基于橋梁改造的新舊混凝土結(jié)構(gòu)粘接加固復(fù)材改性研究

摘 要：試驗(yàn)制備了一種聚乙烯醇（PVA）纖維水泥基復(fù)合材料（ECC），并將該材料與碳纖維布（CFRP）結(jié)合，對(duì)新舊鋼筋混凝土梁進(jìn)行復(fù)合加固處理，研究材料性能。結(jié)果表明，制備的ECC材料具備較好綜合性能，粘接效果和抗裂效果良好，可以與CFRP結(jié)合，對(duì)橋梁混凝土進(jìn)行粘接加固；相對(duì)于普通鋼筋混凝土梁，經(jīng)過ECC/CFRP復(fù)合加固后，鋼筋混凝土梁的剛度提高，極限荷載明顯提升；隨著ECC/CFRP復(fù)合加固層厚度的增加、CFRP長(zhǎng)度的增加，粘接加固效果越好，極限荷載最大值分別達(dá)到30.17、29.73 kN。ECC/CFRP復(fù)合加固可以提高舊危橋梁混凝土的性能，粘接加固效果較好。

關(guān)鍵詞：橋梁混凝土；纖維水泥基復(fù)合材料；碳纖維布；極限荷載；粘接加固

中圖分類號(hào)：TQ177.6+8" " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）07-0017-04

Research on the modification of bonded and reinforced

composite materials of new and old concrete structures

based on bridge reconstruction

PENG Xue1，ZHENG Dongdong2

（1. Xianyang Vocational and technical college，Xianyang 712000， Shaanxi China；

2. Comprehensive Management Service Center for Construction of Urumqi Ganquanbao Economic and

Technological Development Zone （Industrial Zone）， Ganquanbao，Wulumuqi 831408，China）

Abstract： A polyvinyl alcohol （PVA） fiber cement based composite material （ECC） was prepared in this experiment， and the material was combined with carbon fiber cloth （CFRP） to reinforce the new and old reinforced concrete beams to study the material properties. The experimental results showed that the ECC material prepared in this experiment had good comprehensive properties， good bonding and crack resistance， and could be combined with CFRP for bonding reinforcement of bridge concrete. Compared to ordinary reinforced concrete beams， after ECC/CFRP composite reinforcement， the stiffness of the reinforced concrete beam increased and the ultimate load significantly increased. Moreover， with the increase of the thickness of the ECC/CFRP composite reinforcement layer and the length of the CFRP， the bonding reinforcement effect improved， and the maximum ultimate load values reached 30.17 kN and 29.73 kN， respectively. ECC/CFRP composite reinforcement can improve the performance of old and dangerous bridge concrete， and the bonding reinforcement effect is good.

Key words： bridge concrete；fiber cement based composite materials；carbon fiber cloth；ultimate load；adhesive"" " " " " "reinforcement

受到服役時(shí)間和服役環(huán)境的影響，混凝土材料的性能不斷降低。對(duì)舊危橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，成為現(xiàn)代建筑發(fā)展的一個(gè)焦點(diǎn)。對(duì)此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究，如采用芳綸纖維和玻璃纖維制備了一種混合纖維布復(fù)合材料，針對(duì)病害橋梁進(jìn)行加固處理［1］。使用超高性能的鋼纖維混凝土對(duì)傳統(tǒng)橋梁進(jìn)行加固，并研究鋼纖維混凝土鋪裝厚度、長(zhǎng)度對(duì)加固性能的影響［2］。通過正交試驗(yàn)，制備了一種超高性能混凝土（UHPC），用于高架橋梁的加固［3］。碳纖維布（CFRP）是一種常用的外貼橋梁加固材料［4］?；诖耍囼?yàn)制備了一種聚乙烯醇（PVA）纖維水泥基復(fù)合材料（ECC），與碳纖維布（CFRP）結(jié)合，對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行復(fù)合加固，并研究材料性能。

