碳纤维布用量对劣化混凝土梁加固效果的影响

吴元周，吕恒林，方忠年，温海燕，孙 雷

（1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 江苏建筑节能与建造技术协同创新中心，江苏 徐州 221116）

碳纤维布（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有较强的抗拉强度，被广泛应用于混凝土梁的受拉区，用以加固补强.研究发现［1－3］，用CFRP加固混凝土构件能增加混凝土的弹性区范围，特别是纵向受拉钢筋屈服后效果显著.由于CFRP 为完全弹性材料，它与钢筋共同工作会减弱钢筋的塑性变形，影响构件延性的提高，因此CFRP 用量过多时，构件延性会有所降低［2］.

CFRP加固钢筋混凝土梁（以下简称加固梁）正截面受弯破坏形式有以下几种［4－6］：（1）受压区混凝土被压碎，但受拉钢筋未达到屈服强度，CFRP未达到极限拉应变；（2）受压区混凝土被压碎，受拉钢筋已达到屈服强度，但CFRP 未达到极限拉应变；（3）钢筋屈服后CFRP达到极限拉应变被拉断，受压区混凝土尚未破坏；（4）保护层混凝土剪切受拉剥离破坏；（5）CFRP与混凝土基层间黏结剥离破坏.

加固梁正截面受弯承载能力提高程度受以下因素影响：混凝土劣化程度、受拉钢筋锈蚀率、CFRP黏贴层数及利用率，以及CFRP 与劣化混凝土界面的黏结性能等［4，6－8］.特别地，对于多层CFRP的利用率，需考虑折减系数［7］.文献［9］给出的折减系数k的表达式为：

式中：ncf为CFRP的层数；Ecf为CFRP的弹性模量；tcf为每层CFRP的厚度.

纵向粘贴CFRP在一定程度上能够提高锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度；设置横向U 型箍能有效提高加固体系的整体工作性能［1，10］.CFRP 加 固 梁 抗弯刚度的衰减曲线包括初始的快速减小阶段、稳定衰减阶段和梁临近破坏时的快速减小阶段［11］.

现有文献充分研究了粘贴CFRP对劣化钢筋混凝土梁承载能力的提高程度，却忽略了混凝土梁整体劣化程度（即混凝土劣化、钢筋锈蚀以及两者间黏结性能退化等）对加固效果的影响.因为受破坏模式的影响，CFRP的有效利用率不是一个常量，而是与混凝土和钢筋劣化程度相关联的变量.故有必要仔细研究加固梁的抗弯性能与CFRP用量的关系.

本文通过对分别粘贴1层和2层CFRP的劣化钢筋混凝土梁进行正截面受弯试验，来研究加固梁的力学性能时变规律.同时分析加固梁承载力模型、CFRP用量对加固梁刚度的影响，以及影响CFRP有效利用率的主要因素.为研究混凝土劣化、钢筋锈蚀以及CFRP与劣化混凝土界面黏结性能退化等因素对加固效果的影响，本文将试验梁劣化状态分为轻度劣化（有锈斑，受拉纵筋位置混凝土无明显锈胀裂缝）、中度劣化（有明显锈胀裂缝，受拉纵筋位置混凝土保护层未剥落）和重度劣化（受拉纵筋位置混凝土保护层锈胀剥落）.

1 试验

1.1 原材料

水泥：徐州巨龙水泥厂产P·O 32.5R普通硅酸盐水泥，密度为3.18g／cm3，比表面积为350m2／kg.砂：天然河砂（中砂），细度模数为2.42.粗骨料：最大粒径为16mm 的石灰岩碎石.混凝土设计强度等级为C25，混凝土配合比为m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）＝192∶343∶576∶1 063，水灰比为0.56（质量比，文中涉及的水灰比、砂率等均为质量比或质量分数），砂率35%.CFRP 及黏结剂基本性能指标见表1.

