CFRP加固混凝土梁蠕变特性的研究

李延超 聂智鹏 曹 平

（1.湖南城建职业技术学院，湖南湘潭 411101；2.湖南工程学院，湖南湘潭 411104；3.中南大学，湖南长沙 410083）

引言

碳纤维增强塑料（CFRP）是以粘胶丝、聚丙烯腈纤维和沥青丝等为原料，经过高温碳化而成的复合功能材料，具有强度高、易加工、耐腐蚀等特点，广泛应用于航空航天、电气传动、机械等领域，也是一种物理力学性能优越的结构加固材料，尤其是抗压、抗弯、剪切等静态力学性能较稳定，已在工程加固中积累了丰富的研究成果[1，2]。然而，在混凝土梁柱加固中，因混凝土脆性大、易变形，特别在超载作用下极易产生断裂，导致结构失稳破坏。因此对在役混凝土承载结构的加固强度及加固材料的选型提出了挑战。传统的提高配筋率、增强混凝土强度、增大截面积等措施已满足不了灾变混凝土的在役加固，尤其发生病险混凝土工程修补施工的难度大、成本高、工期长，于是寻找高效稳定的加固材料是混凝土结构抢修加固的重要途径。碳纤维增强塑料能够克服上述困难，在混凝土梁式结构加固中就加固强度和控制变形已显示了优越性。但是，当外荷载足够大时，随服务时间延续，筋材与锚固剂黏结界面蠕变变形较为明显，会引起黏结强度降低，甚至出现加速变形破坏特征，使得混凝土加固失效[3，4]。同时，碳纤维增强塑料加固混凝土梁式结构中筋材与锚固剂黏结界面加速蠕变性和破坏时间的研究报道较少。鉴于此，文中以碳纤维增强塑料加固混凝土梁式构件为研究对象，通过建立非线性蠕变经验模型、室内加载实验和理论推导，探讨筋材与锚固剂黏结界面的黏结力学特性、筋材与锚固剂黏结界面加速蠕变时黏结应力的门槛值，加速蠕变变形特征及破坏时间等问题，为梁式加固理论和工程应用提供参考。

1 筋材与锚固剂黏结特性与荷载传递

1.1 碳纤维增强塑料筋材与锚固剂的黏结特性

混凝土梁构件的破坏主要有拉伸破坏、压剪破坏、弯拉破坏和局部破坏等破坏模式。在超载作用下，往往首先在梁的下部产生开裂裂纹，随着裂纹的扩展、贯通，混凝土出现拉伸断裂，进一步延伸至受力钢筋而屈服，最终诱发梁结构的破坏[5]。因此，梁式结构的加固主要是控制减小受力筋的拉伸变形。目前，加固混凝土梁的碳纤维增强塑料主要有筋材、片材和网材三种类型，其中筋材抗拉强度大、布置灵活、工艺简单，在混凝土梁式抢修加固中广泛应用。碳纤维增强塑料筋常常布设在加固梁的底部，纵穿埋置于开口槽内，并将两端伸入梁内，再通过酚醛树脂、砂浆锚固剂进行包裹黏结来提高梁的抗拉强度控制变形，碳纤维增强塑料筋加固示意图如图1所示。

图1 碳纤维增强塑料筋加固梁

为了提高锚固剂与筋材的黏结强度，加固中通常将筋材进行压痕处理，采用酚醛树脂锚固剂能显著增强碳纤维增强塑料筋与锚固剂的黏结强度。于是，在超载作用下，当加固梁发生变形时，首先需要克服锚固剂的黏结强度和碳纤维增强塑料筋的拉伸变形，再发生梁的变形，这样梁的抗拉强度大大增强。

1.2 荷载传递

众所周知，在梁式构件顶部荷载作用下，呈现底部的拉伸和顶部的压缩受力特征，其中底部的拉伸应力决定了梁结构的承载能力，特别是受力钢筋的不均匀变形极易诱发底部混凝土的拉伸断裂。当混凝土梁的拉坏区域经碳纤维增强塑料筋与锚固剂黏结加固后，筋材的变形主要受黏结应力的影响。因筋材端部约束，黏结应力主要由筋材的拉伸应力传递而来，于是得到碳纤维增强塑料筋与锚固剂的黏结应力为[6]：

