干湿循环下预应力CFRP加固高强混凝土的耐久性*

洪雷 江海鑫

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

在混凝土服役过程中，CFRP加固混凝土结构处于腐蚀环境并在恶劣气候的影响下工作，CFRP与混凝土的黏结性能是保证加固结构整体性能的前提[1- 4].国内外学者对恶劣环境(如冻融、干湿、高温等)作用下CFRP加固混凝土结构的耐久性已经做了大量研究[5- 14].大部分研究表明:CFRP耐久性良好，在恶劣环境下强度和弹性模量变化不大；在温度和水的作用下，会对树脂结构胶黏结性能产生不利影响；加固试件的承载力降低，界面破坏方式也发生变化.但多数研究主要集中于正拉、单剪、双剪试验，且只针对非预应力CFRP和普通混凝土，对预应力CFRP加固高强混凝土结构的研究还较少.在近海工程中，加固后的结构仍承受着海水干湿循环的腐蚀作用，另外粘贴的CFRP由于预应力的存在，界面存在着持续应力的作用，这一界面应力将会对结构的耐久性产生影响.文中利用自行设计的加载装置[15]，通过四点加载试验研究了干湿循环下不同预应力等级的CFRP加固高强混凝土的耐久性.

1 试验概况

1.1 试验材料

混凝土强度等级为C60，使用材料为PII52.5R普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰、Sika高性能减水剂和缓凝剂等.实测28 d混凝土标准立方体抗压强度为70.83 MPa，配合比见表1.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg/m3

采用日本东丽UT70-30单向编织碳纤维布，密度300 g/m2，物理力学性能见表2.浸渍树脂采用JGN型建筑结构胶，力学性能见表3.

1.2 试件制作

预应力张拉装置采用自行设计的加载装置，主要包括上部连接装置、持载装置和固定装置3部分，

表2 CFRP力学性能Table 2 Mechanical properties of CFRP

表3 浸渍树脂力学性能Table 3 Mechanical properties of dipping adhesive

如图1所示.上部连接装置为连接持载装置和试验机的装置,主要由球铰、力传感器、槽型铁和插销组成；持载装置为直接作用在试件上提供持续荷载的装置,由半圆顶柱、螺杆、调节螺母和底座组成；固定装置由固定平台、T型板和固定螺杆组成，是连接试件与试验台的装置.

图1 加载装置Fig.1 Loading device

采用100 mm×100 mm×400 mm的试件，标准养护28 d后将试件两侧打磨平整粘贴CFRP布作为锚固端，布宽为34束(约为90 mm)，为防止预应力张拉时剥离，在两个锚固端处再贴一层CFRP布，粘贴区域示意图如图2所示.通过预应力张拉装置施加预应力，调整至相应等级的预应力值后将CFRP粘贴在试件的底面，见图3.将试件同持载器在室温环境下静置7 d，待结构胶完全固化后剪断CFRP，将持载器拆下，并除去多余部分.

图2 CFRP粘贴区域(单位：mm)Fig.2 Paste areas of CFRP(Unit:mm)

图3 预应力张拉装置Fig.3 Prestress tension device

1.3 试验方法

试验所采取的侵蚀介质为质量分数为3.5%的NaCl溶液，利用电脑全自动温湿度测控仪，控制温度为(20±1) ℃，湿度为40%±5%.干湿循环制度为8 h浸泡和16 h的干燥状态.

干湿循环次数分别为0、40、80、120次，每组循环下分别有P0(非预应力)对比件和P1(0.15fcfk)、P2(0.3fcfk)2个等级的预应力试件，其中fcfk为碳纤维片材的抗拉强度标准值.根据干湿循环次数和预应力等级对试件进行命名，W表示干湿循环，P表示预应力，共12组，每组3个试件取平均值，如W120P2表示经120次干湿循环的预应力水平为0.3fcfk的试件.

采用100 t电液伺服试验机进行4点加载试验，加载速率为0.2 mm/min，试验装置如图4所示.通过粘贴在梁底面CFRP上的应变对各部分应变进行测量，应变片布置位置见图5，从左到右依次编号为1-11.

