碳纖維網(wǎng)格加固混凝土梁制備及其抗折性能研究

何?芳，武?博，許小海，羅仕剛，閆德道

碳纖維網(wǎng)格加固混凝土梁制備及其抗折性能研究

何?芳1, 2，武?博1，許小海3，羅仕剛3，閆德道1

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津市材料復(fù)合與功能化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；3. 卡本科技集團(tuán)股份有限公司，天津 300385)

針對目前混凝土梁抗折性能下降的問題，設(shè)計(jì)制備一種高抗折性能的碳纖維網(wǎng)格加固混凝土梁.通過三點(diǎn)彎抗折實(shí)驗(yàn)對材料的承載能力進(jìn)行表征. 通過探究加固位置、加固層數(shù)和端部錨固等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對混凝土梁試樣抗折性能的影響，最終確定碳纖維網(wǎng)格加固混凝土梁的最佳制備工藝參數(shù). 結(jié)果表明，相比于C-28試樣，B-CFG-28 試樣的平均抗折強(qiáng)度增長率為174.6%. 綜合考慮力學(xué)性能和成本，碳纖維網(wǎng)格最佳的加固位置為混凝土梁底部，最佳的加固層數(shù)為1層，端部錨固能有效抑制砂漿試樣斜裂紋的產(chǎn)生. 相比于B&M-CFGs-28試樣，B&M-CFGs-EA-28試樣的抗折性能提升27.2%. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碳纖維網(wǎng)格加固系統(tǒng)能夠顯著增強(qiáng)混凝土梁的承載能力，抗折性能優(yōu)異的碳纖維網(wǎng)格增強(qiáng)混凝土梁有望在實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用.

碳纖維網(wǎng)格；聚合物砂漿；混凝土梁；抗折強(qiáng)度；端部錨固

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，混凝土作為用量最大的工程材料因其具有抗壓強(qiáng)度高、易成型、耐環(huán)境腐蝕等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于路橋交通、市政設(shè)施、民用建筑等各個(gè)領(lǐng)域[1]．然而，鋼筋混凝土梁在長期使用過程中，由于交通量的增加導(dǎo)致的超載、原有的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，以及有害物質(zhì)導(dǎo)致的內(nèi)部鋼筋的銹蝕等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)整體承載能力顯著下降[2]．因此，對現(xiàn)有的鋼筋混凝土梁采用加固技術(shù)已成為恢復(fù)或提高其承載力的必要手段．以往國內(nèi)舊橋加固或改造的案例顯示：相比于新建橋梁，對現(xiàn)有橋梁的加固費(fèi)用可以節(jié)約80%～90%[3]．日益增長的節(jié)能環(huán)保意識和確保建筑材料可持續(xù)性的必要性促使人們努力尋找有效加固混凝土梁的方法．

國內(nèi)外對混凝土橋梁加固方面的研究取得了非常顯著的成果，例如：加大截面加固法、置換混凝土加固法、體外預(yù)應(yīng)力法、外包型鋼法、預(yù)張緊鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿面層加固法和增設(shè)支點(diǎn)加固法等是當(dāng)前傳統(tǒng)的加固方法[4-9]．其中采用鋼材對混凝土橋梁進(jìn)行加固的方法因施工工藝便捷而被最先應(yīng)用于結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域．但是，鋼材耐銹蝕性能差這一問題一直未有效解決．Raithby[10]和Macdonald等[11]進(jìn)行的暴露鋼材的實(shí)驗(yàn)表明，鋼/環(huán)氧基黏結(jié)劑界面之間存在大量腐蝕，導(dǎo)致黏結(jié)部位強(qiáng)度下降并局部脫黏．除此之外，鋼材密度7800kg/m3，在運(yùn)輸、安裝時(shí)帶來的不便是限制鋼板作為加固材料的又一個(gè)重要因素．碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因其質(zhì)輕高強(qiáng)、耐銹蝕等優(yōu)異力學(xué)性能成為鋼材加固材料的理想替代者．Li等[12]研究了用裂縫膠和碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料加固開裂混凝土棱柱的抗彎性能，并分析了加固材料尺寸、混凝土強(qiáng)度和裂縫類型等因素對加固效果的影響．結(jié)果表明，納米改性裂縫黏結(jié)劑可以顯著提高混凝土構(gòu)件的延性和強(qiáng)度．Li等[13]研究了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料加固混凝土在干濕兩種狀態(tài)下界面的黏結(jié)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料-混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加．然而碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在加固混凝土梁的應(yīng)用方面也存在耐火性差、與混凝土黏結(jié)能力差等問題[14]．Li等[15]研究了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料在高溫下的力學(xué)性能，結(jié)果證明混凝土與碳纖維布的界面黏結(jié)強(qiáng)度與增強(qiáng)材料的極限抗拉強(qiáng)度隨暴露溫度和時(shí)間的增加而降低．相對于環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，水泥基復(fù)合材料因含有石英砂等無機(jī)物而具有出色的耐火性．因此，碳纖維網(wǎng)格增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料作為一種新型的建筑加固材料，通過碳纖維網(wǎng)格與聚合物砂漿的協(xié)同作用，既解決了加固部位銹蝕的問題，同時(shí)又確保了加固材料與待加固建筑之間的相容性．