式中：τ0筋材与锚固剂的初始黏结强度，通过加载实验可以获得，d为筋材的直径，L为开口槽中筋材的长度。

从式（1）中看到，该黏结应力物理意义明确、参数容易获取，在碳纤维增强塑料加固梁式构件中已大量应用。当初始黏结强度为恒值时，筋材与锚固剂的黏结应力为常量，且随着筋材长度的增加呈线性增加[8]。然而，大量测试表明[7]，碳纤维增强塑料筋与锚固剂的黏结应力受环境温湿度、加固梁结构的几何尺寸、外荷载、筋材的时效变形、锚固剂的蠕变特性等多重因素影响，呈非线性特征，在筋的中部黏结应力较大，沿筋的端部黏结应力逐渐减小，呈单峰分布，其黏结应力分布如图2所示。

图2 筋材与锚固剂的黏结应力

因此，筋材与锚固剂黏结应力的变化是非常复杂的，文中主要考虑蠕变荷载和加固时间对黏结应力的影响，重点分析黏结应力的传递特征及筋材与锚固剂黏结界面加速蠕变破坏时黏结应力的门槛值和破坏时间。

2 蠕变模型及蠕变方程

蠕变是荷载恒定时，变形随时间持续增长的固有力学属性，当应力较小时，结构蠕变变形为衰减蠕变和稳定蠕变两阶段；当过应力发生时（超过塑性极限），结构蠕变呈现加速特征，发生破坏。其中，两阶段蠕变为线性蠕变，而加速蠕变为非线性蠕变。在碳纤维增强塑料筋材加固混凝土构件中，黏结界面有明显的加速变化特性，因此要用非线性蠕变理论分析加固结构的时变特征。在加固构件初期，主要为瞬时弹性变形，随着时间延续，该变形又逐渐恢复，黏结强度也得到恢复；荷载进一步增大，黏结应力达到塑性剪切屈服条件，筋材与锚固剂界面发生塑性变形产生脱黏而破坏。根据岩土类材料的剪切破坏理论，结合Mohr-Coulomb 塑性屈服准则，将自建的MC 元件作为塑性非线性蠕变元件，与Kelvin 粘弹性元件串联，形成改进的Kelvin 非线性蠕变组合模型。该非线性蠕变模型简单、参数容易辨识，能有效描述筋材与锚固剂界面的黏弹塑性时变力学特性，蠕变模型见图3所示：

图3 改进的Kelvin非线性蠕变模型

根据蠕变元件模型理论可以分别得到Kelvin体和M-C体的蠕变公式[8]。

Kelvin体：

（1）当σ＜σg时，＜η(t,σ) ＞=∞

（2）当σ≥σg时，：

Mohr-Coulomb塑性屈服函数为[9]：

其中

式中：I1为应力张量第一不变量，J2,J3为应力偏量第二，三不变量。

结合式（2）～式（5），应用应变相加原理可得到改进的Kelvin非线性蠕变方程：

根据塑性屈服原理，进一步变形，获得加速蠕变破坏的时间tF：

式中：t0为加速蠕变的起始时间，τ0为筋材与锚固剂的初始黏结强度，ε0为加速蠕变阶段的起始应变。

综上所述，通过改进的Kelvin 非线性蠕变模型可以获得筋材与锚固剂黏结界面的三阶段蠕变变形特征，同时还可以根据塑性元件剪切屈服条件得到产生加速蠕变时黏结应力的门槛值和加速蠕变的破坏时间。