表1 CFRP及黏结剂基本性能指标Table 1 Details of CFRP and binder used in the test

1.2 试件设计和试验方案

试验梁于2009年1月统一制作完成，室内自然养护28d.图1为试验梁配筋及CFRP加固方式示意图.其中图1（a）的纵向受拉钢筋直径为12mm，上部架立筋直径为8mm；图1（b），（c）中为预防受剪破坏，在梁受剪段每间隔100 mm 粘贴1 层50mm宽U 型箍，同时设计了2 种CFRP 加固量，即分别在试验梁底部受拉面粘贴1层和2层CFRP，其宽度和长度与梁底面一致.共制作17根试验梁，其中5 根采用方式Ⅰ进行加固（编号记为CL0～CL4），5根采用方式Ⅱ进行加固（编号记为DCL1～DCL5），7根作为各损伤劣化阶段的对比梁（编号记为L0～L6）.

图1 试验梁配筋及CFRP加固方式示意图Fig.1 Configuration of specimens and strengthening method（size：mm）

2009年9月开始试验，所有构件统一时间放入模拟环境中，按设计周期对所有构件进行外观检查，测量试验梁面层锈胀裂缝宽度ω.分批对试验梁进行正截面受弯试验，然后采用取芯法，从梁的两端不受力处钻取芯样，测量芯样碳化深度X，并采用轴压法检测其抗压强度值fc，随后对试验梁进行破型，取出锈蚀钢筋，测量锈蚀率η，极限承载力Fu和跨中挠度δ.

根据工程实测结果［12］，模拟煤矿地面环境，开展加速劣化试验.主要考虑因素为HCl和CO2气体质量浓度以及Cl－和SO2－4质量分数，不考虑温湿变化，环境设置如表2所示.

试验梁的截面几何参数、劣化程度、加固方式及破坏模式等如表3所示.

2 结果及讨论

2.1 破坏模式

不同程度劣化梁加固前后正截面受弯破坏形态如图2所示.

图2 CFRP加固前后劣化梁破坏形态Fig.2 Failure modes of beams before and after strengthening

由图2可见，劣化梁受弯时主要有2种破坏模式：受压区混凝土压碎和受拉钢筋屈服破坏；粘贴1层CFRP加固的劣化梁正截面受弯时主要破坏形态为CFRP拉断，在沿受拉钢筋方向的锈胀裂缝较宽时，部分混凝土保护层会被剥离；粘贴2层CFRP加固的轻度劣化梁（DCL1和DCL2）受弯时，CFRP拉断破坏，当劣化程度较大（中度劣化及重度劣化）时，加固梁的主要破坏模式为CFRP 黏结层剪断破坏.试验过程中，U 型箍始终保持较好的抗剪性能，没有发生破坏.

与劣化梁相比，加固梁受弯破坏形态有较大变化.主要存在以下原因：（1）受力裂缝的存在，导致混凝土与CFRP界面存在局部脱黏，裂缝两侧混凝土竖向挠度不等，对该位置的CFRP 黏结层产生剪切作用.此外，CFRP承受拉力，阻碍受拉裂缝的发展，导致纯弯段能量过于集中.CFRP 同时承受拉力作用和黏结层传递的剪切作用，破坏形态存在一定的变异性［5，13－14］.（2）受压区混凝土抗压强度降低速度相对缓慢.（3）加固梁正截面受弯时，U 型箍增强了劣化梁箍筋的抗剪能力，而纯弯段则缺少U 型箍，抗剪能力明显偏弱，在交界位置产生剪力突变.（4）CFRP压条约束受压区混凝土及钢筋横向变形，提高了试验梁受压区承载能力.（5）钢筋锈蚀造成劣化混凝土锈胀开裂，减弱了钢筋与混凝土的黏结能力［6，15］.加 固梁破坏时，CFRP与黏结的混凝土同步发生破坏，而与锈蚀钢筋的屈服不同步.

表2 物理模拟环境设置Table 2 Setting details of physical simulation environment

表3 劣化试验梁加固前后受弯破坏特征参数Table 3 Flexural test results of beams before and after strengthening

2.2 极限承载力

图3给出了加固梁极限承载力Fu与受拉区钢筋锈蚀率η的关系.

由图3 可见，相对于未劣化未加固的基准梁L0，粘贴1层CFRP加固梁的极限承载力在轻度劣化阶段略有增长，在中度劣化阶段则持续降低；粘贴2层CFRP加固梁的相应指标在中度劣化阶段基本稳定，而在重度劣化阶段持续降低.由此可见，加固梁在轻度劣化时CFRP用量上的优势并不明显.

