新型玻璃纤维GFRP筋聚合砂浆板加固混凝土梁的粘接性能研究

黄国清

摘要：针对混凝土梁开裂的问题，提出制备玻璃纤维增强塑料筋（GFRP）-聚合物砂浆板，对混凝土梁进行加固。试验结果表明，混凝土梁的破坏形式为脆性破坏，与GFRP-聚合物砂浆板结合后，粘接强度明显高于混凝土基体强度。聚合物砂浆板加固混凝土梁的机理在于，当混凝土梁产生裂缝时，薄板与混凝土内部箍筋共同起到承载作用，进而达到加固效果。当浆板长度为600 mm，此时薄板长度略长于混凝土纯弯段，加固效果最好。

关键词：聚合物砂浆板；混凝土梁加固；双剪静载试验；加固机理

中图分类号：TQ178文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）12-0096-04

Study on the bonding performance of a new glass fiber GFRP reinforced mortar board for reinforcing concrete beams

HUANG Guoqing

（Guangdong Communication Planning & Design Institute Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510507，China）

Abstract：In order to solve the problem of cracking of concrete beams，a glass fiber reinforced plastic bar （GFRP）-polymer mortar board was prepared to reinforce the concrete beam.The test results showed that the failure mode of the concrete beam was brittle failure.After being combined with GFRP-polymer mortar sheet，the bond strength was significantly higher than the strength of the concrete matrix.The mechanism of strengthening concrete beam with polymer mortar thin plate was that when the concrete beam cracked，the thin plate and the stirrup inside the concrete jointly played a bearing role，and then achieved the reinforcement effect.When the length of the thin plate was 600 mm，the length of the thin plate was slightly longer than that of the pure bending section of the concrete，and the reinforcement effect was the best.

Key words：polymer mortar sheet;concrete beam reinforcement;double shear static load test;strengthening mechanism

有些混凝土梁橋虽然服役时间较长，但结构的稳定性还较为牢固，对这些结构进行加固后重复利用，既可以缓解结构压力，又能为拆除工作节约成本，还能有效保护环境，因此需要寻找一种适合的加固方法。对此，部分学者也进行了很多研究，如采用超高性能混凝土对原有结构混凝土进行加固，并对加固后混凝土性能进行研究[1]。以聚氨酯水泥作为加固材料对混凝土结构进行加固[2]。以纤维织物为增强材料对高延性混凝土加固[3]。通过纤维加固装配式框架结构节点的抗震性能[4]。以上学者的研究为混凝土的加固提供了一些方法，但加固效果还达不到理想的目标。基于此，试验参考文献[5]的方法，制备了一种新型GFRP筋-聚合物砂浆板作为混凝土梁的加固材料，并对其加固机理进行研究。

1试验部分

1.1材料与设备

主要材料：水泥（P·O42.5），安东新型建材；碎石（I级），南昱矿产品；砂子（II级），石晔矿产品；双组分环氧砂浆（标准品），景程新型建材；玻璃纤维（标准品），维佳复合材料；GFRP 筋（I级），鸿业工矿设备。

主要设备：WAW型微机伺服液压万能试验机（方圆试验仪器）。

1.2试验方法

1.2.1混凝土试件的制备

（1）由于混凝土强度不同，因此试件的配比也有一些差异。设计的不同强度混凝土配比如表1所示；

（2）根据表1配比将所有原料进行人工拌和，待结束后倒入提前刷油的模具中，充分振捣后抹平混凝土表面，养护24 h后脱模，并浇水养护至指定龄期。

1.2.2GFRP-聚合物砂浆板的制备

（1）对 GFRP-聚合物砂浆板的尺寸进行设计，具体见图1；

（2）提前将玻璃纤维截成300 mm长短，并打磨钢筋两端，避免因外力造成应力集中的情况；

（3）按照设计图定位尺寸在模具内摆放GFRP 筋并进行固定，并提前在模具内壁上进行厚度设定值的标记，避免在浇筑过程中浆板厚度超过设定值；

（4）将聚合物砂浆（双组分环氧砂浆）拌和均匀，然后缓慢倒入固定有GFRP 筋的模具中；

（5）振捣均匀后，抹平表面养护7 d后拆模。

1.2.3双剪试件的组装

（1）提前用砂纸打磨混凝土试件与GFRP-聚合物砂浆板，清理掉表面灰尘后用质量分数95%的酒精进行擦洗；

（2）设计应变片的位置并进行粘贴，第1个应变片布置位置在粘接面最顶端，然后在每隔30 mm的位置进行布置，最后一个应变片的位置在粘接界面的最下端，具体布置见图2；

