湿热环境下预应力CFRP加固高强混凝土梁的抗弯性能研究

洪 雷，曲俊龙

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

碳纤维材料(CFRP)作为一种新型材料被广泛应用于结构加固，它被广泛应用在航天飞机及军工器械上，碳纤维材料因其材质轻、抗拉性能高、耐腐蚀性高等诸多优点，越来越得到土木工程师和科研人员的重视，广泛应用于土木工程领域。近年来，大量研究人员对CFRP加固混凝土梁的抗弯性能做了充分试验[1-6]，越来越多的学者针对预应力碳纤维布加固混凝土梁进行了广泛深入的研究，洪雷等人通过试验分析得出，在施加预应力CFRP布后混凝土梁的承载能力提升明显，抑制裂缝的产生与开展[7-10]，朱虹等[11]、尚守平等[12]和王勃等[13]研究得出环境作用下CFRP加固混凝土结构耐久性下降。在北方沿海地区的夏季，混凝土结构温度及湿度均较高，因此混凝土性能受湿热环境的影响十分严重，并且碳纤维材料中的浸渍树脂对湿度和温度敏感性高，另外CFRP材料及黏结采用的结构胶在湿热环境下力学性能会发生退化，因此碳纤维材料的耐久性能与环境温度和湿度联系紧密[14-16]。本文制作高强混凝土梁的尺寸为80 mm×120 mm，长度为900 mm，对比研究相对湿度为70%温度为20℃(以下简称自然环境)和相对湿度为98%温度为40℃(以下简称湿热环境)条件下，两种湿热环境下试验梁抗弯性能的变化规律。

1 试验概述

1.1 试验材料

本文使用的混凝土型号为C60高强混凝土，具体配合比见表1，其中水泥为PII 52.5R，使用Ⅰ级粉煤灰，粗骨料为5 mm～10 mm连续级配的碎石，用聚羧酸高效减水剂。养护室标准养护28 d，实测抗压强度为68.3 MPa。CFRP布具体性能见表2。选用JGN型碳纤维建筑结构胶，按照说明要求进行配比。

表1 混凝土配合比

表2 CFRP力学性能

1.2 试件制作

制作24根试验梁，尺寸为80 mm×120 mm，梁长为900 mm，放置养护室进行养护，标准养护28 d之后取出，用角磨机将混凝土梁底及侧面打磨平整，并除去混凝土表面的浮浆，然后用清水洗净并在试件上划线标记粘贴区域位置。防止因树脂胶滴落而对高强混凝土梁产生影响，用透明胶带对非粘贴区域进行覆盖。使用蘸有酒精的脱脂棉球在粘贴区域进行擦拭，然后将试验梁放置在室温下干燥。使用自行设计的FRP张拉机对CFRP布施加预应力[17]，通过千斤顶将力施加到加载头上，加载头向外侧伸长，将碳纤维布拉伸，如图1所示。当荷载值达到目标值后进行CFRP粘贴工作，在打磨平整的梁底张贴一层CFRP布。在试验梁的端部各粘贴70 mm×320 mm的碳纤维布U型箍，其目的是为了防止因预应力张拉而导致碳纤维布发生错位，粘贴后的试验梁如图2所示。为保证CFRP表面光滑平整，将尺寸为620 mm×80 mm的聚脂薄膜粘贴在CFPR表面，并用滚筒将薄膜下的气泡赶出，保证薄膜和碳纤维布紧密贴合。放置室温下7 d，待试件底面结构胶完全干燥后，去除聚脂薄膜并剪断碳纤维布。

试验梁尺寸及配筋情况如图3所示。其中2A6(HPB300)为试验梁上部架立筋，2C8(HRB400)作为下部受拉筋，箍筋型号为C6@60(HRB400)。

图1加载装置

图2试件锚固

将12根高强混凝土梁放入湿热箱中750 h后进行受弯试验。施加预应力分为三个等级，0%(0.00fcfk)、15%(0.15fcfk)和30%(0.30fcfk)，符号fcfk表示CFRP片材的抗拉强度标准值。T代表环境温度，CP0、CP1、CP2代表CFRP预应力等级，JZ代表无CFRP粘贴梁(基准梁)，试验参数见表3。

图3配筋图

表3 试验参数

1.3 试验设计

试验采用四点弯曲加载，加载速度为0.2 mm/min，试验梁加载点位置见图4。为观测试验梁裂缝开裂的情况，加载前将试验梁侧面用白色乳胶漆进行涂刷，并绘制尺寸为40 mm×40 mm网格线。

图4加载示意图(单位：mm)

加载仪器为100T电液伺服万能试验机。对试验梁进行预加载，预加载试验分3级进行，增量为2 kN/级，加载至6 kN时停止，然后缓慢卸载。正式加载试验时，在0～20 kN范围内采用5 kN/级，当荷载达到21 kN时，转化为3 kN/级继续加载，直至高强混凝土梁破坏时停止，将每级荷载在稳定2 min后记录此时数据，然后继续加载，到试验梁破坏为止。为了及时观察裂缝出现时的荷载及发展受力情况，采用放大镜观察裂缝的出现，为了精准记录试验梁在受压时的裂缝宽度，在加载过程中使用裂缝观测仪记录裂缝宽度。

为测量试验梁跨中挠度，试验采用量程为20 mm的LVDT位移计；在试验梁底CFRP表面布置13个尺寸为4 mm×2 mm应变片，通过应变片测量CFRP应变，应变片位置见图5，从左至右依次对应变片进行编号。图中参数a为66 mm，b为33 mm。

图5梁底应变片布置

2 试验结果及分析

2.1 开裂荷载与极限荷载

表4为24根试验梁数据，表中T40代表作用环境为相对湿度98%、温度40℃湿热环境，T20代表环境为相对湿度70%、温度20℃自然环境，每组试验梁有3根，荷载数值取其平均值。

