2003年我國工程建設標準化協會頒布《碳纖維片材加固修復混凝土結構技術規程》 (CECS146:2003) , 采用的是表面粘貼法—將CFRP片材粘貼在加固部位表面的加固方法。近年來國外研究應用[1,2,3]的表層嵌貼加固法是把碳纖維加固材料嵌貼在混凝土保護層內它具有:可避免CFR P材料磨損, 適合于橋面板和連續梁負彎矩區域的加固;CFRP材料與混凝土的粘結表面積增大, 提高了CFRP的利用率;可用于惡劣環境下 (高濕、高溫、凍融、耐火、耐久性能) 等優點, 有著廣闊的工程應用前景。
目前國內的研究尚在起步階段, 研究表明, 表層嵌貼加固梁的抗彎承載力高于表面粘貼加固梁, 本文對5根混凝土表層嵌貼CFRP板條的T形截面梁進行梁式拉拔粘結破壞試驗, 選取加載方式、粘結劑種類作為研究的重要參數。
注:試件編號中數字3—1點加載、3點彎曲;4—2點加載、4點彎曲;E1—環氧樹脂XH111A/B;E2—環氧樹脂XH130A/B/C;C—水泥砂漿;CE—XH111A/B改性水泥砂漿;bl—CFRP板嵌貼長度。
1 試驗方案
1.1 試件設計
試件如圖1所示, 通過梁的跨中截面縱筋不連續、受拉區跨中開槽精確控制裂縫位置, 保證加載時裂縫首先出現在跨中;采用C25混凝土, 實測立方體抗壓強度平均值為25.8MPa。
為避免跨中受壓區混凝土壓碎, 由受彎構件基本公式:
按混凝土壓碎破壞計算:
按CFRP筋破壞計算:
為確保試驗時梁跨中不出現混凝土壓碎破壞, 試驗還取CFRP筋面積大于實際試驗值50%, 即Af=72mm2進行驗算。
按混凝土壓碎破壞計算:
按CFRP筋拉斷破壞計算:
由此可知構件不會出現混凝土壓碎破壞。
剪跨比λ=ah0=300250=12.為斜壓破壞, 抗剪驗算時取λ=5.1, 在構件中配置φ10@100的箍筋, 根據集中荷載作用下抗剪承載力計算基本公式:
計算可得:Vcs=127.84KN;
試驗荷載P4=2Vcs=255.68KN大于按受彎構件承載力計算的試驗破壞荷載238.47KN, 試件具有足夠的抗剪承載力。
目前工程中大量使用的現澆鋼筋混凝土受彎構件為梁板整澆構件, 形成帶翼緣的T型截面梁, 故本文采用T型截面梁進行研究更具有代表性和實用價值。T形截面梁式試件也是國內外研究人員常用的試件形式 (如圖1) 。
粘結劑種類是影響粘結性能的重要參數, 現有結構加固膠大都為有機膠, 耐久性、抗腐蝕性及環保性能都有所欠缺, 且成本高。本文采用環氧樹脂XH111A/B改性水泥砂漿、環氧樹脂XH111A/B、環氧樹脂XH130A/B/C及普通水泥砂漿4種粘結劑作粘結對比試驗, 環氧樹脂XH111A/B中環氧樹脂和固化劑的質量比是2∶1, 環氧樹脂XH130A/B/C中環氧樹脂、固化劑、石英砂的質量比是3∶1∶4, 環氧樹脂XH111A/B改性水泥砂漿中環氧樹脂XH111A/B與水泥砂漿的配合比為1∶1, 其立方體抗壓強度的實測平均值為21.47MPa;水泥砂漿立方體抗壓強度的實測平均值為20.19MPa, 環氧樹脂粘結劑力學性能見表1。
選取CFRP板的嵌貼長度lb為450mm, 分別采用1點加載 (三點彎曲) 和2點加載 (四點彎曲) 加載方式考察其對粘結性能的影響。試件情況見表2。
1.2 儀表布置及加載
試件加載方式、應變片布置和CFRP板條嵌貼示意如圖2所示, CFRP板條在研究半跨內按設計的嵌貼長度嵌貼, 在另半跨內通長嵌貼, 以保證破壞發生在研究段;為進一步了解應變沿CFRP板條長度與寬度方向的變化規律, 試件除沿縱向布置應變片外, 在個別試件跨中CFRP板條橫向的上中下也各布置一片應變片 (圖2c) ;為便于觀察混凝土表層嵌貼CFRP板裂縫開展情況試驗采用手動千斤頂反向施加荷載, 通過分配梁提供1點加載 (三點彎曲圖2a) 和對稱2點加載 (四點彎曲圖2b) , 跨中和支座處分別布置百分表測量試件撓度, 加載采用控制跨中撓度方式, 加載步長根據嵌貼長度在0.3mm-0.5mm調整, 在加載后期為捕捉到準確的極限粘結承載力, 適當減少加載步長。
2 試驗現象分析
2.1 開裂分析
采用XH111A/B改性水泥砂漿和XH111A/B粘結劑的試件, 當加載端應變片數值在1500-2000µε時, 在試驗梁跨中預留槽底部出現一條大約1/2梁高的主裂縫, 周圍伴有細小的混凝土裂縫, 繼續加載, 跨中裂縫迅速向翼緣處擴散, 加載端應變增加幅度遠大于開裂前的增加幅度, 加載端CFRP板-膠-混凝土界面出現細小的斜裂縫, 斜裂縫與CFRP板條受拉方向形成大約60°夾角 (圖3) , 裂縫發展區域從CFRP板條加載端向自由端擴展。新裂縫區域的裂縫性狀與加載端裂縫出現伊始的情況相同, 較早出現膠層裂縫的區域, 板-膠界面剝離跡象清晰可見, 在界面處可以觀察到滑移產生的極少的白色環氧樹脂粉屑及一些粘結劑碎片。此時加載端混凝土斜向主裂縫擴展至梁側, 與CFRP板條受拉方向大約成30°。當荷載處于較高水平時, 加載端混凝土主裂縫寬度明顯增加, 有拉出之勢。
