濕熱環(huán)境下預(yù)應(yīng)力CFRP加固高強混凝土的耐久性

洪雷++馬騰龍++王蘇巖

摘要：通過試驗研究了濕度為98%，溫度分別為20 ℃，40 ℃，60 ℃的濕熱環(huán)境下預(yù)應(yīng)力碳纖維增強復(fù)合塑料（CFRP）加固高強混凝土的破壞形態(tài)和承載性能，分析了預(yù)應(yīng)力等級、溫度、環(huán)境作用時間等因素對加固試件耐久性的影響。結(jié)果表明：經(jīng)過濕熱環(huán)境作用后，施加預(yù)應(yīng)力等級為CFRP極限抗拉強度30%的預(yù)應(yīng)力加固試件的開裂荷載和極限荷載均有不同程度的下降；隨著環(huán)境溫度的提高，加固試件的破壞形態(tài)逐漸由彎剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?；濕熱環(huán)境作用對預(yù)應(yīng)力CFRP加固試件的整體不利影響大于非預(yù)應(yīng)力試件，并且隨著預(yù)應(yīng)力增加，不利影響會進(jìn)一步加劇。

關(guān)鍵詞：CFRP；高強混凝土；耐久性；濕熱環(huán)境；預(yù)應(yīng)力；開裂荷載；極限荷載

中圖分類號：TU528文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Durability of High Strength Concrete Strengthened with Prestressed

CFRP Under Wetthermal EnvironmentsHONG Lei， MA Tenglong， WANG Suyan

（State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering， Dalian University of

Technology， Dalian 116024， Liaoning， China）Abstract： The failure patterns and bearing performances of high strength concrete specimens strengthened with prestressed carbon fiber reinforced polymer（CFRP）were studied by experiments under wetthermal environment where the humidity was 98% and the temperatures were 20 ℃， 40 ℃， 60 ℃. The influences of different factors including prestressed degree， temperature and environment action time on durability of strengthened specimens were analyzed. The results show that the cracking loads and ultimate loads of specimens strengthened with prestress being 30% of tensile strength for prestressed CFRP decline in varying degrees after being subjected to wetthermal environments. With rising of the environment temperature， the failure patterns change from bending shear failure to flexural failure. In addition， the overall adverse effects of wetthermal environments on specimens strengthened with prestressed CFRP are greater than those on specimens strengthened without prestressed CFRP， and the adverse effect will be aggravated when prestress rises.

Key words： CFRP； high strength concrete； durability； wetthermal environment； prestress； cracking load； ultimate load

0引言

碳纖維增強復(fù)合塑料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）在土木工程混凝土結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用得十分廣泛[1]。應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的CFRP通常強度都達(dá)到3 000 MPa以上，而其彈性模量相對強度來說卻低得多。要發(fā)揮較大的強度，CFRP需要相當(dāng)大的變形[2]。因此，可以對CFRP施加預(yù)應(yīng)力來克服其材性上的缺陷，從而有效地避免CFRP布出現(xiàn)應(yīng)力滯后的現(xiàn)象[38]。

研究表明，CFRP材料本身擁有良好的穩(wěn)定性和耐久性。國內(nèi)外學(xué)者對CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行了大量研究[914]。任慧韜等[15]研究了濕熱環(huán)境對FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響。郭春紅[16]對纖維增強復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性評價技術(shù)進(jìn)行了研究。目前對預(yù)應(yīng)力CFRP加固高強混凝土結(jié)構(gòu)在濕熱環(huán)境下的研究還較少。本文通過試驗研究了濕度為98%，溫度分別為20 ℃，40 ℃，60 ℃的濕熱環(huán)境作用下預(yù)應(yīng)力CFRP加固高強混凝土試件的破壞形態(tài)和承載性能，分析了預(yù)應(yīng)力等級、溫度、環(huán)境作用時間等因素對加固試件耐久性的影響。

1試驗概況

1.1試驗材料

試驗采用C60高強混凝土，混凝土配合比見表1。采用P.Ⅱ52.5R普通硅酸鹽水泥和Ⅰ級粉煤灰。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，混凝土立方體抗壓強度為68.3 MPa。CFRP布力學(xué)性能見表2。采用凱華牌JGN型碳纖維建筑結(jié)構(gòu)膠，分為底膠和浸漬膠，黏結(jié)性能參數(shù)見表3，4。

Fig.1Paste Areas of CFRP Sheets （Unit：mm）的張拉機具施加預(yù)應(yīng)力[17]，如圖2所示，將粘貼CFRP布的小梁連同持載器放在電液伺服試驗機工作臺，安裝好各設(shè)備后對CFRP布進(jìn)行張拉，達(dá)到設(shè)定的預(yù)應(yīng)力水平后停止加載，利用特制扳手將調(diào)節(jié)螺母旋緊，并卸載。為防止放張預(yù)應(yīng)力時CFRP布端部與混凝土剝離，在CFRP布的端部各粘貼50 mm寬、0.167 mm厚的碳纖維布U型箍進(jìn)行錨固，如圖3（a）所示。待試件底面結(jié)構(gòu)膠完全干燥后，剪斷CFRP布，放張，如圖3（b）所示。

