预应力纤维布加固混凝土梁冻融特性试验*

宁宝宽， 李 硕， 刘 伟， 张俊祥

(1. 沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870； 2. 中冶沈勘工程技术有限公司 总工办， 沈阳 110004)

建筑工程

预应力纤维布加固混凝土梁冻融特性试验*

宁宝宽1， 李 硕1， 刘 伟2， 张俊祥1

(1. 沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870； 2. 中冶沈勘工程技术有限公司 总工办， 沈阳 110004)

为了研究预应力碳纤维布对受冻融作用影响的混凝土梁的加固效果，从而进一步认识混凝土与碳纤维布共同工作的行为，研究了加固梁中碳纤维布和混凝土的各自力学性能以及碳纤维布加固混凝土梁的整体力学性能.结果表明，冻融后的试验梁开裂荷载和极限承载力有所下降；初始预应力水平越高，试验梁的开裂荷载和极限荷载下降速度越快；在冻融循环和预应力耦合作用下混凝土内部损伤严重，碳纤维布-混凝土界面的粘结力退化明显.

冻融循环； 预应力； 碳纤维布； 混凝土梁； 应变； 开裂荷载； 极限承载力； 挠度

碳纤维布自身具有耐腐蚀、自重轻和不增加结构尺寸等优点，可以明显提高混凝土结构的极限承载力[1-4]，增强构件抵抗变形的能力，提高梁的整体刚度，有效抑制结构的变形、开裂，提高混凝土结构的性能[5-7]，施工简捷方便，在结构工程中应用较多.

在我国部分地区，由于温度较低且低温持续的时间较长，大部分建筑结构更容易受到冻融侵蚀的影响，造成结构局部开裂，甚至整个建筑结构都出现裂纹，且增加裂纹的发展速度最终导致承载能力降低，使用寿命减少.冻融循环还会对纤维布、固化胶产生影响，有些学者已经做了相关研究[8-9].国外学者对纤维布加固混凝土结构方面做了相关研究[10-11].冻融条件对碳纤维布加固混凝土梁的耐久性研究多集中在直接将碳纤维布贴在混凝土梁底部，由此研究冻融循环对碳纤维布加固混凝土梁整体力学性能的影响.而关于预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁受冻融循环后的力学性能也有必要进行研究.预应力的施加，相当于在碳纤维布与混凝土界面施加了持续的应力，这种持续应力在冻融循环中是否会加剧混凝土梁的冻害需进一步进行研究证实.在此背景下，研究冻融循环后预应力碳纤维布加固混凝土梁的力学性能变化规律具有一定的意义.

试验主要研究冻融循环对预应力碳纤维布加固混凝土梁中的纤维布和混凝土各自的力学性能以及加固梁整体力学性能的影响.本文主要研究预应力碳纤维布对混凝土开裂加固的性能，采用素混凝土试件梁为研究对象.试验中以不同的初始预应力水平和不同的冻融次数为试验参数变量，研究冻融循环后加固混凝土梁的力学性能变化规律.

1 试验方案及试验梁制备

1.1 混凝土梁的制备

试验混凝土梁的强度等级选为C30，水泥标号为42.5，配合比如表1所示.混凝土梁设计尺寸为100 mm×100 mm×500 mm，分为12组，每组3个试验梁，共36个混凝土梁，具体分组如表2所示.

表1 C30混凝土试验梁配合比Tab.1 Mixture ratio of test beam preparedwith C30 concrete kg

表2 冻融循环试验分组Tab.2 Grouping for freezing and thawing cycle test

1.2 加载方式及应变片参数

试验采用三点加载的方式，试验梁的计算简图及碳纤维布加固方式见图1(单位：mm).试验加载设备采用电液伺服试验机，量程为500 kN，加载过程中速率控制在1.5 kN/s，为测得混凝土和碳纤维布试验过程中的应变，在跨中底部贴应变片，数据采集系统是D3820静态应变采集仪.在混凝土梁底部中间位置布置一个应变片，在碳纤维布底部中部位置相对平整的地方布置两个应变片并用树脂完全包裹，如图2所示.

图1 试验梁加载示意图Fig.1 Schematic loading of test beam

图2 梁底部应变片位置Fig.2 Locations of strain gauges at bottom of beam

1.3 初始预应力水平的确定

试验采用的碳纤维布抗拉强度为3 400 MPa，取其抗拉强度的7.4%、13.5%和16.8%，得到三种不同的预应力水平，分别为250、460和570 MPa.