图3 加固梁极限承载力随受拉钢筋锈蚀率变化趋势Fig.3 Ultimate strength of beams changed with the increase of corrosion rate of rebar

造成试验数据波动的因素主要有：（1）CFRP与混凝土界面的黏结性能；（2）CFRP的用量；（3）钢筋混凝土梁的劣化程度［1，4，7］.界面黏结性能直接影响了CFRP与钢筋混凝土梁受力变形的协调性，中度劣化后，随着CFRP用量的增加，加固梁的极限承载力显著增加，但变化趋势相近.

2.3 荷载－挠度曲线

加固梁的荷载－挠度关系曲线如图4所示.

由图4（a）可以看出，加固梁的荷载－挠度曲线上有2个明显的拐点，分别对应开裂荷载和屈服荷载；在图4（b）中则看不到开裂荷载对应的拐点，加固梁到达屈服阶段后仍然保持较大的刚度，直到破坏，表现出较大的脆性，粘贴2 层CFRP 的加固梁尤为显著.

图4 加固梁荷载－跨中挠度曲线Fig.4 Load－deflection curves of strengthened beams

同级荷载作用下，加固梁的位移增加量与CFRP用量呈反比.相同加固量时，试验梁的极限变形能力随其劣化程度增加而减小，原因在于加固梁刚度上的变化.除了CFRP及劣化梁自身材料参数（钢筋锈蚀率及力学性能、混凝土劣化程度）影响外，加固梁的刚度主要受CFRP用量、开裂截面内力臂系数、受压区边缘混凝土平均应变综合系数、钢筋应变不均匀系数以及碳纤维布应变不均匀系数影响［10，16］.

3 理论分析

3.1 CFRP用量对加固梁极限承载力的影响

CFRP提高钢筋混凝土梁抗弯能力的主要原理是弥补了钢筋锈蚀引起的抗拉能力下降.加固梁受弯裂缝见图5.其中θ1和θ2分别表示受力裂缝的2个竖向开裂角度；θ3和θ4分别表示混凝土梁中钢筋受弯变形时受力裂缝两侧的挠曲角度；ω 表示受力裂缝宽度；δ1和δ2分别表示钢筋和碳纤维布竖向变形；l1和l2分别表示受力裂缝两侧受影响剥离的混凝土长度；c为混凝土保护层厚度.

图5 CFRP加固劣化梁受弯裂缝Fig.5 Cracks of the beam under loading

试验发现，在加固梁轻度劣化和中度劣化前期，粘贴1层或2层CFRP，其极限承载力相近.此时，钢筋与CFRP 受力挠度相等，即δ1＝δ2，θ1＝θ2＝θ3＝θ4；在中度劣化后期和重度劣化时，受拉钢筋锈蚀导致混凝土保护层开裂后，劣化混凝土与锈蚀钢筋间黏结性能退化，甚至变为无黏结［17］，CFRP 与混凝土保护层形成一体，在加固梁受力裂缝两侧δ1＞δ2，θ1＞θ3，θ2＞θ4，且θ1≠θ2，此时对CFRP黏结层产生剪切力，U 型箍的约束则对CFRP加固层产生反向剪切力，两者相互作用，致使CFRP 黏结层（严重时甚至包括CFRP 黏结层和受拉区混凝土保护层两者）发生受剪破坏而不能正常发挥其抗拉性能.CFRP 用量越大，CFRP 黏结层抗剪能力越强，因而承载力也会增大，直至再次发生受压区混凝土压碎破坏模式，但增大程度需要进一步研究.

3.2 CFRP用量对加固梁刚度的影响

文献［10］通过试验结果和数值计算得到碳纤维布加固锈蚀梁的抗弯刚度B，其表达式为：

式中：Es和Ecf分别为受拉钢筋和CFRP弹性模量；As和Acf分别为受拉钢筋和CFRP截面积；h0和h分别为钢筋混凝土梁截面有效高度和实际高度；k（η）为锈蚀钢筋综合应变系数；ψ 为钢筋锈蚀后应变不均匀系数；αE为钢筋与混凝土弹性模量之比；αF为CFRP与混凝土弹性模量之比；ρs 为根据锈蚀纵筋面积计算的配筋率；ρcf为CFRP加固率.