（3）将直径为3 mm的钢丝做成与粘接界面同等大小的矩形框，然后将其分别固定在混凝土试件与GFRP-聚合物砂浆板上；

（4）将环氧树脂粘结剂均匀涂抹在矩形框内，避免因粘结剂薄厚不均造成的试验结果误差；

（5）将混凝土试件与GFRP-聚合物砂浆板组合在一起，待胶层稍稍凝固后，去除钢丝矩形框，并抹平胶层缝；

（6）组装结束后静置凝固，得到双剪组合试件。

1.3性能测试

1.3.1静载试验

通过微机伺服液压万能试验机进行静载试验。在加载平台上放置制备好的试件，确保承台与试件完好接触，然后对缓慢的对试件施加荷载，直至试件破坏。

1.3.2建立有限元模型

在创建部件中绘制各个构件的草图，然后对部件的材料和截面属性进行创建，最后进行装配和条件的设置，划分网格进行建模，分析薄板的加固机理。

2结果与讨论

2.1粘接性能试验结果

表2为试件静载试验结果。

由表2可知，在只考虑粘接长度对承载力影响的情况下可以发现，粘接长度越长，试件承载力越高；但被剪切的面积也越大。出现这个变化的主要原因：试件间粘接长度越长，则剪应力的传导距离也有一定增加，单位面积所承受的剪应力减小，整体承载力有一定增加[6-9]。由表2还可知，随混凝土强度的增加，材料的极限荷载也有一定增加。这主要是因为粘接强度明显高于混凝土本身的抗剪强度，因此均在混凝土基体表面产生破坏[10-11]。证明混凝土本身的强度直接影响组合试件的承载力。2.2GFRP-聚合物砂浆板应变分布规律

图3为试件载荷-应变曲线。

由图3可知，3个组在加载前期，各测点应变变化均较为缓慢，随加载的进行，应变片总体表现为上升趋势。距加载端较近的测点1和测点4曲线走势较快，说明随荷载的增加，胶层和混凝土表面均产生了严重的破坏，因此变形较大。随加载端距离的增加，曲线走势变缓，变形相对较小。试件B的曲线走势在后半段变化和其余2组试件的曲线有一定差异，这可能是因为在加载过程中出现松动，受力不均引起；总之，试件曲线变化规律一致。对试件规律进行对比分析可知，粘接长度较长的试件具备较好的承载能力与抵抗应变的能力， 不易发生较大变形[12-13]。在加载后期，荷载值超过粘接应力时，试件在一瞬间发生破坏。同时，在双剪试验进行的过程中，混凝土抗压强度比胶体抗拉强度更小，这就使得混凝土破坏均发生在表面[14]。

2.3薄板加固混凝土梁的刚度

选择梁中点为参考点进行刚度分析，结果见图4。

由图4可知，2种强度混凝土梁的荷载-挠度曲线均为上升状态，这说明浆板对混凝土梁的加固效果较为显著，且浆板长度为600 mm的加固效果较好。这是因为500 mm 板长刚好是纯弯的长度，虽然在一定程度上可以起到加固作用，但容易造成应力集中的情况，加固效果不理想[15-16]。而600 mm长度浆板略长于混凝土纯弯段，可以有效阻断弯矩的继续发展。板长为700 mm的加固效果与板长为600 mm的加固效果较为接近，这说明弯矩传递力延伸的距离有限，过长的薄板无法发挥更好的作用[17-18]。对比图4（a）、（b）可知，当薄板长度相同，C40强度混凝土梁的挠度值明显小于 C35强度混凝土梁挠度值。也就是说，浆板对C40强度的混凝土梁的加固效果明显优于C35强度的混凝土梁。

2.4浆板加固混凝土梁的箍筋应变

不同浆板加固的箍筋应变（以梁中点侧面作为箍筋取值点）如图5所示。

由图5可知，在加载前期，混凝土梁并未出现裂缝，此时箍筋应变较小，说明箍筋并未参与承载工作。继续在混凝土梁上施加荷载，混凝土梁开始出现裂缝，此时箍筋开始承受一定荷载，因此应变值开始增加。当荷载相同的条件下，经过聚合物砂浆板加固后的混凝土梁箍筋应变明显小于加固前混凝土梁，表现出良好的加固作用[19-20]。

3结语

（1）双剪静载试验结果表明，与GFRP-聚合物砂浆板结合后，粘接强度明显高于混凝土基体强度，因此混凝土本身的强度对组合试件的承载力有重要的影响；

（2）聚合物砂浆板加固混凝土梁的机理在于，当混凝土梁产生裂縫时，浆板与混凝土内部箍筋共同起到承载作用，进而达到加固效果。当浆板长度为600 mm，此时可以有效阻断弯矩的继续发展，加固效果最好。

本研究得出，聚合物砂浆板结合后，对混凝土都有一定的加固作用，这与文献[5]的结论接近，说明本试验可行。

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