新型生物基CFRP層壓板在泵站結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

高 義

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523000)

1 概述

在過去的30a里，碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)材料已被越來越多地用于修復(fù)和加強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[1]。對CFRP材料日益增長的興趣是由于其相對于傳統(tǒng)加固材料(尤其是鋼)的優(yōu)勢，例如，其高強(qiáng)度-重量比[2]、耐腐蝕性和易于應(yīng)用[3]。將生物基樹脂和碳纖維結(jié)合起來生產(chǎn)CFRP層壓板，典型的纖維量約為70%，有很大的潛力用于結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用；這可以降低此類產(chǎn)品對石油的依賴性，同時(shí)保持其目標(biāo)機(jī)械性能。

至于其他復(fù)合材料部件，人們對開發(fā)更具可持續(xù)性的CFRP材料感興趣[4]。然而，如何通過大規(guī)模的生產(chǎn)程序(如拉擠)來生產(chǎn)對環(huán)境更友好的CFRP層壓板[5]，具有與傳統(tǒng)產(chǎn)品相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能和耐久性仍是一個挑戰(zhàn)。因此，用生物基[6]替代品取代傳統(tǒng)的石油衍生(熱固性)基體似乎是目前快速而有競爭力的解決方案，可以在保持機(jī)械性能的同時(shí)提高復(fù)合材料的可持續(xù)性。最近，有公司開發(fā)了一種不飽和聚酯(UP)生物基樹脂。通過拉擠法成功地用于制造CFRP層壓板，取代了環(huán)氧乙烯基酯樹脂(VE)，并在短期熱力學(xué)測試中顯示出良好的性能。

在這種情況下，本文介紹了通過單圈剪切試驗(yàn)評估上述生物基CFRP層壓板與混凝土基材之間的黏合力[7]，以及通過對鋼筋混凝土(RC)梁的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評估這種生物基CFRP加固系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有效性。通過與標(biāo)準(zhǔn)CFRP層壓板(參考組)的比較，評估了生物基CFRP層壓板獲得的結(jié)果，該層壓板由環(huán)氧樹脂-乙烯基酯樹制成?？紤]到CFRP的加固能力在很大程度上受其與混凝土的結(jié)合力的影響。因此，用于生物基和環(huán)氧CFRP層壓板測試的黏合劑類型和厚度相同，2個系統(tǒng)采用的測試程序也相同。

2 材料和方法

2.1 材料

生物基CFRP層壓板和環(huán)氧CFRP層壓板的組成材料為樹脂和纖維，2種層壓板的橫截面都是20mm×1.36mm。用于單次搭接剪切試驗(yàn)的混凝土塊(20cm×20cm×35cm)來自于本地水泥供貨商，標(biāo)號C30等級。2種層壓板分別制作6個試件進(jìn)行單圈剪切試驗(yàn)。

用于四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的鋼筋混凝土梁長3.95m，矩形截面(20cm×30cm)，使用C40/45等級的混凝土澆筑。測試當(dāng)天取得的混凝土試塊，其平均立方體抗壓強(qiáng)度為38MPa，參考梁和CFRP加固的梁為42MPa。梁的頂部和底部分別用直徑為8mm(極限強(qiáng)度為489±7MPa)和10mm(極限強(qiáng)度為414±7MPa)的HRB335級縱向鋼筋進(jìn)行加固(每層2根)。剪力加固包括直徑為8mm、間距為15cm的箍筋(同等級)。

由S&P公司提供的傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂黏合劑(S&P-HP 220)被用來將CFRP層壓板黏合到混凝土基材上。S&P-HP 220環(huán)氧樹脂有著優(yōu)異的性能，可在8～55℃之間正常工作，并在高溫下有一定工作性能，同時(shí)基材溫度須比露點(diǎn)溫度至少高3℃。其使用流程為：分別攪拌AB各組分，然后將組分B加入組分A。充分混合，直到漿體顏色是均勻的灰色，沒有任何條紋。再將混合后的材料放在不同的容器中。攪拌時(shí)，攪拌速度應(yīng)小于400轉(zhuǎn)/min，以避免空氣混入混合物。在使用黏合劑之前，必須用蘸有清潔劑的布將層壓板的表面清洗干凈。

