CFRP加固混凝土梁蠕變特性的研究

李延超 聶智鵬 曹 平

（1.湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院，湖南湘潭 411104；3.中南大學(xué)，湖南長沙 410083）

引言

碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）是以粘膠絲、聚丙烯腈纖維和瀝青絲等為原料，經(jīng)過高溫碳化而成的復(fù)合功能材料，具有強(qiáng)度高、易加工、耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、電氣傳動(dòng)、機(jī)械等領(lǐng)域，也是一種物理力學(xué)性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)加固材料，尤其是抗壓、抗彎、剪切等靜態(tài)力學(xué)性能較穩(wěn)定，已在工程加固中積累了豐富的研究成果[1，2]。然而，在混凝土梁柱加固中，因混凝土脆性大、易變形，特別在超載作用下極易產(chǎn)生斷裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。因此對(duì)在役混凝土承載結(jié)構(gòu)的加固強(qiáng)度及加固材料的選型提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的提高配筋率、增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度、增大截面積等措施已滿足不了災(zāi)變混凝土的在役加固，尤其發(fā)生病險(xiǎn)混凝土工程修補(bǔ)施工的難度大、成本高、工期長，于是尋找高效穩(wěn)定的加固材料是混凝土結(jié)構(gòu)搶修加固的重要途徑。碳纖維增強(qiáng)塑料能夠克服上述困難，在混凝土梁式結(jié)構(gòu)加固中就加固強(qiáng)度和控制變形已顯示了優(yōu)越性。但是，當(dāng)外荷載足夠大時(shí)，隨服務(wù)時(shí)間延續(xù)，筋材與錨固劑黏結(jié)界面蠕變變形較為明顯，會(huì)引起黏結(jié)強(qiáng)度降低，甚至出現(xiàn)加速變形破壞特征，使得混凝土加固失效[3，4]。同時(shí)，碳纖維增強(qiáng)塑料加固混凝土梁式結(jié)構(gòu)中筋材與錨固劑黏結(jié)界面加速蠕變性和破壞時(shí)間的研究報(bào)道較少。鑒于此，文中以碳纖維增強(qiáng)塑料加固混凝土梁式構(gòu)件為研究對(duì)象，通過建立非線性蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、室?nèi)加載實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，探討筋材與錨固劑黏結(jié)界面的黏結(jié)力學(xué)特性、筋材與錨固劑黏結(jié)界面加速蠕變時(shí)黏結(jié)應(yīng)力的門檻值，加速蠕變變形特征及破壞時(shí)間等問題，為梁式加固理論和工程應(yīng)用提供參考。

1 筋材與錨固劑黏結(jié)特性與荷載傳遞

1.1 碳纖維增強(qiáng)塑料筋材與錨固劑的黏結(jié)特性

混凝土梁構(gòu)件的破壞主要有拉伸破壞、壓剪破壞、彎拉破壞和局部破壞等破壞模式。在超載作用下，往往首先在梁的下部產(chǎn)生開裂裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展、貫通，混凝土出現(xiàn)拉伸斷裂，進(jìn)一步延伸至受力鋼筋而屈服，最終誘發(fā)梁結(jié)構(gòu)的破壞[5]。因此，梁式結(jié)構(gòu)的加固主要是控制減小受力筋的拉伸變形。目前，加固混凝土梁的碳纖維增強(qiáng)塑料主要有筋材、片材和網(wǎng)材三種類型，其中筋材抗拉強(qiáng)度大、布置靈活、工藝簡單，在混凝土梁式搶修加固中廣泛應(yīng)用。碳纖維增強(qiáng)塑料筋常常布設(shè)在加固梁的底部，縱穿埋置于開口槽內(nèi)，并將兩端伸入梁內(nèi)，再通過酚醛樹脂、砂漿錨固劑進(jìn)行包裹黏結(jié)來提高梁的抗拉強(qiáng)度控制變形，碳纖維增強(qiáng)塑料筋加固示意圖如圖1所示。

