氯盐侵蚀下TRC加固承载RC受弯梁抗裂性能

2018-08-16尹世平余玉琳那明望

水利学报 2018年7期

尹世平，余玉琳，那明望

（1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏徐州 221116）

1 研究背景

处于海洋环境和除冰盐环境中的钢筋混凝土桥梁等结构，氯盐侵蚀是引起钢筋锈蚀的最主要原因，而荷载作用会从微细观尺度上改变混凝土的孔隙特征，甚至使混凝土产生损伤和开裂，进而影响氯盐向钢筋表面的传输速率和钢筋脱钝、起锈时间［1-2］。大坝、渡槽及水闸等水工结构在腐蚀环境下一旦发生破坏，就会使结构本身产生裂缝，随着水荷载的反复作用以及进一步的腐蚀作用，裂缝将进一步扩大，这样不但会对结构的耐久性和使用寿命产生直接的影响，而且会造成一定输水损失，从而造成较大的经济损失。这就在客观上需要对这些混凝土结构进行修复、加固、补强，增强其耐久性和可靠性［3］。目前最常用的加固钢筋混凝土结构的技术是外部粘结纤维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymer，FRP），但是此加固方法存在一定局限性［3］，如：（1）耐高温和耐火性差及受紫外线影响大；（2）低温环境下施工过于困难，且不适用于潮湿的混凝土表面；（3）胶体材料与混凝土基底的不协调性，且缺乏蒸汽渗透性。纤维编织网增强混凝土（Textile Reinforced Concrete，TRC）的出现为解决这个问题提供了一个新的思路，TRC不仅结合FRP的一些优点，而且能够克服FRP的一些不足［4］。与传统加固材料相比，TRC和既有混凝土结构能更好地协调和相容［5］。此外，TRC基本不会使原构件的尺寸和自重发生改变［3，6］。

目前，许多学者对TRC加固混凝土结构的抗弯性能和裂缝发展规律进行了研究。尹世平等［7-8］研究表明，采用单面加固或U形加固都可以提高梁的承载力和疲劳寿命，改善裂缝形式；同时把TRC与CFRP加固的RC梁进行了对比，发现TRC的荷载提高能力稍逊于CFRP，但延性和裂缝控制能力优于CFRP。Contamine等［9］研究表明，常规环境下使用TRC对混凝土梁进行加固和使用CFRP加固对梁的整体性能影响比较相似，但是TRC加固梁的整体性能更趋于稳定。Gopinath等［10］对单调荷载和低周疲劳荷载作用下的玄武岩TRC加固梁研究表明，不管是单调荷载还是低周疲劳荷载下加固梁的破坏模式和裂缝开展基本相同，都得到了较好的改善。Verbruggen等［11］研究了不同加固接触面积对素混凝土梁裂缝开展的影响，研究发现，TRC对裂缝的开展具有较好的桥接作用，能较好地限制裂缝开展和提升承载力。文献［12-13］还针对环氧树脂浸渍过的纤维编织网联合钢筋增强混凝土受弯构件的计算理论进行了研究，并给出了整个加载过程中不同阶段正截面的承载能力的计算公式。

通过以往的研究可以发现，TRC对混凝土梁的抗弯增强有着较好的效果。然而氯盐侵蚀作用下TRC加固承载RC梁的研究还较少，本文在现有研究的基础上，综合考虑干湿循环及其与弯曲应力的耦合作用对TRC加固承载RC受弯梁抗裂性能的影响。

2 试验概况

2.1 试验设计整个试验共制作了7根钢筋混凝土梁。其中不加固梁1个，承载加固梁6个，梁的信息见表1。文献［8，14］承载加固梁是在0.2的持载比下进行加固。梁的设计基于文献［15-16］的研究结果，不加固梁的尺寸为：100 mm×200 mm×1200 mm；因为TRC加固层的厚度约为10 mm左右，所以加固之前尺寸为：100 mm×190 mm×1200 mm。受拉区布置两根主筋，级别为HRB400，直径为12 mm。混凝土保护层厚度为20 mm（包括加固层），架立筋为两根直径为8 mm的HPB300级钢筋，箍筋采用直径为6.5 mm的HPB300级钢筋，在梁的剪跨段箍筋间距为60 mm，其纯弯段箍筋间距为150 mm，配筋示意图如图1。本试验中RC梁均采用强度等级C40的混凝土，配合比为水泥∶水∶中砂∶碎石∶减水剂=415∶161∶643∶1181∶2.85，标准试块养护28 d后，测得的平均强度为45.29 MPa。TRC基体所用细粒混凝土采用文献［7］提供的配合比，标准试块养护28 d后，测得的平均强度为52.9 MPa。试验中所用纤维编织网的纬向（增强方向）采用了碳纤维束，而在起固定作用（非受力方向）的经向采用了玻璃纤维束，纤维束的间距为10 mm×10 mm，厚度约为2 mm，为提高纤维束和细粒混凝土的黏结，加固前纤维编织网采用环氧树脂浸渍并粘砂处理，其力学性能见文献［7，17］。

