冻融循环对预应力CFRP-混凝土加固梁界面性能的影响

李国民

摘  要：通过36个预应力CFRP加固梁的单剪试验，考察初始预应力、冻融循环次数、碱性溶度对加固梁界面粘结性能的影响。试验结果表明：碱性环境、冻融次数、初始预应力值对界面粘结性能的影响中，初始预应力值影响最大，其次碱性环境、冻融次数影响相比较弱。在碱性寒冷地区，初始预应力值不易过大，否则严重影响界面粘结强度。

关键词：界面  初始预应力  混凝土梁  碱性  冻融循环

中图分类号：TU528.572                          文献标识码：A                        文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0049-02

自从20世纪90年代，FRP（Fiber Reinforced Polymer）技术作为土木工程结构加固新型外贴材料后，我国及各国学者对其加固性能进行了广泛而深入的研究，不仅完成了大量的工业建筑、民用建筑和桥梁混凝土结构的加固工程，而且还编制了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》及国家建设部颁发的《结构加固修复用碳纤维片材》[1-3]。20年后过去了，FRP技术似乎到了一个瓶颈，那就是加固效果很好，但是FRP加固性能没有得到很好体现[4-7]，以FRP加固钢筋混凝土梁为例，具体表现在FRP往往只达到极限性能的20%左右，FRP便从加固梁上剥离，因此预应力FRP加固钢筋混凝土梁（以下简称PRC梁）便是非预应力技术受限后的一个革新技术，很多学者对其进行广泛的研究。

姜新佩等通过对预应力FRP加固的混凝土梁开展弯曲加载试验，试验结果表明：预应力下的FRP加固体，更具有较好的刚度和整体稳定性，并且对裂缝的闭合起到较大作用;薛伟辰通过做同样类型试验，通过试验数据得到了较为系统的理论研究，提出不同破坏模式下的加固梁受弯承载力计算公式;高仲学通过同样试验得到预应力损失的计算方法和考虑预应力损失下抗弯承载力模型，极大的推进了预应力损失下抗弯加固理论。目前对预应力加固工程的技术操作已经相对成熟，但是规范中并没有考虑环境和多场因素作用下对加固梁的界面影响，因此考虑环境因素，对于较为精确估算加固梁抗弯承载力，具有十分现实作用。该文通过对预制36根80×80×190（mm3）矩形截面PRC梁，设置碱性、冻融环境，以碱度、冻融循环次数、初始预应力大小3个参数为考察对象，分析受腐蚀后的PRC梁界面粘结应力影响情况。

1  试验过程

1.1 试验材料

由于PRC梁具有初始预应力，因此对于加固梁来说，较高的混凝土强度等级，在FRC受力过程中，界面具有较好的稳定性，不易剥离。因此本试验选择混凝土的强度等级为C60，混凝土的配合比见表1。

1.2 参数设置

该试验以碱度、冻融循环次数、初始预应力大小三个参数为考察对象，具体设置如下，以工业氢氧化钠质量分数3%、7%、10%为三种碱性环境，冻融循环次数为50次、100次、200次，初始预应力为极限荷载的5%、10%、15%。

1.3 试件设计

预制36根80×80×190（mm3）矩形截面梁，标准养护28d后，磨去粘贴面浮浆，将纤维布裁剪成60×60×170（mm3）的窄带，按照CECS-146（2007）《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》将纤维布按照初始预应力粘贴到打磨面上，形成单剪试件。后讲应变片以10mm为一个间距等距离布置到纤维布上，连接采集仪，分析在不同荷载作用下纤维布的应变关系。

1.4 试验方法

采用1000kN的电液伺服材料试验机，以0.1mm/min的位移控制加载，数据采集主要有3种形式：（1）通过50kN的荷载传感器进行荷载测量;（2）通过夹式引伸仪测量混凝土与CFRP相对滑移;（3）通过粘贴在CFRP片上的应变片对纤维布进行测量。

2  试验结果与分析

2.1 试驗结果

通过对PRC梁进行单剪试验可以看到，受到碱性+冻融环境下的加固梁界面提前剥离，加载时间不到3min便出现砰砰声，纤维布从混凝土表面剥离，并带一层混凝土。由于受侵环境下，有的试件在没有加载前有的界面就出现空隙空洞，纤维布受损严重，弹力缺失等。

2.2 结果分析

可以看到：随着碱性浓度提高，纤维布纤维泛黄较为严重，界面粘结应力逐渐下降，10%浓度较3%浓度，界面粘结应力峰值下降45%，极限位移减少37%，说明碱度对界面的损伤比较严重，尤其10%的碱度，已经对构件造成严重破坏;随着冻融循环次数增加，PRC梁破坏不如碱度环境那么明显，但是也可以发现，CFRP和混凝土界面处出现微小气泡，尤其在200次冻融循环下，混凝土损伤较为严重，界面处有裂缝存在，50次、100次、200次的冻融循环下剥离荷载分别为22kN、19kN、6.8kN;初始预应力因素对于PRC梁界面损伤最为严重，由于在受侵蚀时荷载一直持续，相当于界面在侵蚀环境和荷载共同作用，界面最容易破坏，从试验发现，15%的初始预应力较5%界面粘结应力峰值下降67%左右，极限位移降低74%，因此可以说，在碱性寒冷地区，初始预应力值不易过大，否则严重影响界面粘结强度。

3  结语

（1）PRC加固技术中，界面的粘结性能是一项关键技术，要保证粘结实现，适当可以采用端部加强锚固措施。

（2）碱性环境、冻融次数、初始预应力值对界面粘结性能的影响中，初始预应力值影响最大，其次碱性环境、冻融次数影响相比较弱。

（3）在碱性寒冷地区，初始预应力值不易过大，否则严重影响界面粘结强度。

参考文献

[1] Ali-AhmaDM，Subramaniam K，Ghosn M.Experimental investigation and fracture analysis of debonding between concrete and FRP sheets[J].J EngG Mech，2006（132）：914-923.

[2] 李杉.環境与荷载共同作用下FRP加固混凝土耐久性[D].大连理工大学，2009.

[3] 王苏岩，李璐希，洪雷.荷载与冻融循环对CFRP-高强混凝土黏结性能影响[J].建筑材料学报，2016（6）：479-484.

[4] American Society of Civil Engineers （ASCE）. Report card for Americas infrastructure. ASCE; 2005.

[5] Mertz DR， Gillespie JW， Chajes MJ， Sabol SA. The rehabilitation of steel bridge girders using advanced composite materials， NCHRP-IDEA Project 51.Washington（DC）：Transportation Research Board; 2002.

[6] Tavakkolizadeh M， Saadatmanesh H. Fatigue strength of steel girders strengthened with carbon fiber reinforced polymer patch[J]. J Struct Eng2003，129（1）：186，96.

[7] Kim YJ， Yoon DK. Identifying critical sources of bridge deterioration in cold regions through the constructed bridges in North Dakota[J]. J Bridge Eng ASCE 2010，15（5）：542，52.