CFRP加固冻融损伤柱力学试验研究

聂红宾，高 宏，廖 勇

（1. 陕西铁路工程职业技术学院 轨道工程系，陕西 渭南 714000；2. 延长油田股份有限公司 富县采油厂，陕西 富县 727500；3. 中铁隧道勘测设计院，天津 300133）

CFRP加固冻融损伤柱力学试验研究

聂红宾1，高 宏2，廖 勇3

（1. 陕西铁路工程职业技术学院 轨道工程系，陕西 渭南 714000；2. 延长油田股份有限公司 富县采油厂，陕西 富县 727500；3. 中铁隧道勘测设计院，天津 300133）

为了研究碳纤维复合材料（CFRP）加固冻融损伤混凝土柱的力学性能，对CFRP加固混凝土柱进行轴压试验。结果表明：CFRP能有效提高冻融损伤柱的承载力和变形性能；随着冻融损伤程度的加剧，试件破坏逐渐呈45°角剪切破坏，裂缝多且分散；试件冻融损伤程度越严重，CFRP加固效果越好，特别是全包方式。

碳纤维复合材料；冻融损伤；混凝土柱；加固修复；力学性能；试验

0 引言

CFRP因具有良好的力学性能和耐久性能，目前已被广泛的应用到工程技术当中，尤其是建筑结构。为了使CFRP技术更好的应用在工程实际当中，我国也出台了相应的规范[1]，但随着CFRP加固技术在工程应用中越来越多，也暴露出很多问题。其中，主要有CFRP的粘结性、耐久性及工程应用范围的拓展问题等[2～3]。况且我国大部分地区的混凝土结构裸露在-10°的环境中，受到不同程度的冻融损伤，如骨料剥离[4]。然而我们对于CFRP的研究仅仅停留在理想状态下的粘结且干燥的工程环境中[5～7]。试验在前人的基础上进行探索性研究，即在混凝土结构受到冻融损伤后，CFRP在潮湿的环境下加固，并对试件进行轴心抗压试验，研究CFRP对冻融损伤混凝土柱加固修复后的受力性能、破坏形态、承载力和延性的提高率。

1 试验方案及概况

试验由陕西省高性能混凝土实验室和沈阳大学共同完成。柱的尺寸100×100×400 mm[8～9]，混凝土冻融是在快速冻融试验机上完成的，参数为冻融50、100至150 次，CFRP加固方式为全包和不同分包（见表1）。试件制作及加固见图1，应变片具体位置及试验过程如图2所示。试验在5 000 kN压力机上进行，荷载控制，加载速率为50 N/s。

表1 试验参数Table1 Test parameters

图1 CFRP加固成型工艺图Fig1 The bonding process map of CFRP sheets

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

CFRP加固试件的破坏见图2-b所示，CFRP加固冻融损伤试件受荷一定时，听到“噼里啪啦”声响，最终以CFRP拉断和混凝土开裂破坏，同时听到巨大响声，与普通加固破坏形态基本一样。冻融50 次和冻融0 次试件破坏一样，裂缝贯通呈双曲线，但冻融100 次后，混凝土发生了剪切破坏。全包试件中表面CFRP发生局部弯曲，说明此时CFRP发生层间剪切破坏，且全包试件破坏时变形很大，分包试件CFRP周边裂缝多且分散，详见表2所示。

2.2 试验分析

在CFRP加固冻融损伤混凝土柱轴压试验中，主要对不同分包方式下承载力、应变等参数进行对比分析。对比发现：冻融50 次试件基本没有损伤，冻融100 次后试件损伤严重，150 次后试件破坏，不加固已无承载力能力。全包加固试件基本呈) (状，且随着冻融加剧越来越严重。

2.2.1 承载力分析

图2 CF粘贴成型及CFRP加固冻融损伤件试验加载图Fig2 Thepaste of CFRPandloading of testdiagram

⑴ 未加固冻融试件承载力分析。随着冻融循环次数的增加，冻融100 次后，混凝土结构发生胀裂，承载力下降。但混凝土变形增大。

⑵ CFRP全包冻融损伤试件承载力分析。随着冻融损伤的加剧，CFRP全包试件承载力也下降，在同等冻融条件下，CFRP全包试件比未加固的承载力增大了20%～300%。

⑶ CFRP分包试件承载力分析。随着冻融循环次数的增加，分包试件的承载力下降很大，中间分包下降40%～80%，两端分包下降59.4%～68.8%，但当试件破坏严重时，承载力下降不明显，但试件分包区的延性大大增加。

表2 CFRP加固冻融损伤试件破坏参数表Table2 Characteristics table offreeze-thaw damage specimen reinforcedof CFRP

图3 CFRP未加固试件荷载环向应变图Fig3 Load-hoop strain diagram of CFRP unreinforced

图4 CFRP全包加固试件荷载环向应变图Fig4 Load-hoop strain diagram of CFRP inclusive reinforcement

