CFRP修复加固冻融损伤混凝土构件抗弯性能研究

聂红宾，贾 良，聂晓梅

（1. 陕西铁路工程职业技术学院 轨道工程系，陕西 渭南 117000；2. 辽宁省环境岩土工程重点试验室，沈阳110044；3. 沈阳大学，沈阳 110044）

CFRP修复加固冻融损伤混凝土构件抗弯性能研究

聂红宾1，贾 良1，聂晓梅2,3

（1. 陕西铁路工程职业技术学院 轨道工程系，陕西 渭南 117000；2. 辽宁省环境岩土工程重点试验室，沈阳110044；3. 沈阳大学，沈阳 110044）

为了进一步研究碳纤维复合材料（CFRP）修复冻融混凝土构件损伤的力学效果，对CFRP修复混凝土构件试件进行抗弯试验，结果表明：CFRP能有效提高损伤试件的承载力和延性性能，尤其是全包方式；试件的承载力受冻融影响较大，但受冻融次数影响较小；随着冻融次数的增加，CFRP修复试件的中性轴上移越来越快，逐渐不符合平截面假定，试件剪跨区的受力也越来越不均匀；经过理论推导，得到了CFRP修复不同冻融损伤程度混凝土构件的抗弯承载力公式，利用ABAQUS模拟CFRP加固冻融损伤混凝土构件的力学性能，得到的计算值、模拟值与试验值进行比较，结果吻合较好。

碳纤维复合材料；修复加固；冻融损伤；混凝土构件；力学性能；试验

0 引言

冻融损伤一直是影响混凝土构件耐久性的主要问题。在我国的西北和东北地区混凝土工程中冻融受损严重，如青藏铁路的维修与保养中，大部分费用消耗在修复隧道的混凝土衬砌中。混凝土构件由于长期受潮，吸水膨胀后产生裂纹，经过多次冻融循环后，混凝土结构内部出现程度不同的裂缝[1]。冻融损伤试件的表面水泥剥离、骨料外露且坑洼不平，CFRP无法直接包裹在其表面，修复效果较差。目前，国内外很少研究将CFRP修复技术用在冻融损伤混凝土构件中，只有中铁隧道集团混凝土研发中心、中铁一局等单位将碳纤维废丝直接加入混凝土构件中抵抗冻融损伤[2]。试验对采用特制结构树脂将碳纤维布浸渍、粘贴并固化成型在混凝土构件表面，并对修复试件进行抗弯试验，观察结构的破坏形态，分析承载力、荷载－应变关系以及挠度等参数的变化，对实际工程有一定的探索性。

1 试验方案

试验件较小，属于模型试验，截面尺寸参照文献[1]为100×100×400 mm，试验方案详见表1，加载装置和应变片位置如图1所示。

表1 试验方案Table 1 Parameters table

图1 加载装置图Fig.1 The loading device diagram

2 试验结果

2.1 冻融循环试验结果

试件分别经过50、100、150和200 次冻融循环后，试件破坏状态见图2，未冻融的混凝土试件表面光滑和密实，冻融循环50 次后试件表面出现很多小孔，有少量细骨料颗粒；100 次后试件表面粗骨料裸露，出现微小裂缝，端部有掉渣现象；150 次后试件整个表面出现大量浮砂，裂缝越来越发育，试件端部损坏严重；200 次后试件表面粗骨料剥落，裂缝贯通，部分试件端部断裂，试件破坏。最终得到了普通矿渣硅酸盐水泥配置C30混凝土试件的质量损失率和动弹性模量损失率，如图3～4所示。2.2 试验结果及分析

图2 试件的冻融破坏图Fig.2 Specimen destruction diagram of freeze-thaw cycles

图3 质量损失率Fig.3 The mass loss rate

图4 动弹性模量图Fig.4 The dynamic elastic modulus diagram

2.2.1 抗弯试验结果

试件抗弯破坏见图5，试件冻融200次后，未加固试件端部破碎，加载值很小且断裂突然，对试件用CFRP全包加固试件后加载，会听到“噼啪”声，当试件破坏时，底部的CFRP出现脆性断裂，发出“巨大”的断裂声，CFRP包裹截面未完全断裂，有一定的承载力和延性。