表1 單圈剪切試驗(yàn)試件表

2.2 黏合程序

在黏合層壓板之前，需要預(yù)先處理混凝土基材以保證最好的黏結(jié)性能。用拋光機(jī)打磨表面，直到骨料變得可見，以增加粗糙度，從而提高黏附力。用壓縮空氣噴頭清除所有殘留的碎屑，用丙酮清洗層壓板，以去除所有表面上的可見雜質(zhì)。在混凝土上直接涂上一層薄薄的膠黏劑，然后將層壓板放在位置上。然后用定制的工具除去多余的黏合劑，并保證達(dá)到2mm的黏合厚度。

層壓板沿著黏合區(qū)的邊緣做了45°的斜面，以盡量減少應(yīng)力集中，并使得混凝土和層壓板之間能夠適當(dāng)轉(zhuǎn)移應(yīng)力。每個單層剪力塊上都有4個層壓板，同時(shí)每個表面的中心都設(shè)有一個剪力塊。在組合梁中，2塊層壓板被黏合在底部的圍板上，橫向間距為40mm(中心到中心)。所有試件在測試前，均在實(shí)驗(yàn)室里固化了2周。

2.3 單圈剪切試驗(yàn)

圖1描述了試驗(yàn)裝置和試樣的幾何形狀?；炷翂K被放置在由2塊厚鋼板和2根螺紋鋼棒組成的鋼制加載框架內(nèi)。試樣在一臺萬能試驗(yàn)機(jī)(UTM，Instron 5982)上進(jìn)行測試，由2塊鋼板固定(如圖1所示)，由螺紋桿以15Nm的扭矩(每根桿)擰緊。在用UTM抓取CFRP層壓板的頂部之前，用激光水平儀嚴(yán)格地對準(zhǔn)這些塊，以盡量減少負(fù)載應(yīng)用中的任何偏心和加載階段的潛在彎曲效應(yīng)。一旦試樣被定位和對齊，CFRP層壓板以0.4mm/m的速度被加載-1。每個系列中的一個試樣用電動應(yīng)變儀進(jìn)行測量，位置如圖1所示。其余的試樣中，用引伸計(jì)測量了CFRP層壓板的10條排列線之間的平均應(yīng)變(9條在黏合區(qū)，1條在未黏合區(qū))。支座滑移同樣通過引伸計(jì)測量(除了帶電動應(yīng)變儀的試樣，制作端滑移沒有被測量)。每種類型的層壓板總共測試了6個試樣。

圖1 單圈剪切試驗(yàn)裝置：CFRP層壓板中應(yīng)變計(jì)的位置(左)和試樣的幾何形狀(中間和右邊)(單位：mm)

2.4 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

測試了3根梁：1根參考梁(VR-0)和2根CFRP加固的梁，采用生物基或環(huán)氧樹脂層壓板(分別為VB-1和VC-1)。采用分配梁以四點(diǎn)彎曲配置進(jìn)行測試，試件全長3950mm，2支座相距3600mm，加載端距支座1850mm。位移計(jì)支設(shè)在橫梁跨中、加載端及支座端5處。

荷載由液壓千斤頂施加，容量為600kN(用Novatech稱重傳感器測量，容量為400kN)，并通過鋼制分配梁傳遞到兩個截面上的被測梁上。使用位移傳感器(TML，精度為0.01mm)在跨中、受力部分和支撐部分測量被測梁的垂直位移。軸向應(yīng)變是在跨中的每根縱向鋼筋的中心，用TML電子應(yīng)變儀(SG)測量的。軸向應(yīng)變也是在每個CFRP層壓板的不同位置測量的：中跨和兩端旁邊。測試以0.50kN/s的平均速度進(jìn)行(測量到底部鋼筋的屈服點(diǎn))。

3 結(jié)果與討論

3.1 單圈剪切試驗(yàn)

在層壓板加載端測量的荷載與滑移曲線如圖2所示。

圖2 層壓板的荷載與加載端滑移

對于這2種類型的層壓板，試樣都呈現(xiàn)出最初的線性響應(yīng)，在達(dá)到最大荷載之前，剛度略有下降，(在大多數(shù)情況下)出現(xiàn)軟化階段。生物基CFRP層壓板試樣的最大荷載為11.2±1.8kN(CoV為16%)，而環(huán)氧CFRP層壓板試樣的最大荷載為11.5±1.1kN(CoV為10%)。盡管2種類型的層壓板的整體機(jī)械響應(yīng)和最大荷載非常相似，但生物基CFRP層壓板獲得的結(jié)果的分散性更高。這不僅反映在最大荷載上，也反映在曲線的整體發(fā)展上，而對環(huán)氧試樣來說則更為一致。這可能是由于在生物基層壓板中觀察到較低的界面黏合力。