1.3試驗參數(shù)

濕熱試驗在恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)濕熱試驗箱中進(jìn)行，試驗參照《玻璃纖維增強塑料老化性能試驗方法》（GB/T 2573—2008）進(jìn)行，濕度保持在98%，溫度

1.4數(shù)據(jù)采集裝置

通過線性可變差動變壓器（LVDT）測量試件的跨中撓度，試件的左右兩端各一個，將所測得的數(shù)據(jù)取平均值；通過粘貼在試件底面CFRP布上的應(yīng)變片對CFRP布上各部分的應(yīng)變進(jìn)行測量，應(yīng)變片粘貼在CFRP布中間一條帶上，粘貼位置如圖4所示。

2.1試驗過程與破壞形態(tài)

圖6為試件破壞形態(tài)。從試驗結(jié)果可以看出，試件的破壞模式為CFRP混凝土保護(hù)層的界面剝離破壞，破壞形態(tài)主要分為彎剪裂縫引起的界面剝離破壞和彎曲裂縫引起的界面剝離破壞。隨著預(yù)應(yīng)力水平和濕熱環(huán)境溫度的提高，試件的破壞形態(tài)發(fā)生了比較明顯的變化。

由T20系列試件可以看出，隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高，試件破壞后表面的裂縫逐漸減少，見圖6（a），（b），（c）。

T20系列與T40系列試件的破壞形態(tài)均為彎剪破壞。破壞后，CFRP布上黏結(jié)的混凝土粗骨料較多，如圖6（d）所示。

當(dāng)溫度為60 ℃時，T60系列試件的破壞形態(tài)均為彎曲破壞。破壞后，CFRP布膠層與混凝土2個界面比較平整，樹脂表面幾乎沒有黏結(jié)混凝土，如圖6（e）所示。與圖6（d）相比，T20系列與T40系列試件的破壞多發(fā)生在混凝土部分，而T60系列試件的破壞基本發(fā)生在膠層，表明60 ℃的濕熱環(huán)境作用下膠層成為預(yù)應(yīng)力加固試件的薄弱環(huán)節(jié)。這是由于60 ℃的高溫達(dá)到了樹脂膠工作的極限溫度，使樹脂圖6試件破壞形態(tài)

Fig.6Failure Patterns of Specimens膠出現(xiàn)塑化；水物質(zhì)向樹脂膠的擴散會引起樹脂質(zhì)量的增加，高溫使得水分子運動更加活躍，擴散速率加快，從而水分更容易滲入到微裂縫，樹脂力學(xué)性能衰減更加明顯，造成膠層的劣化。如圖6（f），（g）所示，與T40系列試件相比，T60系列試件破壞時，CFRP布從開裂位置開始剝離，然后迅速剝離至錨固端。CFRP布與混凝土之間的剝離區(qū)域長度基本貫通整個試件。這是由于60 ℃時，CFRP膠層與混凝土之間的黏結(jié)性受高溫濕熱的劣化影響比較大，樹脂膠已經(jīng)開始出現(xiàn)軟化，造成CFRP布周圍膠體變少。

相同條件下，隨著環(huán)境作用時間的增加，試件的破壞形態(tài)基本保持不變。

2.2加固試件受力性能分析

2.2.1開裂荷載與極限荷載

由表5可見，未施加預(yù)應(yīng)力的加固試件其開裂荷載和極限荷載隨著環(huán)境溫度的升高以及環(huán)境作用時間的增加變化不明顯。

當(dāng)溫度為20 ℃和40 ℃時，施加預(yù)應(yīng)力等級為15%的預(yù)應(yīng)力加固試件其開裂荷載和極限荷載隨著環(huán)境作用時間的增加并無明顯變化，并且荷載值的大小基本相同。當(dāng)溫度為60 ℃時，雖然其開裂荷載和極限荷載隨著環(huán)境作用時間的增加無明顯變化，但與20 ℃和40 ℃時相比，開裂荷載降低了約13%，極限荷載降低了約20%。這是因為預(yù)應(yīng)力等級為15%時，在環(huán)境溫度為60 ℃的條件下，CFRP布與混凝土黏結(jié)層發(fā)生了一定程度的劣化。