2.2.2 参数分析

图5 CFRP全包冻融损伤试件抗弯试验的破坏图Fig.5 Destruction diagram of freeze-thaw damagablly flexural member inclusived CFRP sheets

图6 WD0平截面荷载-应变图Fig.6 WD0 load-strain diagram of plane

表2 修复试件抗弯承载力Table 2 The capacity of the flexural specimens

① 承载力分析。CFRP修复冻融试件如图6和表2所示，未冻融全包试件WD0的极限承载力最高，WD50和WD200的极限承载力下降了59.9%和 71.4%，说明冻融损伤对混凝土构件抗弯的极限承载力影响很大。冻融50 次的全包试件WD50与冻融200 次的全包试件WD200相比，冻融损伤200 次后试件的承载力仅降低11%，说明冻融循环次数对抗弯承载力影响不大。冻融200 次后全包试件WD200与未修复试件WD200W相比，全包试件的承载力提高900%，说明CFRP能有效提高承载力。

图7 WD50平截面荷载-应变图Fig.7 WD50 load-strain diagram of plane

图8 WD200平截面荷载和应变图Fig.8 load and strain diagram of WD200 plane

图9 WD200W平截面荷载-应变图Fig.9 WD200W load-strain diagram of plane

② 平截面。图6～9为不同冻融损伤全包试件平界面的应变与荷载变化关系，分析可得如下结论，随着试件冻融损伤程度的加剧，CFRP修复试件的中性轴上移越来越快，逐渐不满足平截面的假定。

③ 荷载与应变。CFRP修复试件支座处的荷载-应变见图10～13，分析得出以下结论，未冻融试件抗弯支座处受力均匀，竖向应变相同；随着冻融次数的增加，两端支座处受力越来越不均匀，且变形越来越大。

图10 左支座荷载-水平应变图Fig.10 strain-level load diagram of the left abutment

图11 左支座荷载-竖向应变图Fig.11 strain-vertical load diagram of the left abutment

图12 右支座荷载-水平应变图Fig.12 strain-level load diagram of the right abutment

图13 右支座荷载-竖向应变图Fig.13 strain-vertical load diagram of the right abutment

3 全包混凝土构件抗弯承载力计算

3.1 混凝土模型简化

3.1.1 梯形抗压强度模型

基于规范（GB50010-2010）[4]推荐模型和赵彤模型[5～6]，试验对混凝土应力模型简化为梯形图，见公式⑴，应力关系见图14，形心距xc见公式⑵所示。

图14 抗弯简化图Fig.14 The bending diagram

式中，ς为受压区高度修正系数，公式见⑶，

3.1.2 不同损伤程度的混凝土强度模型

过镇海教授利用冻融模型[7～9]对损伤混凝土分析。模型转换后见公式⑷，

式中，ε和εc为应变和峰值的应变；σ和σc表示应力和应力峰值；A=混凝土弹性模量/割线模量，C30混凝土取1.78，l1、l2和l3分别表示冻融修正系数，见表3。

经计算得到冻融损伤后混凝土的强度关系，未冻融混凝土试件的本构关系，如公式⑸所示，

冻融50 次后混凝土本构关系见公式⑹，

冻融200 次后混凝土本构关系见公式⑺，

3.2 极限弯矩

根据塑性理论[10]，截面的极限弯矩Mu如公式⑻，

令Ws= S1+10S2，得公式⑼，

式中，Ws为塑性截面系数，见公式⑽，

弹性截面系数W见公式⑾，

弹性计算的弯矩和塑性计算的比值如公式⑿，

经过弹性和塑性计算得到的极限弯矩Mu，结果相差很大，表4是试验所用试件的弹性和塑性计算荷载，差值约在27%，为使构件能够发挥一定的塑性性能，且仍要偏安全，可采用混凝土规范方法，抗弯构件仍采用弹性理论计算，但极限值要增大，可取下限为1.20[11]。