圖1 碳纖維增強(qiáng)塑料筋加固梁

為了提高錨固劑與筋材的黏結(jié)強(qiáng)度，加固中通常將筋材進(jìn)行壓痕處理，采用酚醛樹脂錨固劑能顯著增強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)塑料筋與錨固劑的黏結(jié)強(qiáng)度。于是，在超載作用下，當(dāng)加固梁發(fā)生變形時(shí)，首先需要克服錨固劑的黏結(jié)強(qiáng)度和碳纖維增強(qiáng)塑料筋的拉伸變形，再發(fā)生梁的變形，這樣梁的抗拉強(qiáng)度大大增強(qiáng)。

1.2 荷載傳遞

眾所周知，在梁式構(gòu)件頂部荷載作用下，呈現(xiàn)底部的拉伸和頂部的壓縮受力特征，其中底部的拉伸應(yīng)力決定了梁結(jié)構(gòu)的承載能力，特別是受力鋼筋的不均勻變形極易誘發(fā)底部混凝土的拉伸斷裂。當(dāng)混凝土梁的拉壞區(qū)域經(jīng)碳纖維增強(qiáng)塑料筋與錨固劑黏結(jié)加固后，筋材的變形主要受黏結(jié)應(yīng)力的影響。因筋材端部約束，黏結(jié)應(yīng)力主要由筋材的拉伸應(yīng)力傳遞而來，于是得到碳纖維增強(qiáng)塑料筋與錨固劑的黏結(jié)應(yīng)力為[6]：

式中：τ0筋材與錨固劑的初始黏結(jié)強(qiáng)度，通過加載實(shí)驗(yàn)可以獲得，d為筋材的直徑，L為開口槽中筋材的長度。

從式（1）中看到，該黏結(jié)應(yīng)力物理意義明確、參數(shù)容易獲取，在碳纖維增強(qiáng)塑料加固梁式構(gòu)件中已大量應(yīng)用。當(dāng)初始黏結(jié)強(qiáng)度為恒值時(shí)，筋材與錨固劑的黏結(jié)應(yīng)力為常量，且隨著筋材長度的增加呈線性增加[8]。然而，大量測(cè)試表明[7]，碳纖維增強(qiáng)塑料筋與錨固劑的黏結(jié)應(yīng)力受環(huán)境溫濕度、加固梁結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、外荷載、筋材的時(shí)效變形、錨固劑的蠕變特性等多重因素影響，呈非線性特征，在筋的中部黏結(jié)應(yīng)力較大，沿筋的端部黏結(jié)應(yīng)力逐漸減小，呈單峰分布，其黏結(jié)應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 筋材與錨固劑的黏結(jié)應(yīng)力

因此，筋材與錨固劑黏結(jié)應(yīng)力的變化是非常復(fù)雜的，文中主要考慮蠕變荷載和加固時(shí)間對(duì)黏結(jié)應(yīng)力的影響，重點(diǎn)分析黏結(jié)應(yīng)力的傳遞特征及筋材與錨固劑黏結(jié)界面加速蠕變破壞時(shí)黏結(jié)應(yīng)力的門檻值和破壞時(shí)間。

2 蠕變模型及蠕變方程

蠕變是荷載恒定時(shí)，變形隨時(shí)間持續(xù)增長的固有力學(xué)屬性，當(dāng)應(yīng)力較小時(shí)，結(jié)構(gòu)蠕變變形為衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變兩階段；當(dāng)過應(yīng)力發(fā)生時(shí)（超過塑性極限），結(jié)構(gòu)蠕變呈現(xiàn)加速特征，發(fā)生破壞。其中，兩階段蠕變?yōu)榫€性蠕變，而加速蠕變?yōu)榉蔷€性蠕變。在碳纖維增強(qiáng)塑料筋材加固混凝土構(gòu)件中，黏結(jié)界面有明顯的加速變化特性，因此要用非線性蠕變理論分析加固結(jié)構(gòu)的時(shí)變特征。在加固構(gòu)件初期，主要為瞬時(shí)彈性變形，隨著時(shí)間延續(xù)，該變形又逐漸恢復(fù)，黏結(jié)強(qiáng)度也得到恢復(fù)；荷載進(jìn)一步增大，黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到塑性剪切屈服條件，筋材與錨固劑界面發(fā)生塑性變形產(chǎn)生脫黏而破壞。根據(jù)巖土類材料的剪切破壞理論，結(jié)合Mohr-Coulomb 塑性屈服準(zhǔn)則，將自建的MC 元件作為塑性非線性蠕變?cè)?，與Kelvin 粘彈性元件串聯(lián)，形成改進(jìn)的Kelvin 非線性蠕變組合模型。該非線性蠕變模型簡單、參數(shù)容易辨識(shí)，能有效描述筋材與錨固劑界面的黏彈塑性時(shí)變力學(xué)特性，蠕變模型見圖3所示：