图4 试验装置Fig.4 Testing set-up

图5 应变片布置(单位：mm)Fig.5 Distribution of stain gauges(Unit:mm)

2 结果分析

2.1 干湿循环对高强混凝土强度的影响

为了研究干湿循环过程对高强混凝土抗压强度的影响，设置了4组边长150 mm的立方体试块，编号分别为CW0、CW40、CW80、CW120(干湿循环次数分别为0、40、80、120).待侵蚀试验完成后取出，实测混凝土强度见表4.由表可得，干湿循环后高强混凝土试块抗压强度先小幅增加后减小，整体浮动变化不大.由于高强混凝土孔隙率小、密实性好，与普通混凝土相比，能够较好地阻碍侵蚀介质的传输，减少侵蚀破坏.高强混凝土水胶比小(本试验中高强混凝土水胶比为0.32)，并且掺有高效减水剂，后期水化能力强，从而抵消了部分侵蚀作用.

表4 高强混凝土试块抗压强度Table 4 High-strength concrete compression strength

2.2 荷载及挠度分析

表4给出了经历不同干湿循环次数的各组试件的开裂荷载和极限荷载.由表4可见，未经干湿循环时，相较于P0非预应力试件，P1预应力试件的开裂荷载和极限荷载分别提高了约58%和30%；P2预应力试件的开裂荷载和极限荷载分别提高了约75%和42%.预应力CFRP显著提高了试件的承载能力，对开裂荷载的提高尤为明显.

在干湿循环过程中，3个等级试件的开裂荷载均呈现先小幅增加后减小的趋势.一方面由于干湿循环前期过程中高强混凝土强度提高，从而增强了CFRP-高强混凝土界面的黏结力；另一方面，已有的研究表明[7,9]，树脂内部的高聚物可能进一步固化增强，发生了后固化反应，在一定程度上有利于界面的黏结性能，抵消了一部分侵蚀作用.120次干湿循环后，预应力P1和P2试件的开裂荷载分别较对比件降低了5.5%和12.5%.

经历不同次数干湿循环过程后，P0非预应力试件和P1预应力试件的极限荷载均呈现先增加后减小的趋势.在40、80次干湿循环后，极限荷载随循环次数增加逐步上升.120次干湿循环后，承载力开始下降，此时P0、P1试件的极限荷载分别比同预应力等级对比试件降低了7.6%和5%.P2预应力等级试件的极限荷载随循环次数的增加呈均匀下降的趋势，120次干湿循环后降低了16.5%.80次干湿循环后，P2试件的极限荷载低于P1试件.这表明预应力越大，荷载降低越显著，试件的界面黏结性能损伤越严重.

表5 试件开裂荷载和极限荷载Table 5 Cracking load and ultimate load of specimens

图6给出了P0非预应力试件和P1、P2预应力试件干湿循环0、40、80、120次后的荷载-挠度曲线.试件的荷载-挠度曲线走势基本相同，大致可分为3个阶段：第1阶段为混凝土开裂前的弹性阶段，荷载-挠度曲线近似呈直线；第2阶段从混凝土开裂至荷载达到试件的极限承载力，混凝土开裂后截面混凝土拉应力释放，传至CFRP,导致裂缝处混凝土和CFRP之间局部界面应力迅速增大，达到临界值时发生剥离破坏；第3阶段是达到极限荷载后荷载突然下降，此时主裂缝高度已经发展至50～90 mm，主裂缝处CFRP剥离速度变快，并朝向一侧端部迅速发展直至完全剥离，试件丧失承载力.

对比未经干湿循环的P0、P1、P2 3种不同预应力等级的试件，预应力CFRP通过提高试件的开裂荷载和极限荷载提高了试件的抗弯刚度，随着预应力等级的提高，剥离破坏前相同荷载下试件挠度逐渐减小，预应力显著减小了试件的变形.

