复杂环境及荷载共同作用下CFRP加固高强钢筋混凝土梁受力性能试验

2018-08-21王苏岩张红涛朱方芳刘振杰

建筑科学与工程学报 2018年4期

王苏岩，张红涛，朱方芳，刘振杰

(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)

0引言

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)具有质量轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳、易于施工等诸多优点，外贴CFRP是一种高效加固钢筋混凝土梁的补强加固方式。对于混凝土结构的实际工作环境，其往往承受着温度、湿度、冻融及荷载等多种条件的共同作用。

近年来，许多学者开展了温度对CFRP及黏结树脂的研究，但大多数研究主要集中在材料方面[1-7]，Subramaniam等[8]通过试验发现，冻融循环作用使得试件界面承载力下降，导致界面有效黏结长度下降。李晓艳[9]研究了黏结树脂在湿热环境下的耐久性，结果表明，在湿热环境下树脂的抗拉强度降低明显，弹性变化较小，玻璃化温度下降。同时也有研究恶劣环境下CFRP加固混凝土梁结构的承载力[10-12]，但作用环境单一，多种环境共同作用的情况较少。

综上所述，目前对于CFRP加固混凝土结构在材料、界面、单一环境作用下的耐久性研究较多，而在中国北方沿海地区，夏季高温潮湿，冬季寒冷干燥，对于大量暴露在室外或处在恶劣环境下的加固结构，湿热环境和冻融循环是造成这类结构破坏的主要原因之一。因此，本文研究冻融循环、湿热环境、持续荷载作用下的混凝土结构具有重要意义，可为复杂环境下CFRP加固钢筋混凝土梁的研究及应用提供参考。

1试验概况

1.1试件设计

为研究复杂环境对CFRP加固钢筋混凝土梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、刚度和延性的影响，试验中以冻融循环次数、湿热环境时长、持续荷载等级等因素为变化参数，设计并制作了15根钢筋混凝土梁试件。试件设计参数见表1。

图1试件几何尺寸及配筋(单位：mm)Fig.1Geometry Scales and Reinforcement of Specimens (Unit:mm)

CFRP布的粘贴情况为：梁底受拉区粘贴2层CFRP布(尺寸为70 mm×760 mm)，距试件左右两端70 mm处各粘贴1层CFRP布(尺寸为70 mm×320 mm)作为U形箍进行端部锚固。粘贴方式及尺寸详见图2。

图2CFRP粘贴方式及尺寸(单位：mm)Fig.2Posting Form and Geometry Scales of CFRP Sheets (Unit:mm)

1.2试验材料

试验采用的CFRP布为日本东丽生产的I300单向编制CFRP布，其物理力学性能详见表2。CFRP布粘贴所用JGN型碳纤维建筑结构胶包括2种类型：底涂树脂、浸渍树脂，2种胶均为甲、乙双组分，甲、乙按照3∶1的比例均匀混合使用，其物理力学性能详见表3，4。

表2CFRP布物理力学性能Tab.2Physical and Mechanical Properties of CFRP Sheets

表3底涂树脂物理力学性能Tab.3Physical and Mechanical Properties of Resins at Bottom of Specimens

表4浸渍树脂物理力学性能Tab.4Physical and Mechanical Properties of Impregnated Resins

1.3试验描述

为真实模拟实际工程中梁的加固情况，在试验梁施加持续荷载前将钢筋混凝土梁进行预裂，施加10 kN荷载之后卸载。然后按前述方法粘贴CFRP布进行试验梁加固。

用CFRP加固后的试验梁在正常情况下养护21 d后施加持续荷载。对未加固梁进行静载试验，按其承载能力的0%，30%，60%分为3个荷载等级进行试件加载，相应荷载为0，10，20 kN。持载装置见图3。

