基坑工程中碳纤维增强混凝土的界面粘结性能研究

韩 峰

（河北工业大学，天津300401）

随着基建工程的快速发展，基坑支护工程数量不断攀升，同时给基坑支护质量等提出了更高的要求，这主要是因为基坑工程所处的地质条件和周边环境条件较为复杂[1]，如通常伴随着建筑物、构筑物、管线等，既涉及土力学中典型强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用[2]。目前，大多数基坑工程都采用混凝土结构，在多年使用后通常发生破损，后续需要进一步进行加固处理，如使用碳纤维增强混凝土等，在水冻和盐冻环境下，基坑工程中的碳纤维混凝土结构会受到不同程度的破坏[3]。然而，目前基坑工程中混凝土的破坏形态等研究多集中在单一水冻环境和混凝土结构中，对于不同冻融环境下的碳纤维增强混凝土的影响方面的报道较少[4-6]。本文对比分析了基坑工程中水冻和盐冻环境下碳纤维增强混凝土结构的破坏形态和界面剪切行为，结果可为实际基坑工程中的加固改造等提供必要参考。

1 试验材料与方法

试验原料: 普通PO42.5 硅酸盐水泥（比表面积为345m2/kg）、粒径级配10～20mm 的石子作为粗骨料，天然砂为细骨料（表观密度2542kg/mm3、堆积密度1625kg/mm3、含泥量0.85%），自来水、HPEG2400 型聚羧酸系减水剂、Ⅰ级碳纤维布、碳纤维环氧树脂浸渍胶和4% NaCl 溶液。

按照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》制备C40 混凝土，配合比（kg/m3）为:125 水、285 灰、455 砂、1365 石子、72 粉煤和1.5 减水剂。按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行混凝土试件制备，模具内侧涂抹亲水性脱模剂，混凝土搅拌均匀后进行振捣和室温24h 养护处理后脱模，并转入标准养护室内进行28d 养护。碳纤维- 混凝土试件的示意图如图1 所示，混凝土立方体尺寸为100×100×100mm3，碳纤维尺寸为200mm 长×50mm宽，按照CECS146:2007《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》对碳纤维和混凝土进行粘结（粘结长度100mm）[7-8]，试件制备完成并脱模后置于标准养护室内进行7d 养护。

图1 碳纤维混凝土剪切试件的示意图Fig.1 Schematic diagram of carbon fiber reinforced concrete shear specimen

按照GB/T 50082-2009 进行冻融循环试验，冻融箱温度在-18℃～7℃循环，单次冻融循环时间为6h，分别在冻融循环次数为25、50、75、100 次时取出试样，水冻介质为自来水，盐冻介质为4% NaCl 溶液；采用华为P30 手机对冻融循环后的试样进行宏观形貌拍摄；在SF-Q61 型混凝土强度测试仪中对混凝土立方体进行抗压性能测试；在MTS-810 型液压伺服万能拉伸试验机上进行粘结强度测试[9]，加载速率为1.5kN/min。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土立方体

图2 为不同水冻次数下混凝土立方体的表面形貌。对比分析可知，室温水冻25 次后，混凝土表面未见明显变化，而增加水冻次数至50 次时，混凝土表面开始出现脱落，并在水冻次数为75 次时可见整个表面有麻点或者显微凹坑；继续增加水冻次数至100 次，混凝土立方体的边部出现明显脱落，局部可见粗骨料存在。由此可见，随着室温水冻次数增加，混凝土立方体的破坏程度不断加剧，并在水冻次数达到100 次时出现边部脱落现象。

图2 不同水冻次数下混凝土立方体的表面形貌Fig.2 Surface morphology of concrete cube under different times of water freezing

图3 为不同盐冻次数下混凝土立方体的表面形貌。对比分析可知，室温盐冻25 次后，混凝土表面已出现局部凹坑，而增加盐冻次数至50 次时，混凝土表面可见局部脱落并露出粗骨料；在盐冻次数为75 次时，表面脱落现象更加严重，并在盐冻次数增加至100 次时，混凝土立方体的表面呈现完全侵蚀特征，粗骨料在整个表面都清晰可见。对比图2 的相同循环次数下混凝土表面形貌可知，盐冻环境会相对水冻环境对混凝土的侵蚀破坏更加严重。

