不同环境荷载下用碳纤维布加固的混凝土刚度与粘接性能分析

任兵战

(中铁房地产集团 华东有限公司,浙江 杭州 310011)

碳纤维布是以碳纤维为组分,以树脂为基体,通过特殊加工技术加工后而生产出的一种纤维增强聚合物(FRP)[1],这种碳纤维布包含碳纤维材料、芳纶纤维材料等,不同种类的碳纤维布力学性能也各不相同,但是均广泛应用于混凝土的加固工程之中。众多研究者都尝试探索提升混凝土结构性能的方法,有学者尝试使用外加剂改变混凝土的性能,还有学者尝试改变水灰比,提升混凝土结构的性能[2-3]。

研究尝试使用碳纤维布对混凝土结构加固处理,利用环氧树脂胶粘剂将碳纤维布与混凝土结构进行粘接传力。当一层碳纤维布无法达到预期的加固性能时,采用双层加固的方法,利用环氧树脂胶粘剂来粘接碳纤维布与混凝土结构。并在不同荷载、不同环境下开展具体试验,深入研究碳纤维布加固混凝土结构的粘接性能。

1 试验材料与方法

1.1 材料与仪器设备

1.1.1材料

纤维增强聚合布:山东盛鹏建筑材料有限公司;环氧树脂胶粘剂:河北宣海防腐材料有限公司;混凝土:廊坊哲航建筑材料有限公司;冰醋酸溶液:山西阳原神生物科技有限公司;碳酸钠溶液:淮安长虹化工有限公司;氯化钠溶液:上海雅叶生物科技有限公司。

1.1.2仪器设备

NTW疲劳试验机:济南华氏试验机有限公司;LS300B液压伺服试验设备:山东鲁功机械设备有限公司;水平液压作动器:济南恒乐科兴仪器设备有限公司;DBD-15冻融循环试验机:沧州昌志建筑仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1加固方式与试件制备

依据实际建筑施工工程中的建筑形式以及常见混凝土结构,采用施工现场已经制备完成的混凝土材料浇筑制作数个2层2跨的混凝土结构框架试件,各个试件都在相同标准温度、湿度环境中浇筑完成[12-14],同时在标准环境下养护28 d。

该混凝土结构包含多个梁柱节点,整体试件高3 m,长度为4 m,为满足不同试验条件需求,制作多个相同试件[15-17]。碳纤维布由碳纤维增强聚合布与树脂2部分组成,2种材料的基本性能如表1所示。

表1 材料性能

碳纤维布加固混凝土结构的方式:

试件1:空白对照组,未包裹碳纤维布,纯混凝土结构;

试件2:条带形式包裹两层碳纤维布,每个条带之间间隔200 mm;试验使用的胶粘剂为环氧树脂胶粘剂,将碳纤维布与混凝土试件用环氧树脂胶进行粘接。

试件3:两层碳纤维布完全包裹混凝土,碳纤维布之间、碳纤维布与混凝土结构之间均依靠环氧树脂胶粘剂进行粘接传力,包裹后试件表面不存在缝隙[10]。

1.2.2性能测试

研究在荷载与环境的共同作用下碳纤维布加固混凝土的粘接性能及结构性能。

1)地震荷载下加固混凝土结构破坏形貌

使用液压伺服试验设备开展试验,液压千斤顶向试件的2个柱施加150 kN的竖向地震荷载,加载计算中的轴压比选定为0.5,该轴压比为恒定。利用水平液压作动器向各个试件的顶部施加水平低周反复荷载。记录不同循环次数下,试件受到破坏的程度。

2)冻融循环下加固混凝土粘接结构性能分析

裁剪各个试件,获得各个试件的一部分,蒸馏水中静置7 d确保各个试件中的水分接近饱和,将各个试件置于冻融循环试验机开展快速冻融试验,循环次数根据实际试验需求确定,以GB/T 50082—2009为标准。每1 h冻融循环1次,冷冻温度设定为-30 ℃,熔化温度设定为28 ℃。使用液压伺服试验设备向各个试件施加荷载,统计并计算各个试件在不同冻融循环次数之下承载力的变化情况[11]。

