带工作裂缝GFRP筋混凝土梁抗弯性能受环境影响试验研究*

代 力 何雄君 杨文瑞 王 江

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

带工作裂缝GFRP筋混凝土梁抗弯性能受环境影响试验研究*

代 力 何雄君 杨文瑞 王 江

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

通过24根带工作裂缝玻璃纤维增强材料(glass fiber reinforced polymer, GFRP)筋混凝土梁的抗弯性能试验，研究了不同加速老化环境下对其抗弯性能的影响，得到了带工作裂缝GFRP筋混凝土梁在不同环境下的破坏形态、截面应变、荷载-挠度曲线.试验研究表明,不同工况下带工作裂缝GFRP筋混凝土梁受力变形直至破坏过程中，跨中截面实测应变分布基本符合平截面假定；不同环境下带工作裂缝GFRP筋混凝土梁的抗弯性能相差较大；处于水溶液、碱性溶液环境下预裂试件的抗弯承载力与室外环境下预裂试件的抗弯承载力相比分别降低了13.7%和35.3%；而对于非预裂试件而言，处于同样环境下浸泡的试件抗弯承载力与室外环境下相比分别降低了11.5%、7.7%；工作裂缝的存在使得试件的抗弯能力在室外环境、水溶液、碱性溶液中分别下降了10.90%、13.04%、37.50%.

混凝土梁；GFRP筋；预裂；加速老化环境；抗弯承载力

玻璃纤维增强材料(glass fiber reinforced polymer, GFRP)筋是由多股连续玻璃纤维作为增强材料与基体材料胶合，通过挤压、拉拔等工艺制成[1-2].近年来，国内外学者曾对GFRP筋混凝土梁的正截面抗弯性能进行了较为系统的理论和试验研究[3-8]，这些研究主要针对的是在室内环境下进行养护，待达到预期强度后即进行承载力试验的GFRP筋混凝土梁.本文对6组共24根带工作裂缝的GFRP筋混凝土梁在不同加速老化环境下的抗弯性能进行了试验研究，主要分析了裂缝、水溶液、碱性溶液环境等因素对GFRP筋混凝土梁抗弯性能的影响.

1 试验概况

1.1 材料性能

试验中采用GFRP筋由南京锋晖复合材料有限公司提供，GFRP以玻璃纤维为增强材料、乙烯基树脂及固化剂为基体材料，通过拉挤工艺加工成型.筋体表面采用喷砂处理，以增加筋体与混凝土之间的粘结力.GFRP筋名义直径为10 mm，相关力学参数(由厂商提供)见表1.

1.2 试件设计与环境作用

试验梁为矩形截面简支梁，截面尺寸均为b×h=80 mm×110 mm，跨度为1 100 mm.试件采用C30混凝土浇筑，纵筋为直径为10 mm的GFRP筋，GFRP筋保护层厚度为30 mm.

为模拟混凝土梁带裂缝工作的状态，用自制反力架对混凝土梁进行预裂加载.加载工况分为2种:第一种,施加开裂弯矩，待产生稳定裂缝后将持续弯矩减小为极限承载力的25%；第二种,直接施加持续荷载，大小为极限承载力的25%，作为对比试件进行分析，试验工况见表2.

表2 试验工况

环境类型荷载工况试件编号试件数量室外 预裂+持续荷载B-14室外 持续荷载 B-34水溶液 预裂+持续荷载B-64水溶液 持续荷载 B-84碱性溶液预裂+持续荷载B-184碱性溶液持续荷载 B-204

将16根加载后的梁体试件分别放入恒温水溶液、碱性溶液(pH=13.5)中进行浸泡，溶液温度为(20±2) ℃，浸泡时间为2个月.放置在室外环境下的8根试件作为参照.

1.3 试验加载与测试方法

试件在不同介质溶液浸泡2个月后取出，将试件的混凝土表面进行打磨、平整，去掉1～2 mm的表面疏松层.2点加载布置见图1.考虑到试件体积较小，无法使用分配梁进行加载，故在加载点处采用液压千斤顶对称分级加载，并在2加载点处放置压力传感器控制加载.在加载点下方以及跨中处共设置3个位移计，并在梁跨中截面沿高度方向均匀设置5个应变片，所有量测数据均由静态应变测量系统同步采集.

