長周期干濕交替下預(yù)應(yīng)力CFRP加固RC梁的抗彎性能

王 濤，洪 雷

(1.杭州市蕭山區(qū)村鎮(zhèn)建設(shè)管理處， 浙江 杭州 311200；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

使用預(yù)應(yīng)力CFRP材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)可以有效地發(fā)揮材料本身的高強(qiáng)性能，因此在加固工程中得到很多應(yīng)用[1-5]。而在沿岸港口工程當(dāng)中存在的各種惡劣環(huán)境因素，如長時(shí)間的干濕交替、鹽霧腐蝕、凍融等對預(yù)應(yīng)力CFRP加固結(jié)構(gòu)的性能提出了更高的要求[6-7]。目前有研究指出干濕交替會對粘結(jié)界面造成劣化，并且預(yù)應(yīng)力水平愈高，劣化效果會愈加明顯[8-9]。在本文中一次完整的干濕交替為在3.5%鹽水環(huán)境中浸泡8 h，之后加速干燥16 h。目前國內(nèi)外采用相同或類似干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)方案的研究成果指出，在相對較短的循環(huán)周期如30次～50次內(nèi)，試件會因?yàn)椴牧隙嗡仍?，抗彎剛度反而得到提升，故CFRP加固梁要經(jīng)歷相對較長的循環(huán)周期時(shí)才會受到明顯不利影響[10]。除此之外，干濕實(shí)驗(yàn)所采用的最長循環(huán)周期大都控制在120次～180次，超過200次的長周期干濕循環(huán)則相對較少[11-14]。故有必要開展長周期鹽霧干濕交替侵蝕對預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固RC梁抗彎性能影響的研究。本文在文獻(xiàn)[15]的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展試驗(yàn)，通過4組經(jīng)過0次、70次、140次、280次鹽霧干濕循環(huán)侵蝕的試件，研究長周期干濕交替對預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固RC梁的抗彎性能影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用C60高強(qiáng)混凝土，摻合料包括PII 52.5R硅酸鹽水泥、一級粉煤灰、河砂、5 mm～10 mm連續(xù)級配的碎石、高效減水劑等，配合比見表1。CFRP采用日本東麗單向編織碳纖維布，測得材料相關(guān)性能參數(shù)見表2。底涂膠和浸漬膠采用JGN型纖維建筑結(jié)構(gòu)膠，材料參數(shù)見表3和表4。

表1 C60混凝土配合比

表2 CFRP的材料參數(shù)

表3 底涂膠性能參數(shù)

表4 浸漬膠性能參數(shù)

1.2 試件制作

梁的尺寸及配筋如圖1所示。截面尺寸為80 mm×120 mm，跨度及凈跨分別為900 mm與800 mm。配筋方案為梁底縱筋2C8，架立筋2A6，箍筋A(yù)6@60，跨中位置箍筋間距100 mm；2根梁底縱筋牌號為HRB400，其余鋼筋牌號均為HPB300。

圖1 梁尺寸及配筋圖(單位：mm)

圖2為自行設(shè)計(jì)的CFRP預(yù)應(yīng)力加載裝置[16]，按以下步驟制作加固梁試件：首先裁剪出一段寬為70 mm的CFRP布，然后將布的一端置于加載裝置左上角的固定夾板處，使用螺栓進(jìn)行固定。接著再按順時(shí)針方向?qū)FRP布依次繞過支撐桿、加載頭、裝置下方的支撐桿，這些部位均提前抹好潤滑油以保護(hù)碳纖維布。最后將CFRP布的另一端固定在左下角的固定夾板處。接著手搖機(jī)械千斤頂緩慢施加預(yù)應(yīng)力，待達(dá)到30%預(yù)應(yīng)力水平后，將梁底朝上依次涂上底涂膠以及浸漬膠，將梁放入CFRP布與支撐桿形成的間隙當(dāng)中，并在布表面再次涂上浸漬膠以確保CFRP布被完全浸潤，最后在梁兩端張貼U型箍進(jìn)行加固，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。室溫養(yǎng)護(hù)后去除多余的CFRP布，得到的加固梁示意圖如圖4所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力施加裝置

