碳纤维加固建筑混凝土梁的抗弯性能研究

陈进财，商先鹏，张苏文，姬孟刚，郭敬添

（中建八局第一建设有限公司，山东济南，250100）

随着我国城镇化建设的快速发展和工业建筑的不断进步，碳纤维布加固和碳纤维板加固混凝土逐渐在我国桥梁及建筑物（仓库、厂房）等结构中应用，究其原因这主要与碳纤维具有较高的抗拉强度（同等截面钢筋的7～10倍）、质量轻、耐久性好以及施工方便快捷等特性有关[1-2]，将碳纤维应用于混凝土结构可以大幅度提升整体构件的承载能力、抗震性能和耐久性等[3]。虽然碳纤维加固混凝土结构有一些优异特性，但是将普通碳纤维内嵌加固至混凝土时，对挠度和裂缝的作用有限[4-6]。因此，本文探讨了对碳纤维材料进行预应力加载，以探讨预应力碳纤维内嵌加固混凝土的抗弯性能，以期为碳纤维在混凝土中的应用提供参考，并有助于降低整体混凝土构件承载过程中挠度和抑制裂缝。

1 材料与方法

试验用碳纤维复合材料为直径6mm的CFRP筋，基本力学性能参数为：抗拉强度1810MPa、弹性模量124GPa、断后伸长率1.82%、极限拉力为51.3kN；试验用粘结剂为环氧树脂砂浆，环氧树脂、固化剂、填料质量比为1:0.23:1.5，环氧树脂砂浆浇筑的立方体模块在25℃养护7天后测得其抗压强度为61.7MPa；试验用钢筋为包括直径12mm和16mm的HRB400钢筋，弹性模量都为200GPa；试验用混凝土为C40混凝土（水泥：砂子：碎石：水=1:1.42:2.65:0.45），浇筑成120×120×120mm3立方块后进行标准养护28d，抗压强度平均值为54.8MPa。

共制备了6组碳纤维加固混凝土试件，具体参数见表1。试件截面为矩形截面梁，尺寸为250mm×300mm，跨高比为8；碳纤维加固混凝土梁的尺寸示意图和截面配筋图如图1所示。采用一次性浇筑成型方法浇筑混凝土试件，制备过程中用振动棒振实，并用塑料布覆盖24h，待硬化后拆模养护，标准养护28d。

表1 碳纤维加固混凝土试件的参数表Table 1 Parameters of carbon fiber reinforced concrete specimens

图1 碳纤维加固混凝土梁的尺寸示意图和截面配筋图Fig.1 Dimension diagram and section reinforcement diagram of carbon fiber reinforced concrete beam

在TMS液压伺 服系统中对碳纤维加固混凝土试件进行加载，加载装置示意图如图2所示。试验采用分级加载的静载方法进行[11-14]，采用BX150-200BB型应变采集箱对试验数据进行采集，每一级载荷大小控制在开裂载荷25%以内[15]，当整体构件发生开裂后将荷载变为4kN直至钢筋屈服，然后荷载降低至10kN直至试件破坏。

图2 碳纤维加固混凝土试件的加载装置示意图Fig.2 Loading device of carbon fiber reinforced concrete specimen

2 结果及讨论

图3为6组碳纤维加固混凝土试件的破坏形态，其中L1试件（对比梁）为未添加预应力碳纤维筋的加固梁，加载过程中将碳纤维加固混凝土试件出现第一条裂缝时对应的荷载称为开裂载荷。在对6组碳纤维加固混凝土试件进行分级加载过程中，L1试件在达到极限载荷时，混凝土上的裂缝会迅速增大，并伴随着噼里啪啦的声音，整体构件较快就失去了承载能力[图（3a）]；对于JGL1试件，混凝土上的裂缝开始出现后，整体构件不会发生裂缝迅速增大的现象，在碳纤维筋被拉断后混凝土才出现压碎和破坏[图（3b）]；JGL2～JGL5试件的混凝土裂缝的出现与扩展现象与JGL2相似，即由于碳纤维筋的加固作用，混凝土上裂缝出现后不会快速扩展及造成试件破坏，预应力碳纤维筋被拉断后，混凝土试件才会逐渐出现剥落和压碎现象[图3（c）～（f）]。整体而言，L1试件的破坏形式为裂缝出现后快速压碎，而碳纤维加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）中除JGL3试件发生剪切破坏外，其余试件都为钢筋屈服和碳纤维筋拉断后发生破坏。

