冻融环境下碳纤维聚合物加固混凝土施工技术研究

肖亮洲

(广东保辉建筑工程有限公司,广东 汕头 515071)

0 引言

在寒冷地区,冬天的温度通常低于零下20 ℃。结构柱和桥墩不仅要承受长期的结构荷载,还要承受严酷的寒冷条件。结构的承载力和耐久性直接关系到建筑安全[1]。大量研究表明,混凝土在冻融循环作用下发生冻胀问题。混凝土表面剥落,钢筋开始锈蚀,出现内部裂缝,不利于结构构件的承载能力。

因此,一些学者提出使用钢管和收缩补偿材料形成的加固系统来加固混凝土构件。刘泽平等[2-3]采用预制CFRP/GFRP和钢管加固混凝土短柱,并通过无收缩灌浆对FRP进行后张。试验结果表明,采用预应力GFRP加固的短柱的横向应变是未施加预应力的GFRP包裹柱子的2倍,而采用预应力CFRP加固的试件的纵向和横向变形是无约束混凝土试件的10倍。张荣振等[4]研究了用CFRP、钢管和自密实混凝土加固的方形桩柱的轴向压缩性能。张立群等[5]指出,在钢筋混凝土(RC)结构的加固过程中,外接纤维增强聚合物(FRP)复合材料的利用率仅为35%。张向冈等[6]提出,在预制FRP外壳和矩形柱之间浇筑补偿收缩混凝土作为加固材料,具有优越的力学性能。结果表明,采用FRP复合材料和补偿收缩混凝土加固的矩形柱的轴向强度和极限轴向压缩应变显著提高,在地震荷载作用下的力学性能也有所改善[7]。然而,该方法在冻融环境下具有较差的力学性能。

基于上述研究情况,本文研究CFRP和收缩补偿混凝土加固受压构件在冻融环境下的力学性能,利用碳纤维增强聚合物(CFRP)和补偿收缩自密实混凝土(ESCC)组成的加固系统对CFRP外壳施加后张应力,进一步消除应力滞后,并发挥约束作用,以提高混凝土短柱在冻融环境下的力学性能。

1 试验方法与设计

1.1 碳纤维增强聚合物(CFRP)

本实验中使用的碳纤维增强聚合物为大连本地供应商提供的碳纤维单向编织布。粘合剂为建筑结构粘合剂,与碳纤维增强聚合物来自同一供应商。单向碳纤维增强聚合物织物与粘合剂的质量比为1∶3[8]。碳纤维增强聚合物样品的弹性模量和拉伸强度根据GB/T 3354—1999规范测定。实验结果如表1所示。试验中使用了铝合金加强筋,均匀地对试样施加载荷,防止试样因明显的不连续性而提前失效。试验仪器为300 kN万能试验机。试验采用位移控制,速度为2 mm/min。

表1 碳纤维增强聚合物的材料特性

1.2 混凝土

实验中使用了三种不同配合比的混凝土。混凝土采用抗压强度为30 MPa的常规强度混凝土。粗骨料为粒径5 mm～20 mm的碎石,细骨料为中粗河砂,细度模数为2.59。水泥采用P.O42.5的普通硅酸盐水泥,28 d立方体抗压强度为32 MPa。加固层分别采用抗压强度为40 MPa的自密实混凝土(NC40)和抗压强度为40 MPa的收缩补偿自密实混凝土(EC40)[9-11]。通过对比NC40和EC40,旨在比较不同类型混凝土加固层造成的差异。表2为混凝土受压构件(NC30)和加固层(NC40/EC40)的配合比。采用氧化钙膨胀剂作为膨胀剂,其质量分数为8%。