1" "試驗(yàn)部分

1.1" "材料與設(shè)備

主要材料：P·O42.5普通硅酸鹽水泥（工業(yè)純，上海乾胡實(shí)業(yè)）；細(xì)骨料河砂（工業(yè)純，石家莊晶森礦產(chǎn) 粒徑小于5 mm）；粗骨料碎石（工業(yè)純，靈壽縣梓舒礦產(chǎn) 粒徑5～20 mm）；粉煤灰（工業(yè)純，石家莊光寧礦產(chǎn)）；細(xì)砂（工業(yè)純，粒徑小于0.6 mm）；聚乙烯醇纖維（工業(yè)純，山東力創(chuàng)新材料）；萘系減水劑（工業(yè)純，山東天宏化工）；碳纖維布（工業(yè)純，德州華中新材料）；環(huán)氧樹脂AB膠（工業(yè)純，廣州均實(shí)復(fù)合材料）；鋼筋（工業(yè)純，柳州市亞來鋼材，HPB300級(jí)、HPB335級(jí)）；螺紋鋼筋（工業(yè)純，長(zhǎng)沙宇新鋼鐵，HRB400級(jí)）。

主要設(shè)備：RD1020型電子天平（深圳市榮達(dá)儀器）；SFS型水泥膠砂攪拌機(jī)（上海新勒機(jī)電）；WD-300型立式攪拌桶（濟(jì)寧威達(dá)機(jī)械有限公司）；DYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)（鼎鵬河北試驗(yàn)儀器）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗(yàn)機(jī)（北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備）；GY-YL型壓力傳感器（上海港禹自動(dòng)化儀表）；K60型荷載顯示儀（獻(xiàn)縣天健儀器）；ST-3C型應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)機(jī)（洛泰精密儀器）。

1.2" "試驗(yàn)方法

1.2.1" "ECC配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在P·O42.5普通硅酸鹽水泥中加入聚乙烯醇（PVA）纖維和粉煤灰，制備一種纖維水泥基復(fù)合材料（ECC）。其中，ECC的配合比設(shè)計(jì)［5?6］：P·O42.5普通硅酸鹽水泥540kg；PVA纖維25kg/m；細(xì)砂515kg/m；粉煤灰680kg/m；水膠比0.35；減水劑1.60%。

1.2.2" "ECC的制備

（1）根據(jù)ECC的配合比，用電子天平稱取適量的ECC原材料，備用；

（2）先在攪拌機(jī)中加入少量的水泥、細(xì)砂和水，進(jìn)行攪拌處理2 min。然后繼續(xù)加入剩下的水泥、細(xì)砂和適量的水，并倒入粉煤灰，繼續(xù)攪拌3 min；

（3）向攪拌機(jī)中加入剩下的水以及適量減水劑，進(jìn)行攪拌3 min。同時(shí)，在攪拌過程中慢慢加入一定量的PVA纖維。在攪拌均勻后，獲得ECC砂漿，備用；

（4）將ECC砂漿倒入準(zhǔn)備好的模具中，注意插搗成型。然后將模具放置在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)，排除砂漿內(nèi)部多余的氣泡；

（5）用抹灰刀將模具周圍多余的砂漿抹平，之后用塑料薄膜密封，在常溫環(huán)境下放置1 d，脫模。將ECC試件在養(yǎng)護(hù)內(nèi)養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間，然后取出，貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3" "ECC-CFRP復(fù)合加固

本試驗(yàn)將1.2.2中制備好的ECC砂漿與碳纖維布（CFRP）結(jié)合，對(duì)鋼筋混凝土骨架進(jìn)行復(fù)合加固。

（1）先用電子天平稱取一定量的水泥、碎石、河砂和水，制備鋼筋骨架中澆筑用混凝土，以上各材料的配合比分別是420、1140、640、230 kg/m；

（2）將稱取好的水泥、碎石、河砂，加入到混凝土攪拌機(jī)中，再加入適量的水和減水劑，攪拌混合，獲得混凝土砂石漿；

（3）將鋼筋骨架放到鋼模板中，然后采用分層澆筑的方法把混凝土砂石漿倒入鋼筋骨架中，注意一邊倒入一邊插搗成型，最后使用鐵抹子抹平鋼筋骨架梁上多余的混凝土漿料，使其表面平整；

