碳纖維加固銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞抗彎性能

陳 爽，陳宜虎，梁進修，徐 寧

（1.廣西礦冶與環境科學實驗中心，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學博文管理學院，廣西桂林 541004；3.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

碳纖維加固銹蝕鋼筋混凝土梁的疲勞抗彎性能

陳 爽1，2，陳宜虎2，梁進修2，徐 寧3

（1.廣西礦冶與環境科學實驗中心，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學博文管理學院，廣西桂林 541004；3.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

設計了2根未銹蝕和6根中度銹蝕程度的鋼筋混凝土梁，其中4根銹蝕梁貼碳纖維布進行不同形式的加固，對碳纖維加固銹蝕混凝土梁的疲勞性能進行了研究。試驗結果表明：碳纖維加固梁具有良好的疲勞抗彎性能，疲勞加載后發現加固梁不可恢復的殘余變形相對較小，說明碳纖維加固可以提高銹蝕梁的恢復力，并且隨著碳纖維布加固量的增加，梁的疲勞抗彎性能都有所提升。碳纖維U形箍對疲勞性能也有較大影響。

碳纖維；銹蝕；鋼筋混凝土梁；疲勞抗彎

0 引言

經過幾十年的基礎設施和房屋建設，中國大量的建筑、橋梁和港口設施都出現了鋼筋銹蝕，從而嚴重影響到了結構的承載力和安全的問題［1］，可以預見，中國建筑業已進入對舊建筑維修、加固、改造和建造新建筑并重的時期，今后舊建筑的加固改造將成為建筑業發展的新支點。

越來越多的新技術、新方法被應用到加固業中，如加大截面法、預應力加固法、外包鋼加固法和粘貼纖維復合材料加固法等。其中，碳纖維增強塑料（CFRP）以其具有抗拉強度高、耐久性好、質量輕的特點在結構加固領域得到了廣泛應用。目前，碳纖維加固混凝土結構的研究主要集中在靜載性能領域［2－3］，動荷載條件下的研究相對較少［4］；針對銹蝕混凝土結構疲勞性能的研究已有一些成果［5－11］，而鮮見先腐蝕、后用CFRP加固構件的疲勞性能研究。所以，研究碳纖維加固銹蝕混凝土梁的疲勞性能，具有很大的現實意義。

1 試驗方案

1.1 試驗梁的設計和制作

本次試驗共制作了8根完全相同的鋼筋混凝土矩形截面梁。其中，參加電化加速腐蝕的梁共6根，混凝土強度等級為C30，截面尺寸為120 mm×200 mm，長度1 700 mm，試驗梁的編號及用途見表1。底部主筋為2根HRB335級φ14鋼筋，架力筋為2根HRB335級φ12鋼筋，箍筋為HPB235級φ6鋼筋，主筋保護層厚度25 mm，除主筋外，其他鋼筋均涂上鋼筋阻銹劑。

表1 試驗梁的編號及用途

試驗所用碳纖維布是由上海悍馬建筑科技有限公司生產的CFW 300型單向碳纖維布，產品厚度為0.167 mm，寬度100 mm，單位質量300 g／m2，設計抗拉強度3 400 MPa，拉伸彈性模量2.4×105MPa，拉伸斷裂伸長率1.7%。采用的黏結劑為該公司生產的碳纖維片材加固配套專用膠，其是由和主膠固化劑兩組份改性環氧樹脂類膠黏劑組成的。碳纖維加固方案見圖1。

圖1 碳纖維加固方案

1.2 銹蝕和加載方案

本試驗采用浸泡通直流電的方法加速鋼筋銹蝕，設計銹蝕程度為中度銹蝕，受力主筋的理論銹蝕率控制在6%。將待銹蝕的鋼筋混凝土梁浸泡在質量分數為3%的NaCl溶液中11 d（264 h），鋼筋通過導線連接直流電源正極，不銹鋼片連接電源負極，每根梁都由一臺獨立的電源供電。在加載試驗完成后，將銹蝕試驗梁砸開，取出銹蝕主筋并用鹽酸清洗掉鋼筋表面的銹蝕物，然后用電子秤稱量剩余鋼筋的質量。通過計算得到各試驗梁主筋實際銹蝕率與理論值差距均在0.5%以內。