碳纖維網(wǎng)格增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料憑借其雙向受力、耐銹蝕、高比強(qiáng)度和對基面要求低等諸多優(yōu)異性能，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在砌體及混凝土房屋加固領(lǐng)域．然而，由于目前國內(nèi)外碳纖維網(wǎng)格增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料加固混凝土梁的抗折性能的增強(qiáng)效果研究較少，使得碳纖維網(wǎng)格在加固領(lǐng)域的研究存在空白，阻礙了其廣泛應(yīng)用．本文通過碳纖維網(wǎng)格體系對混凝土梁進(jìn)行加固，研究加固位置、加固層數(shù)等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對混凝土梁抗折性能的影響．通過碳纖維網(wǎng)格加固得到的高抗折性能的混凝土梁對橋梁安全設(shè)施建設(shè)具有非常重要的意義．

1?實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1?實(shí)驗(yàn)材料的制備

1.1.1?實(shí)驗(yàn)基材及增強(qiáng)材料

基材：實(shí)驗(yàn)所需濕法噴射聚合物砂漿由卡本科技集團(tuán)股份有限公司提供，砂漿性能參數(shù)如表1所示．

表1?砂漿性能參數(shù)

增強(qiáng)材料：碳纖維網(wǎng)格和高強(qiáng)鋼絲布的技術(shù)參數(shù)見表2，增強(qiáng)材料如圖1所示.

表2?增強(qiáng)材料技術(shù)參數(shù)

Tab.2?Technical parameters of reinforcement materials

圖1?增強(qiáng)材料

1.1.2?設(shè)計(jì)思路

為探究增強(qiáng)材料種類、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、加固位置、加固層數(shù)、端部加固對混凝土梁的抗折性能的影響，共設(shè)計(jì)6組實(shí)驗(yàn)試樣，試樣模型示意如圖2所示，具體試樣信息見表3.

1.1.3?增強(qiáng)體的表面處理

將碳纖維網(wǎng)格和高強(qiáng)鋼絲布兩端固定于鐵質(zhì)固定臺，環(huán)氧涂層按照樹脂和固化劑的質(zhì)量比為3∶1進(jìn)行配置，利用玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁畬h(huán)氧涂層均勻涂覆于固定的增強(qiáng)體織物表面，靜置5min后將多余樹脂擠出．固化環(huán)境為80℃/2h．利用角磨機(jī)將表面改性后的碳纖維網(wǎng)格和高強(qiáng)鋼絲布裁剪成40mm×40mm的尺寸備用．

1.1.4?混凝土梁抗折試樣的制備

(1) 織物裁剪：將實(shí)驗(yàn)所需的碳纖維網(wǎng)格和高強(qiáng)鋼絲布裁剪成合適的尺寸備用．

表3?試樣信息

Tab.3?Sample information

圖2?砂漿抗折試樣模型示意

(2) 砂漿配置：按水和砂漿質(zhì)量比為0.155的比例將稱量好的濕法噴射聚合物砂漿與水進(jìn)行混合，攪拌時(shí)實(shí)驗(yàn)室溫度為24℃，利用電錘將其均勻攪拌10min后備用．

(3) 注模：將規(guī)格為40mm×40mm×160mm的模具固定在振動(dòng)設(shè)備上并向內(nèi)填充攪拌均勻的聚合物砂漿，待模具內(nèi)部的砂漿充分振動(dòng)均勻后，通過鋼尺測量砂漿塊的厚度，在砂漿表面平鋪一層裁剪好的增強(qiáng)材料，再將剩余的砂漿平鋪到織物表面后繼續(xù)振動(dòng)，振動(dòng)完成后將模具從振動(dòng)設(shè)備上取下靜置，養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行測試．

1.2?實(shí)驗(yàn)材料的測試方法

砂漿抗折測試按照GB/T 17671—1999標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測試設(shè)備為萬能試驗(yàn)機(jī)(型號：UTM5105)，其加載速度為0.05kN/s(0.031MPa/s)，預(yù)緊速度為10mm/min．圖3為抗折實(shí)驗(yàn)裝置示意．

圖3?抗折實(shí)驗(yàn)裝置

抗折強(qiáng)度公式為

???