图3 盐溶液环境下混凝土立方体的表面形貌Fig.3 Surface morphology of concrete cube in salt solution

图4 为冻融次数对混凝土抗压强度的影响曲线。可见，室温养护下混凝土试件的抗压强度为43MPa，而水冻环境和盐冻环境下混凝土的抗压强度都相对较低；随着冻融次数从25 次增加至100 次，混凝土试件的抗压强度呈现逐渐降低的趋势，但是在相同冻融次数下，水冻试件的抗压强度要高于盐冻试件，这主要与盐冻环境对混凝土试件的侵蚀更严重有关[10]。

图4 冻融次数对混凝土抗压强度的影响Fig.4 Influence of freeze-thaw times on compressive strength of concrete

2.2 碳纤维混凝土试件

图5 为不同水冻次数下碳纤维混凝土试件的界面形貌。对比分析可知，随着水冻次数从25 次增加至100 次，碳纤维表面粘结的混凝土厚度呈现不断增大趋势，且当水冻次数为100 次时，局部区域还可见混凝土被粘结撕下的特征。

图5 不同水冻次数下碳纤维混凝土试件的界面破坏形态Fig.5 Interface failure mode of carbon fiber reinforced concrete specimens under different times of water freezing

图6 为不同盐冻次数下碳纤维混凝土试件的界面形貌。对比分析可知，与水冻时碳纤维混凝土试件的界面相似的是，碳纤维表面粘结的混凝土厚度会随着盐冻次数增加而增大，且相同循环次数下，盐冻环境下碳纤维表面粘结的混凝土厚度更大。

图6 不同盐冻次数下碳纤维混凝土试件的界面破坏形态Fig.6 Interface failure mode of carbon fiber reinforced concrete specimens under different times of salt freezing

表1 为不同冻融环境下碳纤维混凝土试件的界面力学性能测试结果。可见，在水冻环境下，当水冻次数为25、50、75、100 次时，碳纤维- 混凝土界面承载力和粘结强度呈现随着水冻次数增加而减小的特征，且都低于常温养护试件；在盐冻环境下，当盐冻次数为25、50、75 和100 次时，碳纤维- 混凝土界面承载力和粘结强度呈现随着盐冻次数增加而减小，其界面承载力和粘结强度也都低于常温养护试件[11]。此外，在相同冻融循环次数下，盐冻试件的界面承载力和粘结强度都要低于水冻试件。

表1 不同冻融环境下碳纤维混凝土试件的界面力学性能Table 1 Interface mechanical properties of carbon fiber reinforced concrete specimens under different freeze-thaw environments

图7 为冻融环境下冻融次数与加载端最大应变值的对应关系。对比分析可知，当冻融循环次数分别为25、50、75、100 次时，常温氧化试件加载端最大应变值都高于水冻和盐冻试件，且除冻融循环次数为50 次外，其余冻融次数下水冻试件的加载端最大应变值都高于盐冻试件。造成这种现象的原因在于，经过不同次数的冻融循环处理后，水冻和盐冻试件中碳纤维与混凝土之间的粘结强度会降低，造成混凝土与碳纤维会提前剥离[12]，而使得加载端最大应变值减小，且由于盐冻试件相较水冻试件对界面的恶化更加严重，前者的加载端最大应变值会更小。

图7 冻融环境下冻融次数与加载端最大应变值的对应关系Fig.7 Corresponding relationship between freeze-thaw times and maximum strain at loading end in freeze-thaw environment

3 结论

（1）随着室温水冻次数增加，混凝土立方体的破坏程度不断加剧，并在水冻次数达到100 次时出现边部脱落现象；盐冻环境会相对水冻环境对混凝土的侵蚀破坏更加严重。

（2） 室温养护下混凝土试件的抗压强度为43MPa，而水冻环境和盐冻环境下混凝土的抗压强度都相对较低；随着冻融次数从25 次增加至100 次，混凝土试件的抗压强度呈现逐渐降低的趋势，但是在相同冻融次数下，水冻试件的抗压强度要高于盐冻试件。

（3）当水冻次数为25、50、75、100 次时，碳纤维-混凝土界面承载力和粘结强度呈现随着水冻次数增加而减小的特征，且都低于常温养护试件；在盐冻环境下，当盐冻次数为25、50、75、100 次时，碳纤维- 混凝土界面承载力和粘结强度呈现随着盐冻次数增加而减小，其界面承载力和粘结强度也都低于常温养护试件。在相同冻融循环次数下，盐冻试件的界面承载力和粘结强度都要低于水冻试件。