为分析CFRP 用量对加固梁刚度的影响，令k1＝EsAsh02，k2＝Ecfh2，k3＝1.15k（η）ψ＋12.54αEρs－0.24，k4＝12.54αF，则式（2）可简化为：

式中：b为钢筋混凝土梁截面宽度.

由k1，k2，k3和k4的表达式可知，随着钢筋混凝土梁劣化程度的增加，k1和k3逐渐减小，k4逐渐增加，k2为常数.B 值取决于（k1k4－k2k3）与k2k4比值的大小，当时，B 随Acf的增加而增大，反之变小.不考虑式中的常数，EsAs／Ecf是影响B 变化的主要因素.

加固梁刚度试验与计算结果对比见表4.

表4 加固梁刚度试验与计算结果对比Table 4 Results comparison of calculation and test

由表4可见，随着混凝土梁劣化程度的增加，对于采用相同方式加固的劣化梁，加固梁刚度计算值和试验值均呈降低趋势.对于劣化程度相近的加固梁CL4 和DCL3，由于满足，它们的刚度随着CFRP用量增加而增大，因而后者的刚度略高于前者；加固梁CL2和DCL2虽然劣化程度也相近，但不满足上式，因而加固梁的刚度并未随CFRP用量增加而增大.

3.3 CFRP有效利用率

CFRP用量增加时加固梁的极限抗弯能力增大，但两者不成正比关系.随着CFRP 层数的增加，各层CFRP并不能完全共同工作，部分强度没有完全发挥，因而在计算加固梁正截面极限承载力时需要考虑CFRP 的有效利用率γ.CFRP 加固梁理想的受弯破坏模式是受压区混凝土压碎的同时，受拉钢筋屈服且受拉CFRP 拉断.此时加固梁极限弯矩Mu的表达式为：

式中：α1为受压区混凝土矩形应力值与混凝土轴心抗压强度设计值的比值；fc为混凝土抗压强度；x 为受压区高度；fy为受拉钢筋屈服强度；εcf为受拉CFRP 极限拉应变，Acf，min为受拉CFRP最小截面积.

对于剪断破坏的试验梁，破坏点主要发生在剪力突变位置，即靠近纯弯段的第1个U 型箍边沿.为保障加固梁承载力的提高效果，需要更多的CFRP用量，此时Acf取极大值Acf，max，其值可由式（5）求得：

式中：Gc和Gcf分别为混凝土和CFRP 混凝土界面的抗剪模量；τ和τcf分别为混凝土和CFRP－混凝土界面的剪应变；fv和f′v分别为受拉钢筋和受压钢筋抗剪承载力；A′s为受压钢筋截面积；FS为加固梁界面剪力.

由式（4），（5）可以求得Acf，min和Acf，max，从而获得γ的取值范围：

根据式（6）所求得的γ值，可在对构件进行修复加固时有针对性地控制CFRP 用量，并保障加固效果.

4 结论

（1）CFRP加固梁正截面受弯时，随着混凝土劣化程度的增加，破坏模式逐渐由受压区混凝土压碎转变为CFRP拉断，最终演变为CFRP 黏结层剪断且混凝土保护层剥落.

（2）锈胀裂缝出现是CFRP 加固梁极限承载力快速退化的关键点.开裂前，CFRP用量对加固梁极限承载力影响很小；开裂后，由于裂缝两侧的加固层挠度出现不等，对CFRP黏结层产生剪力，促使加固梁过早破坏.CFRP用量越大，CFRP 黏结层抗剪能力越强，因而承载力也会增大，直至再次发生受压区混凝土压碎破坏，但增大程度需进一步研究.

（3）加固梁的刚度变化取决于CFRP 弹性模量及用量、锈蚀钢筋及劣化混凝土参数，其中，锈蚀钢筋弹性模量Es和剩余截面积As的乘积与CFRP弹性模量Ecf的比值是影响抗弯刚度B 变化的主要因素.

（4）同级荷载作用下，加固梁的位移增加量与CFRP用量呈反比.相同加固量时，极限变形能力随试验梁的劣化程度增加而减小.

（5）CFRP有效利用率γ 受其自身破坏模式影响较大.在实际应用中，应当有针对性地对劣化梁，尤其是锈胀裂缝及受拉区混凝土保护层进行处理，以提高CFRP有效利用率.

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