2?結(jié)果與討論

2.1?實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能分析

2.1.1?加固材料種類對試樣抗折性能的影響

圖4反映了不同增強(qiáng)材料對混凝土梁抗折性能的影響．C-28試樣達(dá)到極限載荷時(shí)載荷值下降，其主要原因是試樣在承受載荷時(shí)，上表面受壓載荷，下表面受拉載荷，裂紋首先在下表面的中部位置產(chǎn)生并向上延伸發(fā)展，此時(shí)試樣所承受的載荷值迅速下降且裂紋擴(kuò)展速度最快．與C-28對比，B-CBSN-28試樣的抗折強(qiáng)度增加21.1%．當(dāng)達(dá)到砂漿的極限載荷時(shí)，裂紋從試塊底部生成并向上延伸至高強(qiáng)鋼絲布加固位置，載荷曲線停止下降后緩慢上升．載荷曲線緩慢下降時(shí)，高強(qiáng)鋼絲布在試樣內(nèi)部出現(xiàn)滑移，主要原因是鋼絲表面光滑且與砂漿接觸面積?。摐y試曲線發(fā)展趨勢同樣適用于B-CFG-28試樣．如圖4所示，相比于B-CBSN-28試樣，B-CFG-28試樣的抗折強(qiáng)度增加126.7%，其主要原因是碳纖維網(wǎng)格表面粗糙程度大，有利于其在界面處形成有效的機(jī)械互鎖(如圖5所示)．當(dāng)裂紋擴(kuò)展至加固位置時(shí)，碳纖維網(wǎng)格與其上部砂漿協(xié)同作用，同時(shí)，碳纖維網(wǎng)格可雙向受力，有利于內(nèi)部載荷的均勻傳遞，從而顯著提高試樣的抗折強(qiáng)度．表4中CFG-m-28抗折載荷平均值為0.14kN，其與C-7試樣抗折載荷之和遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于B-CFG-7的測試載荷，說明碳纖維網(wǎng)格與砂漿之間的協(xié)同效果十分顯著．

圖4?測試樣品的載荷-撓度曲線(不同增強(qiáng)材料)

圖5?增強(qiáng)材料與砂漿界面示意

表4?試樣數(shù)據(jù)匯總

Tab.4?Sample data summary

注：max, av為試樣抗折測試最大破壞載荷的平均值；和CoV分別為試樣測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù).

2.1.2?養(yǎng)護(hù)時(shí)間對試樣抗折性能的影響

圖6反映了養(yǎng)護(hù)時(shí)間對混凝土梁抗折強(qiáng)度的影響．如圖6(a)所示，C-7試樣平均抗折載荷為2.82kN，C-14試樣的平均抗折載荷為4.64kN，增長率為64.5%．從表4中可以看出，相比于C-14試樣，C-28試樣的測試數(shù)據(jù)離散度下降，更能客觀反映試樣抗折強(qiáng)度的真實(shí)水平．圖6(b)中顯示，養(yǎng)護(hù)條件對碳纖維網(wǎng)格增強(qiáng)混凝土梁的抗折強(qiáng)度影響不明顯．B-CFG-7與B-CFG-14試樣的平均抗折載荷分別是7.38kN和7.33kN，主要原因是裂紋擴(kuò)展至碳纖維網(wǎng)格加固位置時(shí)，碳纖維網(wǎng)格與砂漿協(xié)同作用．與B-CFG-7試樣相比，B-CFG-28試樣的抗折強(qiáng)度和數(shù)據(jù)離散性均有提升，因此最能體現(xiàn)試樣真實(shí)抗折強(qiáng)度的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d．

圖6?測試樣品的載荷-撓度曲線(不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間)