將12根試驗(yàn)梁放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室中，溫度控制在20℃±1℃，濕度控制在40%±5%。抽放3.5%的鹽溶液進(jìn)行干濕交替循環(huán)，一次完整的循環(huán)實(shí)驗(yàn)為浸泡8 h以及干燥16 h。預(yù)應(yīng)力水平為碳纖維布材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(fcfk)的30%。干濕交替次數(shù)分別為0次、70次、140次以及280次。使用P代表預(yù)應(yīng)力水平，W代表干濕交替次數(shù)。試件編號及相關(guān)參數(shù)見表5。

圖3 預(yù)應(yīng)力加固梁試驗(yàn)

圖4 加固試件示意圖(單位：mm)

表5 試件參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

加載采用四點(diǎn)彎曲。100 t電液伺服試驗(yàn)機(jī)先對分配梁施加集中力，再通過分配梁對試件施加荷載。分配梁布置在凈跨的三等分點(diǎn)處，具體見圖5(a)與圖5(b)?？梢钥闯?，分配梁的加載點(diǎn)將梁的凈跨部位劃分成3段，分別為中間的純彎段以及兩側(cè)的彎剪段。實(shí)驗(yàn)使用荷載傳感器、LVDT位移計(jì)測量試件的承載力與跨中撓度，通過布置在梁底CFRP布上的13枚應(yīng)變片測量CFRP應(yīng)變值，應(yīng)變片編號及間距如圖5(c)所示。此外通過預(yù)先布置在梁底縱筋上的2枚應(yīng)變片，測量受拉鋼筋的應(yīng)變變化情況。上述數(shù)據(jù)均使用IMC儀器進(jìn)行采集。

圖5 試驗(yàn)與測量裝置(單位:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 長周期干濕循環(huán)對抗彎能力的影響

表6列出了試件經(jīng)過干濕侵蝕作用后的開裂荷載與極限荷載，并以此繪制出圖6兩種荷載的變化曲線，從中發(fā)現(xiàn)在280次干濕侵蝕作用之后，P30W280試件的開裂荷載與極限荷載明顯降低。由表6可得，加固梁在70次、140次、280次干濕交替后，與P30W00試件相比其開裂荷載降幅分別為0.87%、16.12%以及22.0%，荷載曲線衰減趨勢變緩；極限荷載分別減少了8.3%、15.7%以及23.7%，曲線下降速率也明顯減小。這表明長周期的鹽霧干濕交替循環(huán)會對預(yù)應(yīng)力CFRP加固梁的承載性能造成明顯損害，并且承載能力的降低速率隨干濕交替次數(shù)增多表現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律。

表6還列出了試件梁的跨中極限撓度以及延性系數(shù)變化情況。與未經(jīng)歷過干濕交替的試件相比，加固梁在70次、140次、280次干濕侵蝕后跨中極限撓度分別減小了8.4%、30.6%和33.2%，延性系數(shù)降低了7.6%、37.9%和41.5%。這表明在長周期的鹽霧干濕循環(huán)條件下，加固試件的延性系數(shù)會大幅下降，延性性能受到明顯不利影響。與承載能力的變化規(guī)律相同，隨著干濕侵蝕的程度不斷加深，延性系數(shù)下降會愈來愈趨緩。

