长周期干湿交替下预应力CFRP加固RC梁的抗弯性能

王 涛，洪 雷

(1.杭州市萧山区村镇建设管理处， 浙江 杭州 311200；2.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)

使用预应力CFRP材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)可以有效地发挥材料本身的高强性能，因此在加固工程中得到很多应用[1-5]。而在沿岸港口工程当中存在的各种恶劣环境因素，如长时间的干湿交替、盐雾腐蚀、冻融等对预应力CFRP加固结构的性能提出了更高的要求[6-7]。目前有研究指出干湿交替会对粘结界面造成劣化，并且预应力水平愈高，劣化效果会愈加明显[8-9]。在本文中一次完整的干湿交替为在3.5%盐水环境中浸泡8 h，之后加速干燥16 h。目前国内外采用相同或类似干湿循环实验方案的研究成果指出，在相对较短的循环周期如30次～50次内，试件会因为材料二次水化等原因，抗弯刚度反而得到提升，故CFRP加固梁要经历相对较长的循环周期时才会受到明显不利影响[10]。除此之外，干湿实验所采用的最长循环周期大都控制在120次～180次，超过200次的长周期干湿循环则相对较少[11-14]。故有必要开展长周期盐雾干湿交替侵蚀对预应力碳纤维布加固RC梁抗弯性能影响的研究。本文在文献[15]的研究基础上进一步开展试验，通过4组经过0次、70次、140次、280次盐雾干湿循环侵蚀的试件，研究长周期干湿交替对预应力碳纤维布加固RC梁的抗弯性能影响。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验采用C60高强混凝土，掺合料包括PII 52.5R硅酸盐水泥、一级粉煤灰、河砂、5 mm～10 mm连续级配的碎石、高效减水剂等，配合比见表1。CFRP采用日本东丽单向编织碳纤维布，测得材料相关性能参数见表2。底涂胶和浸渍胶采用JGN型纤维建筑结构胶，材料参数见表3和表4。

表1 C60混凝土配合比

表2 CFRP的材料参数

表3 底涂胶性能参数

表4 浸渍胶性能参数

1.2 试件制作

梁的尺寸及配筋如图1所示。截面尺寸为80 mm×120 mm，跨度及净跨分别为900 mm与800 mm。配筋方案为梁底纵筋2C8，架立筋2A6，箍筋A6@60，跨中位置箍筋间距100 mm；2根梁底纵筋牌号为HRB400，其余钢筋牌号均为HPB300。

图1 梁尺寸及配筋图(单位：mm)

图2为自行设计的CFRP预应力加载装置[16]，按以下步骤制作加固梁试件：首先裁剪出一段宽为70 mm的CFRP布，然后将布的一端置于加载装置左上角的固定夹板处，使用螺栓进行固定。接着再按顺时针方向将CFRP布依次绕过支撑杆、加载头、装置下方的支撑杆，这些部位均提前抹好润滑油以保护碳纤维布。最后将CFRP布的另一端固定在左下角的固定夹板处。接着手摇机械千斤顶缓慢施加预应力，待达到30%预应力水平后，将梁底朝上依次涂上底涂胶以及浸渍胶，将梁放入CFRP布与支撑杆形成的间隙当中，并在布表面再次涂上浸渍胶以确保CFRP布被完全浸润，最后在梁两端张贴U型箍进行加固，实验结果如图3所示。室温养护后去除多余的CFRP布，得到的加固梁示意图如图4所示。

图2 预应力施加装置

将12根试验梁放入恒温恒湿养护室中，温度控制在20℃±1℃，湿度控制在40%±5%。抽放3.5%的盐溶液进行干湿交替循环，一次完整的循环实验为浸泡8 h以及干燥16 h。预应力水平为碳纤维布材料抗拉强度标准值(fcfk)的30%。干湿交替次数分别为0次、70次、140次以及280次。使用P代表预应力水平，W代表干湿交替次数。试件编号及相关参数见表5。

图3 预应力加固梁试验

图4 加固试件示意图(单位：mm)

