新型生物基CFRP层压板在泵站结构加固中的应用

高 义

(广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523000)

1 概述

在过去的30a里，碳纤维增强聚合物(CFRP)材料已被越来越多地用于修复和加强钢筋混凝土结构[1]。对CFRP材料日益增长的兴趣是由于其相对于传统加固材料(尤其是钢)的优势，例如，其高强度-重量比[2]、耐腐蚀性和易于应用[3]。将生物基树脂和碳纤维结合起来生产CFRP层压板，典型的纤维量约为70%，有很大的潜力用于结构加固应用；这可以降低此类产品对石油的依赖性，同时保持其目标机械性能。

至于其他复合材料部件，人们对开发更具可持续性的CFRP材料感兴趣[4]。然而，如何通过大规模的生产程序(如拉挤)来生产对环境更友好的CFRP层压板[5]，具有与传统产品相当的机械性能和耐久性仍是一个挑战。因此，用生物基[6]替代品取代传统的石油衍生(热固性)基体似乎是目前快速而有竞争力的解决方案，可以在保持机械性能的同时提高复合材料的可持续性。最近，有公司开发了一种不饱和聚酯(UP)生物基树脂。通过拉挤法成功地用于制造CFRP层压板，取代了环氧乙烯基酯树脂(VE)，并在短期热力学测试中显示出良好的性能。

在这种情况下，本文介绍了通过单圈剪切试验评估上述生物基CFRP层压板与混凝土基材之间的黏合力[7]，以及通过对钢筋混凝土(RC)梁的四点弯曲试验评估这种生物基CFRP加固系统的结构有效性。通过与标准CFRP层压板(参考组)的比较，评估了生物基CFRP层压板获得的结果，该层压板由环氧树脂-乙烯基酯树制成。考虑到CFRP的加固能力在很大程度上受其与混凝土的结合力的影响。因此，用于生物基和环氧CFRP层压板测试的黏合剂类型和厚度相同，2个系统采用的测试程序也相同。

2 材料和方法

2.1 材料

生物基CFRP层压板和环氧CFRP层压板的组成材料为树脂和纤维，2种层压板的横截面都是20mm×1.36mm。用于单次搭接剪切试验的混凝土块(20cm×20cm×35cm)来自于本地水泥供货商，标号C30等级。2种层压板分别制作6个试件进行单圈剪切试验。

用于四点弯曲试验的钢筋混凝土梁长3.95m，矩形截面(20cm×30cm)，使用C40/45等级的混凝土浇筑。测试当天取得的混凝土试块，其平均立方体抗压强度为38MPa，参考梁和CFRP加固的梁为42MPa。梁的顶部和底部分别用直径为8mm(极限强度为489±7MPa)和10mm(极限强度为414±7MPa)的HRB335级纵向钢筋进行加固(每层2根)。剪力加固包括直径为8mm、间距为15cm的箍筋(同等级)。

由S&P公司提供的传统环氧树脂黏合剂(S&P-HP 220)被用来将CFRP层压板黏合到混凝土基材上。S&P-HP 220环氧树脂有着优异的性能，可在8～55℃之间正常工作，并在高温下有一定工作性能，同时基材温度须比露点温度至少高3℃。其使用流程为：分别搅拌AB各组分，然后将组分B加入组分A。充分混合，直到浆体颜色是均匀的灰色，没有任何条纹。再将混合后的材料放在不同的容器中。搅拌时，搅拌速度应小于400转/min，以避免空气混入混合物。在使用黏合剂之前，必须用蘸有清洁剂的布将层压板的表面清洗干净。

表1 单圈剪切试验试件表

2.2 黏合程序

在黏合层压板之前，需要预先处理混凝土基材以保证最好的黏结性能。用抛光机打磨表面，直到骨料变得可见，以增加粗糙度，从而提高黏附力。用压缩空气喷头清除所有残留的碎屑，用丙酮清洗层压板，以去除所有表面上的可见杂质。在混凝土上直接涂上一层薄薄的胶黏剂，然后将层压板放在位置上。然后用定制的工具除去多余的黏合剂，并保证达到2mm的黏合厚度。

层压板沿着黏合区的边缘做了45°的斜面，以尽量减少应力集中，并使得混凝土和层压板之间能够适当转移应力。每个单层剪力块上都有4个层压板，同时每个表面的中心都设有一个剪力块。在组合梁中，2块层压板被黏合在底部的围板上，横向间距为40mm(中心到中心)。所有试件在测试前，均在实验室里固化了2周。

2.3 单圈剪切试验

图1描述了试验装置和试样的几何形状。混凝土块被放置在由2块厚钢板和2根螺纹钢棒组成的钢制加载框架内。试样在一台万能试验机(UTM，Instron 5982)上进行测试，由2块钢板固定(如图1所示)，由螺纹杆以15Nm的扭矩(每根杆)拧紧。在用UTM抓取CFRP层压板的顶部之前，用激光水平仪严格地对准这些块，以尽量减少负载应用中的任何偏心和加载阶段的潜在弯曲效应。一旦试样被定位和对齐，CFRP层压板以0.4mm/m的速度被加载-1。每个系列中的一个试样用电动应变仪进行测量，位置如图1所示。其余的试样中，用引伸计测量了CFRP层压板的10条排列线之间的平均应变(9条在黏合区，1条在未黏合区)。支座滑移同样通过引伸计测量(除了带电动应变仪的试样，制作端滑移没有被测量)。每种类型的层压板总共测试了6个试样。