图3持载装置示意图Fig.3Schematic Diagram of Sustained Load Device

在持续荷载作用下，将试验梁先后置于冻融循环环境及湿热环境进行复杂环境影响。具体试验环境如下所述：

冻融循环试验采用北京数智意隆仪器公司的混凝土快速冻融试验机，试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/J 50082—2009)中抗冻性能试验的快冻法进行，试验前将试验梁置于清水中浸泡4 d后进行冻融试验。每次冻融循环时间为3 h，中心温度的上下限分别为8 ℃±2 ℃和-17 ℃±2 ℃，冻融循环次数取为150和300。

湿热试验采用YH-40B型标准恒温恒湿养护箱，试验参照《玻璃纤维增强塑料湿热试验方法》(GB 2573—2008)进行，温度设定在40 ℃，湿度保持在98%，湿热时长取为500 h和1 000 h。

1.4试验加载及量测

混凝土梁受弯性能试验参照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)进行，使用1 000 kN的电液伺服万能试验机，采用四点弯曲加载方式加载。试件加载现场见图4。

图4试件加载现场Fig.4Loading Site of Specimen

试件加载前检验观测仪器是否正常，然后进行预加载和正式加载。预加载分3级进行，每级增量为2 kN，预加载值为6 kN，约为计算开裂荷载值的70%，每级持载10 min，然后分2级卸载。当钢筋达到屈服后，改为位移控制加载，以便确定极限荷载。

在0～20 kN时采用每次5 kN加载，加载至20 kN后，再采用每级3 kN加载，直至试验梁破坏，每级荷载稳定3 min后记录数据采集结果，再进行下级荷载等级的加载，直至破坏，停止加载。

应变测点布置方式见图5。试件量测步骤为：

(1)使用放大镜观测裂缝出现及发展过程和形态，采用裂缝观测仪测量试件受压时裂缝的宽度。

(2)为测量不同材料在加载过程中不同阶段的受力情况，在混凝土浇筑前分别在纵筋跨中部位、试件侧面混凝土跨中、梁底CFRP布上粘贴应变片，通过动态IMC数据采集系统采集相应应变。

(3)在梁跨中处布置LVDT，量测跨中挠度。

图5位移测点和应变测点布置(单位：mm)Fig.5Arrangement of Displacement and Strain Measuring Points (Unit:mm)

2试验结果及分析

2.1裂缝开展和破坏形态

图6裂缝分布与发展特征Fig.6Distribution and Development Characteristics of Cracks

试件的破坏过程和破坏形态类似，都是由中部弯曲裂缝[13]引起的界面剥离破坏，具体裂缝分布与发展特征见图6。破坏过程如下：加载过程中首先在试件中部纯弯段出现几条第1批裂缝a，该裂缝为弯曲应力引起的主裂缝，随着荷载的增加，在裂缝a之间产生新的裂缝b，本文中a，b统称为主裂缝，此裂缝随着荷载的增加进一步上升到较高的高度。荷载继续增加，在试件两端的弯剪段产生由于剪力引起的斜裂缝c，但此裂缝在加载过程中发展缓慢，并不会影响最终破坏形态。钢筋附近的次裂缝d为横向裂缝，荷载在40～50 kN时，由于混凝土底部粘贴CFRP布从而使混凝土应变减小，但钢筋屈服后应变急剧增大，钢筋与混凝土之间的黏结应力大于混凝土的抗拉应力，从而产生此种裂缝，这种裂缝发展程度同样很低。主裂缝a和b的发展受到CFRP布的限制，当CFRP布受力很大时，引起混凝土底部和CFRP布产生局部剥离裂缝e，在混凝土下部形成三角形区域，从而引起混凝土松动或脱落。荷载继续增大，CFRP布首先从中部裂缝处发生剥离，剥离情况随着裂缝增加不断向两端发展。最终CFRP布完全与混凝土试件剥离，上部混凝土压碎。

试件底部混凝土受拉区产生次裂缝e，由于混凝土与CFRP布之间局部黏结应力的存在，使得主裂缝之间的拉应力达到混凝土抗拉强度，在主裂缝之间产生次裂缝，由于黏结界面的局部黏结应力影响程度很小，所以次裂缝很短，并且以三角形的形状存在于试件梁底部。

