凍融循環(huán)對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP-混凝土加固梁界面性能的影響

李國(guó)民

摘? 要：通過36個(gè)預(yù)應(yīng)力CFRP加固梁的單剪試驗(yàn)，考察初始預(yù)應(yīng)力、凍融循環(huán)次數(shù)、堿性溶度對(duì)加固梁界面粘結(jié)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：堿性環(huán)境、凍融次數(shù)、初始預(yù)應(yīng)力值對(duì)界面粘結(jié)性能的影響中，初始預(yù)應(yīng)力值影響最大，其次堿性環(huán)境、凍融次數(shù)影響相比較弱。在堿性寒冷地區(qū)，初始預(yù)應(yīng)力值不易過大，否則嚴(yán)重影響界面粘結(jié)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：界面? 初始預(yù)應(yīng)力? 混凝土梁? 堿性? 凍融循環(huán)

中圖分類號(hào)：TU528.572? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（c）-0049-02

自從20世紀(jì)90年代，F(xiàn)RP（Fiber Reinforced Polymer）技術(shù)作為土木工程結(jié)構(gòu)加固新型外貼材料后，我國(guó)及各國(guó)學(xué)者對(duì)其加固性能進(jìn)行了廣泛而深入的研究，不僅完成了大量的工業(yè)建筑、民用建筑和橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的加固工程，而且還編制了《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及國(guó)家建設(shè)部頒發(fā)的《結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》[1-3]。20年后過去了，F(xiàn)RP技術(shù)似乎到了一個(gè)瓶頸，那就是加固效果很好，但是FRP加固性能沒有得到很好體現(xiàn)[4-7]，以FRP加固鋼筋混凝土梁為例，具體表現(xiàn)在FRP往往只達(dá)到極限性能的20%左右，F(xiàn)RP便從加固梁上剝離，因此預(yù)應(yīng)力FRP加固鋼筋混凝土梁（以下簡(jiǎn)稱PRC梁）便是非預(yù)應(yīng)力技術(shù)受限后的一個(gè)革新技術(shù)，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行廣泛的研究。

姜新佩等通過對(duì)預(yù)應(yīng)力FRP加固的混凝土梁開展彎曲加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力下的FRP加固體，更具有較好的剛度和整體穩(wěn)定性，并且對(duì)裂縫的閉合起到較大作用;薛偉辰通過做同樣類型試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了較為系統(tǒng)的理論研究，提出不同破壞模式下的加固梁受彎承載力計(jì)算公式;高仲學(xué)通過同樣試驗(yàn)得到預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算方法和考慮預(yù)應(yīng)力損失下抗彎承載力模型，極大的推進(jìn)了預(yù)應(yīng)力損失下抗彎加固理論。目前對(duì)預(yù)應(yīng)力加固工程的技術(shù)操作已經(jīng)相對(duì)成熟，但是規(guī)范中并沒有考慮環(huán)境和多場(chǎng)因素作用下對(duì)加固梁的界面影響，因此考慮環(huán)境因素，對(duì)于較為精確估算加固梁抗彎承載力，具有十分現(xiàn)實(shí)作用。該文通過對(duì)預(yù)制36根80×80×190（mm3）矩形截面PRC梁，設(shè)置堿性、凍融環(huán)境，以堿度、凍融循環(huán)次數(shù)、初始預(yù)應(yīng)力大小3個(gè)參數(shù)為考察對(duì)象，分析受腐蝕后的PRC梁界面粘結(jié)應(yīng)力影響情況。

1? 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

由于PRC梁具有初始預(yù)應(yīng)力，因此對(duì)于加固梁來(lái)說(shuō)，較高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，在FRC受力過程中，界面具有較好的穩(wěn)定性，不易剝離。因此本試驗(yàn)選擇混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C60，混凝土的配合比見表1。

1.2 參數(shù)設(shè)置

該試驗(yàn)以堿度、凍融循環(huán)次數(shù)、初始預(yù)應(yīng)力大小三個(gè)參數(shù)為考察對(duì)象，具體設(shè)置如下，以工業(yè)氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、7%、10%為三種堿性環(huán)境，凍融循環(huán)次數(shù)為50次、100次、200次，初始預(yù)應(yīng)力為極限荷載的5%、10%、15%。

1.3 試件設(shè)計(jì)

預(yù)制36根80×80×190（mm3）矩形截面梁，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，磨去粘貼面浮漿，將纖維布裁剪成60×60×170（mm3）的窄帶，按照CECS-146（2007）《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》將纖維布按照初始預(yù)應(yīng)力粘貼到打磨面上，形成單剪試件。后講應(yīng)變片以10mm為一個(gè)間距等距離布置到纖維布上，連接采集儀，分析在不同荷載作用下纖維布的應(yīng)變關(guān)系。