图1 加载布置图(单位：mm)

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

不同加速老化环境下的试件破坏形态较相似，均出现受压区边缘的混凝土被压碎的破坏，但GFRP筋未被拉断.跨中附近出现的裂缝随着荷载的增加垂直向上延伸，且在纯弯段出现更多弯曲裂缝，如图2a)所示.剪弯段也开始出现斜裂缝，并由支座处向加载点处延伸，随着受压区混凝土压缩，试验梁承载力丧失，跨中裂缝几乎贯穿整个截面，如图2b)所示.预裂试件由于有裂缝的存在，在水溶液与碱性溶液中浸泡后，比非预裂试件呈现出更强的脆性.

图2 典型破坏形态

2.2 荷载-挠度曲线特征

试验中测定了随荷载增加时跨中处的竖向位移，并绘制了荷载-挠度曲线，图3a)～c)为试件分别在室外、水溶液、碱性环境下放置2个月后的荷载-挠度曲线关系.室外环境下的试件在开裂前刚度较大，挠度变化缓慢，故曲线斜率较小，开裂后整体刚度突然降低，且GFRP筋弹性模量比钢筋的弹性模量小，挠度变化加快，曲线斜率逐渐变大，挠曲线可以近似为双折线关系；在水溶液中，试件的荷载-挠度与处于室外环境下的比较相似，从加载到破坏的过程中，预裂试件的挠度始终大于非预裂试件挠度；在碱性溶液中，预裂试件与非预裂试件的荷载挠度曲线呈现出线性增长规律，没有明显的转折点.

为了进一步比较6种工况对GFRP筋混凝土梁的荷载-挠度曲线的影响情况，将6种工况下试件的荷载-挠度曲线进行对比，如图3d)所示.从图中可以发现，在同样荷载大小情况下，碱性环境中预裂试件挠度最大，室外环境下的非预裂试件挠度最小，其余几种工况下的挠度基本位于两者之间，且相差不大.这主要是由于预裂试件在浸泡的过程中，OH-和水分子更容易从裂缝进入混凝土内部，造成GFRP筋性能的老化和梁承载能力的退化.但由于试件浸泡时间较短，最终反映出来的对比效果并不明显.

图3 不同工况下试件荷载-挠度曲线

2.3 混凝土截面应变分布

试验中测试了每级荷载作用下GFRP筋混凝土梁纯弯段混凝土截面的应变情况.图4为各种工况下GFRP筋混凝土梁在各级荷载作用下沿梁高度方向的应变情况，可以看出，在各种工况下GFRP筋混凝土梁受力变形直至破坏过程中，截面应变基本符合平截面假定，即正截面上各测点应变与该点到中性轴的距离近似成正比，正截面应变基本能够按照线性规律分布.试件在室外、水溶液和碱性溶液中下缘混凝土处极限拉应变呈减小趋势，且极限拉应变所对应的荷载在逐渐减小，可间接反映3种环境下试件承载力的变化趋势，说明在室外、水溶液和碱性溶液中试件承载力是逐渐下降的，上缘压应变变化不是很明显.

图4 不同工况时试件截面应变分布

表面粘砂GFRP筋与混凝土之间粘结较好，在破坏之前两者能共同受力.由于GFRP筋弹性模量较小，混凝土梁下部受拉区混凝土开裂时，裂缝迅速向上延伸，中和轴向上升高.