3 实验分析

碳纤维增强塑料筋材加固混凝土梁的蠕变力学性能实验通常在室内进行，采用液压加载和东华DH3821静态数据采集系统，在梁的两端分别设置钢板垫。蠕变加载实验采用分级加载，这样可以克服加载过程中加速蠕变的瞬时断裂。实验中混凝土强度等级为C30，轴心抗压强度为30.5 MPa，抗拉强度为3.1 MPa，弹性模量为29.6 GPa，泊松比为0.21；梁构件的长度为3.1 m，高度为350 mm，宽度为210 mm，主筋为2 根ɸ12，架立钢筋为2 根ɸ8，箍筋为ɸ8@75，开口槽长度为700 mm；碳纤维增强塑料筋材的抗拉强度为2 GPa，弹性模量为160 GPa；锚固剂为长沙双洲H52型环氧酚醛树脂，密度为1.3 g/m3，拉伸强度为45 MPa，拉伸模量为3 GPa，吸水率为0.2。应变片、应力计、位移计测点布置如下：在梁侧面的中部位置沿高度粘贴电阻应变片；在碳纤维增强塑料筋材上从中点每隔100 mm分别粘贴应力计、电阻应变片及在相应位置酚醛树脂中埋设电阻应变片；本次实验测点布设于筋材的中部位置点a和距中点300 mm 的点b。在分级加载过程中，分别测量碳纤维增强塑料筋材的应力、位移和酚醛树脂的位移，加载实验装置见图4所示。实验采用分级加载方式，加载初始荷载为40 kN，每级加载时间为10 h，再持续5 h 后，进行下一级荷载70 kN 加载，按此加载方式依次加载至160 kN，共持续时间70 h，文中实验结果仅考虑点a 和点b 位置处，筋材的轴向应力和轴向位移，分级加载及实验结果见图5所示。

图4 加载实验装置

图5 分级加载及实验结果

经过五级加载后，碳纤维增强塑料筋材加固梁式结构中两测点a，b 位置处均出现了明显的轴向位移和轴向应力，随着时间的延续，位移变化率和轴向应力变化率逐渐增大，同时，实验结果还显示：

（1）图5（1）中，在加载瞬时筋材的轴向位移达到2.45 mm，筋材轴向应力为74.5 MPa，第二级加载后筋材的轴向位移达到2.5 mm；第三级加载后筋材的轴向位移达到3.2 mm，筋材轴向应力为97 MPa；第四级加载后筋材的轴向位移达到4.6 mm，筋材轴向应力为135 MPa；第五级加载后筋材的轴向位移达到6.4 mm，筋材轴向应力为194 MPa，位移速率依次递增；在加载持续62.1 h后，筋材轴向应力为240 MPa，筋材与锚固剂界面出现了加速变形，最终位移达到9.52 mm后产生脱黏失效，而筋材仍未产生屈服拉坏。

（2）图5（2）中，位移变化与图5（1）相似，瞬时位移为1.35 mm，筋材轴向应力为34 MPa，经五级加载，持续62.2 h 后，筋材轴向应力为172 MPa，在筋材与锚固剂界面出现了加速变形，最终位移达到6.5 mm后产生脱黏失效，而筋材仍未产生屈服拉坏。

（3）中间点a 的轴向位移、位移速率、轴向应力较测点b 的值均有所增加。还进一步显示，加速位移产生的时间首先在中间a 点发生，紧接着向两侧传递发生筋材与锚固剂黏结界面的完全脱黏引起失效破坏。

4 结论

碳纤维增强塑料筋材能减小混凝土结构的变形和改善应力分布、能阻止断裂裂纹的扩展，还能够延缓混凝土梁式结构的破坏时间和脆性破坏模式，即使梁结构产生弯曲、拉伸破坏时，筋材仍没有产生屈服破坏。

（1）通过五级加载后，梁中部产生的轴向位移是第一级加载瞬时位移的2.61 倍，当位移达到3.8 倍时，在该位置发生脱黏而屈服破坏；产生的轴向应力是第一级加载瞬时应力的2.6 倍，在屈服破坏时，轴向应力为3.22倍；同时，加载至62.1 h到达加速蠕变破坏时间，发生脱黏破坏。

（2）通过五级加载至62.2 h，当梁中部邻近区域产生的轴向位移是第一级加载瞬时位移的4.8倍时，于是在该位置发生脱黏屈服破坏；同时，屈服破坏轴向应力为5.05倍。因此，位移和应力峰值较梁中产生滞后。

（3）对于非线性黏滞系数的演化特性及演化方程、加固梁的加速蠕应变和主裂纹的蠕变断裂耦合力学特性等问题有待于后续研究。