（4）對(duì)澆筑完成后的鋼筋骨架梁靜置24 d，然后脫模，用塑料薄弱密封處理，養(yǎng)護(hù)28 d，作為試驗(yàn)待加固梁備用；

（5）將待加固梁的受拉底面進(jìn)行手工鑿毛處理，控制其界面粗糙度在2.7左右，并用刷子將待加固梁表面的雜物清理干凈，然后噴灑少量水至梁表面濕潤(rùn)狀態(tài)；

（6）分2層將1.2.2中制備的ECC砂漿倒入代加固梁模板中，并在中間加入適量長(zhǎng)度、寬度的CFRP。在ECC砂漿與CFRP復(fù)合加固過程中，注意用橡膠錘輕輕敲擊模板側(cè)面。最后用鐵抹子抹平，在室溫環(huán)境下放置24 h，脫模，并用塑料薄弱密封處理，養(yǎng)護(hù)28 d，備用。

1.3" "性能測(cè)試

1.3.1" "強(qiáng)度測(cè)試

通過電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)ECC試件進(jìn)行測(cè)試，分析其強(qiáng)度性能情況。

1.3.2" "應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試

通過應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試。

1.3.3" "荷載測(cè)試

采用三分點(diǎn)加載的方式對(duì)鋼筋混凝土梁試件進(jìn)行測(cè)試。利用千斤頂以及其上部的壓力傳感器、荷載顯數(shù)儀，控制對(duì)鋼筋混凝土梁試件施加的載荷，記錄并分析加載5 min后試件變形的數(shù)據(jù)。

1.3.4" "撓度測(cè)試

在1.3.3的基礎(chǔ)上，在鋼筋混凝土梁試件的跨中底面放置一個(gè)百分表，然后在鋼筋混凝土梁試件的兩邊支座上也各放置一個(gè)百分表，分析試件的撓度情況。

2" "結(jié)果與分析

2.1" "ECC試件基礎(chǔ)性能

本試驗(yàn)對(duì)1.2.2中制備的ECC試件進(jìn)行測(cè)試，分析其基礎(chǔ)性能情況，結(jié)果見表1。

由表1可知，本試驗(yàn)制備的ECC試件抗壓、抗拉強(qiáng)度分別是38.74 、4.51 MPa，并且ECC試件裂紋產(chǎn)生的初始強(qiáng)度為4.03 MPa。在應(yīng)變方面，ECC試件裂紋產(chǎn)生的初始應(yīng)變?yōu)?.033%，而極限拉應(yīng)變達(dá)到3.82%，材料性能良好。因此，本試驗(yàn)將ECC材料與CFRP結(jié)合，對(duì)鋼筋骨架梁試件進(jìn)行復(fù)合加固處理。

2.2" "荷載-撓度分析

2.2.1" "加固層厚度的影響

本試驗(yàn)對(duì)不同ECC/CFRP復(fù)合加固層厚度的鋼筋混凝土梁試件進(jìn)行荷載-撓度測(cè)試，并以未加固的普通鋼筋混凝土梁試件作為對(duì)比試件，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，對(duì)于不同加固層厚度的試件，當(dāng)外荷載逐漸增加時(shí)，試件的跨中撓度也在不斷增加，呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。此時(shí)，鋼筋混凝土梁試件的剛度較大。直到鋼筋混凝土梁試件開始出現(xiàn)裂紋，其荷載-撓度曲線便出現(xiàn)拐點(diǎn)，曲線的斜率減小，鋼筋混凝土梁試件的

