新型玻璃纖維GFRP筋聚合砂漿板加固混凝土梁的粘接性能研究

黃國清

摘要：針對混凝土梁開裂的問題，提出制備玻璃纖維增強塑料筋（GFRP）-聚合物砂漿板，對混凝土梁進行加固。試驗結果表明，混凝土梁的破壞形式為脆性破壞，與GFRP-聚合物砂漿板結合后，粘接強度明顯高于混凝土基體強度。聚合物砂漿板加固混凝土梁的機理在于，當混凝土梁產(chǎn)生裂縫時，薄板與混凝土內(nèi)部箍筋共同起到承載作用，進而達到加固效果。當漿板長度為600 mm，此時薄板長度略長于混凝土純彎段，加固效果最好。

關鍵詞：聚合物砂漿板；混凝土梁加固；雙剪靜載試驗；加固機理

中圖分類號：TQ178文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0096-04

Study on the bonding performance of a new glass fiber GFRP?reinforced mortar board for reinforcing concrete beams

HUANG Guoqing

（Guangdong Communication Planning & Design Institute Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510507，China）

Abstract：In order to solve the problem of cracking of concrete beams，a glass fiber reinforced plastic bar （GFRP）-polymer mortar board was prepared to reinforce the concrete beam.The test results showed that the failure mode of the concrete beam was brittle failure.After being combined with GFRP-polymer mortar sheet，the bond strength was significantly higher than the strength of the concrete matrix.The mechanism of strengthening concrete beam with polymer mortar thin plate was that when the concrete beam cracked，the thin plate and the stirrup inside the concrete jointly played a bearing role，and then achieved the reinforcement effect.When the length of the thin plate was 600 mm，the length of the thin plate was slightly longer than that of the pure bending section of the concrete，and the reinforcement effect was the best.

Key words：polymer mortar sheet;concrete beam reinforcement;double shear static load test;strengthening mechanism

有些混凝土梁橋雖然服役時間較長，但結構的穩(wěn)定性還較為牢固，對這些結構進行加固后重復利用，既可以緩解結構壓力，又能為拆除工作節(jié)約成本，還能有效保護環(huán)境，因此需要尋找一種適合的加固方法。對此，部分學者也進行了很多研究，如采用超高性能混凝土對原有結構混凝土進行加固，并對加固后混凝土性能進行研究[1]。以聚氨酯水泥作為加固材料對混凝土結構進行加固[2]。以纖維織物為增強材料對高延性混凝土加固[3]。通過纖維加固裝配式框架結構節(jié)點的抗震性能[4]。以上學者的研究為混凝土的加固提供了一些方法，但加固效果還達不到理想的目標?；诖耍囼瀰⒖嘉墨I[5]的方法，制備了一種新型GFRP筋-聚合物砂漿板作為混凝土梁的加固材料，并對其加固機理進行研究。

1試驗部分

1.1材料與設備

主要材料：水泥（P·O42.5），安東新型建材；碎石（I級），南昱礦產(chǎn)品；砂子（II級），石曄礦產(chǎn)品；雙組分環(huán)氧砂漿（標準品），景程新型建材；玻璃纖維（標準品），維佳復合材料；GFRP 筋（I級），鴻業(yè)工礦設備。

主要設備：WAW型微機伺服液壓萬能試驗機（方圓試驗儀器）。

1.2試驗方法

1.2.1混凝土試件的制備

（1）由于混凝土強度不同，因此試件的配比也有一些差異。設計的不同強度混凝土配比如表1所示；

（2）根據(jù)表1配比將所有原料進行人工拌和，待結束后倒入提前刷油的模具中，充分振搗后抹平混凝土表面，養(yǎng)護24 h后脫模，并澆水養(yǎng)護至指定齡期。

1.2.2GFRP-聚合物砂漿板的制備

（1）對 GFRP-聚合物砂漿板的尺寸進行設計，具體見圖1；

（2）提前將玻璃纖維截成300 mm長短，并打磨鋼筋兩端，避免因外力造成應力集中的情況；

（3）按照設計圖定位尺寸在模具內(nèi)擺放GFRP 筋并進行固定，并提前在模具內(nèi)壁上進行厚度設定值的標記，避免在澆筑過程中漿板厚度超過設定值；

（4）將聚合物砂漿（雙組分環(huán)氧砂漿）拌和均勻，然后緩慢倒入固定有GFRP 筋的模具中；

（5）振搗均勻后，抹平表面養(yǎng)護7 d后拆模。

1.2.3雙剪試件的組裝

（1）提前用砂紙打磨混凝土試件與GFRP-聚合物砂漿板，清理掉表面灰塵后用質(zhì)量分數(shù)95%的酒精進行擦洗；

（2）設計應變片的位置并進行粘貼，第1個應變片布置位置在粘接面最頂端，然后在每隔30 mm的位置進行布置，最后一個應變片的位置在粘接界面的最下端，具體布置見圖2；