2.2 曲率分析
三點彎曲在嵌貼長度內的曲率變化率較四點彎曲的大 (圖4) , 曲率越大, 板受拉內外邊緣應變差越大, 當外邊緣發生剝離后次外邊緣有可能還沒有剝離, 其粘結剪應力還沒有達到峰值。曲率越小, 沿板寬度方向越接近于同時剝離, 此時測得應變值就越大。同時若兩截面的曲率差值越大, 則此兩截面的應變差也就越大, 此時由應變得出的剪應力就越大。
2.3 CFRP板條應變分布規律
4E1/L450試件CFRP板條在不同荷載水平下的應變分布圖 (應變片布置見圖2c表中數值為每一級加載時CFRP板條的拉力, 單位KN) 。在加載過程中, CFRP板加載端附近首先產生應變, 隨著荷載增加, 距離加載端稍遠處也開始產生應變, 同時已經產生應變的區域應變持續增長。先后出現應變的相鄰應變片間形成應變差, 該區間內開始承載粘結剪應力。當應變增加到3000µε-4000µε, 級差開始減小, 可知各個試件加載端的粘結剪應力有一個峰值;當加載端應變測點的應變值增加到7000µε水平以后, 相鄰應變測點的應變差近似為常量, 各級荷載水平下的應變曲線接近平行分布。各試件CFRP板條的應變分布規律大致相同。CFRP板應變ε (µε)
3 影響因素
3.1 加載方式影響
各試件試驗結果匯總見表3。由表中可知, 三點彎曲的纖維板極限粘結承載力及跨中繞度都較四點彎曲的高。
由此可知在試件開裂后, 撓度相同的情況下, 三點彎曲試件的跨中彎矩大于4點彎曲構件, 其極限撓度和極限彎矩均高于4點彎曲構件。粘結剪應力峰值與試件抗彎剛度有明顯關系, 試驗結果發現, 破壞界面的峰值剪應力越大, 試件的抗彎剛度越大, 承載力越高。
3.2 粘結劑影響
不同粘結劑試件的彎矩-撓度曲線。4E2/L450試件采用XH130A/B/C粘結劑與CFRP板的粘結性能較差, 在試件開裂時, 加載端開始發生剝離, 隨著荷載的增加, 剝離破壞很快擴展至自由端, 加載端CFRP板應變值較小, 膠層沒有觀察到裂縫, 粘結劑本身未充分發揮其抗拉強度, 粘結承載力低。
4C/L450試件采用水泥砂漿粘結劑與CFRP板的結性能更差, 在試件開裂后, 即發生剝離破壞, 雖然試驗實測跨中彎矩-撓度曲線上有一延性段, 此延性段是CFRP板和粘結劑殘余摩擦力提供的粘結承載能力, 并非表明水泥砂漿粘結劑試件的剝離破壞為延性。另外在養護期間, 由于水泥砂漿在結硬過程中出現了微裂縫, 也是致使其粘結性能不佳的原因之一。
4E1/L450試件采用環氧樹脂XH111A/B粘結劑與CRFP板、混凝土都具有良好的粘結性能。采用環氧樹脂XH111A/B作為粘結劑的試件破壞時CFRP板內應變都大于采用其它粘結劑的試件, 較充分地發揮了CFRP板的高強性能。
4CE1/L450試件采用環氧樹脂XH111A/B改性水泥砂漿粘結劑, 它與CRFP板、混凝土也具有良好的粘結性能, 能充分地發揮CFRP板的高強性能, 其破壞形式基本同4E1/L450試件。環氧樹脂XH111A/B改性水泥砂漿和普通水泥砂漿的立方體平均抗壓強度實測結果僅差6%, 但兩者的粘結性能差別很大。本文配制的XH111A/B改性水泥砂漿, 通過極限承載力比較可以看出其極限承載力及粘結性能完全能代替XH111A/B粘結劑。
4 結語
粘結劑是影響粘結性能的重要因素采用不同粘結劑, 試件的極限粘結承載力和破壞模式有較大不同。環氧樹脂XH111A/B及環氧樹脂XH111A/B改性水泥砂漿都具有良好的粘能, 后者成本低、環保、性能優良, 具有巨大的工程應用前景, 但其耐久性能和抗腐蝕性還有待驗證。XH130A/B/C粘結劑不能發揮CFRP板的高強性能, 因此不宜采用。普通水泥砂漿的粘結承載力低, 工程中不應直接采用。
混凝土強度對粘結性能、破壞模式的影響尚需進一步研究。
摘要：采用表層開槽、嵌貼CFRP板條的混凝土結構加固新技術, 對5根T形截面混凝土梁進行改進梁式拉拔粘結試驗, 研究了影響混凝土表層嵌貼CFRP粘結機理的兩個主要因素:加載方式和粘結劑種類。分析討論了試件的破壞模式與粘結性能, 提出了問題及建議, 供實際工程加固參考。
關鍵詞：表層嵌貼加固法,碳纖維增強復合材料板條,粘結劑種類,粘結破壞模式,加載方式
參考文獻
[1] 周延陽.混凝土表層嵌貼CFRP板黏結機理研究[D].杭州:浙江大學, 2005.
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[3] 姚諫, 朱曉旭, 周延陽.混凝土表層嵌貼CFRP板條的黏結承載力[N].浙江大學學報 (工學版) , 2008.