1.3 试验方法

共设计了32个混凝土短柱试件(试件配比如表3所示),受压混凝土构件的直径为150 mm,高度为300 mm。加固后,试样直径为200 mm,高度保持不变。试件的标注规则如下:第一个字母(即A/B/C)表示混凝土受压构件分别经历了25/75/125次冻融循环。中间带字母“L”的数字表示不同层数的CFRP。NC/EC分别代表加固层混凝土的类型,即普通自密实混凝土(NSCC)和收缩补偿自密实混凝土(ESCC)[11]。例如,A-1L-EC表示混凝土受压构件经75次冻融循环破坏后,使用单层CFRP和ESCC进行加固。

表2 混凝土配合比 kg/m3

表3 试件配比

冻融试验按照GB/T 50082—2009规范标准中的快速冷冻法进行。实验组试样被放置在冻融冰箱中以开展冻融损伤实验,对照组试样置于室温水中以确保试样环境的一致性。通过湿法铺设工艺预制了直径为200 mm的圆形碳纤维增强聚合物壳体。碳纤维增强聚合物的重叠长度为150 mm,以避免加固试件在抗压试验中因应力集中而过早失效。获得冻融循环后受损的混凝土受压构件后,将受损的混凝土受压构件和预制碳纤维增强聚合物外壳进行定位,并用酸性硅酮玻璃胶粘合板粘合。然后,在预制碳纤维增强聚合物外壳和受损混凝土受压构件之间的缝隙中浇筑加固层混凝土。养护28 d后,在进行轴向压缩试验前,对加固试件的表面进行打磨和整平。轴向压缩试验在500 t液压试验机上进行。应变采集装置由四个垂直位移采集器和四组纵向和横向应变仪组成,黏贴在试样中间。

2 结果与讨论

2.1 应力-应变曲线

由轴向压缩试验机得出的应力-应变关系曲线见图1。从图1中可以看出,使用单层CFRP加固的试件在经历非线性截面后进入水平截面,没有明显的软化行为,这表明使用CFRP和自密实混凝土有效地改变了混凝土受压构件在单轴受压下的软化行为。对于冻融循环次数分别为25次和75次的混凝土受压构件,采用收缩补偿自密实混凝土对CFRP施加后张拉应力的方法显著提高了混凝土受压构件的承载力,比普通混凝土的承载力分别提高了13.23%和4.22%。然而,当冻融循环次数达到125次时,收缩补偿自密实混凝土的增强效果弱于普通自密实混凝土。同时,使用双层CFRP加固的试件的加固效果明显优于单层CFRP加固的试件。

试件的极限承载力如图2所示。为了消除不同养护龄期对混凝土强度的影响,将试件的抗压强度fco用28 d立方体抗压强度fcu进行归一化处理。可以看出,经过25次冻融循环后,试件的承载能力略有提高,比对照组提高了10.26%。这可能是由于水泥在水环境中不断水化,从而进一步提高了混凝土的强度。当冻融循环次数增加到75次时,混凝土试件的承载力比对照组降低了5.13%。随着冻融循环次数的不断增加,混凝土试件的损坏程度也逐渐增加,与对照组相比,承载力下降了28.2%。

2.2 冻融试验

如图3所示,经过几个冻融循环后,混凝土表面的粘贴层首先脱落,混凝土受压构件表面变得灰暗不平。随着冻融循环次数的增加,混凝土进一步脱落并开始露出骨料。当冻融循环次数继续增加时,骨料周围的混凝土开始剥落,界面过渡区遭到破坏,骨料与基体之间的黏结逐渐失效,部分骨料开始剥落,导致质量损失和动态弹性模量损失开始下降。

混凝土受压构件的质量损失率、动态弹性模量损失率根据规范要求计算,结果如图4所示。从图4中可以看出随着冻融循环次数的增加,质量损失率和动态弹性模量损失率的变化趋势相似,说明冻融破坏对混凝土的破坏是一个递增的过程。且图4中的结果表明,前50次冻融循环对混凝土质量和动态弹性模量的影响相对较小。而75次冻融循环后,动态弹性模量损失率和质量损失率突然增加,分别为14.1%和2.5%。当冻融循环次数达到125次时,无混凝土加固层和CFRP的混凝土受压构件的动态模量损失率达到24.8%,质量损失率为5.3%。

