碳纤维加固素混凝土抗弯性能试验研究

彭诗文

(西南交通大学， 四川成都 610031)

粘贴加固法作为我国土木工程领域常用的被动加固法，在不增加建筑高度和建筑自重的情况下，可以有效提高承载力。碳纤维材料最早作为粘贴钢板加固技术的替代材料，目前已经成为工程常用的粘贴加固材料，这是由于碳纤维的种种优良性能。

(1)很高的抗拉强度，可达到钢材的10倍以上。

(2)较高的弹性模量(钢材的1～2倍)。

(3)很低的密度。

(4)很强的耐久性，对于酸、碱、盐的腐蚀都能够抵抗，不生锈。

(5)柔韧性好，可以包裹各种复杂形状的结构横截面。

(6)施工方便，无需大型器具和设备，用量不多就可以修复。使得粘贴碳纤维加固具有很大的前景和优势。

碳纤维是线弹性材料，它的应力—应变曲线是直线。混凝土是非弹性的脆性材料，应力—应变曲线在未超过峰值应变是二次抛物线。可以说碳纤维材料各方面材料性能都与混凝土相差很多，二者共同工作性能是值得研究的。过去对于碳纤维加固混凝土的抗压等性能已经有了很多的研究，也得到很多结论。受弯构件同样作为土木工程领域常见的受力构件，产生的损伤也可使用碳纤维进行加固，本文主要通过试验研究碳纤维加固素混凝土受弯构件的性能，得到碳纤维布加固后的受弯构件受力规律。

1 试验简介

选定受弯构件的横截面尺寸8 cm×6 cm，构件的长度为1.2 m。碳纤维布不适宜加固强度太低的混凝土构件，采用C30强度级别的混凝土，为了不使得粗骨料粒径过大导致混凝土的质量太过于不均匀而影响了试验效果，筛选小于等于构件宽度2/3的粗骨料粒径，即3 cm以下。

为了使构件产生裂缝，以模拟产生病害的构件，控制每次加载的量在1.5～2.5 kN(气压千斤顶需要用手柄向下的幅度来控制)进行分级加载，读取构件加载期间的挠度和应变数据。产生肉眼可见的裂缝后，停止初次加载，并对裂缝位置进行标记。将碳纤维布沿着已经处理过的构件表面，绕构件产生裂缝的横截面垂直粘贴。养护3 d后，胶水可以很好地贴合。将加固好的构件，以与之前初次加载相同的加载位置以及测量位置布置仪器，再次分级加载，读取相应位置的挠度和应变，当应变仪读数忽然变为0或者构件产生突然破坏时，停止加载。具体试验材料参数见表1，构件设计参数见表2。

表1 具体试验材料参数

表2 构件设计参数

在加载期间，用三只百分表测定梁的挠度。使用位于梁中性轴的两个应变片和梁顶面的两个应变片组成的全桥，测量梁的最大应变，同时位于侧面的上部和下部的4个应变片组成另一个全桥，用于检验和对比。梁顶面两个应变片，沿着梁高贴6个应变片。而下部则通过千斤顶给构件施加两个向上的力，使得两个加载力位置中间的区域处于纯弯状态。 前后将6根试件分为两组，试件2-1、2-2、3-1为一组，粘贴的是200gII级碳纤维布，试件3-2、4-1、4-2为一组，粘贴的是200gI级碳纤维布。前缀代表碳纤维布层数(图1)。

图1 试验量测装置布置

2 加固前后承载力比较

梁的二次加载，采取和初次加载一样的加载和量测方案。在梁即将破坏时，可以清楚地观察到碳纤维布被拉变形的纹理。在加载至破坏后，未进行打磨倒角处理的梁，碳纤维布与梁分离破坏，而碳纤维布粘结紧密的梁则产生了整个截面断裂的样子(图2)。

图2 碳纤维布加固构件受弯破坏

由荷载挠度变化可以看出，在加固之前，混凝土试件梁的挠度随荷载的增加速度很快，在即将产生裂缝的瞬间，挠度会大幅增加，比之前增加的幅度增大4～10倍。混凝土产生裂缝时，梁的挠度在100～200 mm之间。

