碳纖維加固建筑混凝土梁的抗彎性能研究

陳進財，商先鵬，張?zhí)K文，姬孟剛，郭敬添

（中建八局第一建設有限公司，山東濟南，250100）

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的快速發(fā)展和工業(yè)建筑的不斷進步，碳纖維布加固和碳纖維板加固混凝土逐漸在我國橋梁及建筑物（倉庫、廠房）等結(jié)構(gòu)中應用，究其原因這主要與碳纖維具有較高的抗拉強度（同等截面鋼筋的7～10倍）、質(zhì)量輕、耐久性好以及施工方便快捷等特性有關(guān)[1-2]，將碳纖維應用于混凝土結(jié)構(gòu)可以大幅度提升整體構(gòu)件的承載能力、抗震性能和耐久性等[3]。雖然碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)有一些優(yōu)異特性，但是將普通碳纖維內(nèi)嵌加固至混凝土時，對撓度和裂縫的作用有限[4-6]。因此，本文探討了對碳纖維材料進行預應力加載，以探討預應力碳纖維內(nèi)嵌加固混凝土的抗彎性能，以期為碳纖維在混凝土中的應用提供參考，并有助于降低整體混凝土構(gòu)件承載過程中撓度和抑制裂縫。

1 材料與方法

試驗用碳纖維復合材料為直徑6mm的CFRP筋，基本力學性能參數(shù)為：抗拉強度1810MPa、彈性模量124GPa、斷后伸長率1.82%、極限拉力為51.3kN；試驗用粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂砂漿，環(huán)氧樹脂、固化劑、填料質(zhì)量比為1:0.23:1.5，環(huán)氧樹脂砂漿澆筑的立方體模塊在25℃養(yǎng)護7天后測得其抗壓強度為61.7MPa；試驗用鋼筋為包括直徑12mm和16mm的HRB400鋼筋，彈性模量都為200GPa；試驗用混凝土為C40混凝土（水泥：砂子：碎石：水=1:1.42:2.65:0.45），澆筑成120×120×120mm3立方塊后進行標準養(yǎng)護28d，抗壓強度平均值為54.8MPa。

共制備了6組碳纖維加固混凝土試件，具體參數(shù)見表1。試件截面為矩形截面梁，尺寸為250mm×300mm，跨高比為8；碳纖維加固混凝土梁的尺寸示意圖和截面配筋圖如圖1所示。采用一次性澆筑成型方法澆筑混凝土試件，制備過程中用振動棒振實，并用塑料布覆蓋24h，待硬化后拆模養(yǎng)護，標準養(yǎng)護28d。

表1 碳纖維加固混凝土試件的參數(shù)表Table 1 Parameters of carbon fiber reinforced concrete specimens

圖1 碳纖維加固混凝土梁的尺寸示意圖和截面配筋圖Fig.1 Dimension diagram and section reinforcement diagram of carbon fiber reinforced concrete beam

在TMS液壓伺 服系統(tǒng)中對碳纖維加固混凝土試件進行加載，加載裝置示意圖如圖2所示。試驗采用分級加載的靜載方法進行[11-14]，采用BX150-200BB型應變采集箱對試驗數(shù)據(jù)進行采集，每一級載荷大小控制在開裂載荷25%以內(nèi)[15]，當整體構(gòu)件發(fā)生開裂后將荷載變?yōu)?kN直至鋼筋屈服，然后荷載降低至10kN直至試件破壞。

圖2 碳纖維加固混凝土試件的加載裝置示意圖Fig.2 Loading device of carbon fiber reinforced concrete specimen

2 結(jié)果及討論

圖3為6組碳纖維加固混凝土試件的破壞形態(tài)，其中L1試件（對比梁）為未添加預應力碳纖維筋的加固梁，加載過程中將碳纖維加固混凝土試件出現(xiàn)第一條裂縫時對應的荷載稱為開裂載荷。在對6組碳纖維加固混凝土試件進行分級加載過程中，L1試件在達到極限載荷時，混凝土上的裂縫會迅速增大，并伴隨著噼里啪啦的聲音，整體構(gòu)件較快就失去了承載能力[圖（3a）]；對于JGL1試件，混凝土上的裂縫開始出現(xiàn)后，整體構(gòu)件不會發(fā)生裂縫迅速增大的現(xiàn)象，在碳纖維筋被拉斷后混凝土才出現(xiàn)壓碎和破壞[圖（3b）]；JGL2～JGL5試件的混凝土裂縫的出現(xiàn)與擴展現(xiàn)象與JGL2相似，即由于碳纖維筋的加固作用，混凝土上裂縫出現(xiàn)后不會快速擴展及造成試件破壞，預應力碳纖維筋被拉斷后，混凝土試件才會逐漸出現(xiàn)剝落和壓碎現(xiàn)象[圖3（c）～（f）]。整體而言，L1試件的破壞形式為裂縫出現(xiàn)后快速壓碎，而碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）中除JGL3試件發(fā)生剪切破壞外，其余試件都為鋼筋屈服和碳纖維筋拉斷后發(fā)生破壞。