2.1.3?加固位置與加固層數(shù)對試樣抗折性能的影響

圖7反映了碳纖維網(wǎng)格的加固位置和加固層數(shù)對混凝土梁試樣抗折性能的影響．圖7(a)說明了不同加固位置的單層碳纖維網(wǎng)格增強(qiáng)試樣的抗折強(qiáng)度都會較C-28試樣的抗折強(qiáng)度有不同程度的上升．T-CFG-28、M-CFG-28和B-CFG-28試樣的平均抗折強(qiáng)度增長率分別為14.1%、74.6%和174.6%．與此同時(shí)，不同加固位置試樣的曲線增長趨勢相同．主要原因是碳纖維網(wǎng)格在試樣內(nèi)部進(jìn)行加固，其裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展趨勢相同．當(dāng)裂紋擴(kuò)展到碳纖維網(wǎng)格加固位置時(shí)，網(wǎng)格和其上部的砂漿協(xié)同作用，由于位置不同導(dǎo)致的碳纖維網(wǎng)格與砂漿的協(xié)同作用不同，進(jìn)而導(dǎo)致增強(qiáng)效果存在明顯的差異．

圖7(b)說明了雙層碳纖維網(wǎng)格通過調(diào)整加固位置可以得到不同的加固效果．相比于空白試樣，M&T-CFGs-28、B&T-CFGs-28、B&M-CFGs-28試樣的平均抗折強(qiáng)度增長率分別為71.8%、170.4%和231.0%．對比碳纖維網(wǎng)格單層加固和雙層加固效果，可知M&T-CFGs-28試樣的抗折強(qiáng)度略低于B-CFG-28試樣抗折強(qiáng)度，說明最佳的加固位置應(yīng)是試樣的底部．B&M-CFGs-28試樣抗折強(qiáng)度略高于T-CFG-28、M-CFG-28試樣抗折強(qiáng)度的相加總和．說明最佳的加固位置不是試樣的中部而是其底部．

圖7(c)說明不同加固層數(shù)對砂漿試樣抗折強(qiáng)度的影響存在明顯的差異．與C-28試樣相比，B-CFG-28試樣抗折強(qiáng)度上升174.6%．其主要原因是當(dāng)達(dá)到極限載荷時(shí)，裂紋產(chǎn)生并向上擴(kuò)展至碳纖維網(wǎng)格加固位置時(shí)在向上及沿網(wǎng)格鋪放的兩個(gè)方向同時(shí)發(fā)展，此時(shí)曲線會繼續(xù)直線上升，此時(shí)的砂漿試塊已由脆性材料轉(zhuǎn)化為半脆性材料．隨著碳纖維網(wǎng)格發(fā)生斷裂，載荷曲線會逐步下降．對比C-28試樣，B&M-CFGs-28加固試樣的平均抗折強(qiáng)度增長率為231.0%．雙層碳纖維網(wǎng)格的加固效果不足單層碳纖維網(wǎng)格加固效果的2倍．因此，考慮到成本和加固效果，碳纖維網(wǎng)格最佳的加固層數(shù)為1層．

圖7 測試樣品的載荷-撓度曲線(不同加固位置和層數(shù))

2.1.4?端部錨固對試樣抗折性能的影響

圖8說明端部加固對試樣的抗折強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用，對比試樣B&M-CFGs-28與B&M-CFGs-EA-28的抗折強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，B&M-CFGs-28試樣的平均抗折載荷為10.05kN，B&M-CFGs-EA-28試樣平均抗折載荷為12.75kN，抗折強(qiáng)度增長率27.2%．對比兩者曲線的發(fā)展趨勢，當(dāng)局部發(fā)生失效時(shí)，B&M-CFGs-EA-28的曲線有一個(gè)回升的過程，說明端部錨固能有效減緩裂紋擴(kuò)展的速度，進(jìn)而增強(qiáng)砂漿試樣的抗折性能．其主要原因是利用碳纖維布對試樣兩端進(jìn)行端部錨固能有效減少斜裂紋從端部產(chǎn)生的可能性，進(jìn)而有效抑制了斜截面失效的發(fā)生．因此，端部錨固有助于碳纖維網(wǎng)格對于試樣抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果的進(jìn)一步發(fā)揮．

圖8?測試樣品的載荷-撓度曲線(端部錨固)

