冻融循环与持载对CFRP加固高强混凝土梁变形性能的影响

王苏岩+宋泽林+丁荔

摘要：通过四点弯曲试验，研究了冻融循环与持载对碳纤维增强复合材料（CFRP）加固高强钢筋混凝土梁变形性能的影响。分析了不同环境作用下试验梁的承载力、刚度及破坏形态变化规律。结果表明：在冻融循环单独作用下，试验梁的性能变化很小；冻融与持载耦合作用时，两者均对梁的性能造成不利影响，且随着冻融循环次数的增加，承受持载梁的CFRP-混凝土界面黏结性能有所下降；在冻融循环作用下，CFRP-混凝土界面存在应力时会增大界面的劣化程度，从而引起加固梁性能的下降。

关键词：CFRP；冻融循环；持载；高强混凝土梁；极限承载力；变形性能

中图分类号：TU375.1 文献标志码：A

文章编号：1673-2049（2017）02-0026-07

Abstract：The four-point bending test was conducted to investigate the influence of freeze-thaw cycles and sustained loads on the deformation performance of high strength concrete beams strengthened with carbon fiber reinforced polymer （CFRP）. The bearing capacity， stiffness and failure mode of the test beam under different environmental conditions were analyzed. The results show that the performance of test beam changes little under the action of freeze-thaw cycles. Both of the two factors have negative effects on the performance of beam under the coupling action of freeze-thaw and sustained load， and the bond behavior of CFRP-concrete interface of beam under sustained load decreases with the increase of freeze-thaw cycles. The stress of CFRP-concrete interface will increase the deterioration degree of the interface under freeze-thaw cycles， and the performance of strengthened beam will decrease.

Key words：CFRP； freeze-thaw cycle； sustained load； high strength concrete beam； ultimate bearing capacity； deformation performance

0引 言

CFRP加固混凝土结构已广泛应用于工程中，迄今为止已有研究證实了CFRP加固混凝土梁在无复杂环境作用下的有效性[1]。然而，在北方近海工程中，CFRP加固后的钢筋混凝土梁长期处于冻融循环与持载耦合作用下，这将影响加固梁黏结界面及混凝土材料的长期性能，因此对复杂环境作用下CFRP加固混凝土结构的研究十分必要。目前对CFRP加固混凝土结构在复杂环境下的研究大多局限于试块[2-9]的单剪或双剪试验，而CFRP加固混凝土梁的实际受力更复杂，单纯的剪切试验研究结论能否应用到梁等构件中不得而知。少数梁试验即使采用钢筋混凝土梁进行研究[10-17]，其作用环境也多为冻融循环或持载单一因素，研究很少涉及高强混凝土和复杂环境的耦合作用。

由试块冻融与持载耦合作用下的双剪试验研究可知，耦合作用时CFRP-混凝土界面性能劣化程度更明显，因此针对单一环境作用下CFRP加固混凝土梁的研究并不能合理分析实际工程中加固梁的性能变化。曹大富等[18]的研究表明强度高的混凝土梁抗冻效果明显高于强度低的混凝土梁。基于此现状，本文利用自行设计的持续加载仪器对梁施加持载，对施加了持载的CFRP加固高强钢筋混凝土梁在冻融循环作用下的性能进行研究，以探讨冻融、持载对加固高强混凝土梁刚度、承载力、破坏形态等方面的影响。

1试验概况

1.1试验材料

试验中混凝土的强度等级为C60，配合比见表1。实测混凝土28 d标准立方体抗压强度为71.43 MPa。采用日本东丽I300碳纤维布，其物理力学性能见表2。采用大连凯华公司JGN型底涂胶和浸渍胶，浸渍胶抗拉强度为40 MPa，抗压强度为75 MPa，弹性模量为2 500 MPa。

1.2试验梁设计

钢筋混凝土梁截面尺寸为80 mm×120 mm，梁长900 mm，计算跨度为800 mm。上部架立钢筋采用26，下部受拉钢筋采用2[XCwsya.tif，JZ]8，箍筋采用6@80。钢筋混凝土梁的尺寸及配筋如图1所示。标准

Fig.1[KG2.7mm]Dimension and Reinforcement of Concrete Beam （Unit：mm）

[HL）][TS）]

[WT5BZ][ST5BZ][HT5SS]

养护28 d后，打磨掉混凝土梁上待贴CFRP布位置处的浮浆。将760 mm×70 mm的CFRP布条粘贴在梁底部，所有试验梁均粘贴2层。为防止CFRP布与混凝土界面发生端部滑移，在端部分别粘贴2层70 mm宽的CFRP布条。CFRP布粘贴位置如图2所示，粘贴方法参照文献[19]。

