CFRP板加固混凝土结构不同方法的黏结性能比较

2022-07-29吕毅刚吴攀彭晖乔杰饶攀韩伟威

交通科学与工程 2022年2期

吕毅刚，吴攀，3，彭晖，乔杰，饶攀，韩伟威

（1.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114；2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114；3.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100088）

若桥梁的新老混凝土结构不能满足安全性、适用性和耐久性的要求，则需要对其结构进行加固。碳纤维复合材料（carbon fiber reinforced polymer，简称为CFRP）是由碳纤维材料与基体材料按一定比例进行混合，经过一定工艺复合而成的新型材料，具有强度高、抗疲劳性强、耐腐蚀、施工性能好等优势，被广泛应用于混凝土结构加固技术中[1-5]。

表面粘贴CFRP 板是用高性能的黏结剂将CFRP 板粘贴于原结构受拉侧表面，使之与原结构协同受拉。在粘贴前需对混凝土表面进行打磨、整平、清灰、干燥等处理，该加固法不改变桥梁自重与外观，具有设计与计算简单、施工简易方便等优点[6]。

表层嵌贴（nera-surface mounted，简称为NSM）CFRP 加固技术是先在混凝土上开凹槽，再将CFRP 嵌入，并用环氧树脂粘合，使CFRP 与混凝土充分黏结并协同受力，相比于表层粘贴CFRP，加固效率更高。CFRP 材料主要分为板材、棒材两种。CFRP 板相比于CFRP 棒，周长与横截面积比更大，NSM CFRP 板与周围混凝土之间的黏结力也更大，抗拉强度的利用率更高。因此，在嵌贴加固中，CFRP板比其他材料更牢固[7-10]。

表层嵌贴CFRP 板加固技术是把原有构件的部分承载力传递给高强抗拉的CFRP 板，其荷载传递效率取决于CFRP 板与混凝土界面的黏结性能。目前，许多CFRP 加固试件发生了界面剥离破坏，研究CFRP 板-混凝土界面黏结性能具有重要意义[11-14]。已有许多学者对表面粘贴、表层嵌贴CFRP 板加固混凝土界面黏结性能展开了系统研究[15-18]。但在这些研究中，CFRP 板的嵌贴方向均为竖向。在实际工程应用中，竖向嵌贴CFRP 板所需的槽深较深（通常在25 mm 以上），而水平嵌贴CFRP 板对槽深要求较低（最低只需15 mm 左右）。旧桥主梁保护层可供开槽的深度有限，因而采用水平嵌贴CFRP 板更有优势。因此，本研究拟对水平方向嵌贴CFRP 板加固混凝土棱柱体试件进行单剪拔出试验，研究试件的界面黏结承载力、破坏模式、CFRP 应变分布、荷载-端部滑移等，分析其界面的黏结性能，并与表面粘贴、表层嵌贴CFRP 板加固混凝土的棱柱体试件结果进行比较分析。

1 试验设计

1.1 试验材料

CFRP 采用Dextra 公司提供的ASTEC CT124-2型矩形板条，截面尺寸为2 mm×16 mm。为避免加载时CFRP 与混凝土界面相对滑移造成粘贴的CFRP 板条应变片的过早损坏，将2 根2 mm 厚CFRP 板用树脂粘结叠合在一起，叠合后的截面尺寸为6 mm×16 mm。黏结剂为Sikadur-30CN环氧树脂胶，在常温养护7 d 可以达到标准强度。两种加固材料的性能参数见表1。

表1 加固材料性能参数Table 1 Properties of reinforcement materials

1.2 试验参数

本试验共设计了4 个CFRP 板加固混凝土棱柱体试件，其中，1 个采用表面粘贴方式加固，1 个采用表层嵌贴方式加固，剩余2个采用不同槽深的水平嵌贴方式加固。被加固的混凝土棱柱体尺寸为200 mm×220 mm×300 mm，采用C40 混凝土，每个试件的加固长度均为280 mm。以水平嵌贴CFRP板加固为例，典型单剪拔出试件如图1所示。所有采用嵌贴加固试件的CFRP 板均位于槽的正中心，采取表面贴贴加固方式的试件不开槽，只将CFRP 板粘贴于相对应的位置，表层嵌贴加固试件则将CFRP 板嵌贴方向改为水平方向，试验参数见表2。