2.2?失效形式和裂紋擴(kuò)展分析

圖9反映了試樣的失效形式與實(shí)驗(yàn)參數(shù)有密切的聯(lián)系．圖9(a)展示了空白試樣的失效形式均為豎直裂紋擴(kuò)展且斷口平齊(如圖10(a)所示)，其主要原因是試樣內(nèi)部沒有增強(qiáng)材料，當(dāng)達(dá)到試樣的極限載荷時(shí)，應(yīng)力集中的試樣底部開始產(chǎn)生裂紋．裂紋沿豎直方向延伸且擴(kuò)展速度較快，因此斷口處平齊．圖9(b)說明高強(qiáng)鋼絲布與砂漿之間的黏結(jié)強(qiáng)度低從而導(dǎo)致滑移失效形式的出現(xiàn)．圖9(c)說明碳纖維網(wǎng)格對試樣進(jìn)行底端加固后能有效抑制裂紋的擴(kuò)展，裂紋沿豎直和碳纖維網(wǎng)格鋪放的兩個(gè)方向擴(kuò)展，因此失效試樣的底端位置出現(xiàn)橫向的裂紋(見圖10(b))，橫向裂紋的產(chǎn)生伴隨著能量的消耗．圖9(d)說明對試樣進(jìn)行端部錨固能有效減少橫向裂紋在端部出現(xiàn)的概率．此時(shí)的失效形式主要為豎直裂紋和碳纖維網(wǎng)格加固位置的橫向裂紋(見圖10(c))，說明碳纖維網(wǎng)格的內(nèi)部加固和碳纖維布的端部加固都能有效抑制裂紋的擴(kuò)展．

圖9?測試試樣的失效圖像

圖10?裂紋擴(kuò)展方向的對比

碳纖維網(wǎng)格對抗折試樣的增強(qiáng)機(jī)理可通過裂紋的擴(kuò)展形式進(jìn)行解釋，由于碳纖維網(wǎng)格的加入，裂紋的擴(kuò)展方向由豎直擴(kuò)展改為豎直擴(kuò)展與橫向擴(kuò)展并存．橫向裂紋的擴(kuò)展伴隨著能量的消耗，與此同時(shí)，碳纖維網(wǎng)格與其上部的砂漿協(xié)同受力，因而，試樣抗折強(qiáng)度得到提升．端部錨固抑制了端部裂紋的產(chǎn)生，防止橫向裂紋延伸至端部后出現(xiàn)滑移失效，端部錨固的試樣抗折強(qiáng)度得到顯著提升．

3?結(jié)?論

(1) 碳纖維網(wǎng)格對混凝土梁抗折強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)效果，最佳的加固位置為試樣底部，最佳的加固層數(shù)為1層．

(2) 碳纖維網(wǎng)格增強(qiáng)混凝土梁抗折試樣的破壞形式：空白試樣為豎直齊平斷口；碳纖維網(wǎng)格加固試樣在豎直裂紋的基礎(chǔ)上產(chǎn)生沿加固位置的橫向裂紋；端部錨固碳纖維網(wǎng)格加固試樣端部橫向裂紋減少．端部錨固能有效抑制斜裂紋的產(chǎn)生．

(3) 碳纖維網(wǎng)格對于抗折試樣的加固改變了裂紋的擴(kuò)展方向，同時(shí)碳纖維網(wǎng)格與其上部砂漿協(xié)同受力增加試樣抗折強(qiáng)度；端部錨固有效抑制了碳纖維網(wǎng)格滑移失效的出現(xiàn)，進(jìn)一步提高試樣的抗折性能.

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Preparation and Flexural Behavior of Concrete Beam Strengthened Using Carbon Fiber Grid

He Fang1, 2，Wu Bo1，Xu Xiaohai3，Luo Shigang3，Yan Dedao1

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Tianjin Key Laboratory of Composite and Functional Materials，Tianjin 300350，China；3. Carbon Technology Group Co.，Ltd.，Tianjin 300385，China)

In this study，a CFG reinforced concrete beam was designed and prepared in light of the current issue of poor flexural behavior of concrete beams. The material’s bearing capacity was characterized by the three-point bending test. The optimal experimental parameters for the preparation of CFG reinforced concrete beams were finally determined by investigating the effect of the experimental parameters such as reinforcement position，number of reinforcement layers，and end anchoring on the flexural properties of the samples. The findings showed 174.6% improvement in the average flexural strength of B-CFG-28 relative to that of C-28. Considering the mechanical properties and cost of the composite after consolidation，the optimum number of layers for the CFG is 1. The end-anchoring method can effectively prevent oblique cracks occurring in the sample. The flexural strength of B&M-CFGs-EA-28 increased by 27.2% compared with that of B&M-CFGs-28. The experimental results show that the CFG reinforcement system can significantly enhance the bearing capacity of concrete beams. CFG reinforced concrete beams with excellent flexural properties are expected to be widely used in practical engineering.

carbon fiber grid；polymer mortar；concrete beam；flexural strength；end anchoring

TQ426.64

A

0493-2137(2020)11-1197-07

10.11784/tdxbz201910009

2019-10-09；

2019-12-17．

何?芳（1978—??），女，博士，教授.

何?芳，fanghe@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51572189，51972226).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51572189，No.51972226).

(責(zé)任編輯：田?軍)