持载与湿热环境下CFRP加固高强混凝土梁结构性能研究

王苏岩，朱方芳，张红涛，刘振杰

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

1 试验设计

1.1 试件制作

试验采用C60高强混凝土。标准养护28 d后立方体抗压强度平均值为66.2 MPa。CFRP布使用日本进口东丽碳纤维布，抗拉强度为3 962.5 MPa，弹性模量为240 MPa，名义厚度为0.167 mm，伸长率为1.7%。FRP与混凝土的粘结采用大连凯华JGN型底胶及浸渍胶。

试验采用截面尺寸为80 mm×120 mm×900 mm简支梁，净跨800 mm；梁底部纵向受力钢筋为2C8，架立筋为2B6，箍筋为C6@60，跨中箍筋间距为80 mm。底部受拉钢筋跨中位置各粘贴一个应变片以测量钢筋跨中应变，浇筑混凝土后标准养护28 d。最后，在梁底粘贴两层尺寸为70 mm×760 mm的碳纤维布，并在试验梁两端各粘贴两层宽70 mm的碳纤维布U型箍加固，见图1。

图1钢筋混凝土梁加固图

1.2 试验方法及装置

试验采用自行设计的持载装置对CFRP加固钢筋混凝土梁施加持续荷载。持载等级分别为未加固钢筋混凝土梁极限荷载的0%、30%(10 kN)和60%(20 kN)，持载器和梁底对应位置放置夹式引伸仪以控制荷载施加。持载器及加载装置见图2。

图2钢筋混凝土梁持载器与加载装置

由于自然暴露试验需要很长时间且自然环境变化因素不可控，该试验采用环境模拟加速试验方法。另外，通常湿热环境下的加速试验方法有：恒温—恒湿试验、温度—湿度循环试验、水浸老化试验等[14]。为了体现温湿度对CFRP片材和加固构件性能的影响，加速试验采用恒温—恒湿条件。试验湿热环境为：温度分别为20℃、35℃、50℃；湿度均为RH 95%。由于试验时间有限，同时为了体现湿热养护时间对试件性能的影响，湿热养护时间分别设为500 h与1 000 h。对比组试件(温度为20℃，湿度为RH95%)放入标准养护室进行养护，养护时间为1 000 h；其他试件组使用YH-40B型标准恒温恒湿养护箱进行养护，每组养护时间分别为500 h、1 000 h。

试验采用1 000 kN电液伺服万能试验机对试件进行四点对称弯曲加载，加载速率为0.2 mm/min。每根梁底粘贴13个应变片。跨中挠度采用量程为20 mm的LVDT测量。16个试件根据不同加载等级和湿热环境分为五组。依据不同的温度，老化时长和持载等级对试件命名：T代表温度，D代表老化时长，F表示持载等级，例如T35D2F30表示持载等级为30%的试验梁在温度为35℃(相对湿度95%)的湿热环境中老化1 000 h；未加固梁用N0表示。

2 试验结果及分析

2.1 极限承载力分析

各持载等级试验梁在不同环境作用下的主要试验结果见表1。

表1 试验结果

图3为根据表1中试验结果绘出的经过1 000 h湿热环境作用各试验梁的极限承载力曲线。由图3(a)可知，经过1 000 h湿热环境作用后，各持载等级试验梁的极限承载力均有明显降低。显然在温度为20℃，湿度为95%环境下试验梁极限承载力最高；35℃环境作用后各持载等级试验梁极限承载力分别下降8.6%、5.5%、4.5%；50℃环境作用后各持载等级试验梁的极限承载力分别下降13.1%、9.1%、5.9%。可见，湿热环境对试验梁的极限荷载有明显不利的影响，随着温度升高，不利影响加剧，主要是湿热环境对CFRP与混凝土粘结性能产生了不利影响。

