不同環(huán)境荷載下用碳纖維布加固的混凝土剛度與粘接性能分析

任兵戰(zhàn)

(中鐵房地產(chǎn)集團(tuán) 華東有限公司,浙江 杭州 310011)

碳纖維布是以碳纖維為組分,以樹脂為基體,通過特殊加工技術(shù)加工后而生產(chǎn)出的一種纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)[1],這種碳纖維布包含碳纖維材料、芳綸纖維材料等,不同種類的碳纖維布力學(xué)性能也各不相同,但是均廣泛應(yīng)用于混凝土的加固工程之中。眾多研究者都嘗試探索提升混凝土結(jié)構(gòu)性能的方法,有學(xué)者嘗試使用外加劑改變混凝土的性能,還有學(xué)者嘗試改變水灰比,提升混凝土結(jié)構(gòu)的性能[2-3]。

研究嘗試使用碳纖維布對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固處理,利用環(huán)氧樹脂膠粘劑將碳纖維布與混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘接傳力。當(dāng)一層碳纖維布無法達(dá)到預(yù)期的加固性能時(shí),采用雙層加固的方法,利用環(huán)氧樹脂膠粘劑來粘接碳纖維布與混凝土結(jié)構(gòu)。并在不同荷載、不同環(huán)境下開展具體試驗(yàn),深入研究碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的粘接性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

1.1.1材料

纖維增強(qiáng)聚合布:山東盛鵬建筑材料有限公司;環(huán)氧樹脂膠粘劑:河北宣海防腐材料有限公司;混凝土:廊坊哲航建筑材料有限公司;冰醋酸溶液:山西陽原神生物科技有限公司;碳酸鈉溶液:淮安長(zhǎng)虹化工有限公司;氯化鈉溶液:上海雅葉生物科技有限公司。

1.1.2儀器設(shè)備

NTW疲勞試驗(yàn)機(jī):濟(jì)南華氏試驗(yàn)機(jī)有限公司;LS300B液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備:山東魯功機(jī)械設(shè)備有限公司;水平液壓作動(dòng)器:濟(jì)南恒樂科興儀器設(shè)備有限公司;DBD-15凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī):滄州昌志建筑儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1加固方式與試件制備

依據(jù)實(shí)際建筑施工工程中的建筑形式以及常見混凝土結(jié)構(gòu),采用施工現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)制備完成的混凝土材料澆筑制作數(shù)個(gè)2層2跨的混凝土結(jié)構(gòu)框架試件,各個(gè)試件都在相同標(biāo)準(zhǔn)溫度、濕度環(huán)境中澆筑完成[12-14],同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d。

該混凝土結(jié)構(gòu)包含多個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn),整體試件高3 m,長(zhǎng)度為4 m,為滿足不同試驗(yàn)條件需求,制作多個(gè)相同試件[15-17]。碳纖維布由碳纖維增強(qiáng)聚合布與樹脂2部分組成,2種材料的基本性能如表1所示。

表1 材料性能

碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的方式:

試件1:空白對(duì)照組,未包裹碳纖維布,純混凝土結(jié)構(gòu);

試件2:條帶形式包裹兩層碳纖維布,每個(gè)條帶之間間隔200 mm;試驗(yàn)使用的膠粘劑為環(huán)氧樹脂膠粘劑,將碳纖維布與混凝土試件用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行粘接。

試件3:兩層碳纖維布完全包裹混凝土,碳纖維布之間、碳纖維布與混凝土結(jié)構(gòu)之間均依靠環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行粘接傳力,包裹后試件表面不存在縫隙[10]。

1.2.2性能測(cè)試

研究在荷載與環(huán)境的共同作用下碳纖維布加固混凝土的粘接性能及結(jié)構(gòu)性能。

1)地震荷載下加固混凝土結(jié)構(gòu)破壞形貌

使用液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備開展試驗(yàn),液壓千斤頂向試件的2個(gè)柱施加150 kN的豎向地震荷載,加載計(jì)算中的軸壓比選定為0.5,該軸壓比為恒定。利用水平液壓作動(dòng)器向各個(gè)試件的頂部施加水平低周反復(fù)荷載。記錄不同循環(huán)次數(shù)下,試件受到破壞的程度。

2)凍融循環(huán)下加固混凝土粘接結(jié)構(gòu)性能分析

裁剪各個(gè)試件,獲得各個(gè)試件的一部分,蒸餾水中靜置7 d確保各個(gè)試件中的水分接近飽和,將各個(gè)試件置于凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)開展快速凍融試驗(yàn),循環(huán)次數(shù)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)需求確定,以GB/T 50082—2009為標(biāo)準(zhǔn)。每1 h凍融循環(huán)1次,冷凍溫度設(shè)定為-30 ℃,熔化溫度設(shè)定為28 ℃。使用液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備向各個(gè)試件施加荷載,統(tǒng)計(jì)并計(jì)算各個(gè)試件在不同凍融循環(huán)次數(shù)之下承載力的變化情況[11]。