在環(huán)境作用時間為500 h時，施加預(yù)應(yīng)力等級為30%的預(yù)應(yīng)力加固試件其開裂荷載和極限荷載隨著環(huán)境溫度的提高均有不同程度的下降。與20℃時相比，40 ℃和60 ℃時的開裂荷載分別下降了約11%和32%，極限荷載分別下降了約17%和35%。隨著作用時間的增加，2種參數(shù)進(jìn)一步下降：與20℃時相比，40 ℃和60 ℃時的開裂荷載分別下降了約14%和38%，極限荷載分別下降了約22%和41%。這說明預(yù)應(yīng)力等級為30%時，CFRP布與混凝土黏結(jié)層之間的劣化隨著環(huán)境溫度的提高，劣化程度越明顯，并且隨著作用時間的增加，劣化程度進(jìn)一步加劇。

2.2.2抗彎剛度對比

Fig.7Loadmidspan Deflection Curves of Specimens升段曲線均大致呈線性增長趨勢，這是因為試件開裂之前，CFRP布與混凝土黏結(jié)良好，處于彈性工作狀態(tài)；當(dāng)溫度為40 ℃和60 ℃時，曲線的波動段要比20 ℃時的短，這是由于40 ℃和60 ℃高溫下CFRP布與混凝土之間的黏結(jié)層發(fā)生了一定程度的劣化。

圖7（b）為施加預(yù)應(yīng)力等級為15%的預(yù)應(yīng)力時濕熱環(huán)境作用下試件的荷載跨中撓度曲線。從圖7（b）可以看出，當(dāng)該系列試件的開裂荷載大于同樣條件下未施加預(yù)應(yīng)力的試件而溫度為60 ℃時，曲線形態(tài)發(fā)生了變化，相比于20 ℃和40 ℃，曲線整體向下偏移，且?guī)缀鯖]有波動段，這是由于對試件施加一定預(yù)應(yīng)力后，在溫度為60 ℃的濕熱環(huán)境作用下，CFRP布與混凝土之間的黏結(jié)層劣化程度比較顯著。

圖7（c）為施加預(yù)應(yīng)力等級為30%的預(yù)應(yīng)力時濕熱環(huán)境作用下試件的荷載跨中撓度曲線。從圖7（c）可以看出，隨著溫度的提高，加固試件的開裂荷載逐漸下降，表明濕熱環(huán)境對預(yù)應(yīng)力CFRP加固試件有退化作用。

由圖7還可見，不同溫度下對應(yīng)的曲線間隔逐漸增大，表明隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高，濕熱環(huán)境作用下溫度的提高導(dǎo)致加固試件的剛度差異逐漸顯著，濕熱環(huán)境作用對預(yù)應(yīng)力試件的整體不利影響要大于非預(yù)應(yīng)力試件，并且隨著預(yù)應(yīng)力的增加，這種不利影響會進(jìn)一步加劇。

圖8為60 ℃下試件荷載跨中撓度曲線。由圖8可見，溫度為60 ℃時，隨著環(huán)境作用時間的增加，未施加預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力等級為15%的加固試件其荷載跨中撓度曲線基本重疊，試件的剛度變化不大，而預(yù)應(yīng)力等級為30%的加固試件剛度卻逐漸減小。這是由于60 ℃高溫下，濕熱環(huán)境對高預(yù)應(yīng)力水平加固試件膠層的劣化影響比較嚴(yán)重，隨著作用時間的增加，劣化程度進(jìn)一步加劇，使得表面的膠體出現(xiàn)了一定程度的軟化，加固試件的整體剛度下降。

3結(jié)語

（1）在施加預(yù)應(yīng)力水平相同的條件下，隨著環(huán)境溫度的提高，加固試件的破壞形態(tài)由彎剪破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?，而環(huán)境作用時間對破壞形態(tài)的影響不大。

（2）經(jīng)過濕熱環(huán)境作用后，預(yù)應(yīng)力等級為30%時，加固試件的開裂荷載和極限荷載均有不同程度的下降。當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃高溫時，下降幅度比較明顯，而且隨著環(huán)境作用時間的增加，下降幅度進(jìn)一步加大。

（3）隨著預(yù)應(yīng)力水平的提高，濕熱環(huán)境作用下溫度的增加導(dǎo)致加固試件的剛度差異逐漸顯著。濕熱環(huán)境作用對預(yù)應(yīng)力CFRP加固高強混凝土試件的整體不利影響大于非預(yù)應(yīng)力試件，并且隨著預(yù)應(yīng)力增加，不利影響會進(jìn)一步加劇。

（4）60 ℃高溫下，濕熱環(huán)境對預(yù)應(yīng)力加固試件膠層的劣化影響比較嚴(yán)重。對于預(yù)應(yīng)力等級為30%的加固試件，隨著作用時間的增加，黏結(jié)表面的膠體出現(xiàn)了一定程度的軟化，加固試件的整體剛度下降。建議增大試件的尺寸，進(jìn)一步研究濕熱環(huán)境對預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土的影響。參考文獻(xiàn)：

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