试验发现冻融循环300次与冻融循环150次相比，前者产生了更多的次裂缝，如图7所示。文献[14]进行了CFRP布的抗冻融性能试验，经过50次和100次冻融循环后测试CFRP布的抗拉强度、弹性模量以及极限应变。试验结果中，进行50次和100次冻融循环的CFRP布抗拉强度分别下降了2.1%和4.4%，弹性模量无明显变化。文献[15]中对浸渍树脂进行了20次冻融循环试验，温度在-25～65 ℃范围内。结果表明冻融循环作用对浸渍树脂的拉伸强度影响比较小，甚至出现了强度提高现象。文献[12]研究了混凝土等级对CFRP加固混凝土抗冻性能的影响，采用C30和C60混凝土进行试验。结果表明，冻融循环作用导致表层嵌贴CFRP-混凝土黏结性能降低的原因主要为冻融作用下混凝土的损伤和性能退化。

图7试验梁裂缝发展Fig.7Cracks Development of Test Beams

本试验中，试件冻融循环300次产生更多次裂缝是为了真实模拟实际工程中梁的加固情况，在试验梁施加持续荷载前将钢筋混凝土梁进行预裂，从而产生了部分裂缝，这种情况下进行冻融循环作用，使混凝土损伤更为严重。水经过冰冻后1 mL的体积膨胀到1.2 mL，因此混凝土中毛细孔内的水膨胀，孔隙中的水会因为膨胀压力排除，当混凝土的抗拉强度小于此压力时，就会产生微小裂缝。经过连续冻融循环，融化后孔隙水继续冰冻膨胀，从而不断对混凝土造成损伤，在试验施加荷载时，细微裂缝逐渐变大，从而导致混凝土裂缝增加。

在相同持载和冻融循环次数下，经过湿热环境试验后，由于环氧树脂的胶层出现一定程度的老化，并且随着试验时间的增加，劣化程度越来越严重。如图8(a)，(b)所示，经过500 h湿热环境作用的试件，当CFRP布与混凝土试件发生剥离破坏后CFRP布上粘贴有较多的混凝土碎屑，并且试件梁底部受拉区三角形裂缝区域明显增多；经过1 000 h湿热环境作用的试件当剥离破坏后CFRP布上碎屑较少，混凝土试件表面较平整。黏结特征的变化说明湿热环境使环氧树脂黏结层发生劣化，并随着时间的增加，劣化程度越来越严重，同时也是使CFRP布与混凝土试件发生剥离破坏的主要原因。

在相同持载和湿热环境下，经过冻融循环之后，混凝土内部出现细微裂缝并且抗拉强度下降。如图8(c)，(d)所示，经过500 h湿热环境作用及150次和300次冻融循环作用的试件，在发生剥离破坏之后，两者CFRP布上黏结的混凝土碎屑基本相同，但是经过300次冻融循环后试件上的裂缝明显多于经过150次冻融循环后的试件。试验表明冻融循环对混凝土的损伤更大，使混凝土内部结构产生劣化，并随着冻融循环次数的增加，损伤程度逐渐增大。

图8界面剥离效果Fig.8Interfacial Debonding Effects

2.2试件受弯承载力分析

CFRP布加固混凝土试件的极限荷载、屈服荷载(对应纵向受拉钢筋屈服时的荷载)、CFRP布剥离时对应的荷载等参数的试验结果见表5。试验结果表明，随着冻融循环次数和湿热时间的增加，CFRP加固钢筋混凝土梁极限荷载、屈服荷载、剥离荷载均呈现下降趋势，其中试件的剥离荷载为屈服荷载的1.1倍～1.3倍。