2.3 峰值环向应变与轴向应变变化规律

图5为峰值环向应变εh和极限承载力Pu。随着冻融循环次数的增加,单层CFRP加固的混凝土受压构件的峰值环向应变和极限承载力呈先增大后减小的趋势。这一现象与经历冻融循环的混凝土受压构件的极限承载力的变化趋势相似。此外,125次冻融循环的峰值环向应变和极限承载力均低于25次冻融循环的峰值环向应变和极限承载力。与使用单层CFRP加固并经历25次冻融循环的试样相比,使用NC和EC加固的试样在经历125次冻融循环后的峰值环向应变分别降低了14.42%和15%,极限承载力分别降低了-9.23%和7.69%。这也表明混凝土受压构件的损坏影响了外层CFRP外壳的利用率。且受压构件的冻融破坏越严重,加固后的极限变形承载力就越低。采用双层CFRP加固的混凝土受压构件的峰值环向应变和极限承载力继续下降,这可能是由于双层CFRP外壳对混凝土受压构件的约束较强,改变了下降趋势。经过125次冻融循环后,NC和EC加固试件的环向应变峰值分别下降了15.07%和9.18%,极限承载力分别下降了21.12%和2.75%。

试样的峰值轴向应变与环向应变如图6所示。轴向应变峰值的变化趋势与环向应变峰值的变化趋势相似。一般来说,受到冻融破坏的压缩构件在加固后,其轴向应变和箍筋应变都会明显减小。图6为CFRP加固混凝土受压构件在轴向受压下的轴向应变-环向应变关系。对于采用后张法CFRP加固的混凝土受压构件,由于后张法应力的作用,环向应变有一个初始值,表明在加载初期CFRP外壳对混凝土受压构件的约束作用已经发挥出来。在试件受压初期,轴向应变-环向应变变化趋势基本保持平行,但随着荷载的不断增加,可以发现在相同轴向应变的情况下,采用普通自密实混凝土加固的混凝土受压构件表现出较大的环向应变,进一步表明采用普通自密实混凝土加固的受压构件比采用收缩补偿自密实混凝土加固的构件更容易受到破坏,横向体积膨胀更大。且从图中可以看出,除B-2L外,采用收缩补偿混凝土加固的混凝土受压构件具有更大的轴向变形能力。这表明,在加固受损的混凝土受压构件时,与CFRP结合的收缩补偿SCC比普通自密实混凝土具有更好的变形能力。

3 结论

1)试验结果表明,冻融循环对混凝土受压构件的破坏是一个渐进的过程。前50次冻融循环对混凝土受压构件的质量和动态弹性模量的影响相对较小。经过50次冻融循环破坏的混凝土受压构件的动态弹性模量损失率和质量损失率分别为5.9%和0.4%。完成75次冻融循环后,混凝土受压构件的破坏速度和程度迅速增加。当冻融循环次数达到125次时,混凝土受压构件的动态模量损失率为24.8%,质量损失率为5.3%。随着冻融循环次数的增加,混凝土受压构件的归一化极限承载力先上升后下降。与对照组相比,125次冻融循环后试件的极限承载力下降了28.2%,而75次冻融循环后试件的极限承载力下降了5.13%。2)CFRP外壳的加固效果优于单层CFRP,而采用收缩补偿自密实混凝土作为加固层的加固效果优于普通自密实混凝土。与使用单层CFRP加固并经历25次冻融循环的试样相比,使用NC和EC加固的试样在经历125次冻融循环后的环向应变峰值分别降低了14.42%和15%。极限承载能力分别下降了-9.23%和7.69%。同时,对于使用两层CFRP加固并经历25次冻融循环的试样,使用NC和EC加固的试样在125次冻融循环后的峰值箍筋应变分别降低了15.07%和9.18%,极限承载能力分别降低了21.12%和2.75%。