1.3持续加载系统设计

试验梁有3种持载等级：L0（0 kN），L30（9 kN），L60（18 kN），分别为未粘贴CFRP布混凝土梁极限承载力的0%，30%，60%。持载通过自行设计的持载器施加到混凝土梁上（图3），用夹式引伸计测量2个加载点处混凝土梁至持载器底板的竖向位移，加载到预定荷载时停止加载并记录夹式引伸计的读数；卸载并重复上一步骤，当相邻2次加载结束且夹式引伸计读数相差小于5%时停止重复，此操作可消除梁与支座接触不良而造成的误差。再次加载到预定荷载，拧紧螺母后卸载，调整螺母使夹式引伸计的读数达到目标值。

1.4冻融循环试验

冻融试验采用快冻法进行，冻融前将试验梁浸泡5 d。平均每次冻融循环时间为3 h，混凝土试件中心温度上限和下限分别为（8±2）℃和（-17±2）℃，冻融循环在清水中进行，冻融循环次数取100，200，300三个等级。

1.5试验梁编号

试验采用12根梁，分别作用于不同环境下，试验参数设计如表3所示。

1.6加载试验

采用100 t电液伺服材料试验机对梁进行四点弯曲加载，加载速度控制为0.2 mm·min-1。试验中主要采集以下数据：①通过10t荷载传感器测量施加在试验梁上的实际荷载；②通过线性可变差动变压器（LVDT）测量混凝土梁跨中挠度；③通过粘贴在CFRP布上的应变片对CFRP片材的应变进行测量，每根试验梁CFRP表面粘贴13个应变片；④通过粘贴在混凝土梁侧面的5个应变片来测量梁的侧面变形情况；⑤通过预埋应变片测量混凝土中纵向受力钢筋的应变，判断钢筋屈服情况；⑥用Supereyes超眼电子显微镜测量混凝土梁侧面的裂缝宽度，观察混凝土裂缝发展情况，并记录混凝土开裂荷载及梁达到正常使用极限状态时的荷载。除裂缝宽度外，所有数据均由动态IMC数据采集系统进行采集。试验梁测点布置如图4所示。

2试验结果与分析

2.1极限承载力

表4为持载和冻融循环作用下各试验梁的试验结果。图5为试验梁的极限荷载曲线。由图5可以看出：随着冻融循环次数的增加，L0持载梁的极限承载力并未下降，这是因为高强混凝土耐冻性强，冻融循环对不持载梁的侵蚀较小，且冻融过程中混凝土会继续水化使得其强度得到一定程度的增强[2]；L30，L60持载梁的极限承载力有明显下降，说明持载会显著增大冻融循环对CFRP加固梁的侵蚀程度；L60较L30持载梁的极限承载力下降更显著，其原因主要为L60持载梁在冻融循环过程中是带裂缝工作的，裂缝处的混凝土及环氧树脂胶层直接与冻融溶液接触，裂缝中溶液结冰膨胀使得附近CFRP-混凝土界面应力增加，从而使其受冻融循环的侵蚀更加充分。

100次冻融循环时，L0，L30持载梁极限承载力相近，且较初始时都未曾下降，表明在短期冻融循环下，小于开裂荷载的持载等级对梁的承载力影响很小；L60持载梁极限承载力比L0持载梁降低4%，且较初始时也有所下降，表明无论是否处于冻融循环下，较高等级的持载均对梁的承载力有明显的不利影响。

与冻融前相比，冻融循环200次时，L30持载梁极限承载力下降5.5%，L0持载梁极限承载力没有下降，说明冻融循环200次以后，低等级持载也会显著增大冻融循环对梁的侵蚀。这与L60持载梁通过裂缝增大侵蚀的机理不同。由于承受持载，在梁有效长度内CFRP-混凝土界面始终有切应力作用，切应力与冻融循环共同作用时会加速CFRP-混凝土界面的裂化[2，5]，从而使梁承载力下降。

图6为试验梁出现10条裂缝时对应的荷载曲线，可以发现冻融循环次数相同时，持载等级对梁裂缝的开展影响显著。在0，100，200，300次冻融循环作用下，L60持载等级的试验梁F1值分别下降了8%，15.4%，15.2%，18.9%。结果表明，持载作用会加速加固梁裂缝的开展，使得梁的延性变差。