加固后，可见所有构件在碳纤维布和混凝土的共同作用下，混凝土的变形基本变为线性，在受弯过程中表现出了类似弹性的特点，最大挠度(贴3层碳纤维布并且打磨倒角处理)可以达到800 mm左右，比加固之前增加了300 %，荷载作用下得变形能力有大幅度的提高。并且可以承受的荷载也增高了很多，从4～5 kN增至10～15 kN，比加固之前增加了150 %～200 %，可以看出承载力也提高了不少(表3、图3、图4)。

表3 加固效果试验数据

图3 试件加固前后混凝土构件荷载-挠度对比

图4 全部试件加固后混凝土梁荷载-挠度对比

在这组数据中，可以看出除了试件2-2、3-2和4-2在加固后最大应力没有提高很多，其余三组试件的最大拉应力测出来都有很大提高。推测原因是未进行打磨，这三组试件的横截面形状不那么规则，使得贴碳纤维布时没有很好地贴合。

3 碳纤维加固梁破坏分析

加固后，混凝土梁的受力性能发生改变，根据荷载-挠度图，加固前，混凝土梁随着荷载增大，挠度急剧上升，而加固后基本会变为近似线性，显示出弹性的特点。

碳纤维布并未发挥出自己的强度极限，碳纤维布的抗拉强度可以达到2 400 MPa，但是在远远没有达到这个强度就破坏了，认为有以下3个原因造成。

3.1 混凝土强度低

为了分析CFRP加固的混凝土梁受弯过程，有如下的基本假设：

(1)截面应变规律符合平截面假定，即正截面应变按照线性分布。

(2)截面受拉区不考虑混凝土的抗拉作用。

(3)混凝土受压应力-应变曲线由抛物线上升段和水平段组成。

根据混凝土基本设计原理，可以得到混凝土极限应变为0.003 3，碳纤维的极限应变根据试验中按照0.016来取值，较之碳纤维布是极小的。在混凝土达到极限应变时，碳纤维布还未达到极限应变，也未发挥出其强度。并且受弯构件横截面较低的情况下可以提供的受压高度也相应较小，而碳纤维布的厚度较之受弯构件截面高度低得多，所以在截面高度低的情况下无法提供较大的抵抗弯矩。因此碳纤维布属于弹性材料，在混凝土强度较小的情况小，截面高度较低，碳纤维布贴的层数有限的情况下，会产生碳纤维布并未达到极限、发挥出强度就断裂的情况。

3.2 试验温度影响

试验进行时是冬天，气温在0～10 ℃，低温环境造成碳纤维布脆性增加。一般的材料，在气温很低时脆性受力效应都会更加显著，使得不适于承受忽然加上去的荷载，碳纤维布和混凝土材料也会如此。

3.3 未打磨接触面

若在粘贴碳纤维布时，不能很好地与混凝土表面贴合，则相应加固效果会变差。在试验中，对试件2-1、3-1以及4-1进行打磨处理就是为了使得构件能够更好地与碳纤维布贴合，观察加固效果。也得出了确实打磨的构件可以更好的发挥碳纤维布加固能力的结论。

4 结束语

碳纤维和混凝土是两种截然不同的材料，在一起工作时的性质相互作用很独特。本文通过试验分析，得到以下结论。

(1)发现碳纤维布加固混凝土时十分依赖于施工质量，碳纤维布虽然层数越多加固效果越好，但并非成倍递增，层与层之间也需要紧密贴合。

(2)在粘贴前对混凝土表面进行打磨，并且将矩形截面的角进行磨圆处理，会使得加固效果增强。

(3)碳纤维布对受弯构件加固作用十分显著，提高了构件承载能力以及受力变形能力。

(4)改善了素混凝土受弯构件的受力性能，甚至在破坏之际荷载-挠度曲线仍然为线性。

(5)试验中也发现，过低的气温也会加速碳纤维布加固梁的断裂。