表2 试验参数设计Table 2 The design of test parameter

图1 水平嵌贴CFRP板单剪拔出试件（单位：mm）Fig.1 The single shear pull-out specimen reinforced by horizontal-embedded CFRP strips(unit:mm)

1.3 试验加载与量测

以HE-15、HE-20 试件为例，其单剪拔出试验加载装置如图2 所示。EB 试件将CFRP 板粘贴表面，NSM 试件的CFRP 板嵌贴方向改为竖向，并使CFRP 锚具相应旋转90°。从图2 中可以看出，被加固试件均通过锚杆固定在挡板上，在加载端依次在同一轴线上布置空心千斤顶、传感器、CFRP 锚具。通过空心千斤顶顶推CFRP 锚具实现加载，在CFRP 加载端布置位移计，测量试件的端部滑移。CFRP 应变片沿整个黏结长度以40 mm 间隔进行布置，共8 个测点，加载时以2 kN 为一级，每级加载间隔2 min，用东华DH3822 应变仪采集每一级加载的CFRP 应变值。水平嵌贴CFRP 板加固试件的应变布置如图3所示。

图2 水平嵌贴CFRP板试件单剪拉拔试验加载装置Fig.2 The single shear pull test loading device for horizontalembedded CFRP strips specimen

图3 CFRP板加固试件的应变布置（单位：mm）Fig.3 The strain gauge layout of CFRP strips(unit:mm)

2 试验现象及力学行为

EB 试件试验现象及力学行为：①加载至20 kN 时，能听到轻微的嘣响声，此时距加载端较近的黏结段开始出现CFRP 板与混凝土界面滑移。②加载至24 kN 时，能听到较明显的撕裂声，更多的CFRP 板与混凝土出现剥离，此级荷载明显掉力。③最终加载至26 kN 时，试件CFRP 板与混凝土界面发生剥离破坏，破坏界面的CFRP 板上附着一层薄混凝土，距自由端较近的混凝土表面附着一层薄碳纤维基体。EB试件破坏形态如图4所示。

图4 EB试件破坏形态Fig.4 The destruction of EB specimen

NSM 试件试验现象及力学行为：①加载至42～46 kN 时，能听到多次明显的嘣响声，此时距加载端较近的黏结段内CFRP 板与树脂开始发生界面滑移，CFRP 板拉伸正应力逐渐向自由端传递。②最终加载至74 kN 时，发出一声巨响，CFRP 板与树脂出现整体剥离。NSM 试件破坏形态如图5所示。

图5 NSM试件破坏形态Fig.5 The destruction of NSM specimen

HE-15 试件试验现象及力学行为：①加载至24 kN 时，能听到轻微嘣响声，此时距加载端最近2 个应变测点间黏结段内的CFRP 板与树脂发生界面滑移。②加载至40 kN 时，能听到剧烈的嘣响声。表明：此级荷载下，界面滑移行为非常明显，CFRP 板拉伸正应力进一步向自由端传递。③加载至56 kN 时，发出一声巨响，CFRP 板与树脂出现整体剥离。HE-15试件破坏形态如图6所示。

图6 HE-15试件破坏形态Fig.6 The destruction of HE-15 specimen

HE-20 试件试验现象及力学行为：①加载至42 kN 时，能听到轻微的嘣响声，此级荷载下距加载端较近的黏结段内CFRP 板与树脂开始发生界面滑移。②最终加载至61 kN 时，发出一声巨响，CFRP 板与树脂出现剥离破坏。HE-20 试件破坏形态如图7所示。