3)腐蚀环境下加固混凝土粘接结构性能分析

使用质量分数5%冰醋酸溶液模拟的酸性环境,质量分数5%碳酸钠溶液模拟的碱性环境,质量分数5%氯化钠溶液模拟氯盐环境,开展干湿循环试验。将各个试件在各溶液中浸泡2 h后取出,室温环境中干燥3.5 h,重复以上步骤数次,测试不同试件在不同干湿循环后的抗压强度[12]。

2 试验结果

2.1 地震荷载下加固混凝土破坏形貌结果

各试件的破坏形貌如图1所示。

(a)试件1初次施加

由图2(a)、(b)可知,试件1在初次地震荷载作用下就出现混凝土轻微脱落,且表面出现细小裂缝,地震荷载循环5次以后试件表面出现严重贯穿裂缝,且裂缝宽度较大,地震荷载加载过程中,试件框架发出较大声响,表面混凝土脱落明显。

图2 冻融循环条件下各试件承载力

试件2在地震荷载循环10次时碳纤维布加固的位置未出现明显破坏,只在未缠绕碳纤维布的间隔位置处出现少量混凝土脱落,地震荷载循环30次以后碳纤维布出现少量破损,但是碳纤维布下的混凝土没有出现明显断裂或者裂缝情况,经试件表面出现混凝土脱落情况。

试件3地震荷载循环10次时,试件表面碳纤维布没有出现明显破损,荷载循环50次以后,试件表面包覆的碳纤维材料出现崩坏,但是碳纤维布下的混凝土结构没有出现明显破坏,因此使用碳纤维布完全包覆加固混凝土结构的方式能够极大程度提升混凝土结构的抗震性能。

2.2 冻融循环下加固混凝土结构承载力分析结果

使用冻融试验机验证不同循环次数下各个试件的承载力变化情况,结果如图2所示。

由图2可知,各个试件受到冻融循环影响,承载力均呈现出较为显著的下降趋势,冻融次数越多,混凝土自身的抗压强度越低,导致混凝土结构整体的承载力也发生下降。未经任何加固措施的试件1在冻融循环初期,试件承载力迅速下降,但是冻融循环中间阶段,试件的承载力下降趋势减缓,说明混凝土结构初期丧失大量承载力以后,后期达到一个适应值,因此承载力水平不再发生明显变化。使用碳纤维布加固后的两种试件尽管在冻融循环影响下,承载力也出现不同程度的丧失,但是这两个试件受到碳纤维布粘接的加固保护,承载力的下降值较小,其中试件3使用碳纤维布全包覆混凝土结构,冻融循环初期承载力下降并不大,即使在长期冻融循环环境中,仍保持较高承载力,说明使用这种混凝土粘接加固方法能提升混凝土结构的耐久性与承载力。

2.3 腐蚀环境下加固混凝土结构性能分析结果

通过在不同腐蚀环境中干湿循环模拟沿海陆地区域海洋气候环境下,混凝土结构经过加固后耐腐蚀性能,试验结果如表2所示。

表2 腐蚀环境下抗压强度

由表2可知,干湿循环次数不断增多导致各个试件的抗压强度不断降低,其中试件1下降速度最快,酸性环境下干湿循环80次时,混凝土的抗压强度只有27.88 MPa,不能实现混凝土的正常工作。试件3始终保持较高抗压强度水平,无论何种环境之中,混凝土的抗压强度始终未低于60 MPa,说明使用全包覆碳纤维布的加固方式能够提升混凝土在海洋气候环境中的耐腐蚀性能,使用寿命更长。

3 结语

以碳纤维布为加固原料,开展碳纤维布加固混凝土结构的具体试验分析,从各个仪器实际试验结果来看,使用碳纤维布完全包覆混凝土结构能够提升混凝土结构整体的承载力、抗震、抗腐蚀性能,体现了环氧树脂的粘接作用下碳纤维布较强的加固性能,将加固后的混凝土应用于沿海环境的桥梁、隧道、高层建筑结构之中,不但能够提升使用寿命,同时还能优化混凝土结构,获得更加良好的使用效果。