3.3 全包加固冻融损伤构件抗弯承载力公式

由图15可得，截面受力平衡条件可得到理想的抗弯承载力计算公式⒀～⒂，

表3 强度关系参数表Table 3 The table of constitutive parameters

式中，ƒcƒs为CFRP全包加固极限抗拉强度。

利用抗弯承载力公式，计算CFRP修复损伤试件的抗弯承载力，分别为23.66、7.8和6.2 kN。与试验结果相比，误差控制在8%。

4 CFRP加固冻融损伤构件非线性分析

表4 弹塑性荷载计算Table 4 The elastic and plastic load table

图15 CFRP修复混凝土构件抗弯受力图Fig.15 The strengthened beams diagram reinforced of CFRP sheets

采用ABAQUS对CFRP修复冻融损伤试件进行抗弯模拟，在前处理模块中建模，CFRP的模型采用壳单元S4R，混凝土采用的是实体单元C3D8R模型，粘结剂不计厚度，采用模型为内聚力单元C0H3D8，其混凝土与CFRP的表面处理采用tie连接。建好模型后划分网格。

在加载时，要先选好参考点并搭建耦合关系，使软件处理达到收敛效果[12]。

通过对图16分析得如下结论，冻融循环50 次后，挠度变化基本相同；随着冻融次数的增加，挠度值越来越小。通过ABAQUS对修复损伤梁进行非线性分析，较好的反映出CFRP修复损伤试件的受力性能。

图16 试件的荷载—挠度图Fig.16 the load-deflection diagram

5 结语

⑴ 对矿渣硅酸盐水泥制备的C30混凝土进行冻融循环试验，试验结果表明：经过冻融循环125次后弹性模量损失达到10%，循环175 次后质量损失达到5%，动弹性模量和质量损失作为混凝土耐久性基本参数，判断存在一定误差。同时试验还建立了不同冻融损伤程度下混凝土的本构关系。

⑵ 对CFRP修复冻融试件进行抗弯试验，结果表明：冻融对试件的抗弯性能影响很大，经过CFRP修复后，能大幅度增加损伤试件的承载力；但循环次数（即试件冻融损伤程度）对抗弯承载力影响不大；随着冻融损伤程度的加剧，试件受力小、变形大且中性轴朝受压面上移越来越快，以致于不适用平截面的假定。

⑶ 通过理论计算和ABAQUS模拟，得到了不同冻融损伤程度下CFRP全包试件的抗弯承载力公式，试验值与计算、模拟值相比，存在8%的误差，较好印证了试验的准确性。

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The research on bending properties of freezing-thawing damageable beams strengthened by CFRP sheets

NIE Hong-bin1, JIA Liang1, NIE Xiao-mei2,3

( 1. Railway Engineering Department, Shanxi Railway Institute, Shanxi Weinan 714099 China; 2. The Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering, Shenyang 110044 China; 3. Shenyang University, Shenyang 110044 China )

In order to further research the mechanical properties of the bending component of freeze-thaw damage concrete by CFRP reinforced. The bending test are carried out by the 12 root of component of freeze-thaw damage by CFRP sheet reinforced. Test shows that CFRP sheet can effectively increase the bending bearing capacity of damage specimen and ductility performance, especially the whole package way. Through theoretical calculation, the bending bearing capacity formula of component ordinary concrete reinforced and the reinforced component after freeze-thaw damage are deduced. Using ABAQUS simulated the mechanical properties of the bending component of freeze-thaw damage concrete by CFRP reinforced, the calculated value and simulation value compared with the test results and the results are coincident.

CFRP; repair reinforcement; freezing-thawing damageable; concrete component; mechanical properties; test

TQ327.3; TU377

A

1007-9815（2016）02-0038-06

定稿日期:2016-04-18

国家支撑计划项目（2011BAJ06B04），陕西铁路工程职业技术学院2012年第二批科研基金项目（2014-44）

聂红宾（1986-），男，陕西大荔人，讲师，博士研究生，从事混凝土耐久性研究，(电子信箱)niehongbin@126.com。