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由图3(b)可知，经过1 000 h温度为20℃湿热作用，持载等级30%和60%试验梁的极限承载力较不持载试验梁的极限承载力分别下降7.0%和11.8%，35℃时分别下降3.8%和7.8%，50℃时分别下降2.8%和4.6%。这说明持载等级对极限荷载产生了显著不利影响。主要由于试验梁施加持载后，混凝土及粘结层产生微裂缝，并且持载等级提高，产生的裂缝加剧，温度提高加剧水分子扩散，水分子更容易渗入混凝土及树脂胶层，从而造成树脂的力学性能衰减，加剧胶层劣化。

通过对比图3(a)、图3(b)两图可知，相同条件下，温度对加固梁极限承载力的影响比持载等级对加固梁承载力的影响要明显。

图3 1 000 h湿热环境作用试验梁的极限承载力曲线

图4为加固梁在35℃环境和50℃环境中分别养护500 h和1 000 h的承载力变化。可知，相同温湿度环境和持载等级，老化时间越长，承载力下降越明显。温度越高，老化时间的影响越明显。主要由于随着老化时间的延长，树脂胶层裂化程度加剧，粘结强度降低，梁的劣化越严重。

图4湿热老化时间对加固梁承载力的影响

2.2 抗弯刚度

图5(a)～图5(c)为经过不同湿热环境(1 000 h)老化后各持载等级试验梁的荷载-跨中挠度曲线。由图5可以看出，各试验梁在相同湿热环境作用下，试验梁的持载等级越高跨中挠度越大，即试验梁的刚度越小。试验梁的荷载-跨中挠度曲线大致分为上升段、下降段、波动段。上升段主要处于各试验梁开裂发展前(大致为16 kN)，各等级试验梁荷载-挠度曲线基本重合，在这一阶段试验梁的荷载主要由钢筋混凝土梁承担，CFRP承担的荷载较小，试验梁基本为线弹性； 持载等级的试验梁的刚度变化趋势发生改变，主要表现为持载等级越高，试验梁的刚度越小，原因是湿热环境加速了CFRP-钢筋混凝土梁粘结界面的劣化，使得在相同荷载作用下，持载等级越高的梁裂缝发展越迅速，试验梁刚度降低越快。

四点弯曲加载试验过程中，试验梁加载到30 kN左右时会听到“噼啪”的响声，这种声音主要来自CFRP-混凝土粘结界面与裂缝交接处，CFRP与混凝土胶层刚刚开始发生剥离，但在荷载-挠度曲线图中没有明显下降段。图5中荷载-挠度曲线的第一个下降点表示CFRP与混凝土第一次发生较大幅度剥离。通过对比图5(a)、图5(b)、图5(c)可以明显发现，随着温度从20℃、35℃提高到50℃，各试验梁的荷载挠度曲线波动段逐渐不明显，50℃情况下明显趋于平缓，原因是随着温度提高，CFRP-混凝土粘结界面劣化程度明显提高。在图5(c)中，50℃情况下持载等级为60%的试验梁已无明显剥离阶段。

图5(d)为在持载等级为60%情况下不同湿热环境下各试验梁的荷载-跨中挠度曲线。随温度提高，树脂胶层老化程度加剧，CFRP与混凝土的粘结强度逐渐下降。经过线弹性阶段后，试验梁的刚度明显随着温度升高而下降，波动段也逐渐不明显。

图5试验梁的荷载-挠度曲线

2.3 破坏形态

本试验中CFRP加固钢筋混凝梁主要为剥离破坏，但其破坏过程及破坏形态根据不同的湿热环境、湿热时长和持载等级而有所变化。

根据图6(a)可知，在温度为20℃，湿热时间为1 000 h时，不同持载等级的试验梁剥离破坏形态有明显区别。无持载情况下，弯剪段斜裂缝发展迅速，加载后期宽度明显超过纯弯段竖向裂缝，发展为主裂缝，在该部位CFRP布开始剥离。原因是无持载情况下，湿热环境对界面粘结性能影响较小，混凝土强度低于界面粘结强度，使得CFRP布上粘结大量块状混凝土。另外持载作用使混凝土基层及粘结界面产生裂缝损伤，而环氧树脂是一种对温湿度有较高敏感性的材料，湿热环境中，水分通过裂缝更容易渗入混凝土基层及环氧树脂胶层，明显降低CFRP与混凝土的粘结强度。从而导致随着持载等级增加，CFRP布上粘结的混凝土逐渐减少。

