碳纖維復(fù)合材料粘貼加固混凝土力學(xué)性能及應(yīng)用研究

摘 要：為探究碳纖維復(fù)合材料（FRP）加固混凝土的各種力學(xué)性能，制備混凝土力學(xué)性能測試的試件，一種為圓柱體，作為抗壓強度試件，另一種是棱柱體，作為抗彎強度與抗拉強度試件。試驗中試件的抗壓強度和抗彎強度參考測試普通水泥膠砂強度的方法來實施，試件抗拉強度采取直接拉伸法。結(jié)果表明，CFRP條帶粘貼面積率為100%的試件1的峰值應(yīng)變最大，達到0.398%；軸心抗壓強度最大，達到126.5 MPa；單軸飽和抗壓強度最大，達到105.3 MPa。碳纖維復(fù)合材料條帶加固尺寸分別為100 mm×300 mm、100 mm×400 mm的試件D、E的抗彎強度最大。E的單軸抗拉強度最大，試件碳纖維復(fù)合材料加固混凝土加固效果卓越。

關(guān)鍵詞：CFRP；粘貼面積率；加固混凝土；力學(xué)性能

中圖分類號：TQ177.6+8；TU528""""""""""""""""" 文獻標識碼：A"""""""""""""""""""" 文章編號：1001-5922（2024）07-0097-05

Research on the mechanical properties and

application of carbon fiber composite

material adhesive reinforcement concrete

YU Yongxing

（South Guangdong Transportation River Huiguan Expressway Management Office，Heyuan 517000，Guangdong China）

Abstract： To explore the various mechanical properties of carbon fiber composite material reinforced concrete and explore its application， the specimens for the mechanical properties test of concrete were prepared， one was a cylinder as a compressive strength specimen， and the other was a prism as a flexural strength and tensile strength specimen. The compressive strength and flexural strength of the specimen in the test were implemented with reference to the method of testing the strength of ordinary cement mortar， and the tensile strength of the specimen was carried out by the direct tensile method. The results showed that the peak strain of specimen 1 with a 100% adhesive area ratio of CFRP strips was the highest，reaching 0.398%. The maximum axial compressive strength was the highest， reaching 126.5 MPa. The maximum uniaxial saturated compressive strength reached 105.3 MPa. The bending strength of the carbon fiber composite strip reinforced with 100 mm× 300 mm and 100 mm × 400 mm， which named D and E， were the largest. The uniaxial tensile strength of E was the largest， and the concrete reinforcement effect of carbon fiber composite reinforced concrete was excellent.

Key words：CFRP；paste area ratio；reinforced concrete；mechanical properties

公路建設(shè)在國家經(jīng)濟發(fā)展和人民生活中具有極其重要的地位。公路建設(shè)對于國家經(jīng)濟發(fā)展、人民生活改善以及地區(qū)間的交流與合作都具有極其重要的作用。加強公路建設(shè)能夠推動經(jīng)濟發(fā)展、提高人民生活水平、促進地區(qū)間的交流與合作，為國家的發(fā)展和繁榮做出重要貢獻［1］。然而，由于設(shè)計、施工、環(huán)境等因素的影響，公路可能會出現(xiàn)各種形式的損傷，如裂縫、剝落等，嚴重影響其安全性和使用壽命。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)加固方法存在施工復(fù)雜、耐腐蝕性差、增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量等問題［2］。因此，尋求一種新型的、有效的加固方法［3］。

國內(nèi)外學(xué)者針對纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)實施了大量研究，主要包括纖維材料的力學(xué)性能、混凝土加固機理、加固方法等方面。一些研究表明，采用纖維材料來加固有著卓越的效果。然而，纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)也存在一些問題，如施工復(fù)雜、耐腐蝕性差、增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量等，需要進一步研究和優(yōu)化?，F(xiàn)尋求一種新型的基于碳纖維復(fù)合材料的加固方法，以綜合考慮結(jié)構(gòu)的多種性能要求，提高公路的使用壽命和安全性。并探究該種加固混凝土的力學(xué)性能及應(yīng)用。

1"" 試驗概況

1.1"" 試驗材料與試件制備

在試驗中，使用的混凝土組成材料包括碎石、砂子、水泥、水，具體配合比如下：

碎石含量：1 172 kg/m3；中砂含量：642 kg/m3；水泥含量：397 kg/m3；水含量：224 kg/m3。

其中水泥型號為P.O42.5；細骨料為中砂；粗骨料為碎石，其中粒徑5～10 mm碎石的占比為30%，粒徑10～20 mm碎石的占比為70%，顆粒級配具體如表1所示，滿足《建設(shè)用卵石、碎石》中所規(guī)定的連續(xù)級配要求［4］。

制備混凝土力學(xué)性能測試的試件，具體包括2種，一種為圓柱體，作為抗壓強度試件，另一種是棱柱體，作為抗彎強度與抗拉強度試件［5］。其中圓柱體試件的尺寸是100 mm×200 mm（底面直徑×高）［6］。

