混凝土表面处理对FRP加固效果的影响

王 健

(石家庄市公路管理处勘测设计队)

1 概述

目前，采用“纤维增强聚合物”(FRP)对混凝土桥梁进行加固已非常普遍。这是因为它具有强度高、质量轻、耐腐蚀等优点。但是，有时会出现纤维织物开胶现象，这也是FRP加固遭人非议的主要理由。开胶可能于两种混凝土表面缺陷有关，一是气泡，二是裂缝。按施工指南要求FRP粘结前必须对混凝土表面进行严格处理。包括消除浮浆，并露出粗集料;填补气泡和裂缝注浆。

2 气泡和裂缝的不利影响

对混凝土表面的气泡如果不予处理就意味着减小了FRP和混凝土之间的粘结面积，消弱了两种材料的谐同性，甚至导致早期开胶。由于在操作时碾压不充分，气泡还可能存在于环氧树脂和FRP之间，虽然当初看不问题，时间长了也同样会出现剥离现象。

气泡的存在对加固效果的影响与气泡大小、形状有关。大部分学者认为，气泡对FRP和混凝土的粘结力有不利影响。然而，绝对杜绝气泡是很困难的，所以有人提出，对气泡处理与否应该有一个限值。曾有人建议:凡直径大于φ12mm，或深度大于3.2mm的气泡均应进行填封;但也有人认为φ15mm以下气泡对粘结力无多大影响，可以不去管它。

同样，混凝土表面裂缝也会对FRP加固效果产生不利影响。裂缝的存在不利于力的传递，还可能造成FRP被拉断。对带裂缝的混凝土梁进行FRP加固已有很多研究，结果指出，与未开裂梁相比，其刚度和极限强度略有降低，但整体性能没有多大区别。也就是说，固有裂缝的存在进行FRP加固时，仍能取得较满意的效果。1996年曾对一批预应力实心板和空心板进行了试验:先加载至接近板的抗弯强度(已开裂)，然后用CFRP进行加固。结果表明，实心板恢复了强度的90%，空心板恢复了178%。

现有的规范或指南，大多要求对混凝土表面裂缝进行处理。对小裂缝可以进行封闭，对大于0.25 mm的裂缝必须进行注浆处理。本文试图通过理论研究和实践观测确定出需要处理的阈值。

3 两种加固工艺

用碳纤维增强聚合物(CFRP)加固桥梁时有两种形式:

(1)层铺法:这是我们最常用的方法。首先，将成卷的碳布运至工地，根据尺寸要求进行裁剪，然后一层环氧树脂一层布，贴在混凝土表面上，使碳布充分浸渍在环氧树脂中，也称湿铺法。

(2)成品板粘贴法:加固材料是在工厂内制成的成品板(棒)，它自身就是CFRP材料。用环氧树脂把成品板粘贴在混凝土表面即可。也有采用嵌入法加固的:先在混凝土保护层中开槽，槽内填充环氧树脂，然后将CFRP板(棒)嵌入其中，最后将挤出的环氧树脂抹平。

4 混凝土表面气泡的限值

4.1 湿铺法

试验观测到，荷载达到峰值后，FRP出现开胶现象。开胶发生在跨中，逐渐向两端发展。U形箍破坏后，荷载再不增加。与4条U形箍相比，设11道箍时，承载能力提高，挠度减小。4道箍是FRP开胶破坏，11道箍是FRP拉断破坏。

气泡的大小对梁的开裂荷载及钢筋屈服荷载没有明显影响。

4.2 成品板粘贴

将厂家产生的CFRP板直接粘贴在混凝土表面上或嵌入混凝土保护层内。此时，在相同的面积比(气泡面积占粘贴面积的百分比)时，随着气泡尺寸的加大，荷载峰值、跨中挠度和FRP的应变均相应减小;气泡直径越大，梁的延性越小;弯曲(或弯剪)裂缝的出现引起FRP开胶，承载力大幅下降。

5 裂缝宽度的限值

5.1 湿铺法

设4道U形箍的梁，在不同裂缝深度和间距时，其“荷载—挠度”曲线的斜率基本相同;当U形箍从4道增加到11道时。被加固梁显示出相当大的强度和延性，还改变了结构破坏模式，但不同的裂缝宽度对被加固梁的影响并不显著。

5.2 成品板粘贴

较密的裂缝会引起挠度和FRP应变的增加，它对刚度影响较大，而对强度影响不大，这类加固，梁的破坏都是由FRP开胶引起的。

6 结论

试验研究旨在探讨混凝土表面缺陷对加固效果的影响。采用的变量有:气泡的大小和深度;裂缝的宽度和间距;U形箍的数量。这些参数的前提是:气泡是圆形;气泡面积占粘贴面积的5%;FRP开胶系对称发生;FRP片(板)采用单层粘贴;采用U形箍进行锚固。结论汇总如下。

(1)无论开胶是什么形式和多大范围，在用4道箍锚固时，开胶是引起加固梁破坏的主要原因。开胶始自跨中附近，然后向支座方向逐步扩展。当U形箍被拉断时，加固梁发生破坏。

(2)当U形箍从4道增加到11道时，会改变梁的破坏模式:从FRP被拉断破坏。

(3)无论锚固强弱和破坏模式如何，混凝土表面气泡只要控制在一定范围之内，对加固梁的整体性没有多大影响。目前设计规范和施工指南规定的φ12.7 mm为气泡直径的控制值过于保守。

(4)现行规范规定，凡宽度大于0.25 mm的裂缝均需注浆处理过于保守，建议改为0.8 mm作为宽度限定值，这主要是针对加固梁的耐久性。裂缝间距对加固梁的总体性能有影响。当裂缝宽度为0.25～0.8 mm时，裂缝间距小于38 mm时应适当处理。

总之，这里定出了对混凝土表面各种缺陷处理的阈值，超过该值时应进行处理。