高寒环境下碳纤维加固RC双向板抗弯工作性能研究

李俊清 李永兵

（1.内蒙古呼伦贝尔学院建筑工程学院 内蒙古 海拉尔 021008 2.内蒙古财经大学工商管理学院 内蒙古 呼和浩特 010070）

引言

碳纤维材料以其轻质高强的特性广泛应用于工程结构加固中，但在极高寒如呼伦贝尔地区有关碳纤维加固 RC结构的实际工作性能的研究成果几近空白。

工程结构过早地破坏，许多情况下并不是设计缺陷而是建筑物的耐久性未达到要求，通常认为，工程材料自身特性和施工质量是决定结构耐久性的内因，而工程结构所处的环境条件和防护措施则是影响其耐久性的外因。在我国呼伦贝尔地区，冻融作用是影响室外工作环境下混凝土构件耐久性的主因之一。混凝土结构构件经过反复冻融循环后，内部颗粒之间的空隙会逐渐增大，裂纹增多，混凝土疏松，强度降低从而破坏。现通过对12块2005年制作的受10年冻融作用的钢筋混凝土双向板进行碳纤维加固试验研究，以分析其抗弯工作性能。

1.试验情况说明

1.1 试验条件

实验室室内正常温度（20±3℃）下贴布加固，室外平均气温-39℃条件下进行加载试验。

1.2 试验对象

本次试验所用构件为 2005年制作的 12块1800mm×1500mm×70mm的钢筋混凝土双向板，这些板在室外自然环境下层叠堆放10年，已经过由季节变换而致的多次冻融循环。板内受力钢筋采用HPB235，于板底双向配置，各板配筋均为：长向φ6.5@207mm，短向φ6.5@194mm。试验板的混凝土强度等级设计为C20，板的平均保护层厚度为15mm。由于板处于未工作状态，因此其受损情况不严重，外观依然完好。未有明显的混凝土大面积脱落发生。

1.3 材料性能

C20混凝土弹性模量2.85×104MPa，棱柱体抗压强度17.75 MPa，立方体抗压强度26.52 MPa；钢筋弹性模量屈服强度MPa，极限强度。加固材料采用日产UT70-30碳纤维布及相关的配套用胶，碳纤维布单层厚度0.167mm，弹性模量，抗拉强度fcu=3430MPa，极限应变 2.1%。

1.4 加载加固方式

因实验室条件有限，且为了与2005年室温条件下加固板的研究数据进行比较，本试验依然采用2005年的试验设备，采用手动千斤顶进行四点静力加载法实现加载，用静态电阻应变仪采集钢筋、混凝土及碳纤维的应变。表 1中列出试验加载对象，每一类型试验板取2两块重复两次试验，取试验结果的两次平均值。

表1 试验板贴布、贴片、加载方案

2.试验结果分析比较

2.1 荷载——钢筋拉应变曲线分析

以下为 2015年冬季室温（20±3℃）及高寒（平均-39℃）条件下对比板与加固板相关测点钢筋拉应变曲线对比图。

图1 B0短跨跨中钢筋拉应对比变曲线图

图2 B1短跨跨中钢筋拉应对比变曲线图

图3 B5短跨跨中钢筋拉应对比变曲线图

图4 B4短跨跨中钢筋拉应对比变曲线图

图5 高寒加载条件 B0、B1、B2、B3、B4、B5短跨中点钢筋拉应变曲线

从总体分析各板钢筋应变曲线图可知，各试验板的短跨中点的钢筋均已屈服，且均有较明显的屈服台阶。但与2005年试验结果进行比较，发现对比板与加固板钢筋的屈服强度降低，应变增加，而且对比板B0的室温破坏强度值及各加固板的破坏强度值比2005年的试验结果有一定降低，这缘于混凝土构件的时效及反复冻融的影响结果。

各加固板钢筋屈服后其荷载——拉应变曲线斜率发生突变，原因是碳纤维发挥作用所致。有的钢筋其荷载——应变曲线走势异常，分析原因主要是由于应变片粘贴质量较差或是钢筋变形过大，加载过程中应变片从钢筋上脱落等原因导致。另外从每个加固板钢筋应变曲线图上可以看出，室温与高寒环境下同方案加固的双向板在同值荷载作用下其钢筋应变只是高寒环境下的稍大些，且高寒环境下板的破坏荷载均小于室温环境，其中多数是由于碳纤维早剥离所致。