由图6(b)可以看出，在50℃，RH95%，湿热1 000 h的情况下，不同持载等级的试验梁均为明显的剥离破坏，并且在60%持载的试验梁破坏后CFRP布上几乎没有粘结混凝土。由此说明持载与湿热环境耦合作用比单一湿热或持载作用对CFRP加固钢筋混凝土梁耐久性影响更严重。并且在二者的耦合作用下，剥离界面逐渐由混凝土向胶层转移。

图6试件的破坏形态

在50℃的湿热环境中，试验梁出现了受压区混凝土压碎的情况，主要由于温度降低了界面粘结强度，CFRP不能较好地与梁共同承担荷载，并且高温高湿环境下，降低了梁的刚度，使其挠曲变形较大，以致上部混凝土被压碎。

2.4 理论分析

根据Chen J F等[16]试验与理论研究发现，应用模型对于本试验中破坏类型的梁计算承载力的结果偏于安全。本文应用文献[15]模型对各试验梁进行承载力的理论计算与分析。加固梁加载破坏时的跨中界面受力情况如图7所示。

图7受力计算简图

图7中：h为梁截面高度；h0为受拉钢筋中心到梁截面顶端距离；xc为受压区高度；εcf为CFRP应变；εs为钢筋应变；εc1为顶端混凝土压应变；M为截面弯矩；C为混凝土受压区合力；Fcf为黏结界面拉力值；fy为钢筋屈服强度；As为受拉钢筋面积；xc1为未达到屈服应力的受压区混凝土高度；yc为合力作用点C到受压区下边缘的距离。

受压区混凝土合力值C和合力作用点到中和轴距离yc采用如下公式进行计算：

(1)

(2)

计算弯矩

(3)

联立以上各式，代入相应数值，应用MATLAB计算出理论结果并与试验实际数值进行比较，结果见表2。

表2 计算结果与实验结果对比

注：Fu为极限荷载，εcf为梁破坏时纯弯段CFRP应变的平均值，M为计算弯矩，Mu为实际弯矩。

通过分析表2中的数据与计算结果可以发现，应用Chen and Teng模型进行计算，计算得出的弯矩数值较实验实际弯矩值低，数值偏于安全，离散型较小。并且对比实验结果与计算结果可以发现，经过复杂环境后加固梁安全储备有所降低，这说明湿热环境及持载作用削弱了CFRP与混凝土界面粘结强度，使得剥离发生迅速，混凝土受压区高度变小，从而缩小试验值与计算值的差距。

3 结 论

(1) 经过1 000 h的湿热环境作用后，各持载等级试验梁的极限承载力均有明显降低。相比于20℃环境作用，35℃环境作用后各持载等级试验梁的极限承载力分别下降了8.6%、5.5%、4.5%；50℃环境作用后各持载等级试验梁的极限承载力分别下降了3.1%、9.1%、5.9%。主要是湿热环境对CFRP与混凝土粘结性能产生了不利影响；并且当持载等级为30%时，湿热环境作用对试验梁的极限承载力影响较为明显。

(2) 持载等级越高、湿热环境温度越高、湿热时间越长试验梁的跨中挠度越大，即试验梁的刚度越小。湿热环境与持载等级的耦合作用加速了CFRP-钢筋混凝土梁粘结界面的劣化，50℃情况下持载等级为60%的试验梁已无明显剥离阶段。

(3) 本试验中CFRP加固钢筋混凝梁主要为剥离破坏，但其破坏过程及破坏形态随不同的湿热环境、湿热时长和持载等级而有所变化。

(4) 采用Chen and Teng模型计算得出的弯矩数值较实验实际弯矩值偏低，计算结果偏于安全，离散型较小且经过复杂环境后加固梁安全储备有所降低。但由于Chen and Teng模型没有考虑到湿热环境及持载作用对试验梁极限承载力的影响，建议考虑根据湿热环境等因素的变化对α值或CFRP强度进行折减，对加固梁材料强度下降规律进一步研究，从而得出更合理计算加固梁承载能力的模型。

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