图3 碳纤维加固建筑混凝土梁的破坏形态Fig.3 Failure mode of concrete beams strengthened with carbon fiber

表2为6组碳纤维加固混凝土梁试件的抗弯性能试验结果。可见，碳纤维加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）的开裂载荷、屈服载荷和极限载荷都明显高于未添加碳纤维筋的对比梁（L1），而极限挠度都明显小于L1试件；从最大裂缝宽度上来看，碳纤维加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）的最大裂缝宽度也高于对比梁（L1）。随着张拉控制应力增加（JGL1、JGL2、JGL3），碳纤维加固混凝土梁的开裂载荷、屈服载荷和极限载荷逐渐增大，极限挠度逐渐减小；在相同张拉控制应力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），钢筋直径更大的混凝土试件的开裂载荷、屈服载荷和极限载荷更大，而极限挠度更小。

表2 碳纤维加固建筑混凝土梁的抗弯性能Table 2 Flexural performance of building concrete beams strengthened with carbon fiber

图4为6组碳纤维加固混凝土试件的裂缝分布图。对比分析可见，碳纤维加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）的裂缝数量都明显小于未添加碳纤维筋的对比梁（L1），且裂缝间距明显高于后者、主裂缝间的小裂缝的数量也较少。随着张拉控制应力的增加，碳纤维加固混凝土试件的裂缝数量会逐渐减小，在张拉预应力为50%时整个混凝土梁上仅可见8条裂缝，可见张拉预应力可以有效抑制碳纤维筋加固混凝土的裂缝数量。此外，在相同张拉控制应力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），钢筋直径更大的混凝土试件的裂缝数量并没有发生明显改变。

图4 碳纤维加固建筑混凝土梁的裂缝分布图Fig.4 Crack distribution of concrete beams strengthened with carbon fiber

图5 为6组碳纤维加固混凝土试件的荷载-裂缝宽度曲线。对比分析可见，无论是碳纤维加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）还是未添加碳纤维筋的对比梁（L1），试件上的裂缝宽度都会随着荷载增加而增大，但是裂缝开始出现对应的荷载明显不同。未添加碳纤维筋的对比梁（L1）在荷载为40kN时即出现了0.1mm的裂缝，而JG3试件在荷载达到80kN时才开始出现裂缝。此外，在相同张拉控制应力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），钢筋直径更大的混凝土试件出现裂缝时的载荷并不会改变。由此可见，预应力碳纤维加固有助于提升混凝土梁出现裂缝时的荷载，而钢筋直径不会对混凝土梁出现裂缝时的荷载产生明显影响。

图5 碳纤维加固建筑混凝土梁的荷载-裂缝宽度曲线Fig.5 Load crack width curve of concrete beams strengthened with carbon fiber

图6 为6组碳纤维加固混凝土试件的荷载-挠度曲线。对比分析可见，无论是碳纤维加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）还是未添加碳纤维筋的对比梁（L1），试件的挠度都会随着荷载的增加而增大，且在相同荷载作用下，加固混凝土试件的挠度要明显低于未加固的试件。随着控制张力应力的提高，混凝土梁试件的极限挠度会逐渐减小；在相同控制张力应力作用下，钢筋直径更大的试件的极限挠度更小。

图6 碳纤维加固建筑混凝土梁的荷载-挠度曲线Fig.6 Load deflection curve of concrete beams strengthened with carbon fiber

3 结论

（1）L1试件的破坏形式为裂缝出现后快速压碎，而碳纤维加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）中除JGL3试件发生剪切破坏外，其余试件都为钢筋屈服和碳纤维筋拉断后发生破坏。

（2）碳纤维加固建筑混凝土梁的开裂载荷、屈服载荷和极限载荷都明显高于未添加碳纤维筋的对比梁，而极限挠度都明显小于L1试件。随着张拉控制应力增加（JGL1、JGL2、JGL3），碳纤维加固混凝土梁的开裂载荷、屈服载荷和极限载荷逐渐增大，极限挠度逐渐减小；在相同张拉控制应力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），钢筋直径更大的混凝土试件的开裂载荷、屈服载荷和极限载荷更大，而极限挠度更小。

（3）6组试件的挠度都会随着荷载的增加而增大，且在相同荷载作用下，加固混凝土试件的挠度要明显低于未加固的试件。随着控制张力应力的提高，混凝土梁试件的极限挠度会逐渐减小；在相同控制张力应力作用下，钢筋直径更大的试件的极限挠度更小。