表4 各试验梁的试验结果

比较表4数据可以发现，在自然环境下，与JZ基准梁相比，CP0非预应力试验梁的开裂荷载和极限荷载分别提高35.6%和37.6%；CP1系列试验梁的开裂荷载提高78.0%，极限荷载提高57.2%；CP2系列试验梁的开裂荷载提高87.9%，极限荷载提高68.7%。表明试验梁粘贴CFRP布后，承载能力得到显著提升，预应力等级越高提升的效果越显著，其中对开裂荷载提高的效果更显著。

从图6中可以看出，在湿热环境下，与基准梁相比，粘贴CFPR布后开裂荷载和极限荷载均有提升，并且随着预应力等级的增大提升幅度逐渐增大；湿热环境作用下的混凝土梁与自然环境下的同条件梁相比，基准梁的开裂荷载和极限荷载下降幅度较小，表明湿热环境对高强混凝土梁的受力性能影响较小(T20JZ梁与T40JZ梁相比，开裂荷载和极限荷载约下降8%和7%)。但CP0试件组、CP1试件组和CP2试件组的开裂荷载和极限荷载均明显下降，如T40CP0梁较T20CP0梁开裂荷载和极限荷载分别降低了14%和12.8%；而T40CP2梁与T20CP2梁相比，开裂荷载和极限荷载分别降低了18.5%和16.0%。同时也可以看出随着预应力等级的提高，湿热环境作用下导致开裂荷载和极限荷载的下降幅度也有所增加，表明湿热环境对CFRP与混凝土梁的粘接强度有明显的劣化影响，随着温度升高，不利影响加剧。

图6自然环境与湿热环境下试验梁开裂荷载与极限荷载曲线

2.2 抗弯刚度

图7为试验梁的荷载-跨中挠度曲线。根据曲线的整体趋势可以发现，曲线大致分为三个阶段，分别是上升段、平稳段、下降段。其中在上升段，挠度曲线均为线性增长，产生这种现象的原因是由于在加载的初始阶段CFRP与高强混凝土梁粘结良好，两者协同受力，试件处于弹性状态；在平稳段，梁荷载逐渐增大，裂缝不断产生与开展；在下降段，主要裂缝快速扩展并延伸至梁顶，CFRP逐渐剥离。

图7(a) 为基准梁在湿热环境和自然环境情况下荷载-跨中挠度曲线，从图中可以看出曲线的趋势很接近，表明湿热环境对高强混凝土梁受力性能影响较小；图7(b)为粘贴无预应力CFRP时试件的跨中挠度曲线，图7(c)为粘贴CFRP预应力等级为15%时试件的跨中挠度曲线，图7(d)为粘贴CFRP预应力等级为30%时试件的跨中挠度曲线。从图8(a)—图7(c)可以看出，在上升段两者曲线均较接近，但在湿热环境下的试件波动段出现较早，相比于自然环境的试件，其波动段和下降段整体向下偏移；从图7(a)到图7(d)可以看出，湿热环境下试件跨中挠度曲线与自然环境下试件跨中挠度曲线相比，随着预应力等级的增大，两者平台期出现时对应的荷载值之差逐渐增大，产生这种现象进一步表明，在高温、高湿环境下CFRP与高强混凝土粘结界面产生严重劣化现象，并且随着预应力等级的增大，这种劣化产生的影响越严重。

2.3 破坏形态

图8为试件破坏形态。从图8中可以看出自然环境下梁的剥离破坏发生在混凝土层，在破坏后CFRP会黏附有大量的混凝土颗粒。在湿热环境下，剥离破坏发生在结构胶和高强混凝土梁底面交界处偏向于混凝土一侧，破坏发生时，梁底CFRP粘下少许混凝土颗粒，并且随着预应力等级的增大，CFRP上粘附的混凝土颗粒逐渐减小。产生这种现象表明湿热环境对CFRP-混凝土界面存在明显的劣化作用，且随CFRP预应力等级提高，劣化作用越明显。

图9为不同预应力等级梁在湿热环境下破坏形态。由图9可见随着试验梁CFRP预应力等级的增加，界面破坏的形态由跨中裂缝引起的CFRP剥离破坏逐渐变为关键斜裂缝引起的CFRP剥离破坏。这是由于随着预应力的增加，梁受CFRP的约束作用增大，裂缝出现逐渐推迟，并且裂缝的扩展也较缓慢，进入破坏阶段后，CFRP与高强混凝土界面剥离，梁的裂缝迅速扩展直至破坏。

图7 试件荷载-跨中挠度曲线

图8试件破坏形态

图9混凝土梁破坏形态

3 结 语

(1) 在自然环境下，与基准梁相比，CFRP加固高强混凝土梁，其开裂荷载提高35.6%，极限荷载提高37.6%，并且随着CFRP预应力由0%、15%、30%逐渐提高，极限荷载分别提升37.6%，57.3%和68.7%。

(2) 在湿热环境下，与基准梁相比，CFRP加固高强混凝土梁，其开裂荷载提高27.3%，极限荷载提高29.3%，随着CFRP预应力由0%、15%、30%逐渐提高，其极限荷载分别提升29.2%、46.9%和56.6%。

(3) 与自然环境相比，在湿热环境下，试验梁的开裂荷载与极限荷载均下降，随着预应力等级的增大，其下降的幅度变大。高温、高湿对CFRP-混凝土界面产生劣化，随着预应力等级的增大，CFRP能抑制试验梁的开裂。

(4) 在湿热环境下，随着预应力的增加，CFRP加固梁的破坏由中部弯剪破坏逐渐变为关键斜裂缝引起的剥离破坏。