表1 试件信息

图1 试件尺寸、配筋、应变片及位移计位置（单位：mm）

2.2 加固层的施工工艺TRC的加固步骤：第一，使用凿子对混凝土梁的底部进行人工凿毛，除掉表面的水泥浆使石子外露，凿糙是为了增加梁表面的粗糙度，进而增强TRC和老混凝土之间的粘结性能。第二，在梁的两侧放置木板，然后使用夹具进行固定，保持木板边缘和梁齐平。第三，在老混凝土表面均匀抹上细粒混凝土2～3 mm，涂抹均匀，接着铺设纤维编织网，随后使用3 mm木条把纤维编织网固定在两侧木板上，继续在纤维编织网上覆盖细粒混凝土，使用3 mm的木条是为了控制加固层总厚度为10 mm。第四，重复第三步，最后把加固层表面均匀抹平。第五，进行养护。

由于承载梁加固是在一定的受力水平（0.2的持载比）下进行加固，所以对承载梁凿毛之后，把梁放在支座上，然后在梁的上部放置水平分配梁，紧接着放上千斤顶和荷载传感器，按实验方案设计的承载应力水平来进行四点弯曲加载。加载后按现浇TRC的步骤来进行加固的实施，施工完成之后，在梁底用木板覆盖，然后用夹子加紧，防止由于TRC的自重导致加固层下坠，影响TRC和老混凝土之间的界面性能。

2.3 侵蚀环境及持载方式加固28 d后进行腐蚀试验，腐蚀持载装置见图2，使用千斤顶进行四点弯曲加载，纯弯段为400 mm。此外，由于应力松弛，在千斤顶上放置一个传感器，每3 d测试一下加载情况，如果荷载减少，就使用千斤顶进行加载，以保持荷载的恒定。氯盐干湿循环系统如下［16］：在室温条件下，在5%的氯化钠溶液中浸泡12 h后，再将氯盐溶液抽干，晾干试件12 h，整个循环为24 h，此为一次干湿交替循环。

2.4 加载方式及测试内容本次试验采用四点弯曲加载方式进行加载，通过分配梁来对称布置加载点。试验中采用千斤顶分级加载，加载等级为5 kN，在梁开裂和钢筋屈服时，适当加密加载等级，每级加载后保持3～5 min，直到混凝土梁完全破坏。在梁每级加载之后进行裂缝的观察和最大裂缝宽度的测量，并进行记录。混凝土应变片贴在梁跨中：梁顶1个，梁侧面4个，梁底1个；侧面的应变片距梁顶的距离依次为40、80、120和160 mm，见图1。跨中挠度和支点的变形用位移计测量。采集设备为东华3816静态采集设备。本试验中所使用的裂缝观测仪为北京高铁建GTJ-F210裂缝宽度测试仪，放大倍数为60倍，自动识别裂缝宽度。

图2 持载干湿循环装置

3 试验结果与分析

3.1 破坏特征

3.1.1 不同干湿循环次数梁H1、H2和H3的破坏形态如图3所示。3根梁的最终破坏形态都是纤维编织网的拉断破坏，充分发挥了纤维编织网的性能。梁H2纤维编织网拉断后，沿着受拉钢筋产生横向裂缝，这是因为干湿循环次数的增加促进了氯离子的渗透，加快了钢筋的锈蚀，同时钢筋屈服后产生变形，从而削弱了老混凝土与钢筋的界面性能，使加固层与老混凝土之间的黏结力大于老混凝土与钢筋之间的黏结力，所以纤维编织网断裂后裂缝沿着纵筋发展的概率变大。梁H3最后在纤维编织网断裂处部分板脱粘，这可能是因为随着干湿循环次数的增加，盐水侵蚀对TRC和老混凝土之间的黏结性能影响较大。因为梁为承载加固，在加固之前进行持载，对梁造成了一定损伤，随着干湿循环次数的增加，使界面间微观结构中孔洞和微裂缝增加，同时氯盐结晶和侵蚀产物增多膨胀引起混凝土开裂，导致界面黏结性能下降，所以在最后破坏时造成了部分TRC脱粘的现象。