1.4 試驗(yàn)方法

采用1000kN的電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)，以0.1mm/min的位移控制加載，數(shù)據(jù)采集主要有3種形式：（1）通過50kN的荷載傳感器進(jìn)行荷載測(cè)量;（2）通過夾式引伸儀測(cè)量混凝土與CFRP相對(duì)滑移;（3）通過粘貼在CFRP片上的應(yīng)變片對(duì)纖維布進(jìn)行測(cè)量。

2? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)PRC梁進(jìn)行單剪試驗(yàn)可以看到，受到堿性+凍融環(huán)境下的加固梁界面提前剝離，加載時(shí)間不到3min便出現(xiàn)砰砰聲，纖維布從混凝土表面剝離，并帶一層混凝土。由于受侵環(huán)境下，有的試件在沒有加載前有的界面就出現(xiàn)空隙空洞，纖維布受損嚴(yán)重，彈力缺失等。

2.2 結(jié)果分析

可以看到：隨著堿性濃度提高，纖維布纖維泛黃較為嚴(yán)重，界面粘結(jié)應(yīng)力逐漸下降，10%濃度較3%濃度，界面粘結(jié)應(yīng)力峰值下降45%，極限位移減少37%，說(shuō)明堿度對(duì)界面的損傷比較嚴(yán)重，尤其10%的堿度，已經(jīng)對(duì)構(gòu)件造成嚴(yán)重破壞;隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，PRC梁破壞不如堿度環(huán)境那么明顯，但是也可以發(fā)現(xiàn)，CFRP和混凝土界面處出現(xiàn)微小氣泡，尤其在200次凍融循環(huán)下，混凝土損傷較為嚴(yán)重，界面處有裂縫存在，50次、100次、200次的凍融循環(huán)下剝離荷載分別為22kN、19kN、6.8kN;初始預(yù)應(yīng)力因素對(duì)于PRC梁界面損傷最為嚴(yán)重，由于在受侵蝕時(shí)荷載一直持續(xù)，相當(dāng)于界面在侵蝕環(huán)境和荷載共同作用，界面最容易破壞，從試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，15%的初始預(yù)應(yīng)力較5%界面粘結(jié)應(yīng)力峰值下降67%左右，極限位移降低74%，因此可以說(shuō)，在堿性寒冷地區(qū)，初始預(yù)應(yīng)力值不易過大，否則嚴(yán)重影響界面粘結(jié)強(qiáng)度。

3? 結(jié)語(yǔ)

（1）PRC加固技術(shù)中，界面的粘結(jié)性能是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，要保證粘結(jié)實(shí)現(xiàn)，適當(dāng)可以采用端部加強(qiáng)錨固措施。

（2）堿性環(huán)境、凍融次數(shù)、初始預(yù)應(yīng)力值對(duì)界面粘結(jié)性能的影響中，初始預(yù)應(yīng)力值影響最大，其次堿性環(huán)境、凍融次數(shù)影響相比較弱。

（3）在堿性寒冷地區(qū)，初始預(yù)應(yīng)力值不易過大，否則嚴(yán)重影響界面粘結(jié)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] Ali-AhmaDM，Subramaniam K，Ghosn M.Experimental investigation and fracture analysis of debonding between concrete and FRP sheets[J].J EngG Mech，2006（132）：914-923.

[2] 李杉.環(huán)境與荷載共同作用下FRP加固混凝土耐久性[D].大連理工大學(xué)，2009.

[3] 王蘇巖，李璐希，洪雷.荷載與凍融循環(huán)對(duì)CFRP-高強(qiáng)混凝土黏結(jié)性能影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2016（6）：479-484.

[4] American Society of Civil Engineers （ASCE）. Report card for Americas infrastructure. ASCE; 2005.

[5] Mertz DR， Gillespie JW， Chajes MJ， Sabol SA. The rehabilitation of steel bridge girders using advanced composite materials， NCHRP-IDEA Project 51.Washington（DC）：Transportation Research Board; 2002.

[6] Tavakkolizadeh M， Saadatmanesh H. Fatigue strength of steel girders strengthened with carbon fiber reinforced polymer patch[J]. J Struct Eng2003，129（1）：186，96.

[7] Kim YJ， Yoon DK. Identifying critical sources of bridge deterioration in cold regions through the constructed bridges in North Dakota[J]. J Bridge Eng ASCE 2010，15（5）：542，52.