圖2 疲勞加載波形

疲勞加載和靜力加載試驗均采用三分點兩點加載，純彎段的長度是500 mm。為確定疲勞荷載的上下限，疲勞試驗前首先對L1進行了靜力加載，實測L1的屈服荷載為70 kN，極限荷載為83 kN。疲勞荷載的峰峰值取Pmax＝52 kN，約為L1極限荷載的62%；峰谷值取值過小時試驗梁容易發生劇烈震動，所以本次試驗取Pmin＝38 kN，約為L1極限荷載的45%，中值為45 kN，應力比為0.73，加載頻率取1 Hz，循環次數5萬次，疲勞加載波形為正弦波，見圖2。

正式疲勞加載前，先用MTS加20 kN的靜荷載持續5 min，然后卸載等待20 min后進行疲勞加載，以消除加載系統各部分的間隙。由于梁在疲勞加載時前期的變化比較大，所以在疲勞加載的前2～3 h，每半個小時測量1次撓度和應變，以后每個小時測量1次。

2 疲勞試驗現象和結果分析

2.1 裂縫開展及分析

首先進行電化加速銹蝕試驗。試驗梁經過1 d的加速銹蝕后，在局部部位發現銹蝕物滲出，此時未見銹漲裂縫產生；2 d后沿受力主筋縱向出現銹漲縱向裂縫，本次電化加速銹蝕的6根梁，裂縫會隨機產生在梁底或是梁側，這是因為銹漲裂縫會選擇保護層相對薄弱的部位出現。由于銹蝕物能夠沿裂縫滲出導致銹漲作用不明顯，所以在電化加速銹蝕階段銹蝕裂縫的寬度無明顯增長；電化銹蝕結束后，置于空氣中的銹蝕梁鋼筋還會緩慢銹蝕，此時由于銹蝕物不能從裂縫滲出，裂縫寬度發展較明顯。滲出的銹蝕物最初呈白色膠體狀，隨后轉變為墨蘭色，在富氧條件下最終轉變為磚紅色。

隨后進行疲勞試驗，試驗后的梁裂縫分布見圖3。不銹蝕梁L2在疲勞過程中產生了11條裂縫，裂縫間距分布比較均勻。銹蝕不加固梁L4疲勞過程產生了8條主要裂縫，數量要少于L2，而且裂縫高度以及在峰峰值荷載作用下裂縫的寬度均大于L2。其原因是主筋銹蝕后，酥松的鐵銹破壞了混凝土與鋼筋之間的化學膠著力以及鋼筋肋紋與混凝土之間的機械咬合力，從而造成鋼筋和混凝土之間的黏結性能發生退化，鋼筋與混凝土之間的應力傳遞效率也隨之降低。

加固梁產生的主要裂縫數量較L2和L4要少，且裂縫的高度以及寬度要小于L4，表明碳纖維布限制了試驗梁中和軸的上移，從而有效的約束了裂縫的發展。加固梁裂縫的寬度表現為上下細中間粗，說明碳纖維布限制了梁底部裂縫的開展，對中間的約束相對較小。L6、L8的裂縫寬度要小于L5和L7；L7、L8的裂縫主要集中在梁的純彎段，而L5、L6在彎剪段也出現了少量裂縫，綜合這些現象分析說明：增加碳纖維布的用量能夠更好地提高銹蝕梁的抗裂性能，而碳纖維U形箍可以提高彎剪段的抗裂能力。

2.2 試驗梁的撓度分析

6根疲勞試驗梁的跨中撓度都是隨著疲勞次數的增加而增長，且前期撓度增長較快，后期趨于平緩，如圖4所示。銹蝕不加固梁L4跨中撓度要比不銹蝕梁L2跨中撓度大，這是因為L4主筋銹蝕后，酥松的鐵銹會破壞鋼筋和混凝土之間的化學膠著力以及降低它們之間的摩擦力，使受力主筋和混凝土之間的黏結性能降低，進而導致L4的抗彎剛度也隨之降低，5萬次疲勞循環后，L4最大撓度比L2大5.78%，表明銹蝕梁剛度退化更明顯。L5、L7的撓度要明顯大于L6、L8，跨中撓度平均高了11%。說明碳纖維布的用量增加后，隨著受拉鋼筋應力降低，彎曲裂縫處鋼筋的應力集中減緩，能夠明顯的提高銹蝕鋼筋混凝土梁的彎曲剛度。而L5的撓度略大于L7，L6的撓度略大于L8，但差距較小，說明在梁端是否粘貼碳纖維U形箍對梁的抗疲勞剛度影響不大。