图9为各试验梁的极限荷载-持载等级曲线。由图9可以看出，对于相同冻融循环次数和湿热时间，持载0 kN和10 kN的试件承载能力相差不大，在4种环境下分别下降0.1%，2.5%，0.6%，1.5%，原因为10 kN的持载对应于加固前混凝土梁承载能力的30%，此时试件仍处于弹性工作范围，内部裂缝开展较少，外部环境对其侵蚀程度较低。荷载由10 kN增加到20 kN后，4种环境下极限承载力分别降低3.3%，10.2%，5.2%，8.2%，承载能力较10 kN降低幅度增大。20 kN的持载对应于加固前混凝土梁承载能力的60%，在此种荷载的情况下，裂缝开展程度较大，并且CFRP布一直处在受力状态，劣化较为严重。

F150H1000和F300H1000所对应的曲线承载能力分别降低10.2%和8.2%，较相同冻融循环次数湿热500 h的承载力下降较大。因为温度升高和湿度增加都弱化了聚合物的力学性能[16]，从而不同程度地减弱了界面的相互作用，在受力状态下加速了此种劣化。同时试验表明在冻融150次和湿热500 h的基础上，继续湿热500 h对试件劣化产生的影响比继续冻融循环150次产生的影响大。

表5各试件的主要试验结果Tab.5Main Test Results of Specimens

注：编号0为试验未加固试件。

图9复杂环境作用下试件极限荷载-持载等级曲线Fig.9Curves of Ultimate Load vs. Loading Grade of Specimens in Complex Environment

图10，11分别为复杂环境下试件极限荷载-冻融循环次数柱状图和极限荷载-湿热时长柱状图。由图10，11可知：相同冻融循环次数下，湿热环境对试件产生的影响比持载对试件产生的影响大；相同湿热时长作用下，冻融循环对试件产生的影响比持载对试件产生的影响大。由此可以看出在冻融循环300次以下、湿热时长1 000 h以下时，外部环境对试件产生的影响更为严重。

图10复杂环境作用下试件极限荷载-冻融循环次数柱状图Fig.10Histograms of Ultimate Load vs. Freezing-thaw Cycles of Specimens in Complex Environment

图11复杂环境作用下试件极限荷载-湿热时长柱状图Fig.11Histogram of Ultimate Load vs. Hydrothermal Time of Specimens in Complex Environment

2.3试件荷载及挠度分析

不同持载作用下的荷载-挠度曲线见图12。由图12可以看出，所有试件的荷载-挠度曲线趋势基本一致，分为3个阶段：第1阶段为弹性阶段，此阶段中混凝土裂缝细微，并且与CFRP布黏结状态良好，钢筋同样处于弹性状态，此阶段曲线的斜率有明显的转折点，在转折点之后由于钢筋屈服，CFRP布主要承受试件底部产生的拉力；第2阶段为CFRP布剥离阶段，随着荷载的增加，混凝土试件裂缝不断扩展，裂缝之间CFRP布与混凝土梁的黏结应力迅速增大，直至两者剥离；第3阶段为试件破坏阶段，随着裂缝的发展，剥离由中部向两端延伸，直至完全剥离，仅由U形箍将CFRP布与混凝土试件相连，下部混凝土与钢筋完全失效，拉力仅由CFRP承担，最终上部混凝土被压碎，试件完全丧失承载能力。

图12不同持载作用下CFRP加固高强钢筋混凝土荷载-挠度曲线Fig.12Curves for Load-deflection of CFRP Reinforced RC Beams with Different Sustain Loads

由图12还可以看出，在相同环境作用下，所施加持续荷载越大，试件挠度越大，刚度越小，并且随着环境的不断恶化，持载带来的影响越来越小。产生此种现象的原因是持载使试件产生细微裂缝，加速了CFRP-混凝土黏结界面的劣化，在荷载作用下更容易发生剥离破坏；随着冻融循环次数、湿热时长的增加，持载对黏结界面的影响越来越小，所以在更恶劣的环境下，不同持载作用的试件刚度相差不大。

