钢筋混凝土板裂缝修复及结构性能研究

武旭东

(颍上县水利局勘测设计室，安徽 阜阳 236200)

0 引言

钢筋混凝土结构服役过程中，受荷载及环境影响(冲击、温度变化、钢筋锈蚀等)，会造成结构损伤；随着有害介质侵入混凝土内部，混凝土基体碱性降低，发生钢筋锈蚀现象，引起混凝土开裂，结构承载力下降。为满足损伤后钢筋混凝土结构的安全性及适用性，需对混凝土结构进行加固[1]。随着新材料技术的发展，具有优异的力学性能和耐电化学腐蚀性能的修复、强化技术不断发展，全面了解不同加固方式对钢筋混凝土结构承载力变化的影响，对合理选择加固修复方案有重要意义。

目前针对钢筋混凝土结构加固修复的研究中，常采用的方法有碳纤维布、环氧树脂、水泥钢丝复合材料等。邓宗才等[2]研究发现，碳纤维增加大了破坏荷载，但修复结构的失效模式从韧性变为脆性[3-4]。姚璇[5]研究了碳纤维增强聚合物板对单向跨板的增强作用，重点研究了单向跨板在荷载作用下的开裂行为，研究发现碳纤维加固的试件承载能力显著提高。张剑瑞等[6]分析了混凝土材料作为加固修复的优缺点，通过采用钢丝网水泥代替普通混凝土对大坝混凝土结构的裂缝进行修复，研究了大坝结构的开裂及承载力变化情况。

本文针对已有的钢筋混凝土加固方法，采用碳纤维布、环氧树脂灌注，水泥灌浆材料对开裂钢筋混凝土结构进行加固，通过三点弯实验研究了构件的承载力变化过程，分析混凝土表面的裂缝扩展、极限破坏荷载、挠度变化及破坏模式。

1 实验研究

1.1 构件制作

试件尺寸为1800mm×120mm×200mm(长×宽×高)，混凝土强度等级为C40，配合比见表1。纵向受力钢筋采直径16mm的HRB335热扎钢筋；箍筋采用直径6mm的HPB235钢筋，混凝土保护层厚度为35mm，截面配筋如图1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 实验过程

参考JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》，计算得到公路Ⅰ级车辆荷载设计值为结构承载力设计值的1%，在梁上表面施加0.01倍极限承载力(Pu，MPa)的荷载来模拟外荷载作用。试验板分为三组，分别为碳纤维加固、环氧树脂灌注及纤维混凝土表面涂覆，通过预加载，使混凝土表面产生裂缝。试验工况见表2。

表2 试验工况

按我国GB 50152—92《混凝土结构试验方法标准》试验方法对钢筋混凝土梁进行四点弯曲试验(测试装置如图2所示)，试验中按5kN进行持续分级加载，每级荷载保持3分钟，观测裂缝开展，记录混凝土板在受力过程中荷载-位移关系，确定破坏模式。

图2 加载装置(单位：mm)

2 结果和讨论

2.1 失效模式和机制

实验过程中，测试板的挠度或裂缝过大时，即刻停止实验。不同加固方式下钢筋混凝土板破坏时的裂纹扩展形态结果显示，S1，S2，S3和S4板的裂纹模式呈现相似的失效模式，裂纹开始于拉伸侧，随着加载的增加，裂纹宽度和长度增加；中性轴的位置向上移动，直到混凝土应变达到最大值。对于未加固的混凝土结构，随着应变的增长，钢筋混凝土板中性轴的上部，由于钢筋布置不足，结构产生压缩破坏，呈现典型的脆性破坏模式[7]。

S5的破坏机制与其他板不同，由于碳纤维布是附加加固，破坏特点为混凝土与碳纤维布接触界面的剪切破坏。由于碳纤维布优越的拉伸性能，加载过程中，试件出现较小的变形量，挠度变化和应变变化小，呈现突然断裂的现象；随着碳纤维布与混凝土界面相对滑移量的增加，碳纤维布逐渐剥落。由于碳纤维布锚固长度不足，碳纤维布与混凝土界面破坏前测得的应变是其拉伸应变的60%，拉伸应变符合实验中观察到的剥离破坏模式，破坏时裂纹数量多，裂纹宽度比其他试件小。S6板中，除了横向裂缝外，由于剪切作用，原板与混凝土层之间的边界处还形成了水平裂缝。