為了探討碳纖維復(fù)合材料粘貼面積率對于試件力學(xué)性能的影響，共設(shè)計了11種試件，具體情況如表2所示。

將試件1命名為全加固圓柱體混凝土試件，將試件2～試件10命名為半加固圓柱體混凝土試件，將試件11命名為未加固圓柱體混凝土試件［7］。其中未加固混凝土試件不實施任何加固處理。

對于9種半加固混凝土試件，分別使用9、8、7、6、5、4、3、2、1條20 mm寬的CFRP條帶對其實施粘貼加固，其中CFRP條帶之間的凈距離是25 mm。

而對于全加固混凝土試件，使用一條200 mm寬的CFRP條帶對其實施粘貼加固。

此外，全加固和半加固混凝土試件的上下底面均需要涂抹環(huán)氧樹脂膠。

碳纖維復(fù)合材料共有2種失效模式，即條帶接口處的界面出現(xiàn)粘接力失效的問題或材料本身斷裂效。為確保加固效果并充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，需要加強接口處的界面粘接力，將條帶兩端錯位較長長度后實施搭接。將搭接長度定為試件圓截面周長的1/4，這樣既不會浪費碳纖維復(fù)合材料材料，還可以防止出現(xiàn)界面脫粘的問題［8］。

對于全加固和半加固混凝土試件，首先打磨混凝土試件的加固部位，使其表面變得粗糙，接著在剪

裁好的碳纖維布的兩面分別涂上環(huán)氧樹脂膠，然后將受樹脂膠浸潤的碳纖維布直接粘貼在試件加固部位，并在試件的上下底面分別涂抹樹脂膠。最后在室溫下將試件靜置7 d，直到樹脂膠已經(jīng)完全固化。

全加固混凝土試1和半加固混凝土試件6的表面如圖1所示。

棱柱體試件的尺寸是100m×100m×400 m（寬×高×長），為了探討碳纖維復(fù)合材料加固對試件抗彎性能與抗拉性能的影響，設(shè)計了2種試件，碳纖維復(fù)合材料加固棱柱體混凝土試件與未加固棱柱體混凝土試件［9］。

在未加固棱柱體試件的跨中受拉側(cè)，直接預(yù)制一個30 mm高的裂縫。

而碳纖維復(fù)合材料加固棱柱體試件不僅需要實施裂縫的預(yù)制，還需要在試件受拉側(cè)粘貼碳纖維復(fù)合材料條帶［10］。

其中碳纖維復(fù)合材料加固棱柱體混凝土試件共設(shè)置5種，具體如表3所示。

對于碳纖維復(fù)合材料加固棱柱體混凝土試件，首先打磨未加固試件的加固部位，使其變得粗糙，其次在事先剪裁好的碳纖維布的兩面涂上環(huán)氧樹脂膠，然后將被樹脂膠浸潤的碳纖維布粘貼在加固部位［11］。最后在室溫下將試件靜置7 d，直到樹脂膠已經(jīng)完全固化。

1.2"" 力學(xué)性能測試方法

在本次試驗中，試件的抗壓強度和抗彎強度試驗參考測試普通水泥膠砂強度的方法來實施。試驗在某建筑工程檢測中心進行，使用YAW-300D微機全自動水泥壓折試驗機實施試件抗彎強度測試［12］。

在單軸受壓試驗中，主要對峰值應(yīng)變、單軸飽和抗壓強度實施測試［13］。單軸壓縮試驗采用的設(shè)備為30T電動萬能試驗機，將加載速率設(shè)置成0.2 mm/min。

軸心抗壓強度試驗同樣采用30 T微機控制電動萬能試驗機實施測試。試件養(yǎng)護完畢后，需擦干并測量承壓面尺寸［14］。為了準確測定材料的軸心抗壓強度，每樣試件取3個實施測試。開動試驗機后加壓直至試件破壞，通過這種方式可以得到每個試件的軸心抗壓強度。計算公式具體如下：

[gvb=δB]"""""""""""""""""""""""""""""""" （1）

式中：δ 指的是棱柱體破壞載荷；B 指的是試件承壓面積；[gvb]是指試件的軸心抗壓強度。軸心抗壓強度需精確到0.1 MPa。

在試件抗拉強度的測試中，采取直接拉伸法，使用的測試儀器為10 T電子萬能試驗機。采用位移控制的方式，設(shè)置加載速率為0.1 mm/min。

通過下式計算試件的單軸抗拉強度：

[gf=εC]"""""""""""""""""""""""""""""""""" （2）

式中：ε 指的是試件破壞時10 T電子萬能試驗機的拉力；[gf]是指試件抗拉強度；C 是指受拉區(qū)截面面積［15］。

2"" 力學(xué)性能測試結(jié)果及應(yīng)用

2.1"" 力學(xué)性能測試結(jié)果

2.1.1"" 抗壓強度測試結(jié)果

首先測試11種試件的單軸飽和抗壓強度，測試結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4測試結(jié)果，試件1的峰值應(yīng)變最大，達到0.398%，這表示全加固圓柱體混凝土試件在受力情況下的最大應(yīng)變值最大，同時試件1的單軸飽和抗壓強度最大，達到105.3 MPa，這表明全加固圓柱體混凝土試件的單軸抗壓能力最強。在9種半加固混凝土試件中，隨著CFRP條帶粘貼加固面積增大，其峰值應(yīng)變與單軸飽和抗壓強度就更大。而未加固混凝土試件的峰值應(yīng)變與單軸飽和抗壓強度都最小。