圖3 疲勞荷載作用下梁裂縫分布圖

圖4 疲勞荷載作用下梁的跨中撓度

對比加固梁與未加固梁，在疲勞加載后，L5的跨中撓度比銹蝕不加固梁L4降低了13.5%，L6的跨中撓度比L4降低了23%。表明粘貼碳纖維布加固后銹蝕梁的剛度得到了提高，并且增大碳纖維布的用量，銹蝕梁的剛度也隨之增加。主要原因是碳纖維布承擔了部分拉應力，從而降低了受力主筋與混凝土之間的黏結損傷；也可以通過耗能的觀點進行解釋，碳纖維布代替鋼筋混凝土梁消耗了部分能量，降低了銹蝕梁的累積疲勞損傷。

疲勞加載完成后，立即卸載，等試驗梁的撓度穩定后，采集了各試驗梁的撓度，撓度越大就代表試驗梁的塑性變形越大。各試驗梁卸載后跨中不可恢復的塑性撓度變形值從L2、L4至L8分別為0.769 0 mm、0.800 0 mm、0.626 5 mm、0.553 0 mm、0.553 0 mm、0.564 0 mm，其中，銹蝕不加固梁L4的塑性變形最大，不銹蝕梁L2次之，碳纖維加固梁的塑性變形值相對較小。由此可見，碳纖維布加固銹蝕混凝土梁能提高梁承受疲勞荷載以后的恢復力，從而減小塑性變形。

2.3 疲勞加載過程中試驗梁的應變分析

在每根梁的跨中兩側沿截面高度貼5片應變片，采用揚州泰司電子有限公司生產的TS3829B程控應變放大器來動態采集應變。圖5為梁頂混凝土應變。由圖5可以看出：碳纖維布加固后的梁受壓區混凝土的壓應變大幅降低。在5萬次疲勞循環加載后，L2、L4、L5、L6、L8（L7應變片導線接觸不良，故剔除了數據）梁頂混凝土最大壓應變分別為：－868.3×10－6、－916.1×10－6、－730.9×10－6、－641.5× 10－6、－685.7×10－6，貼一層碳纖維布加固的梁比不加固的銹蝕梁最大壓應變降低了20.2%，貼兩層碳纖維布的加固梁降低了27.6%。說明貼兩層碳纖維布加固的梁中和軸高度要小于貼一層碳纖維布的加固梁，增加碳纖維布的用量能夠更有效控制彎曲裂縫的發展，從而限制了中和軸的上移，減小了受壓區混凝土的壓應變。因此，粘貼碳纖維布可以改善銹蝕梁受壓區混凝土的壓應變，并且隨著碳纖維布用量的增加效果也有所提升。

圖6為梁底碳纖維布應變。由圖6可以看出：4根加固梁碳纖維布應變在疲勞循環過程中有緩慢增大的趨勢。這是因為：在疲勞加載過程中銹蝕鋼筋與混凝土之間的黏結力退化，造成鋼筋的拉力減小，從而使碳纖維布承擔了更多的拉力。其中，L5、L7的碳纖維布應變明顯要大于L6、L8的碳纖維布應變，這是因為L6、L8粘貼了兩層碳纖維布，隨著碳纖維布受力面積的增大，其應變也相應的減小。

圖5 梁頂混凝土應變

圖6 梁底碳纖維布應變

2.4 試驗梁的極限承載力分析

表2為試驗梁的極限荷載、屈服荷載及其比值。由表2可見：5萬次疲勞加載后不銹蝕梁L1與L2的屈服和極限荷載沒有明顯差異，這說明不銹蝕梁有著良好的疲勞性能；銹蝕梁L3、L4的屈服荷載都是65 kN，但是它們的極限荷載相差3 kN，這可能是由于疲勞加載降低了銹蝕主筋力學性能造成的，但影響有限；L1和L2的屈服荷載比L3和L4大5 kN，這是因為主筋銹蝕后其截面面積也相應減少，從而造成梁的屈服荷載也隨之下降；L1的極限荷載比L3大8 kN，L2的極限荷載比L4大10 kN，這表明疲勞加載增大了銹蝕梁與不銹蝕梁承載力的差距，說明疲勞荷載加劇了銹蝕梁性能的劣化。