2.2 裂纹扩展和极限载荷

不同加固方式的钢筋混凝土板试件初始开裂荷载如图3所示，由图可知，所有修复的混凝土板表现出更高的开裂荷载。使用环氧树脂灌注的试件，初始开裂荷载较未加固混凝土相比，开裂荷载增加了35%。纤维混凝土涂覆钢筋混凝土板的初始开裂荷载较未加固混凝土板增加了17.8%。使用碳纤维布加固方式修复初始裂缝，裂缝宽度降低，裂缝扩展过程减缓，混凝土表面的裂缝较少。

图3 钢筋混凝土板试件初始开裂荷载

图4给出了不同加固方式下钢筋混凝土板的破坏荷载(极限荷载)情况，由图可知，采用环氧灌注和纤维混凝土涂覆修复的方式，对混凝土极限承载力的提升效果不明显，与控制板相比，强度降低仅为8.6%。采用纤维布加固后，钢筋混凝土板的承载力显著提升，可达到初始损伤前的承载能力，S5和S6板采用碳纤维布加固，极限承载力比控制板分别提高了77.4%和130%。

图4 钢筋混凝土板试件破坏荷载

2.3 挠度变化

图5给了不同加固方式下钢筋混凝土板跨中位置的荷载-挠度曲线，由图5可以看出，试件S5、S6的抗弯刚度较其他时间大，主要是因为碳纤维布加固方式增加了混凝土外侧保护层厚度，另外。碳纤维不和混凝土结构界面的粘结性能，提升了钢筋混凝土结构的整体刚度。通过观察试件S1，S2，S3和S4的挠曲，可以看出经过环氧注浆和水泥灌浆加固后，混凝土构件的初始刚度相近。加载至破坏荷载70%时，S1，S2，S3和S4试件呈现出一定的延性。S2和S4的最大挠度比控制板低15%，灌浆裂缝的最大挠度比原板增加了20%。

图5 钢筋混凝土板试件的荷载-挠度曲线

试件S5和试件S6的荷载-挠度曲线与其他试件出现不同变化，通过碳纤维加固的方式使得钢筋混凝土板表现出更高的刚度；最大挠度与控制板挠度相同，但破坏荷载为控制板的2倍以上。此外，实验中可以得到非延性变化的荷载-挠度曲线，表明钢筋混凝土结构经过不同形式的加固后，延性会发生显著改变。与控制板相比，碳纤维条加固的试件初始刚度没有变化，随着载荷的增加，与试样S1，S2，S3和S4相比，刚度以更高的速率降低。因此，碳纤维布在加载的前期阶段对试件刚度有显着影响。

2.4 应变分布

图6给出了距钢筋混凝土板试件顶部以下25毫米跨中处，混凝土压缩应变随荷载的变化情况，由图中可以看出，试样S1、S2、S3和S4的应变随着施加载荷的增加而变化，不同的加载阶段，钢筋混凝土板内部的应变在40～30mm的深度处发生变化。S5和S6加固的试件，在接近破坏荷载时，钢筋混凝土应变在70～45mm深度处变化。

图7给出了施加50kN荷载时，不同板试件中的混凝土内部应变变化情况。与控制板相比，所有的混凝土板样品表现出较低应变值。试样S2，S3和S4中混凝土应变的降低范围在30%和50%，S5和S6试样中，混凝土压缩应变的减少分别在65%和85%。对于碳纤维不加固的混凝土试件，由于两者界面性能的影响，导致纤维布中的应还和混凝土中的应变呈现相同的变化趋势。采用水泥灌浆加固的试件，由于两者界面性能较弱，呈现出不同的应变变化；最终因为界面处的粘结强度不足，界面处发生剪切破坏，出现横向裂缝。

3 结论与建议

3.1 结论

通过实验研究了环氧树脂灌注、水泥灌浆和碳纤维布加固带裂缝服役钢筋混凝土板的基本承载性能，得到以下结论。

(1)不同加固方式均可提升钢筋混凝土面板的初始开裂荷载和破坏荷载，凝土板的混凝土抗压强度减小、一阶频率逐步提高。开裂荷载和极限荷载逐步下降、梁的延性逐步下降，采用碳纤维加固后能够有效提高混凝土板的抗弯承载力。

(2)随着板构件纯弯段裂缝条数、长度的增加，在同样加载件下碳纤维增强混凝土板的抗弯承载力下降(极限承载力下降、构件延性下降)。初始损伤严重的环境下混凝土梁纯弯曲段的初始裂缝对梁的抗弯承载力不利，采用碳纤维布加固前应确定纯弯段的初始裂缝状况。

3.2 建议

钢筋混凝土板加固后，极限承载力均得到有效提升，能够达到未损伤前的承载性能。结构出现较大裂缝时，建议采用碳纤维布的加固方式；出现较小裂缝时，建议采用水泥和环氧树脂灌注方式加固。