图7 HE-20试件破坏形态Fig.7 The destruction of HE-20 specimen

3 试验结果与分析

3.1 黏结承载力

试件的黏结承载力最能直观反映试件的黏结性能。各试件的黏结承载力情况如图8所示。从图8 中可以看出：①EB 试件的黏结承载力只有26 kN，远低于其他试件的，这是因为CFRP板与混凝土采用表面粘贴加固法时，主要为单面粘结，其黏结效果要远低于表层嵌贴加固法的与水平嵌贴加固法的。②NSM 试件黏结承载力最高，表明：表层嵌贴CFRP 板与混凝土的界面黏结性能最好。③HE-15 和HE-20 两个试件的黏结承载力均在56 kN以上，远大于EB试件的，虽不及NSM 试件的，但平均黏结承载力达到了NSM 试件黏结承载力的79%。表明：水平嵌贴CFRP 板与混凝土的界面黏结性能较强，在开槽深度有限的情况下是一种值得考虑的新加固工法。

3.2 CFRP板应变与黏结剪应力

试件HE-15 的CFRP 板应变分布如图9 所示。以该试件为例，结合式（1）能得到两相邻应变点间的黏结剪应力τ，推出每级荷载下的黏结剪应力分布[12]：

图9 HE-15 CFRP板应变分布Fig.9 Strain distribution of HE-15 CFRP strip

式中：τ（x，xi+1）为第i、i+1个测点间的黏结剪应力，其中i测点距离加载端更近；xi为第i个测点距原点的轴向距离；εi、εi+1为第i、i+1个测点的CFRP 应变值；Ef为CFRP 弹性模量；bf和tf分别为CFRP的板宽和板厚。

在式（1）中，以CFRP 加载端为原点，以CFRP 板轴向为横向坐标轴，可计算出40 kN 时各试件的黏剪应力分布，如图10所示。由于EB试件黏结承载力低于40 kN，因此不予对比。根据黏结剪应力的分布，能判断出CFRP 板由加载端向自由端的拉伸正应力传递长度。相同荷载下，应力传递长度越短，CFRP 板剩余可供黏结承载的长度越长，其与混凝土的界面黏结性能越好。从图10 中可以看出，NSM、HE-15、HE-20 三个试件的应力传递长度分别为距离加载端140、218、187 mm。

图10 40 kN时各试件黏结剪应力分布Fig.10 Distribution of bond shear stress of each specimen at 40 kN

分析应力传递长度可知：①相同荷载下，NSM试件的应力传递长度要小于HE-15、HE-20试件的。表明：表层嵌贴加固试件的界面黏结性能要优于水平嵌贴加固试件的。②NSM 试件应力传递长度比HE-15 试件的短78 mm，相差较大，但NSM 试件槽的横截面积大于HE-15 试件槽的，总环氧树脂用量要大。因此，HE-15试件的界面黏结性能较NSM 试件的差。③NSM 试件的应力传递长度比HE-20 试件的仅短了47 mm，相差不大。④40 kN 时，HE-15、HE-20 两个试件的平均应力传递长度约200 mm，而NSM 试件仅加载至47 kN时，应力传递长度便达到了200 mm。表明：水平嵌贴CFRP板与混凝土界面黏结性能较好。

3.3 荷载-端部滑移

各试件的荷载-端部滑移曲线如图11所示。基于安全考虑，所有试件在最后几级荷载均不记录端部滑移值。荷载-端部滑移曲线如图11所示。从图11 中可以看出：①EB 试件CFRP 板与混凝土界面黏结性能最弱，在20 kN 左右曲线斜率骤降，端部滑移值增长明显，随后CFRP 板与混凝土出现剥离破坏。②荷载-端部滑移曲线斜率能反映试件的黏结刚度，NSM 试件的曲线斜率略大于HE-15、HE-20试件的，但总体上相差不大。表明：水平嵌贴CFRP 板与混凝土界面黏结刚度与表层嵌贴加固试件的相当。