图1 单圈剪切试验装置：CFRP层压板中应变计的位置(左)和试样的几何形状(中间和右边)(单位：mm)

2.4 四点弯曲试验

测试了3根梁：1根参考梁(VR-0)和2根CFRP加固的梁，采用生物基或环氧树脂层压板(分别为VB-1和VC-1)。采用分配梁以四点弯曲配置进行测试，试件全长3950mm，2支座相距3600mm，加载端距支座1850mm。位移计支设在横梁跨中、加载端及支座端5处。

荷载由液压千斤顶施加，容量为600kN(用Novatech称重传感器测量，容量为400kN)，并通过钢制分配梁传递到两个截面上的被测梁上。使用位移传感器(TML，精度为0.01mm)在跨中、受力部分和支撑部分测量被测梁的垂直位移。轴向应变是在跨中的每根纵向钢筋的中心，用TML电子应变仪(SG)测量的。轴向应变也是在每个CFRP层压板的不同位置测量的：中跨和两端旁边。测试以0.50kN/s的平均速度进行(测量到底部钢筋的屈服点)。

3 结果与讨论

3.1 单圈剪切试验

在层压板加载端测量的荷载与滑移曲线如图2所示。

图2 层压板的荷载与加载端滑移

对于这2种类型的层压板，试样都呈现出最初的线性响应，在达到最大荷载之前，刚度略有下降，(在大多数情况下)出现软化阶段。生物基CFRP层压板试样的最大荷载为11.2±1.8kN(CoV为16%)，而环氧CFRP层压板试样的最大荷载为11.5±1.1kN(CoV为10%)。尽管2种类型的层压板的整体机械响应和最大荷载非常相似，但生物基CFRP层压板获得的结果的分散性更高。这不仅反映在最大荷载上，也反映在曲线的整体发展上，而对环氧试样来说则更为一致。这可能是由于在生物基层压板中观察到较低的界面黏合力。

不同荷载水平(最高为最大荷载的99%)下，沿CFRP层压板黏合长度的轴向应变(用电动应变仪测量)如图3所示。其中，x=0mm对应于加载端的黏合剂边缘，2个试样的失效荷载不同(因此，结果不能直接比较)，环氧CFRP层压板约为13kN，生物基CFRP层压板约为10kN。

图3 层压板的应变与应变计的位置

由图3可知，2种类型的层压板的发展长度非常相似，在CFRP层压板的最后100mm，应变几乎为零。在2种层压板中，与最大荷载相对应的应变突出了脱黏机制，荷载边缘的应变峰值向黏合接头的自由端“移动”。

所有测试样本的失效模式如图4所示。

图4 层压板试件的破坏模式量化图

使用CAD辅助软件分析，按其发生的百分比面积(相对于CFRP层压板而言)进行量化，包括：混凝土失效，CFRP分层，黏合剂失效，以及混凝土-黏合剂界面的失效。

可以看出，环氧CFRP层压板主要的破坏模式是混凝土(黏性)破坏，也有少量的混凝土-黏合剂破坏。在生物基CFRP层压板试样中，在3个试样中观察到CFRP分层(黏着)失效，其中2个试样在整个CFRP区域发生。同样，这可以解释为在生物基层压板中观察到较低的界面黏合力，这可能是由于在拉挤过程中UP树脂对碳纤维的浸渍效率较低和/或其界面强度较低。

3.2 四点弯曲试验

参考梁(VR-0)和2个CFRP加固梁(VB-1和VC-1，分别采用生物基和传统层压板)的荷载与跨中挠度曲线如图5所示。

图5 参考梁，生物基和环氧树脂CFRP加固梁的荷载与位移

所有梁的行为都符合预期，与使用传统分析公式预测的响应相匹配。加强的梁VB-1和VC-1表现出非常相似的行为，它们的破坏荷载(分别为51和52kN)几乎一致。在这2次测试中，层压板能够将参考梁(VR-0)的承载能力提高约60%。在这2根梁上，层压板在中跨处测得的最大应变为5.1‰。

参考梁在底部钢筋屈服后因混凝土压碎而破坏。而在2根加强梁中，结构失效是由底部钢筋屈服后，CFRP层压板的中间裂缝脱黏引发的。沿层压板观察到的失效模式包括混凝土失效，CFRP脱层和黏合失效；CFRP层压板仍然黏附在基体上的部分被表示为“黏合”。值得一提的是，在混凝土-黏合剂(C-A)界面没有观察到破坏。与VB-1相比，梁VC-1呈现出较高的黏结面积和较高的混凝土破坏面积，而后者呈现出较高的CFRP脱层面积。

4 结论

为了提高泵站结构安全，保障泵站日常的正常运行。本文采用新型生物基CFRP层压板对泵站结构进行加固，并评估了于泵站钢筋混凝土结构加固的部分生物基CFRP层压板的结构性能。得到以下结论。

(1)单圈剪切试验中，与传统的环氧CFRP层压板相比，生物基CFRP层压板呈现出类似的性能。生物基CFRP层压板获得的结果呈现出较高的分散性，呈现出较高的分层失败趋势。

(2)四点弯曲试验中，生物基CFRP层压板的性能与环氧树脂的层压板相匹配，呈现出同等的加强率。

(3)生物基CFRP层压板加固钢筋混凝土结构方面效果显著，具有一定应用价值。由于实验可能存在一定的误差，应用时需对结构进行相关计算分析。