L6、L7的屈服荷載比L4提高了5 kN，L8的屈服荷載比L4提高了10 kN，可見粘貼碳纖維布能夠提高銹蝕的屈服荷載，但是提高的幅度有限；加固梁L5～L8的極限荷載分別比L4大了14 kN、23 kN、22 kN、38 kN，可見粘貼CFRP能大幅提高銹蝕梁的極限荷載，而且隨著加固量的增加極限荷載也隨之增加。分析以上現象的原因：雖然CFRP的強度非常高，但是其彈性模量與普通鋼材相差不大，當受力鋼筋剛屈服時，CFRP的應變還遠未到達極限應變，此時其高強的特點還未充分發揮出來，所以粘貼CFRP加固對銹蝕梁屈服荷載提高幅度不大；但當鋼筋屈服后其應變持續增長，而應力不再增長，此時CFRP的應力隨著應變的增長而增長，其高強的特點才充分發揮出來，所以銹蝕梁的極限荷載能夠大幅提高。粘貼碳纖維U形箍的加固梁L7、L8承載力大于不加U形箍的梁L5、L6，說明粘貼碳纖維U形箍能夠防止混凝土保護層剝離破壞，從而提高銹蝕梁的承載力。

表2 試驗梁的極限荷載、屈服荷載及其比值

各試驗梁的極限荷載與屈服荷載的比值（簡稱強屈比）見表2，其值表現梁的塑性變形能力，比值越大說明梁的延性越好。疲勞循環加載的銹蝕不加固梁L4強屈比最小，L3的強屈比大于L4，其原因是疲勞加載使銹蝕梁L4的鋼筋和混凝土產生了疲勞損傷，從而導致L4的延性小于L3；不銹蝕梁L1、L2的強屈比很接近，說明疲勞加載對不銹蝕梁延性影響較小。由本試驗結果可以看出：銹蝕加固梁L5～L8的強屈比要明顯大于銹蝕不加固梁L1～L4，說明碳纖維加固銹蝕梁能夠提高銹蝕梁的延性，而且隨著碳纖維布加固量的增加梁的延性也隨之提高；雖然加固梁L5和L6碳纖維布的加固量不同，但是它們的強屈比卻差距很小，這是因為加固梁過早的發生了保護層剝離破壞，使碳纖維布的作用無法充分發揮，即使增大加固量也無濟于事，再次可見粘貼碳纖維U形箍的必要性和重要性。

3 結論

（1）從以上對疲勞試驗梁裂縫、撓度、應變的分析來看，碳纖維加固后的銹蝕梁抗疲勞抗彎性能得到了大幅度的提高，而且粘貼的碳纖維布在整個疲勞加載過程中既沒有發生斷裂破壞也沒有發生剝離破壞。說明碳纖維布具有良好的疲勞性能，用碳纖維布加固承受動力荷載的鋼筋銹蝕混凝土梁是一種既可行又有效的方法。

（2）隨著碳纖維布加固量的增加，試驗中梁的疲勞抗彎性能都有所提升，但是這兩者之間是否是線性相關，也就是當加固量更大時，性能的提升是否還同樣這樣明顯，值得再做研究。另外，碳纖維布加固對極限荷載的提高比對屈服荷載的提高明顯，在超過梁的屈服荷載后，加固梁的碳纖維布可能突然剝離，由于剝離破壞的突然性，所以要盡量避免剝離破壞的發生。因此，在梁兩端粘貼碳纖維U形箍是非常必要的。同時，碳纖維U型箍的存在對梁的彎剪裂縫發展、混凝土及碳纖維應變都產生有利影響，但對疲勞剛度的影響不明顯。

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TU317

A

1672－6871（2014）01－0058－05

國家自然科學基金項目（51268009）；廣西自然科學基金項目（2012GXNSFBA053151）；廣西教育廳高校科研項目（201106LX228）；廣西高等學校特色專業及課程一體化建設項目（GXTSZY232）

陳 爽（1981－），男，湖北宜昌人，副教授，博士生，研究方向為混凝土結構加固.

2013－09－11