表6 干濕循環(huán)作用下試件的試驗(yàn)結(jié)果

圖6 預(yù)應(yīng)力試件的開裂荷載與極限荷載

圖7為干濕交替作用下試件的抗彎剛度曲線。

圖7 干濕循環(huán)下預(yù)應(yīng)力CFRP加固梁的荷載-撓度曲線

由圖7可知，4組試件的剛度曲線都可概括為：CFRP與混凝土梁共同工作的彈性上升階段，剛度曲線表現(xiàn)出線性增長的特點(diǎn)；在混凝土開裂后，梁底裂縫隨著上部荷載不斷擴(kuò)展，曲線呈現(xiàn)出非線性緩慢增長的態(tài)勢，這就是試件剝離階段的曲線特點(diǎn)，其長度代表了加固梁的延性。當(dāng)主裂縫發(fā)展至梁頂時(shí)，梁底碳纖維布完全剝離，剛度曲線驟降，此時(shí)試件被最終破壞。通過對比4組曲線發(fā)現(xiàn)，P30W280試件在彈性階段就與其他三組剛度曲線出現(xiàn)分離，剝離階段的長度大幅縮短，加固梁延性變差，并且在剝離階段后期及破壞階段，極限荷載能力大幅削減，抗彎剛度受到明顯影響。在濕潤環(huán)境中，建筑結(jié)構(gòu)膠內(nèi)部的分子鍵會出現(xiàn)斷裂，膠體的抗剪能力下降，同時(shí)隨著干濕環(huán)境的不斷循環(huán)交替，結(jié)構(gòu)膠與混凝土這兩種基體材料都在反復(fù)吸水膨脹與干燥回縮，由于材料膨脹回縮的性能參數(shù)不同，在粘結(jié)界面處就會逐漸出現(xiàn)微小裂縫，此外鹽溶液也會通過不斷地侵蝕與結(jié)晶，加劇裂縫的擴(kuò)張延伸。所以長周期的干濕交替會對碳纖維布與混凝土基體界面造成極大損傷，使得加固梁延性、抗彎性能明顯變差。

2.2 破壞形態(tài)分析

圖8給出了干濕循環(huán)140次與280次兩組試件的試件破壞形態(tài)。

圖8 試件破壞形態(tài)

兩組試件均發(fā)生了由中部彎剪斜裂縫引起的界面剝離破壞，說明長周期的循環(huán)侵蝕作用對加固梁的破壞形式并未造成影響。從圖8(a)與圖8(b)中可得P30W280試件的裂縫數(shù)量略有減少，主裂縫寬度變小，梁底的CFRP布對是試件的加固作用減弱。觀察圖8(c)與圖8(d)中兩組試件破壞面的情況，發(fā)現(xiàn)剝離的位置從混凝土表層向膠界面-混凝土界面發(fā)展，并且有向CFRP-結(jié)構(gòu)膠界面一側(cè)發(fā)展的趨勢。經(jīng)過280次交替侵蝕后，加固梁破壞時(shí)剝離下來的CFRP布上可以觀察清晰且光滑的結(jié)構(gòu)樹脂膠層，這表明在長周期的干濕循環(huán)下預(yù)應(yīng)力CFRP加固梁的界面粘結(jié)性能退化已經(jīng)十分顯著，粘結(jié)界面受損嚴(yán)重。

2.3 梁底CFRP應(yīng)變分析

對圖9進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)4組試件梁底的CFRP應(yīng)變曲線均發(fā)生了不同程度的波動。這是因?yàn)楦蓾袂治g的劣化效果，削弱了CFRP抑制裂縫開展的能力，從而使得加固梁底部匯集形成多條寬度較大的破壞裂縫，導(dǎo)致CFRP布上受力不均，由此帶來CFRP應(yīng)變曲線隨加載出現(xiàn)波動的情況。而與其他幾組試件相比，P30W280加載至接近極限荷載時(shí)(60 kN)，1號至13號應(yīng)變片的數(shù)值都出現(xiàn)了突增的情況，曲線上出現(xiàn)了多個(gè)應(yīng)變峰值。這是因?yàn)殚L周期的干濕循環(huán)對碳纖維布與混凝土界面黏結(jié)性能損害嚴(yán)重，使得試件在處于最后的破壞階段時(shí)，梁上的小裂縫急劇擴(kuò)張成大裂縫，并馬上達(dá)到試件承載能力的極限，出現(xiàn)脆性破壞的惡劣情況。