圖3 碳纖維加固建筑混凝土梁的破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of concrete beams strengthened with carbon fiber

表2為6組碳纖維加固混凝土梁試件的抗彎性能試驗結(jié)果?？梢?，碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷都明顯高于未添加碳纖維筋的對比梁（L1），而極限撓度都明顯小于L1試件；從最大裂縫寬度上來看，碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）的最大裂縫寬度也高于對比梁（L1）。隨著張拉控制應力增加（JGL1、JGL2、JGL3），碳纖維加固混凝土梁的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷逐漸增大，極限撓度逐漸減??；在相同張拉控制應力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），鋼筋直徑更大的混凝土試件的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷更大，而極限撓度更小。

表2 碳纖維加固建筑混凝土梁的抗彎性能Table 2 Flexural performance of building concrete beams strengthened with carbon fiber

圖4為6組碳纖維加固混凝土試件的裂縫分布圖。對比分析可見，碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）的裂縫數(shù)量都明顯小于未添加碳纖維筋的對比梁（L1），且裂縫間距明顯高于后者、主裂縫間的小裂縫的數(shù)量也較少。隨著張拉控制應力的增加，碳纖維加固混凝土試件的裂縫數(shù)量會逐漸減小，在張拉預應力為50%時整個混凝土梁上僅可見8條裂縫，可見張拉預應力可以有效抑制碳纖維筋加固混凝土的裂縫數(shù)量。此外，在相同張拉控制應力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），鋼筋直徑更大的混凝土試件的裂縫數(shù)量并沒有發(fā)生明顯改變。

圖4 碳纖維加固建筑混凝土梁的裂縫分布圖Fig.4 Crack distribution of concrete beams strengthened with carbon fiber

圖5 為6組碳纖維加固混凝土試件的荷載-裂縫寬度曲線。對比分析可見，無論是碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）還是未添加碳纖維筋的對比梁（L1），試件上的裂縫寬度都會隨著荷載增加而增大，但是裂縫開始出現(xiàn)對應的荷載明顯不同。未添加碳纖維筋的對比梁（L1）在荷載為40kN時即出現(xiàn)了0.1mm的裂縫，而JG3試件在荷載達到80kN時才開始出現(xiàn)裂縫。此外，在相同張拉控制應力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），鋼筋直徑更大的混凝土試件出現(xiàn)裂縫時的載荷并不會改變。由此可見，預應力碳纖維加固有助于提升混凝土梁出現(xiàn)裂縫時的荷載，而鋼筋直徑不會對混凝土梁出現(xiàn)裂縫時的荷載產(chǎn)生明顯影響。

圖5 碳纖維加固建筑混凝土梁的荷載-裂縫寬度曲線Fig.5 Load crack width curve of concrete beams strengthened with carbon fiber

圖6 為6組碳纖維加固混凝土試件的荷載-撓度曲線。對比分析可見，無論是碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）還是未添加碳纖維筋的對比梁（L1），試件的撓度都會隨著荷載的增加而增大，且在相同荷載作用下，加固混凝土試件的撓度要明顯低于未加固的試件。隨著控制張力應力的提高，混凝土梁試件的極限撓度會逐漸減??；在相同控制張力應力作用下，鋼筋直徑更大的試件的極限撓度更小。

圖6 碳纖維加固建筑混凝土梁的荷載-撓度曲線Fig.6 Load deflection curve of concrete beams strengthened with carbon fiber

3 結(jié)論

（1）L1試件的破壞形式為裂縫出現(xiàn)后快速壓碎，而碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）中除JGL3試件發(fā)生剪切破壞外，其余試件都為鋼筋屈服和碳纖維筋拉斷后發(fā)生破壞。

（2）碳纖維加固建筑混凝土梁的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷都明顯高于未添加碳纖維筋的對比梁，而極限撓度都明顯小于L1試件。隨著張拉控制應力增加（JGL1、JGL2、JGL3），碳纖維加固混凝土梁的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷逐漸增大，極限撓度逐漸減小；在相同張拉控制應力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），鋼筋直徑更大的混凝土試件的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷更大，而極限撓度更小。

（3）6組試件的撓度都會隨著荷載的增加而增大，且在相同荷載作用下，加固混凝土試件的撓度要明顯低于未加固的試件。隨著控制張力應力的提高，混凝土梁試件的極限撓度會逐漸減??；在相同控制張力應力作用下，鋼筋直徑更大的試件的極限撓度更小。