从图5曲线可以看出，对比板B0短跨中点钢筋应变最大，中密两疏贴法的板与加压条的板其短跨中点钢筋应变最小。可见在同量碳纤维下，多条密布且中密两疏粘贴方式效果最好，应优先采用。而加压条的加固板的受力性能几乎等同于中密两疏分条贴的板，因此加压条尤为必要。由图5还可知，同荷载下粘贴两层布的B4板的钢筋应变比粘贴一层的板小，因此适量增加贴布量可行。加压条后的板B5其钢筋拉应变远小于同载下的 B1板，且小于同载下的两层粘贴板 B4。可见在双向板的加固中，加压条的加固方式同样是非常有效且应优先采用的。说明即使在高寒环境下，中密两疏及加压条的贴布方式仍是有效的加固方案。

2.2 荷载—碳纤维拉应变曲线分析

以下为2015年分别在室温与高寒环境下加载碳纤维加固板由数据绘制的各板跨中荷载与碳纤维拉应变曲线图。

图6 B1短跨中碳纤维拉应变曲线

图7 B3短跨中碳纤维拉应变曲线

图8 B5短跨中碳纤维拉应变曲线

图9 高寒加载条件各加固板短跨中部碳纤维拉应变曲

从现在试验结果分析得知，经过10年自然气候环境下反复冻融，各试验板贴碳纤维布加固后，碳纤维拉应变曲线图所反映的仍然是随外荷载的增加碳纤维的拉应变不断增加，且荷载—拉应变曲线走势依然基本呈线性。各试验板短向跨中碳纤维应变均大于长向跨中碳纤维应变，但应变均未达极限。同载下，B4、B5应变相对接近且最小，综合分析B5比B4应变小。因此，同量用布情况加压条的加固方案与中密两疏贴布方案应优先采用。只是各加固板破坏荷载较10年前降低，而板趋于破坏时碳纤维拉应变基本与10年前破坏时应变无太大变化。原因在于现阶段受损板开裂早，碳纤维提早接替钢筋进入受拉工作状态。

2.3 板承载力分析

经过10年高寒自然气候条件冻融作用，进行板加固试验，发现无论是室温还是高寒条件加载，对比板B0在受拉钢筋屈服后，在荷载增量不大的情况下，板的变形很大，板很快破坏。粘贴碳纤维布后，如表 2所示，板的开裂荷载、屈服荷载及破坏荷载都有不同程度的提高。

在碳纤维用量相同，粘贴方式不同的一组试验中，贴了碳纤维的 B1、B2、B3、B4、B5板，在受拉钢筋屈服后板的承载能力依然很强，可见碳纤维有效地提高了板的后期强度。总体分析试验结果可见，受损板相比于2005年实验结果无论是否加固其承载力均相应降低较大，但在同时期（2015年）碳纤维加固后的板其承载力有显著提高，相对于未加固板，开裂荷载最高提高达75%，屈服荷载最高提高达100%，极限破坏荷载最高提高达118%。增加贴布量可有效提高板承载力，分条贴比整体贴加固效果好，但从加固效果及经济角度考虑，分条中密两疏贴布方案与加压条的贴布方案仍然是提高加固板承载力最有效的方法。不过分析看出，在2015年高寒环境下各试验板分别受载后，其开裂荷载，屈服荷载及极限破坏荷载较室温环境虽然均有所降低，但降低值不大，只是高寒环境下加载的板其剥离破坏现象严重。

表2 2015年冬季试验板承载能力试验数据对比

3.结论

3.1 在呼伦贝尔高寒特征环境下，经过10年之久的自然气候反复冻融作用的混凝土双向板，其抗弯强度较初始未受损状态均有明显降低。其混凝土表层均已不同程度地质变疏松。未加固的受损板的开裂荷载在室温与高寒加载条件下均降低了25%，屈服荷载均降低了10%，极限荷载在室温加载下降低了 10%，在高寒加载条件下降低了18%。

3.2 处于高寒环境经受自然气候反复冻融作用的钢砼板，在相同加固方案下，在室温与高寒条件下加载，板的开裂荷载，屈服荷载，极限破坏荷载均体现为高寒环境下的值偏低，板内钢筋拉应变，碳纤维拉应变均体现为高寒环境下的值偏大。即恶劣的工作环境会影响加固效果。

3.3 处于高寒工作环境下的钢筋混凝土板，采用碳纤维加固可有效提高板的抗弯工作能力，分条以中密两疏的方式或在受力碳纤维条带两端加压条的贴布方式是提高板抗弯能力最有效的加固方式，应优先采用。