1.4 冻融循环条件

试验采用慢冻法对混凝土梁进行冻融循环，冻融环境如下：冻融试验箱能使试验梁保持静止状态，并通过气冻水溶；在满载运转时，冷冻过程试验箱的温度保持在-15～-12 ℃范围内；水温保持在12～15 ℃范围内；满载时冻融试验箱内各点的温差不超过2 ℃.

2 试验及结果分析

2.1梁底跨中混凝土荷载-应变分析

图3～5为三组混凝土荷载-应变曲线.经过不同循环次数后，试验梁的荷载-应变曲线仍呈线性关系，说明试验梁经过冻融循环后仍保持良好的弹性；混凝土梁受到冻融循环的影响，曲线的斜率均有下降，说明冻融循环加快了裂纹的产生、发展以及开裂，降低了弹性模量.当预应力为570 MPa，不同冻融循环次数时，斜率依次为0.042、0.040、0.039和0.037，随着冻融循环次数的增加，相对于无冻融循环作用的试验梁，弹性模量依次下降了4.76%、7.14%和11.90%，弹性模量减小的速度逐渐增大.

图3 A组混凝土荷载-应变曲线Fig.3 Load-strain curves of concrete in group A

图4 B组混凝土荷载-应变曲线Fig.4 Load-strain curves of concrete in group B

图5 C组混凝土荷载-应变曲线Fig.5 Load-strain curves of concrete in group C

冻融循环次数的增加和初始预应力的减少都会降低开裂荷载，如表3所示.预应力为460 MPa时，开裂荷载分别降低了19.82%、33.92%和49.78%，并且随着冻融次数的增加，开裂荷载降低速率增大.预应力为570 MPa时，开裂荷载分别降低了15.36%、32.23%和58.43%，冻融循环次数为50和75次时，开裂荷载降低幅度均小于相应的预应力为460 MPa的试验梁，但循环次数达到100次时，开裂荷载降低幅度超过相应的预应力为460 MPa的试验梁.表明随着冻融次数的增加，不仅开裂荷载降低速率加大，而且冻融循环达到一定次数时，初始预应力加大开裂荷载降低速率，其原因在于冻融循环次数造成混凝土内部产生细小裂纹，降低了混凝土开裂荷载，但碳纤维布提高的预应力抑制了混凝土内部裂纹的进一步发展，提高了混凝土开裂荷载.但当冻融循环达到一定次数时，由于混凝土在冻融循环和初始预应力双重作用下产生的微裂纹增加，在外荷载作用时，即使仍有预应力存在，但抑制裂缝发展的能力减小.

表3 梁底跨中混凝土的开裂荷载Tab.3 Cracking load of concretein bottom span of beam kN

2.2 梁底跨中碳纤维布荷载-应变分析

图6～8为三组碳纤维布荷载-应变曲线.在荷载加载初期，荷载比较小时，各系列碳纤维布的荷载-应变呈线性关系，而且在预应力为460和570 MPa时，不论冻融循环的次数多少，斜率相差不多.说明在加载初期，混凝土处于弹性工作阶段，裂缝并没有发展，而且初始预应力越大，混凝土开裂时的应变和荷载也越大.随着荷载的继续增大，各应变曲线出现了一个转折点，转折点对应的荷载正是混凝土的开裂荷载.图6中，拐点之前图像斜率依次为0.078、0.071、0.066和0.073，图3中，图像斜率依次为0.077、0.069、0.069和0.060，表明在加载初期，由于混凝土与碳纤维布之间固化胶的存在，混凝土和碳纤维布的弹性模量相差不多，说明混凝土和碳纤维布能共同工作.预应力为460 MPa时，开裂荷载相对无冻融循环的试验梁分别降低了14.41%、26.58%和46.85%，转折点之后荷载略有增加，但应变急速增加，说明随着荷载的增加，混凝土内部的缝隙进一步发展，受拉混凝土开裂，开裂的混凝土退出工作，荷载由碳纤维布承担，导致碳纤维布应变增大.

碳纤维布的拉应变随着荷载的增加而增加，在混凝土达到开裂荷载后，碳纤维布依然保持高应力工作状态，说明碳纤维布充分发挥了受拉作用性能，碳纤维布加固的作用明显.在冻融循环次数相同时，初始预应力水平越高，图像的拐点越高，即试验梁的开裂荷载越大；从斜率可以看出，预应力能够延缓裂纹的出现和发展，且预应力水平越高，延缓裂纹出现的能力越强，曲线的斜率越小，梁的应变越大，说明在冻融循环与持续应力作用下，加固梁的碳纤维布与混凝土粘结面退化加快.

