CFRP加固混凝土梁的冻融试验研究

张 勇 卜娜蕊 马国庆

（1.石家庄文涛建筑设计咨询有限公司；2.河北建筑工程学院）

FRP在土木工程加固中的应用越来越广泛，其中应用较多的是碳纤维和玻璃纤维.玻璃纤维由于自身的性能限制而制约了其在工程上的大力应用.碳纤维以高强、耐腐蚀、耐高温等良好的性能在加固工程领域得到日益广泛的应用.在我国北方地区，潮湿环境中的混凝土结构不可避免的容易受到冻害作用，并引起混凝土的开裂和剥落，且进一步造成钢筋锈蚀等更严重的破坏.碳纤维其对混凝土的长期加固性能未得到证实.因此，研究碳纤维加固混凝土构件在冻融循环作用下的耐久性很有现实意义.基于此，本研究对碳纤维加固混凝土构件的冻融破坏进行了试验研究，希望对碳纤维在工程加固上的应用提供试验依据，为后继的研究工作提供参考.

1 试验概况

1.1 试验材料

试件混凝土设计强度等级为C30，采用国产碳纤维布，粘结剂采用国产环氧树脂.碳纤维和环氧树脂的性能参数见表1和表2.

表1 碳纤维布的性能指标

表2 结构胶的材料参数

1.2 试验设计

试验采用的素混凝土试件的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm.试验试件为6个试件.冻融循环的主要变化参数为循环次数，试件加载时采用三分点加载，加载示意图见图1.冻融循环试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ 82-85）中抗冻性能试验的快冻法进行，每次冻融循环时间是3 h，控制试件中心温度最低（－17±2）℃、最高（8±2）℃.冻融循环次数2组试件为25次、2组为50次，并将冻融次数作为参数变化.根据预计的破坏荷载值，采用压力试验机，量程为200 k N.为准确量取混凝土和纤维在受荷状态下的应变，在构件的纯弯段粘贴应变片并采用国产数据采集系统自动采集.试件的编号、开裂荷载、开裂应变、极限荷载和跨中位移的数据见表3.

表3 试验梁的加固情况与主要试验结果

图1 混凝土试验梁的加载示意图

1.3 试验结果及分析

（1）粘贴碳纤维布对构件的加固作用分析

对未加固的混凝土试件在施加荷载时，试件一开裂，裂缝就迅速发展，试件发生脆断破坏；由碳纤维加固的试件开裂后并未直接发生破坏现象，说明经过碳纤维加固后试件延性有所提高.试验结果表明，粘贴碳纤维加固的混凝土试件较之未加固的试件承载力提高较明显，开裂荷载和极限荷载分别平均提高了23.7%和88%.图2为由碳纤维加固的混凝土试件的荷载一应变曲线.在混凝土开裂前，碳纤维的应变很小，但碳纤维仍发挥了很大的作用，弥补了混凝土抗拉强度低的不足.混凝土开裂后，受拉区的混凝土完全退出工作，碳纤维的应变急剧增加.随着纤维的应变增加，加固的混凝土试件的承载力也相应增加.试验现象表明碳纤维加固的混凝土试件在破坏时发生的是剥离破坏，破坏比较突然.

图2 BI-2试验梁荷载－应变曲线图

（2）冻融对加固混凝土试件的整体影响观察试验现象发现：经过25次冻融循环后，混凝土梁试件表面有轻微的剥离现象；经过50次冻融循环后，混凝土试件表面的剥离现象已经很明显，试件表面已有明显的粉末状物.表3的试验数据表明：在经过25次和50次冻融循环后，混凝土试件的抗拉强度分别平均下降了24%和39%.可见，冻融循环对混凝土试件有较大的不利影响.冻融循环对由碳纤维加固的混凝土试件的整体影响比较复杂，要考虑的因素包括：①冻融循环对混凝土的影响；②冻融循环对碳纤维的影响；③冻融循环对碳纤维与混凝土之间的粘接力的影响.冻融循环对混凝土的影响，笔者已经做了讨论.而冻融循环对纤维的影响方面，当混凝土梁变形较小时，冻融循环对纤维片材性能的影响并不会降低纤维片材加固混凝土梁的效果；当混凝土梁变形较大时，由于冻融循环使纤维片材变脆，从而会使加固的混凝土梁的延性降低.冻融循环对混凝土与纤维之间的粘接的影响，纤维片材与混凝土的粘接易受到冻害的影响.所以，冻融循环后碳纤维加固混凝土试件整体的力学性能下降.在试验中，表3的试验数据表明：经过碳纤维加固的试件经过25次和50次的冻融循环后，延性明显下降.从承载力分析，经过碳纤维加固的混凝土试件，冻融循环对其影响也较大.经过25次冻融后的加固试件BI-5与对比试件BI-1相比开裂荷载和极限荷载分别平均下降了17%和15%，而经过50次的冻融循环的加固试件BI-6却平均下降了65%和42%.在试件开裂之前，纤维的应变发展仍不大，平均应变分别为270（经过25次冻融后的加固试件）和189（经过50次冻融后的加固试件），但纤维还是起着很大的作用.说明在粘接良好的条件下，碳纤维加固对混凝土试件的抗冻融起到一定的有利作用.经过50次循环承载力下降幅度较大，这是因为冻融循环对纤维与混凝土的粘接起到了不利影响，从而影响了碳纤维对混凝土试件的加固作用.

1.4 结 论

（1）未经冻融的混凝土试件经过碳纤维加固后，其力学性能得到了提高，开裂荷载和极限荷载分别平均提高了23.7%和88%.经过碳纤维加固的混凝土构件的变形满足《混凝土结构设计规范》中规定值，说明碳纤维的加固是有效的.

（2）冻融对混凝土试件的受力性能有较大的不利影响.

（3）碳纤维加固的混凝土试件的跨中位移，经过25次冻融循环后试件的变形仍满足规范的要求，说明碳纤维的加固是有效的.碳纤维基本能满足寒冷地区的加固要求.

（4）碳纤维加固的混凝土试件经过50次冻融循环后，承载力降低程度较大，这是由于冻融循环对纤维和混凝土之间的粘接产生了不利影响.