图5 CFRP中间分包应变图Fig5 strain diagram of CFRP intermediate subcontract

图6 两端分包环向荷载应变图Fig6 Load-hoop strain diagram ends of subcontracting

2.2.2 CFRP加固冻融损伤试件中间环向变形分析

CFRP加固冻融损伤柱的承载力提高，是因为受力过程中CFRP起到约束混凝土作用，而加固试件环向变形如图3～6所示。

未加固冻融试件轴压试验中，环向极限应变分别依次为3 500 μm（冻融50 次）、2 120 μm（冻融100 次）和210 μm（冻融150 次），说明冻融50 次试件表面的混凝土无损伤，经过冻融100和150 次后，极限应变很小，说明冻融150 次表面发生了严重破坏。

CFRP全包试件在受荷250 kN之前，应变很小，尤其是无冻融全包试件，随着冻融损伤的加剧，试件的变形性能提高很大。

随着冻融损伤的加剧，中间分包试件承载力也逐渐降低，中间环形应变逐渐增大。应变基本趋势相同。两端加固冻融150＜50＜100，说明冻融只可以在一定范围提高未加固区混凝土延性。

3 结论

试验利用CFRP技术修复冻融损伤混凝土柱，并进行轴压力学性能试验，CFRP有一定的增强作用，主要结论如下：

⑴ 通过CFRP加固冻融损伤混凝土柱轴压力学性能试验承载力对比发现，CFRP能有效提高冻融损伤试件的承载力，尤其是全包试件。

⑵ 通过加固试件环向变形分析可得出，冻融次数的增加，损伤是从表及里，C30矿渣硅酸盐水泥制备的混凝土柱冻融循环50 次，基本没有损伤。

⑶ 随着冻融循环的增加，CFRP加固损伤试件的破坏形态从一般的双曲线变化为剪切破坏（斜45°），分包加固区裂缝多且分散。全包试件CFRP发生了层间剪切破坏，两端分包破坏形状呈灯笼状。

⑷ 冻融损伤（100 次及150 次）后的加固试件中，CFRP全包能够大大提高试件的延性，两端分包破坏形态明显。

[1] 贾良, 聂红宾. CFRP修复隧道中冻融损伤混凝土抗弯构件力学性能研究[J]. 隧道建设, 2016, 36(7): 819-825.

[2] 聂红宾, 贾良, 聂晓梅. CFRP修复冻融损伤混凝土抗弯构件力学性能研究[J]. 高科技纤维与应用, 2016, 41(2): 38-43．

[3] 聂红宾. CFRP布加固冻融损伤混凝土构件力学性能研究[D]. 沈阳: 沈阳大学, 2014: 2-7.

[4] Chen J F, Teng J G. Shear capacity of fiber-reinforced polymer strengthened reinforced concrete beams: fiber reinforced polymer rupture[J]. Journal of Structural Engineering, 2003, 129(5): 615-625.

[5] 中华人民共和国住房与城乡建设部. GB50010-2010混凝土结构设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

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[7] 祝金鹏. 冻融循环后混凝土力学性能的试验研究[D].济南: 山东大学, 2009.

[8] 刘涛. 碳纤维(CFRP)布加固混凝土矩形柱的性能研究[D]. 上海: 上海大学, 2006.

[9] 周禹. 钢筋锈蚀与冻融作用下钢筋混凝土梁的抗弯性能[D]. 沈阳: 沈阳建筑大学, 2012.

The research on mechanical properties offreezing-thawing damagedcolumn strengthened by CFRP

NIE Hong-bin1, GAO Hong2, LIAO Yong3

( 1. Department of Rail Engineering, Shaanxi Railway Institute, Shanxi Weinan 714000; 2. Fuxian Oil Production Plant, Yanchang Oilfield Co., Ltd, Shanxi Fuxian 727500; 3. China Railway Tunnel Survey & design Institut, tianjin 300133 China)

The mechanical properties of CFRPstrengthened freeze-thaw damage concrete column are studied. Axial compression tests of the CFRPstrengthened concretecolumnare carried out. The testing resultsshow that: CFRP can effectively improve the bearing capacity and deformation performance of the damaged column. With the increase of degree of freeze-thaw damage, the specimen failure is shear failure with 45° angular and many cracks exist and is scattered; The degree of freezing and thawing is more serious, and the effect of CFRP strengthening is better especiallywholepackage way.

CFRP; freezing-thawing damaged; concrete column; strengthening repair; mechanic property; test

TU375.3; TQ327.3

A

1007-9815（2016）04-0032-03

定稿日期:2016-07-15

国家支撑计划基金资助项目（2011BAJ06B04）；陕西铁路工程职业技术学院科研基金项目（2014-44）

聂红宾（1986-），男，陕西大荔人，硕士研究生，主要从事纤维混凝土和隧道工程专业的教学与科研工作，(电子信箱)niehongbin@126.com。