图6 A组碳纤维布荷载-应变曲线Fig.6 Load-strain curves of carbon fiber cloth in group A

图7 B组碳纤维布荷载-应变曲线Fig.7 Load-strain curves of carbon fiber cloth in group B

图8 C组碳纤维布荷载-应变曲线Fig.8 Load-strain curves of carbon fiber cloth in group C

2.3 梁跨中荷载-挠度分析

图9～11为三组梁荷载-挠度曲线.由图9～11可以看出，每个图像都存在拐点，拐点对应的荷载为混凝土开裂荷载，在开裂破坏之前，荷载与跨中的挠度成线性关系.在图像拐点之前，梁受到冻融循环的影响，荷载-挠度斜率有所降低.受到冻融循环的影响之后，在相同荷载作用下，初始预应力越大，混凝土梁的挠度越大，说明在冻融循环和预应力耦合作用下加快了混凝土内部微裂缝的产生和发展，同时也加快了碳纤维布与混凝土界面粘结性退化速率.胶层受持续应力和冻融侵蚀的双重作用后粘结性能退化比单一的环境因素作用更快.

图9 A组梁荷载-挠度曲线Fig.9 Load-deflection curves of beams in group A

图10 B组梁荷载-挠度曲线Fig.10 Load-deflection curves of beams in group B

图11 C组梁荷载-挠度曲线Fig.11 Load-deflection curves of beams in group C

表4为各组试验梁挠度值.由表4可知，当外荷载为10 kN，预应力为570 MPa时，冻融循环次数增加，挠度相应增加.在无冻融循环时，预应力越大，挠度越小，说明预应力可以有效提高试验梁的刚度；在冻融循环次数为50次时，预应力越大，挠度越小，但挠度相差不大，说明冻融循环和预应力耦合作用下造成试验梁损伤破坏，降低了试验梁的刚度，并且预应力越大，耦合作用越大.在冻融循环次数为100次时，预应力为570 MPa的试验梁挠度低于预应力为460 MPa的试验梁挠度，说明相对于预应力为460 MPa的试验梁，即使预应力为570 MPa时，在冻融循环和预应力的耦合作用下，刚度减少，但由于初始预应力较大，在外荷载作用时，仍会对减小挠度发挥有利作用.

表4 各组试验梁挠度Tab.4 Deflection of test beams in each group mm

3 结 论

本文主要从试验梁的破坏现象和承载能力等方面对试验结果进行了分析和总结，可以得出以下结论：

1) 受到冻融循环的影响，试验梁的弹性模量有了不同程度的损失，初始预应力水平对试验梁的弹性模量损失影响不大，因此，在实际工程中可以忽略初始预应力水平对结构弹性模量的影响；

2) 随着冻融次数的增加，各组试验梁的开裂荷载和极限承载力都有了不同程度的下降，说明冻融循环对碳纤维布加固混凝土梁产生了不利影响；

3) 随着冻融次数的增加，降低了试验梁的刚度，在存在初始预应力的情况下，冻融循环对试验梁的影响加剧，初始预应力越大，冻融循环对试验梁的影响越大.

[1] 徐凌，宇翔，邸振禹.高效利用CFRP加固预裂混凝土梁 [J].沈阳工业大学学报，2015，37(2)：219-224.

(XU Ling，YU Xiang，DI Zhen-yu.Pre-splitting con-crete beams with efficient use of CFRP reinforcement [J].Journal of Shenyang University of Technology，2015，37(2)：219-224.)

[2] 吴丽丽，于大川.FRP材料在结构加固中的应用研究及展望 [J].建筑技术，2014，45(12)：1099-1101.

(WU Li-li，YU Da-chuan.Research and outlook for application of FRP material structure reinforcement [J].Architecture Technology，2014，45(12)：1099-1101.)

[3] 褚云朋，姚勇，贾彬，等.CFRP布加固损伤混凝土空心板抗弯试验研究 [J].建筑科学，2016，32(1)：70-75.

(CHU Yun-peng，YAO Yong，JIA Bin，et al.Experimental study on the bending of damaged RC hollow core slabs strengthened with CFRP [J].Building Science，2016，32(1)：70-75.)

