3 d后，膠水可以很好地貼合。將加固好的構(gòu)件，以與之前初次加載相同的加載位置以及測量位置布置儀器，再次分級加載，讀取相應位置的撓度和應變，當應變儀讀數(shù)忽然變?yōu)?或者構(gòu)件產(chǎn)生突然破壞時，停止加載。具體試驗材料參數(shù)見表1，構(gòu)件設計參數(shù)見表2。

表1 具體試驗材料參數(shù)

表2 構(gòu)件設計參數(shù)

在加載期間，用三只百分表測定梁的撓度。使用位于梁中性軸的兩個應變片和梁頂面的兩個應變片組成的全橋，測量梁的最大應變，同時位于側(cè)面的上部和下部的4個應變片組成另一個全橋，用于檢驗和對比。梁頂面兩個應變片，沿著梁高貼6個應變片。而下部則通過千斤頂給構(gòu)件施加兩個向上的力，使得兩個加載力位置中間的區(qū)域處于純彎狀態(tài)。 前后將6根試件分為兩組，試件2-1、2-2、3-1為一組，粘貼的是200gII級碳纖維布，試件3-2、4-1、4-2為一組，粘貼的是200gI級碳纖維布。前綴代表碳纖維布層數(shù)(圖1)。

圖1 試驗量測裝置布置

2 加固前后承載力比較

梁的二次加載，采取和初次加載一樣的加載和量測方案。在梁即將破壞時，可以清楚地觀察到碳纖維布被拉變形的紋理。在加載至破壞后，未進行打磨倒角處理的梁，碳纖維布與梁分離破壞，而碳纖維布粘結(jié)緊密的梁則產(chǎn)生了整個截面斷裂的樣子(圖2)。

圖2 碳纖維布加固構(gòu)件受彎破壞

由荷載撓度變化可以看出，在加固之前，混凝土試件梁的撓度隨荷載的增加速度很快，在即將產(chǎn)生裂縫的瞬間，撓度會大幅增加，比之前增加的幅度增大4～10倍。混凝土產(chǎn)生裂縫時，梁的撓度在100～200 mm之間。

加固后，可見所有構(gòu)件在碳纖維布和混凝土的共同作用下，混凝土的變形基本變?yōu)榫€性，在受彎過程中表現(xiàn)出了類似彈性的特點，最大撓度(貼3層碳纖維布并且打磨倒角處理)可以達到800 mm左右，比加固之前增加了300 %，荷載作用下得變形能力有大幅度的提高。并且可以承受的荷載也增高了很多，從4～5 kN增至10～15 kN，比加固之前增加了150 %～200 %，可以看出承載力也提高了不少(表3、圖3、圖4)。

表3 加固效果試驗數(shù)據(jù)

圖3 試件加固前后混凝土構(gòu)件荷載-撓度對比

圖4 全部試件加固后混凝土梁荷載-撓度對比

在這組數(shù)據(jù)中，可以看出除了試件2-2、3-2和4-2在加固后最大應力沒有提高很多，其余三組試件的最大拉應力測出來都有很大提高。推測原因是未進行打磨，這三組試件的橫截面形狀不那么規(guī)則，使得貼碳纖維布時沒有很好地貼合。

3 碳纖維加固梁破壞分析

加固后，混凝土梁的受力性能發(fā)生改變，根據(jù)荷載-撓度圖，加固前，混凝土梁隨著荷載增大，撓度急劇上升，而加固后基本會變?yōu)榻凭€性，顯示出彈性的特點。

碳纖維布并未發(fā)揮出自己的強度極限，碳纖維布的抗拉強度可以達到2 400 MPa，但是在遠遠沒有達到這個強度就破壞了，認為有以下3個原因造成。

3.1 混凝土強度低

為了分析CFRP加固的混凝土梁受彎過程，有如下的基本假設：

(1)截面應變規(guī)律符合平截面假定，即正截面應變按照線性分布。

(2)截面受拉區(qū)不考慮混凝土的抗拉作用。

(3)混凝土受壓應力-應變曲線由拋物線上升段和水平段組成。

根據(jù)混凝土基本設計原理，可以得到混凝土極限應變?yōu)?.003 3，碳纖維的極限應變根據(jù)試驗中按照0.016來取值，較之碳纖維布是極小的。在混凝土達到極限應變時，碳纖維布還未達到極限應變，也未發(fā)揮出其強度。并且受彎構(gòu)件橫截面較低的情況下可以提供的受壓高度也相應較小，而碳纖維布的厚度較之受彎構(gòu)件截面高度低得多，所以在截面高度低的情況下無法提供較大的抵抗彎矩。因此碳纖維布屬于彈性材料，在混凝土強度較小的情況小，截面高度較低，碳纖維布貼的層數(shù)有限的情況下，會產(chǎn)生碳纖維布并未達到極限、發(fā)揮出強度就斷裂的情況。

3.2 試驗溫度影響

試驗進行時是冬天，氣溫在0～10 ℃，低溫環(huán)境造成碳纖維布脆性增加。一般的材料，在氣溫很低時脆性受力效應都會更加顯著，使得不適于承受忽然加上去的荷載，碳纖維布和混凝土材料也會如此。

3.3 未打磨接觸面

若在粘貼碳纖維布時，不能很好地與混凝土表面貼合，則相應加固效果會變差。在試驗中，對試件2-1、3-1以及4-1進行打磨處理就是為了使得構(gòu)件能夠更好地與碳纖維布貼合，觀察加固效果。也得出了確實打磨的構(gòu)件可以更好的發(fā)揮碳纖維布加固能力的結(jié)論。

4 結(jié)束語

碳纖維和混凝土是兩種截然不同的材料，在一起工作時的性質(zhì)相互作用很獨特。本文通過試驗分析，得到以下結(jié)論。

(1)發(fā)現(xiàn)碳纖維布加固混凝土時十分依賴于施工質(zhì)量，碳纖維布雖然層數(shù)越多加固效果越好，但并非成倍遞增，層與層之間也需要緊密貼合。

(2)在粘貼前對混凝土表面進行打磨，并且將矩形截面的角進行磨圓處理，會使得加固效果增強。

(3)碳纖維布對受彎構(gòu)件加固作用十分顯著，提高了構(gòu)件承載能力以及受力變形能力。

(4)改善了素混凝土受彎構(gòu)件的受力性能，甚至在破壞之際荷載-撓度曲線仍然為線性。

(5)試驗中也發(fā)現(xiàn)，過低的氣溫也會加速碳纖維布加固梁的斷裂。