不同荷載水平(最高為最大荷載的99%)下，沿CFRP層壓板黏合長度的軸向應(yīng)變(用電動應(yīng)變儀測量)如圖3所示。其中，x=0mm對應(yīng)于加載端的黏合劑邊緣，2個試樣的失效荷載不同(因此，結(jié)果不能直接比較)，環(huán)氧CFRP層壓板約為13kN，生物基CFRP層壓板約為10kN。

圖3 層壓板的應(yīng)變與應(yīng)變計(jì)的位置

由圖3可知，2種類型的層壓板的發(fā)展長度非常相似，在CFRP層壓板的最后100mm，應(yīng)變幾乎為零。在2種層壓板中，與最大荷載相對應(yīng)的應(yīng)變突出了脫黏機(jī)制，荷載邊緣的應(yīng)變峰值向黏合接頭的自由端“移動”。

所有測試樣本的失效模式如圖4所示。

圖4 層壓板試件的破壞模式量化圖

使用CAD輔助軟件分析，按其發(fā)生的百分比面積(相對于CFRP層壓板而言)進(jìn)行量化，包括：混凝土失效，CFRP分層，黏合劑失效，以及混凝土-黏合劑界面的失效。

可以看出，環(huán)氧CFRP層壓板主要的破壞模式是混凝土(黏性)破壞，也有少量的混凝土-黏合劑破壞。在生物基CFRP層壓板試樣中，在3個試樣中觀察到CFRP分層(黏著)失效，其中2個試樣在整個CFRP區(qū)域發(fā)生。同樣，這可以解釋為在生物基層壓板中觀察到較低的界面黏合力，這可能是由于在拉擠過程中UP樹脂對碳纖維的浸漬效率較低和/或其界面強(qiáng)度較低。

3.2 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

參考梁(VR-0)和2個CFRP加固梁(VB-1和VC-1，分別采用生物基和傳統(tǒng)層壓板)的荷載與跨中撓度曲線如圖5所示。

圖5 參考梁，生物基和環(huán)氧樹脂CFRP加固梁的荷載與位移

所有梁的行為都符合預(yù)期，與使用傳統(tǒng)分析公式預(yù)測的響應(yīng)相匹配。加強(qiáng)的梁VB-1和VC-1表現(xiàn)出非常相似的行為，它們的破壞荷載(分別為51和52kN)幾乎一致。在這2次測試中，層壓板能夠?qū)⒖剂?VR-0)的承載能力提高約60%。在這2根梁上，層壓板在中跨處測得的最大應(yīng)變?yōu)?.1‰。

參考梁在底部鋼筋屈服后因混凝土壓碎而破壞。而在2根加強(qiáng)梁中，結(jié)構(gòu)失效是由底部鋼筋屈服后，CFRP層壓板的中間裂縫脫黏引發(fā)的。沿層壓板觀察到的失效模式包括混凝土失效，CFRP脫層和黏合失效；CFRP層壓板仍然黏附在基體上的部分被表示為“黏合”。值得一提的是，在混凝土-黏合劑(C-A)界面沒有觀察到破壞。與VB-1相比，梁VC-1呈現(xiàn)出較高的黏結(jié)面積和較高的混凝土破壞面積，而后者呈現(xiàn)出較高的CFRP脫層面積。

4 結(jié)論

為了提高泵站結(jié)構(gòu)安全，保障泵站日常的正常運(yùn)行。本文采用新型生物基CFRP層壓板對泵站結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，并評估了于泵站鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的部分生物基CFRP層壓板的結(jié)構(gòu)性能。得到以下結(jié)論。

(1)單圈剪切試驗(yàn)中，與傳統(tǒng)的環(huán)氧CFRP層壓板相比，生物基CFRP層壓板呈現(xiàn)出類似的性能。生物基CFRP層壓板獲得的結(jié)果呈現(xiàn)出較高的分散性，呈現(xiàn)出較高的分層失敗趨勢。

(2)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，生物基CFRP層壓板的性能與環(huán)氧樹脂的層壓板相匹配，呈現(xiàn)出同等的加強(qiáng)率。

(3)生物基CFRP層壓板加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面效果顯著，具有一定應(yīng)用價(jià)值。由于實(shí)驗(yàn)可能存在一定的誤差，應(yīng)用時(shí)需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析。