圖3 改進(jìn)的Kelvin非線性蠕變模型

根據(jù)蠕變?cè)Ｐ屠碚摽梢苑謩e得到Kelvin體和M-C體的蠕變公式[8]。

Kelvin體：

（1）當(dāng)σ＜σg時(shí)，＜η(t,σ) ＞=∞

（2）當(dāng)σ≥σg時(shí)，：

Mohr-Coulomb塑性屈服函數(shù)為[9]：

其中

式中：I1為應(yīng)力張量第一不變量，J2,J3為應(yīng)力偏量第二，三不變量。

結(jié)合式（2）～式（5），應(yīng)用應(yīng)變相加原理可得到改進(jìn)的Kelvin非線性蠕變方程：

根據(jù)塑性屈服原理，進(jìn)一步變形，獲得加速蠕變破壞的時(shí)間tF：

式中：t0為加速蠕變的起始時(shí)間，τ0為筋材與錨固劑的初始黏結(jié)強(qiáng)度，ε0為加速蠕變階段的起始應(yīng)變。

綜上所述，通過改進(jìn)的Kelvin 非線性蠕變模型可以獲得筋材與錨固劑黏結(jié)界面的三階段蠕變變形特征，同時(shí)還可以根據(jù)塑性元件剪切屈服條件得到產(chǎn)生加速蠕變時(shí)黏結(jié)應(yīng)力的門檻值和加速蠕變的破壞時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)分析

碳纖維增強(qiáng)塑料筋材加固混凝土梁的蠕變力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)通常在室內(nèi)進(jìn)行，采用液壓加載和東華DH3821靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在梁的兩端分別設(shè)置鋼板墊。蠕變加載實(shí)驗(yàn)采用分級(jí)加載，這樣可以克服加載過程中加速蠕變的瞬時(shí)斷裂。實(shí)驗(yàn)中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，軸心抗壓強(qiáng)度為30.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為3.1 MPa，彈性模量為29.6 GPa，泊松比為0.21；梁構(gòu)件的長度為3.1 m，高度為350 mm，寬度為210 mm，主筋為2 根?12，架立鋼筋為2 根?8，箍筋為?8@75，開口槽長度為700 mm；碳纖維增強(qiáng)塑料筋材的抗拉強(qiáng)度為2 GPa，彈性模量為160 GPa；錨固劑為長沙雙洲H52型環(huán)氧酚醛樹脂，密度為1.3 g/m3，拉伸強(qiáng)度為45 MPa，拉伸模量為3 GPa，吸水率為0.2。應(yīng)變片、應(yīng)力計(jì)、位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置如下：在梁側(cè)面的中部位置沿高度粘貼電阻應(yīng)變片；在碳纖維增強(qiáng)塑料筋材上從中點(diǎn)每隔100 mm分別粘貼應(yīng)力計(jì)、電阻應(yīng)變片及在相應(yīng)位置酚醛樹脂中埋設(shè)電阻應(yīng)變片；本次實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于筋材的中部位置點(diǎn)a和距中點(diǎn)300 mm 的點(diǎn)b。在分級(jí)加載過程中，分別測(cè)量碳纖維增強(qiáng)塑料筋材的應(yīng)力、位移和酚醛樹脂的位移，加載實(shí)驗(yàn)裝置見圖4所示。實(shí)驗(yàn)采用分級(jí)加載方式，加載初始荷載為40 kN，每級(jí)加載時(shí)間為10 h，再持續(xù)5 h 后，進(jìn)行下一級(jí)荷載70 kN 加載，按此加載方式依次加載至160 kN，共持續(xù)時(shí)間70 h，文中實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅考慮點(diǎn)a 和點(diǎn)b 位置處，筋材的軸向應(yīng)力和軸向位移，分級(jí)加載及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5所示。