以上結(jié)果說明，CFRP條帶粘貼加固面積越大，混凝土試件在單軸應(yīng)力作用下的最大抗壓能力越大。

接著測試試件軸心抗壓強度，具體測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，試件1的軸心抗壓強度最大，達到126.5 MPa，這表示全加固圓柱體混凝土試件在在軸心壓力作用下的最大抗壓能力最強。在9種半加固混凝土試件中，隨著CFRP條帶粘貼加固面積增大，其軸心抗壓強度就越大。而未加固混凝土試件的軸心抗壓強度時最低的。綜合單軸飽和抗壓強度與軸心抗壓強度的測試結(jié)果，CFRP條帶粘貼加固面積越大，混凝土試件的抗壓能力越強。

2.1.2"" 抗彎強度測試結(jié)果

不同養(yǎng)護齡期下5種試件抗彎強度測試結(jié)果如圖3所示。

測試結(jié)果表明，對于A、B、C、D、E這5種碳纖維復(fù)合材料條帶加固尺寸下的混凝土試件，D、E的抗彎強度最大，即碳纖維復(fù)合材料條帶加固尺寸越大，試件的抗彎強度越大。比較D、E 2種試件，可以發(fā)現(xiàn)二者的抗彎強度差異不大，說明碳纖維復(fù)合材料條帶加固層數(shù)并非主要影響因素。

比較3種養(yǎng)護齡期，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護齡期越久，試件的抗彎強度明顯更大，即在56 d養(yǎng)護齡期后試件的抗彎強度達到最大。

2.1.3"" 抗拉強度測試結(jié)果

受拉后，碳纖維復(fù)合材料顯微鏡下的破壞形態(tài)如圖4所示。

在不同養(yǎng)護齡期下，5種試件的單軸抗拉強度測試結(jié)果如圖5所示。

測試結(jié)果表明，對于A、B、C、D、E試件，E的單軸抗拉強度最大，即碳纖維復(fù)合材料條帶加固尺寸越大、層數(shù)越多，試件的單軸抗拉強度越大。比較3種養(yǎng)護齡期，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護齡期越久，試件的單軸抗拉強度明顯更大，即在56 d養(yǎng)護齡期后試件的單軸抗拉強度達到最大。

2.2"" 碳纖維復(fù)合材料加固混凝土應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料加固混凝土在公路建設(shè)中的應(yīng)用具有以下優(yōu)點，提高結(jié)構(gòu)的強度和剛度；提高結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性；降低施工成本。碳纖維復(fù)合材料加固混凝土在公路方向上的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：

（1）橋面加固：利用碳纖維復(fù)合材料能夠加固橋面混凝土結(jié)構(gòu)；

（2）梁板加固：在公路橋梁的梁板結(jié)構(gòu)中，碳纖維復(fù)合材料同樣可以用于加固其混凝土結(jié)構(gòu)。通過采用碳纖維布，可以保證橋梁的安全性和穩(wěn)定性；

（3）路基加固：碳纖維復(fù)合材料能夠應(yīng)用于路基混凝土結(jié)構(gòu)。使用碳纖維布后，能夠有效地提高路基的承載能力；

（4）隧道加固：碳纖維復(fù)合材料還可以用于加固和修復(fù)受損的隧道混凝土結(jié)構(gòu)。

在具體應(yīng)用中，需要通過粘接劑將二者緊密結(jié)合在一起。根據(jù)試驗結(jié)果，需要保持較大的碳纖維復(fù)合材料條帶加固尺寸，在必要情況下，還可以適當(dāng)增加層數(shù)，以獲得力學(xué)性能更加良好的橋梁混凝土。

在惡劣情況下，還可以使用碳纖維板或?qū)⑻祭w維布，或?qū)⑻祭w維板嵌入到混凝土結(jié)構(gòu)中。

總之，碳纖維復(fù)合材料加固混凝土在公路方向上的應(yīng)用具有廣泛的前景和重要的意義。

3"" 結(jié)語

提出了一種新型的碳纖維復(fù)合材料加固混凝土施工工藝。該工藝包括打磨、涂抹環(huán)氧樹脂膠以及粘貼碳纖維復(fù)合材料等步驟。通過這種施工工藝，可以有效地提高碳纖維復(fù)合材料與混凝土之間的粘接性能，實現(xiàn)更好的加固效果。并深入探討了碳纖維復(fù)合材料（CFRP）加固混凝土的力學(xué)性能和應(yīng)用方向。通過分析研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗彎性能、抗拉性能、抗壓性能。因此，本研究為公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供了一種新型的、有效的混凝土加固方法。同時通過對不同因素對碳纖維復(fù)合材料加固混凝土力學(xué)性能的影響實施研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維的粘貼面積以及層數(shù)等因素對加固效果具有重要影響。

盡管本研究已經(jīng)取得了一些重要的成果，但仍有許多問題需要進一步研究和探討。

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