2.2跨中挠度

图7为各持载等级试验梁在经受不同次数冻融循环后的荷载-挠度曲线。由图7可以看出：经受相同次数冻融循环的试验梁在荷载大于15 kN后（由表4可知15 kN时所有试验梁都已开裂），承受荷载相同时，持载等级越高的试验梁其跨中挠度越大；未受冻融循环时，不同持载等级梁的荷载-挠度曲线相差不大。这说明持载对梁刚度的影响在冻融循环作用下更明显，其原因为冻融时承受持载越大，梁的CFRP-混凝土界面劣化情况越严重，使得在相同荷载作用下，持载大的梁裂缝发展更快，CFRP更容易剥离。未受冻融循环作用时，持载对梁的刚度影响较缓慢，试验中施加持载的时间不足以对梁的刚度产生显著影响。

由图7（b）～（d）可以看出：100，200次冻融循环时，相同冻融循环次数各持载等级的试验梁在加载前期荷载-挠度曲线几乎相同，说明冻融循环200次及以下时，开裂荷载前梁的刚度没发生变化；300次冻融循环时，各持载等级的试验梁在加载前期荷载-挠度曲线便不同，说明冻融循环300次时，开裂荷载前梁的刚度已发生变化。

图8为持载等级L60的各试验梁开裂前荷载-挠度曲线。F0，F100，F120，F300分别为冻融循环0，100，200，300次的试验梁编号。加载至2 kN后数据采集稳定，取2～12 kN部分进行试验梁线性阶段刚度分析，结果如表5所示。本文将试验梁出现裂缝之前的刚度称为开裂前刚度。由表5可见，冻融循环次数越多，试验梁开裂前刚度降低的程度越大，冻融循环300次后开裂前刚度已降低38.2%。这说明冻融循环对承受L60等级持载梁的开裂前刚度有显著影响。

2.3破坏形态

所有试验梁的破坏形态及破坏过程中裂缝的发展情况大致相同。取冻融循環200次的梁进行分析，其破坏形态如图9所示。加载初期，梁处于弹性阶段，随着荷载的增加在纯弯段首先出现几条竖向裂缝，且裂缝出现于距离梁底面3 cm左右位置，继而向梁上下2个方向扩展。这是因为梁底面粘贴有CFRP布，约束了附近混凝土的开裂。当荷载继续增加时，在剪弯段出现斜裂缝，靠近加载点处的斜裂缝发展为主裂缝，破坏是由主裂缝处CFRP剥离引起的，破坏形态属于中部弯剪裂缝引起的界面剥离破坏[20]。

由图9可知，冻融循环均为200次时，承受持载越大的梁破坏时剥离位置距离跨中越近。这说明200次冻融循环对加固梁抗弯性能的影响大于对抗剪性能的影响。持载L60梁跨中裂缝数量明显少于持载L0，L30，说明带裂缝冻融的梁延性显著降低。

对比所有试验梁破坏后CFRP布粘下混凝土的厚度情况，发现编号为F200L30，F200L60，F300L30，F300L60的梁CFRP布粘下的混凝土明显少于其他梁。这说明冻融循环达到200次后，持载与冻融耦合作用会对CFRP-混凝土界面造成较为明显的不利影响，使得胶层与混凝土的黏结力减弱，CFRP-混凝土界面更容易剥离。这也是破坏形态相同的情况下这4根梁极限承载力低的原因之一。

运用MATLAB计算后，各试验梁剥离截面弯矩计算结果与试验结果对比如表6所示。

由表6可知，未经受冻融循环的加固梁应用上述公式计算结果偏安全，而经受冻融循环后，会出现计算结果低于试验值的情况。这是因为未受冻融循环的加固梁CFRP-混凝土界面强度高，界面剥离扩展速度慢，使得梁截面各材料可以继续受力，因此试验值会高于采用设计值得到的计算结果。经受冻融循环的试验梁，其CFRP-混凝土界面强度较弱，剥离发生时迅速延伸，截面混凝土受压区高度变小，从而使得试验得到的界面弯矩低于计算值。

3结语

（1）在相同冻融循环次数下，持载等级越高的梁极限承载力与刚度下降越大。L0，L30，L60持载梁冻融循环300次后承载力分别下降0%，6.76%，7.76%，冻融循环作用下裂缝的存在会显著增加梁性能的劣化程度。

（2）持载等级为L60的加固梁在经受300次冻融循环后，其开裂前刚度下降38.2%，可见冻融循环对持载梁开裂前刚度有较大影响。

（3）冻融循环200次时，L60持载梁跨中裂缝数量明显少于持载L0，L30，可知持载等级高的梁经受冻融循环后延性显著降低。

（4）加固梁经受冻融循环以后，采用材料设计值计算得到的剥离荷载偏小，甚至会低于试验值。建议进一步研究冻融循环后加固梁各材料强度的下降规律，以得出合理的用于计算加固梁剥离荷载的模型。

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