[4] 张建伟，张瑞云，刘素坤.预应力芳纶纤维布加固混凝土板的受弯试验研究 [J].北京工业大学学报，2012，38(2)：236-241.

(ZHANG Jian-wei，ZHANG Rui-yun，LIU Su-kun.Flexural performance of the RC slab strengthened with prestressed AFRP sheets [J].Journal of Beijing University of Technology，2012，38(2)：236-241.)

[5] 高仲学，朱晓霞.预应力CFRP布加固混凝土梁的抗弯承载力计算 [J].合肥工业大学学报，2012，35(9)：1235-1237.

(GAO Zhong-xue，ZHU Xiao-xia.Calculation of fle-xural capacity of RC beams strengthened with prestressed CFRP sheets [J].Journal of Hefei University of Technology，2012，35(9)：1235-1237.)

[6] 程东辉，于雁南，叶旭.预应力 CFRP布加固低强度混凝土方柱的力学性能 [J].建筑科学与工程学报，2013，30(1)：25-31.

(CHENG Dong-hui，YU Yan-nan，YE Xu.Mechanical properties of low strength concerte square-columns strengthened with prestressed CFRP sheets [J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2013，30(1)：25-31.)

[7] 魏华，张赛茁.内置CFRP圆管的方钢管混凝土角柱节点有限元分析 [J].沈阳工业大学学报，2016，38(4)：467-475.

(WEI Hua，ZHANG Sai-zhuo.Finite element analysis for corner joins of concrete filled square steel tube with inner CFRP circular tube [J].Journal of Shen-yang University of Technology，2016，38(4)：467-475.)

[8] 杜闯，李艳艳，宋倜.预应力CFRP布三种粘贴方式对RC梁受弯性能的影响 [J].沈阳工业大学学报，2014，36(4)：464-470.

(DU Chuang，LI Yan-yan，SONG Ti.Influence of three bonded ways for prestressed CFRP sheet on flexural properties of RC beams [J].Journal of Shenyang University of Technology，2014，36(4)：464-470.)

[9] 喻林，钱向东，吴晓晖.冻融环境对CFRP加固混凝土梁疲劳性能的影响 [J].混凝土，2015(5)：27-31.

(YU Lin，QIAN Xiang-dong，WU Xiao-hui.Influence of freeze-thaw environment on the fatigue performance of CFRP reinforced concrete beam [J].Concrete，2015(5)：27-31.)

[10]El-Hacha R，Green M F，Wight G R.Effect osevere environmental exposures on CFRP wrapped concrete columns [J].Journal of Composites for Construction，2010，14(1)：83-93.

[11]Woo S K，Lee Y.Experimental study on interfacial behavior of CFRP-bonded concrete [J].KSCE Journal of Civil Engineering，2010，14(3)：385-393.

(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)

Experimentonfreezingandthawingcharacteristicsofprestressedcarbonfiberclothreinforcedconcretebeams

NING Bao-kuan1, LI Shuo1, LIU Wei2, ZHANG Jun-xiang1

(1. School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Chief Engineer Office, Shenyang Survey Engineering & Technology Co. Ltd., China Metallurgical Group, Shenyang 110004, China)

In order to clarify the strengthening effect of prestressed carbon fiber cloth on the concrete beams under the freezing and thawing action, and further understand the co-working behavior of concrete and carbon fiber cloth, the respective mechanical properties of carbon fiber cloth and concrete in the reinforced beam as well as the overall mechanical properties of carbon fiber reinforced concrete beams were investigated. The results show that after freezing and thawing, the cracking load and ultimate bearing capacity of test beams decrease. The higher the initial pre-stress level is, the faster the decreasing speed in both cracking load and ultimate load of test beams is. Under the action of freezing and thawing cycle and prestressed coupling, the concrete exhibits serious inside damage, and the deterioration of bonding force between carbon fiber cloth and concrete is obvious.

freezing and thawing cycle; prestress; carbon fiber cloth; concrete beam; strain; cracking load; ultimate bearing capacity; deflection

TU 528

： A

： 1000-1646(2017)05-0567-05

2016-07-05.

国家自然科学基金资助项目(51474050).

宁宝宽(1971-)，男，辽宁抚顺人，教授，博士，主要从事结构和岩土工程等方面的研究.

* 本文已于2017-01-19 17∶56在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170119.1756.004.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.17