裂縫擴(kuò)張具有一定的隨機(jī)性，故圖9中CFRP應(yīng)變極值不一定出現(xiàn)在純彎段。為了統(tǒng)一比較交替侵蝕對各組試件CFRP極限應(yīng)變的影響，采用取純彎段6～8號應(yīng)變片平均值的方法，制作出的影響曲線如圖10所示。由圖10可知隨著侵蝕程度的加深，CFRP極限應(yīng)變不斷變小，同時(shí)下降速率逐漸減小。在經(jīng)歷了280次循環(huán)后，試件的極限應(yīng)變數(shù)值減少了48%，僅為實(shí)驗(yàn)初始時(shí)刻的一半左右。這說明經(jīng)過長周期的干濕侵蝕作用之后，CFRP材料的利用率將會大幅降低。

圖9 CFRP應(yīng)變分布

2.4 鋼筋應(yīng)變與CFRP應(yīng)變分析

圖11為4組試件跨中CFRP與梁底縱筋的荷載-應(yīng)變曲線，大致可歸納為三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)初期受拉縱筋與CFRP共同承擔(dān)荷載，兩條曲線都是彈性增長；加載至超過混凝土開裂強(qiáng)度時(shí)，兩條曲線開始出現(xiàn)明顯分離，CFRP應(yīng)變值顯著提高，進(jìn)入非線性增長的狀態(tài)；當(dāng)受拉鋼筋達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)，鋼筋應(yīng)力保持不變，此時(shí)CFRP布會承擔(dān)大部分的荷載直至試件最終破壞。

圖11中4組試件在干濕交替侵蝕后出現(xiàn)了跨中CFRP與受拉鋼筋荷載-應(yīng)變曲線逐漸重合的現(xiàn)象。對4組試件當(dāng)中CFRP的荷載-應(yīng)變曲線對比分析，發(fā)現(xiàn)在鋼筋屈服前的階段，相同荷載下CFRP應(yīng)變隨著干濕交替次數(shù)的增加而明顯減小。同時(shí)對比4組試件當(dāng)中鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)4組鋼筋的屈服應(yīng)變基本相同，均在2 500 με左右。故CFRP應(yīng)變與鋼筋應(yīng)變的差值會隨著交替侵蝕程度加深而不斷減小，兩條應(yīng)變曲線逐漸重合。這說明干濕侵蝕對鋼筋與混凝土之間黏結(jié)性能的影響可以忽略不計(jì)，主要是對CFRP-混凝土粘結(jié)界面造成了損害，導(dǎo)致界面膠層傳遞應(yīng)力的能力降低，而長周期的鹽霧干濕交替侵蝕對粘結(jié)界面造成更加惡劣的損害作用，極大地降低了CFRP承擔(dān)荷載的能力，使得CFRP與鋼筋曲線重合程度大幅提高。

圖10 干濕循環(huán)對預(yù)應(yīng)力CFRP極限應(yīng)變的影響

圖11 受拉縱筋與CFRP的荷載-應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

本文研究了長周期干濕循環(huán)侵蝕作用對預(yù)應(yīng)力CFRP加固梁的抗彎性能影響。得出結(jié)論如下：

(1) 長周期的干濕循環(huán)會使得預(yù)應(yīng)力CFRP加固梁的開裂荷載、極限荷載顯著下降，延性系數(shù)會大幅減小，降低速率隨干濕交替次數(shù)增多表現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律。

(2) 280次循環(huán)后CFRP極限應(yīng)變下降了48%，說明長周期的干濕交替侵蝕作用對CFRP極限應(yīng)變的損害非常顯著，大大降低了CFRP材料的有效運(yùn)用率，對預(yù)應(yīng)力CFRP加固梁抗彎性能造成極大的不利影響。

(3) 長周期的干濕循環(huán)侵蝕作用會對CFRP-混凝土的粘結(jié)界面造成顯著劣化作用，導(dǎo)致界面膠層傳遞應(yīng)力的能力降低，實(shí)驗(yàn)加載時(shí)試件的脆性破壞更加明顯。