表5 试件参数

1.3 试验方案

加载采用四点弯曲。100 t电液伺服试验机先对分配梁施加集中力，再通过分配梁对试件施加荷载。分配梁布置在净跨的三等分点处，具体见图5(a)与图5(b)。可以看出，分配梁的加载点将梁的净跨部位划分成3段，分别为中间的纯弯段以及两侧的弯剪段。实验使用荷载传感器、LVDT位移计测量试件的承载力与跨中挠度，通过布置在梁底CFRP布上的13枚应变片测量CFRP应变值，应变片编号及间距如图5(c)所示。此外通过预先布置在梁底纵筋上的2枚应变片，测量受拉钢筋的应变变化情况。上述数据均使用IMC仪器进行采集。

图5 试验与测量装置(单位:mm)

2 试验结果与分析

2.1 长周期干湿循环对抗弯能力的影响

表6列出了试件经过干湿侵蚀作用后的开裂荷载与极限荷载，并以此绘制出图6两种荷载的变化曲线，从中发现在280次干湿侵蚀作用之后，P30W280试件的开裂荷载与极限荷载明显降低。由表6可得，加固梁在70次、140次、280次干湿交替后，与P30W00试件相比其开裂荷载降幅分别为0.87%、16.12%以及22.0%，荷载曲线衰减趋势变缓；极限荷载分别减少了8.3%、15.7%以及23.7%，曲线下降速率也明显减小。这表明长周期的盐雾干湿交替循环会对预应力CFRP加固梁的承载性能造成明显损害，并且承载能力的降低速率随干湿交替次数增多表现出逐渐减小的规律。

表6还列出了试件梁的跨中极限挠度以及延性系数变化情况。与未经历过干湿交替的试件相比，加固梁在70次、140次、280次干湿侵蚀后跨中极限挠度分别减小了8.4%、30.6%和33.2%，延性系数降低了7.6%、37.9%和41.5%。这表明在长周期的盐雾干湿循环条件下，加固试件的延性系数会大幅下降，延性性能受到明显不利影响。与承载能力的变化规律相同，随着干湿侵蚀的程度不断加深，延性系数下降会愈来愈趋缓。

表6 干湿循环作用下试件的试验结果

图6 预应力试件的开裂荷载与极限荷载

图7为干湿交替作用下试件的抗弯刚度曲线。

图7 干湿循环下预应力CFRP加固梁的荷载-挠度曲线

由图7可知，4组试件的刚度曲线都可概括为：CFRP与混凝土梁共同工作的弹性上升阶段，刚度曲线表现出线性增长的特点；在混凝土开裂后，梁底裂缝随着上部荷载不断扩展，曲线呈现出非线性缓慢增长的态势，这就是试件剥离阶段的曲线特点，其长度代表了加固梁的延性。当主裂缝发展至梁顶时，梁底碳纤维布完全剥离，刚度曲线骤降，此时试件被最终破坏。通过对比4组曲线发现，P30W280试件在弹性阶段就与其他三组刚度曲线出现分离，剥离阶段的长度大幅缩短，加固梁延性变差，并且在剥离阶段后期及破坏阶段，极限荷载能力大幅削减，抗弯刚度受到明显影响。在湿润环境中，建筑结构胶内部的分子键会出现断裂，胶体的抗剪能力下降，同时随着干湿环境的不断循环交替，结构胶与混凝土这两种基体材料都在反复吸水膨胀与干燥回缩，由于材料膨胀回缩的性能参数不同，在粘结界面处就会逐渐出现微小裂缝，此外盐溶液也会通过不断地侵蚀与结晶，加剧裂缝的扩张延伸。所以长周期的干湿交替会对碳纤维布与混凝土基体界面造成极大损伤，使得加固梁延性、抗弯性能明显变差。

2.2 破坏形态分析

图8给出了干湿循环140次与280次两组试件的试件破坏形态。

图8 试件破坏形态

两组试件均发生了由中部弯剪斜裂缝引起的界面剥离破坏，说明长周期的循环侵蚀作用对加固梁的破坏形式并未造成影响。从图8(a)与图8(b)中可得P30W280试件的裂缝数量略有减少，主裂缝宽度变小，梁底的CFRP布对是试件的加固作用减弱。观察图8(c)与图8(d)中两组试件破坏面的情况，发现剥离的位置从混凝土表层向胶界面-混凝土界面发展，并且有向CFRP-结构胶界面一侧发展的趋势。经过280次交替侵蚀后，加固梁破坏时剥离下来的CFRP布上可以观察清晰且光滑的结构树脂胶层，这表明在长周期的干湿循环下预应力CFRP加固梁的界面粘结性能退化已经十分显著，粘结界面受损严重。