圖4 加載實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 分級(jí)加載及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過五級(jí)加載后，碳纖維增強(qiáng)塑料筋材加固梁式結(jié)構(gòu)中兩測(cè)點(diǎn)a，b 位置處均出現(xiàn)了明顯的軸向位移和軸向應(yīng)力，隨著時(shí)間的延續(xù)，位移變化率和軸向應(yīng)力變化率逐漸增大，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示：

（1）圖5（1）中，在加載瞬時(shí)筋材的軸向位移達(dá)到2.45 mm，筋材軸向應(yīng)力為74.5 MPa，第二級(jí)加載后筋材的軸向位移達(dá)到2.5 mm；第三級(jí)加載后筋材的軸向位移達(dá)到3.2 mm，筋材軸向應(yīng)力為97 MPa；第四級(jí)加載后筋材的軸向位移達(dá)到4.6 mm，筋材軸向應(yīng)力為135 MPa；第五級(jí)加載后筋材的軸向位移達(dá)到6.4 mm，筋材軸向應(yīng)力為194 MPa，位移速率依次遞增；在加載持續(xù)62.1 h后，筋材軸向應(yīng)力為240 MPa，筋材與錨固劑界面出現(xiàn)了加速變形，最終位移達(dá)到9.52 mm后產(chǎn)生脫黏失效，而筋材仍未產(chǎn)生屈服拉壞。

（2）圖5（2）中，位移變化與圖5（1）相似，瞬時(shí)位移為1.35 mm，筋材軸向應(yīng)力為34 MPa，經(jīng)五級(jí)加載，持續(xù)62.2 h 后，筋材軸向應(yīng)力為172 MPa，在筋材與錨固劑界面出現(xiàn)了加速變形，最終位移達(dá)到6.5 mm后產(chǎn)生脫黏失效，而筋材仍未產(chǎn)生屈服拉壞。

（3）中間點(diǎn)a 的軸向位移、位移速率、軸向應(yīng)力較測(cè)點(diǎn)b 的值均有所增加。還進(jìn)一步顯示，加速位移產(chǎn)生的時(shí)間首先在中間a 點(diǎn)發(fā)生，緊接著向兩側(cè)傳遞發(fā)生筋材與錨固劑黏結(jié)界面的完全脫黏引起失效破壞。

4 結(jié)論

碳纖維增強(qiáng)塑料筋材能減小混凝土結(jié)構(gòu)的變形和改善應(yīng)力分布、能阻止斷裂裂紋的擴(kuò)展，還能夠延緩混凝土梁式結(jié)構(gòu)的破壞時(shí)間和脆性破壞模式，即使梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲、拉伸破壞時(shí)，筋材仍沒有產(chǎn)生屈服破壞。

（1）通過五級(jí)加載后，梁中部產(chǎn)生的軸向位移是第一級(jí)加載瞬時(shí)位移的2.61 倍，當(dāng)位移達(dá)到3.8 倍時(shí)，在該位置發(fā)生脫黏而屈服破壞；產(chǎn)生的軸向應(yīng)力是第一級(jí)加載瞬時(shí)應(yīng)力的2.6 倍，在屈服破壞時(shí)，軸向應(yīng)力為3.22倍；同時(shí)，加載至62.1 h到達(dá)加速蠕變破壞時(shí)間，發(fā)生脫黏破壞。

（2）通過五級(jí)加載至62.2 h，當(dāng)梁中部鄰近區(qū)域產(chǎn)生的軸向位移是第一級(jí)加載瞬時(shí)位移的4.8倍時(shí)，于是在該位置發(fā)生脫黏屈服破壞；同時(shí)，屈服破壞軸向應(yīng)力為5.05倍。因此，位移和應(yīng)力峰值較梁中產(chǎn)生滯后。

（3）對(duì)于非線性黏滯系數(shù)的演化特性及演化方程、加固梁的加速蠕應(yīng)變和主裂紋的蠕變斷裂耦合力學(xué)特性等問題有待于后續(xù)研究。