剛度下降。對(duì)于10 mm加固層厚度的試件，其荷載-撓度曲線與對(duì)比試件相接近。這表明，當(dāng)ECC/CFRP復(fù)合

加固層的厚度較小時(shí)，對(duì)鋼筋混凝土梁試件在外荷載作用下裂縫的擴(kuò)展不能起到抑制或緩解效果，復(fù)合加固效果較差。當(dāng)鋼筋混凝土梁試件上的加固層厚度不斷增加時(shí)，試件的梁截面面積也會(huì)不斷變大，剛度提高，復(fù)合加固對(duì)鋼筋混凝土梁試件裂縫的抑制或緩解效果提升。所以，鋼筋混凝土梁試件的承載力提高，性能增強(qiáng)［7?8］。隨著ECC/CFRP復(fù)合加固層厚度的增大，鋼筋混凝土梁的性能越好，加固效果越好。

2.2.2" "CFRP長(zhǎng)度的影響

在對(duì)鋼筋混凝土梁試件進(jìn)行ECC/CFRP復(fù)合加固時(shí)，對(duì)不同CFRP長(zhǎng)度下鋼筋混凝土梁試件的荷載-撓度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，相對(duì)于未加固的對(duì)比鋼筋混凝土梁試件，進(jìn)行復(fù)合加固的試件在開裂至屈服之前的荷載?撓度曲線斜率均較大。當(dāng)ECC/CFRP復(fù)合加固中的CFRP長(zhǎng)度較小時(shí)，會(huì)降低加固層與原本的混凝土梁之間的界面粘接效果，容易引起局部粘接失效的情況，進(jìn)而使鋼筋混凝土梁試件上的加固層承載拉力的作用下降，材料性能降低［9?10］。CFRP長(zhǎng)度越長(zhǎng)，ECC/CFRP復(fù)合加固的效果越好。

2.3" "極限荷載分析

2.3.1" "加固層厚度的影響

不同加固層厚度影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著ECC/CFRP復(fù)合加固層的增大，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載呈現(xiàn)先迅速增加，后緩慢上升的變化。對(duì)于未加固的對(duì)比鋼筋混凝土梁試件，其極限荷載為22.35 kN；當(dāng)以10 mm的加固層厚度對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行ECC/CFRP復(fù)合加固時(shí)，試件的極限荷載迅速上升至27.04 kN，增幅達(dá)到20.98%；隨

著加固層厚度的繼續(xù)增加，鋼筋混凝土梁試件的極限

荷載緩慢增加；當(dāng)ECC/CFRP復(fù)合加固層的厚度達(dá)到55 mm時(shí)，極限荷載升高至30.17 kN，增幅達(dá)到34.99%。當(dāng)采用ECC材料結(jié)合CFRP對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行復(fù)合加固時(shí)，在外荷載的作用時(shí)，即使鋼筋混凝土梁的加固層發(fā)生開裂，其裂縫間會(huì)有PVA纖維以及CFRP的共同作用，從而提高鋼筋混凝土梁的極限荷載，使材料性能提高，達(dá)到加固效果［11?12］。

綜上，增大ECC/CFRP復(fù)合加固層厚度，可以增加鋼筋混凝土梁的極限荷載，加固效果越好。

2.3.2" "CFRP長(zhǎng)度的影響

不同CFRP長(zhǎng)度的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著ECC/CFRP復(fù)合加固層中CFRP長(zhǎng)度的增加，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載呈現(xiàn)先迅速增加，再緩慢增加的現(xiàn)象。對(duì)于未加固的對(duì)比鋼筋混凝土梁試件，其極限荷載為22.35 kN；當(dāng)ECC/CFRP復(fù)合加固層中CFRP的長(zhǎng)度為900 mm時(shí)，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載為27.58 kN，這與空白對(duì)比試件相比，增加幅度為 23.40%；隨著ECC/CFRP復(fù)合加固層中CFRP的長(zhǎng)度繼續(xù)增加，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載增加較緩慢；當(dāng)CFRP的長(zhǎng)度達(dá)到1 500 mm時(shí)，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載升高至29.73 kN，這與空白對(duì)比試件相比，上升的幅度為33.02%。由此可見，在一定范圍內(nèi)，ECC/CFRP復(fù)合加固層中的CFRP長(zhǎng)度越長(zhǎng)，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載越大，加固效果越好。因此，在ECC/CFRP復(fù)合加固層中的加入的CFRP長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，在外荷載的作用，加固層產(chǎn)生裂縫的情況下，可以抑制或減緩裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，并減緩應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使鋼筋混凝土梁試件更加均勻［13?14］。