3)腐蝕環(huán)境下加固混凝土粘接結(jié)構(gòu)性能分析

使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%冰醋酸溶液模擬的酸性環(huán)境,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%碳酸鈉溶液模擬的堿性環(huán)境,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%氯化鈉溶液模擬氯鹽環(huán)境,開展干濕循環(huán)試驗(yàn)。將各個(gè)試件在各溶液中浸泡2 h后取出,室溫環(huán)境中干燥3.5 h,重復(fù)以上步驟數(shù)次,測(cè)試不同試件在不同干濕循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度[12]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 地震荷載下加固混凝土破壞形貌結(jié)果

各試件的破壞形貌如圖1所示。

(a)試件1初次施加

由圖2(a)、(b)可知,試件1在初次地震荷載作用下就出現(xiàn)混凝土輕微脫落,且表面出現(xiàn)細(xì)小裂縫,地震荷載循環(huán)5次以后試件表面出現(xiàn)嚴(yán)重貫穿裂縫,且裂縫寬度較大,地震荷載加載過程中,試件框架發(fā)出較大聲響,表面混凝土脫落明顯。

圖2 凍融循環(huán)條件下各試件承載力

試件2在地震荷載循環(huán)10次時(shí)碳纖維布加固的位置未出現(xiàn)明顯破壞,只在未纏繞碳纖維布的間隔位置處出現(xiàn)少量混凝土脫落,地震荷載循環(huán)30次以后碳纖維布出現(xiàn)少量破損,但是碳纖維布下的混凝土沒有出現(xiàn)明顯斷裂或者裂縫情況,經(jīng)試件表面出現(xiàn)混凝土脫落情況。

試件3地震荷載循環(huán)10次時(shí),試件表面碳纖維布沒有出現(xiàn)明顯破損,荷載循環(huán)50次以后,試件表面包覆的碳纖維材料出現(xiàn)崩壞,但是碳纖維布下的混凝土結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)明顯破壞,因此使用碳纖維布完全包覆加固混凝土結(jié)構(gòu)的方式能夠極大程度提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.2 凍融循環(huán)下加固混凝土結(jié)構(gòu)承載力分析結(jié)果

使用凍融試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證不同循環(huán)次數(shù)下各個(gè)試件的承載力變化情況,結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,各個(gè)試件受到凍融循環(huán)影響,承載力均呈現(xiàn)出較為顯著的下降趨勢(shì),凍融次數(shù)越多,混凝土自身的抗壓強(qiáng)度越低,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)整體的承載力也發(fā)生下降。未經(jīng)任何加固措施的試件1在凍融循環(huán)初期,試件承載力迅速下降,但是凍融循環(huán)中間階段,試件的承載力下降趨勢(shì)減緩,說明混凝土結(jié)構(gòu)初期喪失大量承載力以后,后期達(dá)到一個(gè)適應(yīng)值,因此承載力水平不再發(fā)生明顯變化。使用碳纖維布加固后的兩種試件盡管在凍融循環(huán)影響下,承載力也出現(xiàn)不同程度的喪失,但是這兩個(gè)試件受到碳纖維布粘接的加固保護(hù),承載力的下降值較小,其中試件3使用碳纖維布全包覆混凝土結(jié)構(gòu),凍融循環(huán)初期承載力下降并不大,即使在長(zhǎng)期凍融循環(huán)環(huán)境中,仍保持較高承載力,說明使用這種混凝土粘接加固方法能提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與承載力。

2.3 腐蝕環(huán)境下加固混凝土結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果

通過在不同腐蝕環(huán)境中干濕循環(huán)模擬沿海陸地區(qū)域海洋氣候環(huán)境下,混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)過加固后耐腐蝕性能,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 腐蝕環(huán)境下抗壓強(qiáng)度

由表2可知,干濕循環(huán)次數(shù)不斷增多導(dǎo)致各個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度不斷降低,其中試件1下降速度最快,酸性環(huán)境下干濕循環(huán)80次時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度只有27.88 MPa,不能實(shí)現(xiàn)混凝土的正常工作。試件3始終保持較高抗壓強(qiáng)度水平,無論何種環(huán)境之中,混凝土的抗壓強(qiáng)度始終未低于60 MPa,說明使用全包覆碳纖維布的加固方式能夠提升混凝土在海洋氣候環(huán)境中的耐腐蝕性能,使用壽命更長(zhǎng)。

3 結(jié)語

以碳纖維布為加固原料,開展碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的具體試驗(yàn)分析,從各個(gè)儀器實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果來看,使用碳纖維布完全包覆混凝土結(jié)構(gòu)能夠提升混凝土結(jié)構(gòu)整體的承載力、抗震、抗腐蝕性能,體現(xiàn)了環(huán)氧樹脂的粘接作用下碳纖維布較強(qiáng)的加固性能,將加固后的混凝土應(yīng)用于沿海環(huán)境的橋梁、隧道、高層建筑結(jié)構(gòu)之中,不但能夠提升使用壽命,同時(shí)還能優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu),獲得更加良好的使用效果。