在120次干湿循环后，预应力试件破坏前挠度增长较快，表明在干湿循环侵蚀下，CFRP-混凝土界面黏结性能下降，试件抗弯刚度下降.预应力越大，性能降低越显著.

图6 干湿循环下不同等级预应力CFRP加固高强混凝土荷载-挠度曲线

Fig.6 Load-deflection curves of high-strength concrete strengthened with different levels of prestressed CFRP under wet-dry cycles

2.3 破坏形态

2.3.1 预应力等级对破坏形态的影响

P0非预应力试件加载时首先在跨中纯弯段出现竖向裂缝，随着荷载的增加弯剪斜裂缝不断增多.最终裂缝发展汇聚成弯剪主裂缝，裂缝处发生剥离并向端部发展，破坏形态为弯剪裂缝引起的CFRP剥离破坏.P1预应力试件加载时纯弯段出现2-4条细小裂缝，汇聚成一条主裂缝，CFRP由主裂缝处逐渐向两侧弯剪段剥离，破坏形态为弯曲裂缝引起的CFRP剥离破坏.对于P2预应力试件，跨中裂缝发展比较缓慢，主裂缝为弯剪裂缝，破坏形态为弯剪裂缝引起的CFRP剥离破坏.根据Teng等[16]的分类，以上两种破坏形态统称为中部裂缝引起的CFRP剥离破坏.施加预应力的P1、P2试件相较于P0试件裂缝明显较少且发展缓慢，表明预应力CFRP有效抑制了混凝土结构裂缝的产生与发展.

2.3.2 干湿循环对剥离形态的影响

干湿循环后试件的破坏形态基本不变，大部分为中部裂缝引起的CFRP剥离破坏.图7给出了干湿循环40、120次试件的破坏面剥离形态，从图中可以看出，经过干湿循环作用，剥离的CFRP粘下的混凝土颗粒越来越少，干湿循环120次的试件剥离时几乎不再粘下混凝土，剥离面越来越平整，这说明干湿循环对树脂层产生了一定的影响，降低了黏结胶层的强度.由于界面黏结性能的劣化，试件由混凝土层剥离逐渐变为树脂胶层剥离.

图7 干湿循环后试件的破坏面Fig.7 Failure surface of specimens after wet-dry cycles

2.4 剥离形式

图8分别给出了不同等级试件干湿循环120次后CFRP应变的分布情况.图8(a)表明，非预应力试件开裂前，随着荷载的增长，CFRP应变缓慢增加，呈对称分布，应变由跨中向两端逐渐减小，此时试件处于弹性状态，各应变片工作性能良好.混凝土开裂后，拉应力传至CFRP，跨中应变出现跳跃增长，应变曲线间隔增加，界面CFRP剥离，并向两端发展，两端应变也逐渐增加，直至试件剥离破坏.

由图8(b)-8(f)可看出，开裂前预应力试件的应变明显增加，说明预应力的作用有效提高了CFRP的利用率.开裂后P2预应力试件CFRP应变变化不大，表明CFRP剥离过程比较迅速，破坏比较突然，试件脆性趋势增加.预应力的存在，CFRP-混凝土界面承受着持续荷载的作用，造成了界面薄弱处的损伤，使得腐蚀介质更容易渗入这些部位，导致其周围界面的黏结强度随之下降，一旦某处达到剥离强度便会同时剥离.

图8 CFRP应变分布Fig.8 Strain distribution of CFRP

3 结论

(1)在前期的干湿循环中，试件承载力降低并不明显.干湿循环120次后，非预应力试件(P0)和预应力试件(P1、P2)承载力较对比试件分别降低了7.6%、5%和16.5%.预应力试件抗弯刚度下降，P2预应力试件较为明显.

(2)干湿循环后各等级预应力CFRP加固试件的破坏形态均为中部弯剪裂缝引起的CFRP剥离破坏.干湿循环后预应力试件破坏更加迅速，脆性趋势增加.

(3)在干湿循环侵蚀作用下，CFRP-混凝土界面黏结性能下降，破坏时由混凝土层剥离逐渐发展为树脂胶层剥离.

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