2.3 梁底CFRP应变分析

对图9进行分析，发现4组试件梁底的CFRP应变曲线均发生了不同程度的波动。这是因为干湿侵蚀的劣化效果，削弱了CFRP抑制裂缝开展的能力，从而使得加固梁底部汇集形成多条宽度较大的破坏裂缝，导致CFRP布上受力不均，由此带来CFRP应变曲线随加载出现波动的情况。而与其他几组试件相比，P30W280加载至接近极限荷载时(60 kN)，1号至13号应变片的数值都出现了突增的情况，曲线上出现了多个应变峰值。这是因为长周期的干湿循环对碳纤维布与混凝土界面黏结性能损害严重，使得试件在处于最后的破坏阶段时，梁上的小裂缝急剧扩张成大裂缝，并马上达到试件承载能力的极限，出现脆性破坏的恶劣情况。

裂缝扩张具有一定的随机性，故图9中CFRP应变极值不一定出现在纯弯段。为了统一比较交替侵蚀对各组试件CFRP极限应变的影响，采用取纯弯段6～8号应变片平均值的方法，制作出的影响曲线如图10所示。由图10可知随着侵蚀程度的加深，CFRP极限应变不断变小，同时下降速率逐渐减小。在经历了280次循环后，试件的极限应变数值减少了48%，仅为实验初始时刻的一半左右。这说明经过长周期的干湿侵蚀作用之后，CFRP材料的利用率将会大幅降低。

图9 CFRP应变分布

2.4 钢筋应变与CFRP应变分析

图11为4组试件跨中CFRP与梁底纵筋的荷载-应变曲线，大致可归纳为三个阶段：实验初期受拉纵筋与CFRP共同承担荷载，两条曲线都是弹性增长；加载至超过混凝土开裂强度时，两条曲线开始出现明显分离，CFRP应变值显著提高，进入非线性增长的状态；当受拉钢筋达到屈服状态时，钢筋应力保持不变，此时CFRP布会承担大部分的荷载直至试件最终破坏。

图11中4组试件在干湿交替侵蚀后出现了跨中CFRP与受拉钢筋荷载-应变曲线逐渐重合的现象。对4组试件当中CFRP的荷载-应变曲线对比分析，发现在钢筋屈服前的阶段，相同荷载下CFRP应变随着干湿交替次数的增加而明显减小。同时对比4组试件当中钢筋的荷载-应变曲线，发现4组钢筋的屈服应变基本相同，均在2 500 με左右。故CFRP应变与钢筋应变的差值会随着交替侵蚀程度加深而不断减小，两条应变曲线逐渐重合。这说明干湿侵蚀对钢筋与混凝土之间黏结性能的影响可以忽略不计，主要是对CFRP-混凝土粘结界面造成了损害，导致界面胶层传递应力的能力降低，而长周期的盐雾干湿交替侵蚀对粘结界面造成更加恶劣的损害作用，极大地降低了CFRP承担荷载的能力，使得CFRP与钢筋曲线重合程度大幅提高。

图10 干湿循环对预应力CFRP极限应变的影响

图11 受拉纵筋与CFRP的荷载-应变曲线

3 结 论

本文研究了长周期干湿循环侵蚀作用对预应力CFRP加固梁的抗弯性能影响。得出结论如下：

(1) 长周期的干湿循环会使得预应力CFRP加固梁的开裂荷载、极限荷载显著下降，延性系数会大幅减小，降低速率随干湿交替次数增多表现出逐渐减小的规律。

(2) 280次循环后CFRP极限应变下降了48%，说明长周期的干湿交替侵蚀作用对CFRP极限应变的损害非常显著，大大降低了CFRP材料的有效运用率，对预应力CFRP加固梁抗弯性能造成极大的不利影响。

(3) 长周期的干湿循环侵蚀作用会对CFRP-混凝土的粘结界面造成显著劣化作用，导致界面胶层传递应力的能力降低，实验加载时试件的脆性破坏更加明显。