綜上，在使用ECC/CFRP復(fù)合加固鋼筋混凝土梁的過程中，CFRP的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，加固效果越好。

3" "結(jié)語(yǔ)

（1）ECC材料綜合性能良好，可以與CFRP結(jié)合，對(duì)橋梁混凝土進(jìn)行粘接加固；

（2）與普通鋼筋混凝土梁相比，經(jīng)過ECC/CFRP復(fù)合加固的鋼筋混凝土梁試件剛度提升，并且隨著加固層厚度的增加、CFRP長(zhǎng)度的提高，復(fù)合加固梁的剛度也提高，粘接加固效果越好；

（3）ECC/CFRP復(fù)合加固后的鋼筋混凝土梁極限荷載明顯提升。且加固層越厚、CFRP長(zhǎng)度越長(zhǎng)，極限荷載的增幅越大，最大增幅分別達(dá)到34.99%、33.02%，粘接加固效果越好。

【參考文獻(xiàn)】

［1］" " 王錦莉.混合纖維布復(fù)合材料加固橋梁試驗(yàn)研究［J］.交通世界，2022（Z2）：29?30.

［2］" " 許秀穎，賈影，時(shí)國(guó)松.超高性能纖維混凝土在公路橋梁加固中的應(yīng)用分析［J］.公路工程，2020，45（4）：92?95.

［3］" " 常青山，安昊文，郎慧東，等.用于橋梁加固的抗擾動(dòng)超高性能混凝土制備及性能研究［J］.新型建筑材料，2022，49（7）：17?21.

［4］" " 李哲宇，劉金龍，祝磊，等.粘貼碳纖維布對(duì)加固梁抗彎承載力的影響［J］.長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，23（3）：23?28.

［5］" " 曹巍巍，劉源東，雷濤，等.PVA纖維對(duì)超高韌性纖維水泥基改性復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)［J］.粘接，2022，49（12）：59?62.

［6］" " 胡超，林秀琴，付玲麗，等.碳納米管/鋼纖維水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能分析［J］.武夷學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，42（3）：68?74.

［7］" " 田耕.UHPC加固鋼筋混凝土矩形截面梁抗彎承載能力分析［J］.甘肅科技，2021，37（17）：125?128.

［8］" " 杜文平，楊才千，王沖.加固層厚度對(duì)PVA?RFCC加固梁彎曲性能的影響［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（4）：4067?4073.

［9］" " 張建鵬.負(fù)載下碳纖維加固工字形受彎鋼梁試驗(yàn)研究［J］.工程質(zhì)量，2023，41（4）：90?96.

［10］" " 周朝陽(yáng)，于亞男，郭宇軒，等.鋼筋混凝土窄梁側(cè)掛混" 錨碳纖維布加固受彎性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，" 2023，44（5）：232?239.

［11］" " 寇佳亮，蔡鵬陽(yáng)，王棟，等.HDC加固震損無腹筋混凝" 土梁受彎性能試驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2022，41（8）：" "24?133.

［12］" " 嚴(yán)衛(wèi)華，韓沐陽(yáng)，葛文杰.碳纖維布增強(qiáng)ECC?混凝土" 復(fù)合梁受彎性能分析［J］.建筑科學(xué)，2022，38（9）：46?56.

［13］" " 朱華明，吳瑾.碳纖維布加固銹蝕鋼筋混凝土梁干濕" 循環(huán)試驗(yàn)［J］.山西建筑，2021，47（8）：58?60.

［14］" " 湯琳.碳纖維材料加固鋼筋混凝土梁疲勞性能分析" ［J］.粘接，2021，46（6）：60?63.