2.4 抗弯承载力

通过对正截面破坏构件的抗弯承载力进行对比分析(见图5)，可以看出带工作裂缝试件极限抗弯承载力小于无裂缝的试件.预裂的试件中，处于水溶液和碱性溶液浸泡环境下梁的抗弯承载力与室外环境的相比分别降低了13.7%和35.3%；而相同环境下无工作裂缝试件的抗弯承载力与室外环境下的梁相比有所降低，分别降低了11.5%，7.7%.可见，水溶液、碱性溶液浸泡对GFRP筋混凝土梁的抗弯承载能力均有一定影响，且试件的抗弯承载能力在碱性溶液中的降低程度比在水溶液中大，室外环境的影响相对较小.裂缝的存在使得试件的抗弯承载能力有不同程度的降低，在室外、水溶液、碱性溶液中分别下降了10.90%，13.04%，37.50%.究其原因，在持续荷载作用下，混凝土内部的GFRP筋一直处于受拉状态，在拉应力作用下GFRP筋树脂基体中的初始缺陷与孔隙会因应力集中现象生成微裂缝，水分子通过这些“微裂缝捷径”渗透至GFRP筋内部进行侵蚀，造成树脂和纤维之间的粘结能力部分丧失，从而致使试件抗弯性能的降低.在碱溶液环境中浸泡的带工作裂缝试件，为OH-进入混凝土内部提供了额外的路径，OH-直接与GFRP筋表面树脂接触发生水解反应，加速了GFRP筋力学性能的退化，因此带工作裂缝GFRP筋混凝土梁在碱性溶液中浸泡后抗弯性能退化程度最为明显.

图5 试件在不同环境下极限荷载

3 结 论

1) 本次试验中GFRP筋混凝土梁在加载后均出现受压区边缘混凝土压碎的情况；预裂试件由于有裂缝的存在，在水溶液与碱性溶液中浸泡后，比非预裂试件呈现出更强烈的脆性.

2) 在不同工况下GFRP筋混凝土梁受力变形直至破坏过程中，截面应变基本符合平截面假定.

3) 水溶液、碱性溶液对GFRP筋混凝土梁的抗弯承载能力有一定影响，且试件的抗弯承载能力在碱性环境中的降低程度比在水溶液中大，室外环境的影响相对较小；裂缝的存在使得试件的抗弯能力有不同程度的降低，在室外、水溶液、碱性溶液中分别下降了10.90%，13.04%，37.50%.

[1]BAKIS C E, LAWRENCE C B. Fiber-reinforced polymer composites for construction: state-of-the-art review [J]. Journal of Composite for Construction, ASCE, 2002,6(2):73-87.

[2]NKURUNZIZA G. Durability of GFRP bars: a critical review of the Literature [J]. Progress in Structural Engineering and Materials, ASCE, 2005,7(4):194-209.

[3]张志强,师晓权,李志业.GFRP筋混凝土梁正截面受弯性能试验研究[J].西南交通大学学报，2011,10(5):745-751.

[4]薛伟辰,郑乔文,杨 雨.FRP筋混凝土梁正截面抗弯承载力设计研究[J].工程力学，2009(1):79-85.

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Experimental Study on the Environmental Effect of Bending Performance of GFRP Reinforced Concrete Beams with Work CracksDAI

Li HE Xiongjun YANG Wenrui WANG Jiang

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

An experimental study on 24 GFRP (glass fiber reinforced polymer) reinforced concrete beams with work cracks under different kinds of accelerated aging environments was conducted to investigate their flexural capacity, failure mode, concrete cross-section strain distribution, load-deflection curves. The results show that the measured strain distribution on the cross sections of GFRP reinforced concrete beams for various conditions obeys the plain section assumption from the process of loading to failure and the flexural capacity of GFRP reinforced concrete beams with work cracks under all kinds of accelerated aging environment is different. For the pre-cracked specimens, the effect of environments under water and alkaline solution demonstrated about 13.7%, 35.3% bending capacity decrease respectively on basis of those of the outdoor. For the non-precracked specimens, the bending capacity of specimen under water and alkaline solution is lower than that of the outdoor environment, reduced by 11.5% and 7.7% respectively. The existence of cracks makes the bending capacity of specimen under outdoor environment, water solution and alkaline solution decrease by 10.90%, 13.04%, 37.50% respectively.

concrete beams; GFRP bars; pre-cracking; accelerated aging environment; bending performance

2015-03-10

*国家自然科学基金项目资助(批准号：51178361)

TU377.9

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.018

代 力(1987- )：男，博士生，主要研究领域为桥梁结构耐久性设计与安全评估