图3 不同干湿循环次数梁的最终破坏形式

3.1.2 不同弯曲应力梁H4、H5和H6的最终破坏形态如图4所示，梁H4和H6的最终破坏形态为纤维编织网的拉断破坏，梁H5的最终破坏形态为端部的脱落破坏。同梁H2，梁H4和H6的破坏过程是钢筋先屈服，然后上部混凝土压碎，最后纤维编织网被拉断，都较好地利用了纤维编织网的性能。梁H5为TRC加固层的端部脱落，一方面可能是由于重复的持载卸载作用，持载加固时梁有一定的变形，卸载后有一定的变形回复，而TRC加固层的限制作用使其与老混凝土间产生了剪切力作用，再进行持载腐蚀时有可能造成层间的轻微错动，使得二者之间有较多的细微裂缝存在，同时又由于加固之前梁本身已经有较大的裂缝产生，加固之后TRC限制了裂缝的闭合，导致较多较大的裂缝存在，从而促进了氯离子的渗透侵蚀，使TRC与老混凝土的界面粘结性能减弱；另一方面，从图4（b）中可以看出，板脱落的界面之上和老混凝土分离较为彻底，也可能是施工质量不过关，使得施工时TRC加固层和老混凝土黏结不好，造成了一定的缺陷，再进行一系列的持载干湿循环后更容易产生剥离破坏。所以上述两方面因素造成了TRC加固层的端部脱落现象。

图4 不同弯曲应力梁的最终破坏形式

3.2 裂缝分布及最大宽度裂缝发展决定了混凝土的工作性能，从结构的可靠性考虑，有效控制混凝土的最大裂缝宽度，可保证结构地安全适用。基于这一点，本文从裂缝分布和最大裂缝宽度方面来分析TRC的限裂性能。

3.2.1 不同干湿循环次数如图5所示，3根梁的裂缝分布较均匀，呈现“密而多”的分布现象，主裂缝被分散成几条小的次裂缝，延缓了大裂缝的发展，说明在干湿循环的作用下TRC仍保持了较好的限裂性能，对加固梁的裂缝发展限制较好。从图6中可以看出，在100 kN之前3根梁的最大裂缝宽度基本相似，且发展情况相似，但是在100 kN之后，梁H3的最大裂缝宽度发展相对于另外两根梁明显加快，这可能是因为TRC的加固作用受到了影响，正如3.1.1所解释，随着干湿循环次数的增加，混凝土的性能下降，TRC与老混凝土的界面粘结性能减弱，从而影响了TRC对梁裂缝的限制作用，使加固梁的限裂性能降低，但是从最终的裂缝宽度来看，影响较小。总的来说，承载加固对TRC的加固效果有一定的影响，使梁的劣化加快，从而影响了梁的最后破坏形态。但是从梁的裂缝分布和最大裂缝宽度来看，承载加固时，TRC依然能起到较好的增强作用，可以较好地限制梁受弯裂缝的开展。

图5 不同干湿循环次数梁的裂缝分布

图6 梁H1，H2，H3的荷载-最大裂缝宽度

图7 不同弯曲应力梁的裂缝分布

3.2.2 不同弯曲应力如图7所示，随着弯曲应力的增大，裂缝的分布较为集中，且竖向裂缝向上的延伸程度有一定减小，这可能是因为随着弯曲应力水平的增大，梁会产生较多较大的裂缝，干湿循环时，造成氯离子的侵蚀严重，对老混凝土损害较为严重，引起混凝土内部孔隙的破坏，所以造成裂缝分布相对不均匀。由于梁H5最终破坏形式为TRC加固层的脱落破坏，所以从图8可以看出，在裂缝发展的过程中，梁H5的最大裂缝宽度相对于其他3根梁较大，说明TRC的限裂作用受到了影响。从图8还可以看出，在120 kN之前随着弯曲应力的增大，裂缝宽度减小，这可能是因为重复的持载卸载作用使钢筋的强度提高而延性降低，从而钢筋的变形较小，减缓了裂缝的发展。但在120 kN之后，弯曲应力较大时，梁的最大裂缝宽度也随之增大。这可能是受承载加固的影响，正如3.1.2节所解释，梁的持载越大，TRC和老混凝土之间承受的反复剪切力作用越大，对TRC和老混凝土之间的界面性能影响越大，从而一定程度上影响了TRC限裂作用的发挥。但是从图7和图8来看，裂缝都较多且间距较小，且4根梁的最大裂缝宽度相差较小，发展较为相似，说明TRC在荷载和环境的耦合作用下，仍能保持较好的限裂作用。