持载等级为0 kN的各试件在不同环境作用下的荷载-挠度曲线见图13。由图13可以看出：没有任何环境作用的试件承载能力最高，并且在相同荷载作用下挠度最小；既经受冻融循环，又经受湿热环境作用的试件承载能力最低，并且相同荷载作用下挠度最大。试验表明，湿热500 h的试件承载力小于冻融循环150次的试件承载力，大于湿热500 h且冻融循环150次的试件承载力。因此，冻融循环和湿热环境的作用使得CFRP混凝土试件受到不同程度的黏结劣化，温度40°、湿度98%对试件造成的劣化影响大于冻融循环150次。

图13不同环境作用下CFRP-高强混凝土荷载-挠度曲线Fig.13Curves for Load-deflection of CFRP Reinforced RC Beams in Different External Environments

由试验分析可知，冻融循环主要对混凝土产生损伤从而对结构产生影响，湿热环境使黏结界面老化蠕变从而使结构丧失原有功能[17]。本试验中采用C60混凝土，温度40°，湿度98%。对高强混凝土而言，冻融循环对其产生的损伤较小，而湿热环境因为作用于黏结树脂，故对试件造成的劣化影响较大。

2.4CFRP布受力分析

CFRP-高强混凝土试件的荷载-CFRP应变关系曲线见图14，其中应变为试件跨中CFRP布上粘贴应变片的实测应变。

图14不同环境下试件荷载-CFRP应变曲线Fig.14Load-CFRP Strain Curves of Specimens in Different Environments

由图14可知，随着荷载的增加，曲线发展可以分为Oa，ab，be三阶段，对应的加载过程分为试件开裂前弹性阶段、试件开裂后至钢筋受拉屈服阶段、受拉钢筋失效至最终破坏阶段。Oa段试件整体呈线性关系，底部拉力由钢筋和CFRP布协同承担，CFRP布应变发展缓慢；ab段斜率变小，在中部出现一段平直段，说明随着荷载的增加，裂缝发展迅速，钢筋已经开始屈服，逐步退出工作状态，并且CFRP布应变发展加快，底部受拉区增加的拉应力主要由CFRP布承担。破坏阶段随着裂缝的发展，裂缝间CFRP布与混凝土的黏结应力不断增大，从而使两者产生剥离，此时底部拉应力完全由CFRP布提供，其应变增加速度相应加快。

由图14还可知，在相同环境、不同持载作用下，在Oa段中应变发展状态相差不大，在ab段中应变变化逐渐明显。ab段中相同荷载作用下，持载等级越大，CFRP布的应变越大。试验表明，在相同环境作用下，持载加速了CFRP布与混凝土之间的黏结劣化。

因为CFRP和树脂的热膨胀系数不相同，在温度作用下，CFRP与黏结树脂的界面会出现温度应力，并且这个应力随着温度的变化而发生变化。同样，由于CFRP与树脂吸水膨胀程度不相同，从而使界面产生相应的湿度应力。试验中温度应力和湿度应力使界面产生细微裂缝，裂缝的出现又会为水和温度对界面的侵蚀提供通道，使界面破坏过程加速。本试验中试件在湿热环境作用的同时还有持续荷载的作用，在黏结界面会产生持载应力，此力远远大于温度应力和湿度应力，三者共同作用于黏结界面。文献[18]指出，黏结树脂在长期负载的情况下，往往产生蠕变。蠕变使CFRP-混凝土结构的黏结界面缓慢变形，随着时间增加，最终导致黏结结构失去原有形态而丧失原有功能。文献[19]～[26]试验结果表明，温度变化强烈影响聚合物材料的蠕变过程。随着温度的升高，基体分子热运动能量和自由体积都会增加，从而导致各运动单元松弛的时间缩短，基体蠕变随之变大。因此，在温度应力、湿度应力、持载应力共同作用下，黏结树脂的蠕变老化成为最终试件剥离破坏的关键。