FRP嵌入式加固混凝土粘结性能研究

2017-02-27郭卫彤苏建遥

河北建筑工程学院学报 2017年4期

郭卫彤苏建遥

(河北建筑工程学院，河北张家口 075000)

0 引言

纤维增强复合材料(FRP)以其高强、轻质、耐腐蚀、抗磁性、电绝缘性、良好的抗疲劳、等性质及施工方便等优点，使得FRP筋材正在被越来越多地应用到土木工程结构加固中[1,2].在结构加固过程中，FRP筋材的加固效果很大程度上取决于其与混凝土构件的连接性能，两者连接方式可分为胶接、机械连接和混合连接[3,4].NSM-FRP法是近年来开发的一种新FRP加固方法[5]，该方法是预先在构件的混凝土保护层内开槽，将FRP筋材用环氧树脂嵌入其中，灌入树脂填平凹槽以加固混凝土构件.

粘结性能是FRP筋嵌入式加固是否有效的关键因素，为了研究FRP筋加固的切实可行性及加固效果，本文通过试验研究FRP嵌入式加固混凝土的有效性.

1 试验设计

试件主要是为了确定FRP筋和混凝土之间的粘结性，此问题的实质是树脂胶和混凝土及FRP筋之间的粘结性以及树脂胶的强度.即考虑在嵌入式加固中，试件破坏时是胶和混凝土之间的粘结发生失效，还是树脂和FRP材料之间的粘结发生破坏，或者是粘结材料强度不够造成粘结失效.为此我们设计如下试件：混凝土强度等级采用C20，采用φ7.4和φ11.5两种FRP材料共计2组试件，每组2块共计4块，所有试块尺寸为100×200×2200，并嵌入一根FRP筋材.另外制作无FRP筋嵌入混凝土强度为C20试件一块，编号为试件0，用于试验对比.配筋为受压区3φ12，受拉区为2φ12，以便试件受压区混凝土具有足够的抗压强度而发生受拉区破坏，此外，还要配置足够的抗剪钢筋防止试验过程中发生剪切破坏，从而便于研究FRP筋材的粘结性.试件构造如图1所示.设计试验纯弯段为1000 mm，试验加载装置如图2所示.

图2 试验加载装置

2 试件制作

2.1 试件制作要求

在试件制作过程中，开槽应当尽量减少对原结构的损害.一般开槽尺寸以筋的直径的1.5倍计，且小于20 mm.在结构构件开槽后，用空压机或其他除尘设备仔细清除槽中的混凝土残渣颗粒及浮尘，否则，残渣可能会影响FRP筋与原结构的粘结，从而影响加固效果.将FRP放入槽中后轻压，使筋与原结构的粘结更加密实.然后将挤压溢出的胶用刮刀等抹去.

图3 嵌入法施工工艺

2.2 试件制作

试件1嵌入φ7.4长为1300 mmFRP筋材一根，开槽宽度为10 mm，纯弯区为1 m，FRP筋材两端伸出纯弯区分别为150 mm.试件2嵌入φ7.4长为1600 mmFRP筋材一根，开槽宽度为10 mm，纯弯区为1 m，FRP筋材两端伸出纯弯区分别为300 mm.试件3嵌入φ11.5长为1300 mmFRP筋材一根，开槽宽度为15 mm，纯弯区为1 m，FRP筋材两端伸出纯弯区分别为150 mm.试件4嵌入φ11.5长为1600 mmFRP筋材一根，开槽宽度为15 mm，纯弯区为1 m，FRP筋材两端伸出纯弯区分别为300 mm.试件构造如图4所示.

图4 试件FRP筋嵌入构造图

试件编号混凝土材料FRP直径(mm)粘结长度0C20——1C207.413002C207.416003C2011.513004C2011.51600

试件具体参数见下表所示

3 试验现象及结果分析

试件0未嵌入FRP筋，用于同其他试件进行对比，以确定FRP材料嵌入式加固法的有效性和效率高低.此试件破坏为弯曲破坏，破坏时受拉区混凝土开裂，钢筋屈服，但是受压区混凝土未被压碎.试验过程中，当荷载增加到约25 KN时，试件开始产生第一条裂缝，即开裂荷载为25 KN，随着荷载的增加混凝土开裂逐渐增多，裂缝宽度加宽，当荷载加至49 KN时，受拉区钢筋屈服，试件破坏.

试件1最终破坏荷载约为64 KN，整个加载过程当荷载加到超过38 KN时，试件开始在纯弯区出现弯曲裂缝，随着荷载增加，裂缝在弯曲段内逐渐开展，数量增多，宽度增大.当荷载增大到64 KN时，试件破坏，破坏形态为FRP筋端部发生胶层劈裂，带周边小块混凝土碎屑剥离，FRP筋被拔出.

试件2最终破坏荷载大约为76 KN，在整个加载过程中当荷载加载至约39 KN时试件纯弯曲开始产生裂缝，随着荷载继续增加，裂缝继续开展，增多、增宽.当荷载增加至破坏荷载76 KN时，试件开始破坏.破坏形态为FRP筋端部胶层带周边混凝土保护层碎裂剥离，FRP筋被拔出.

试件3最终破坏荷载为70 KN，整个加载过程当荷载加到约40 KN时，试件开始在纯弯区出现弯曲裂缝，随着荷载增加，裂缝在弯曲段内逐渐开展，数量增多，宽度增大.当荷载增大到70 KN时，试件破坏，破坏形态为FRP筋端部发生胶层劈裂，带周边小块混凝土碎屑剥离，FRP筋被拔出.

试件4最终破坏荷载大约为81 KN，在整个加载过程中当荷载加载至约39 KN时试件纯弯曲开始产生裂缝，随着荷载继续增加，裂缝继续开展，增多、增宽.当荷载增加至破坏荷载81 KN时，试件开始破坏.破坏形态为破芳FRP筋端部胶层带周边混凝土保护层碎裂剥离，FRP筋被拔出.

试验数据统计结果见表2和图6.

表2 加固效果对比表

图6 加固效果对比

通过试验现象及上表2和图6发现，试件2，3，4，破坏方式基本相同，为粘结破坏，破坏中受拉混凝土未发生压碎，试件2较之于试件1，试件4较之于试件3开裂荷载基本不变，而承载列具有较高的提高，说明在加固中FRP粘结性和锚固的可靠与否是影响承载力的主要因素，在整个试验中FRP筋为达到其极限承载强度，说明FRP筋强度未能充分应用，如果充分发挥FRP高强抗拉能力应该对FRP做相应的锚固措施，并且防止受压区混凝土在FRP筋破坏前发生压碎破坏.

试件3、4较试件1、2FRP加固配筋率有很大提高，但是嵌筋加固后承载力提高并不明显，说明由于在试验中破坏的主要方式为粘结破坏，所以单纯的提高配筋率的提高承载能力贡献不大.

与第0组试块对比发现，所有加固构件开裂荷载和破坏荷载均有提高，特别是破坏荷载提高比较多，这说明FRP筋嵌入式加固对构件的开裂具有一定的延缓作用，对于提高构件的承载力具有明显的效果.