（3）將直徑為3 mm的鋼絲做成與粘接界面同等大小的矩形框，然后將其分別固定在混凝土試件與GFRP-聚合物砂漿板上；

（4）將環(huán)氧樹脂粘結劑均勻涂抹在矩形框內(nèi)，避免因粘結劑薄厚不均造成的試驗結果誤差；

（5）將混凝土試件與GFRP-聚合物砂漿板組合在一起，待膠層稍稍凝固后，去除鋼絲矩形框，并抹平膠層縫；

（6）組裝結束后靜置凝固，得到雙剪組合試件。

1.3性能測試

1.3.1靜載試驗

通過微機伺服液壓萬能試驗機進行靜載試驗。在加載平臺上放置制備好的試件，確保承臺與試件完好接觸，然后對緩慢的對試件施加荷載，直至試件破壞。

1.3.2建立有限元模型

在創(chuàng)建部件中繪制各個構件的草圖，然后對部件的材料和截面屬性進行創(chuàng)建，最后進行裝配和條件的設置，劃分網(wǎng)格進行建模，分析薄板的加固機理。

2結果與討論

2.1粘接性能試驗結果

表2為試件靜載試驗結果。

由表2可知，在只考慮粘接長度對承載力影響的情況下可以發(fā)現(xiàn)，粘接長度越長，試件承載力越高；但被剪切的面積也越大。出現(xiàn)這個變化的主要原因：試件間粘接長度越長，則剪應力的傳導距離也有一定增加，單位面積所承受的剪應力減小，整體承載力有一定增加[6-9]。由表2還可知，隨混凝土強度的增加，材料的極限荷載也有一定增加。這主要是因為粘接強度明顯高于混凝土本身的抗剪強度，因此均在混凝土基體表面產(chǎn)生破壞[10-11]。證明混凝土本身的強度直接影響組合試件的承載力。2.2GFRP-聚合物砂漿板應變分布規(guī)律

圖3為試件載荷-應變曲線。

由圖3可知，3個組在加載前期，各測點應變變化均較為緩慢，隨加載的進行，應變片總體表現(xiàn)為上升趨勢。距加載端較近的測點1和測點4曲線走勢較快，說明隨荷載的增加，膠層和混凝土表面均產(chǎn)生了嚴重的破壞，因此變形較大。隨加載端距離的增加，曲線走勢變緩，變形相對較小。試件B的曲線走勢在后半段變化和其余2組試件的曲線有一定差異，這可能是因為在加載過程中出現(xiàn)松動，受力不均引起；總之，試件曲線變化規(guī)律一致。對試件規(guī)律進行對比分析可知，粘接長度較長的試件具備較好的承載能力與抵抗應變的能力， 不易發(fā)生較大變形[12-13]。在加載后期，荷載值超過粘接應力時，試件在一瞬間發(fā)生破壞。同時，在雙剪試驗進行的過程中，混凝土抗壓強度比膠體抗拉強度更小，這就使得混凝土破壞均發(fā)生在表面[14]。

2.3薄板加固混凝土梁的剛度

選擇梁中點為參考點進行剛度分析，結果見圖4。

由圖4可知，2種強度混凝土梁的荷載-撓度曲線均為上升狀態(tài)，這說明漿板對混凝土梁的加固效果較為顯著，且漿板長度為600 mm的加固效果較好。這是因為500 mm 板長剛好是純彎的長度，雖然在一定程度上可以起到加固作用，但容易造成應力集中的情況，加固效果不理想[15-16]。而600 mm長度漿板略長于混凝土純彎段，可以有效阻斷彎矩的繼續(xù)發(fā)展。板長為700 mm的加固效果與板長為600 mm的加固效果較為接近，這說明彎矩傳遞力延伸的距離有限，過長的薄板無法發(fā)揮更好的作用[17-18]。對比圖4（a）、（b）可知，當薄板長度相同，C40強度混凝土梁的撓度值明顯小于 C35強度混凝土梁撓度值。也就是說，漿板對C40強度的混凝土梁的加固效果明顯優(yōu)于C35強度的混凝土梁。

2.4漿板加固混凝土梁的箍筋應變

不同漿板加固的箍筋應變（以梁中點側面作為箍筋取值點）如圖5所示。

由圖5可知，在加載前期，混凝土梁并未出現(xiàn)裂縫，此時箍筋應變較小，說明箍筋并未參與承載工作。繼續(xù)在混凝土梁上施加荷載，混凝土梁開始出現(xiàn)裂縫，此時箍筋開始承受一定荷載，因此應變值開始增加。當荷載相同的條件下，經(jīng)過聚合物砂漿板加固后的混凝土梁箍筋應變明顯小于加固前混凝土梁，表現(xiàn)出良好的加固作用[19-20]。

3結語

（1）雙剪靜載試驗結果表明，與GFRP-聚合物砂漿板結合后，粘接強度明顯高于混凝土基體強度，因此混凝土本身的強度對組合試件的承載力有重要的影響；

（2）聚合物砂漿板加固混凝土梁的機理在于，當混凝土梁產(chǎn)生裂縫時，漿板與混凝土內(nèi)部箍筋共同起到承載作用，進而達到加固效果。當漿板長度為600 mm，此時可以有效阻斷彎矩的繼續(xù)發(fā)展，加固效果最好。

本研究得出，聚合物砂漿板結合后，對混凝土都有一定的加固作用，這與文獻[5]的結論接近，說明本試驗可行。

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