碳纖維布用量對劣化混凝土梁加固效果的影響

吳元周，呂恒林，方忠年，溫海燕，孫 雷

（1.中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 江蘇建筑節能與建造技術協同創新中心，江蘇 徐州 221116）

碳纖維布（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有較強的抗拉強度，被廣泛應用于混凝土梁的受拉區，用以加固補強.研究發現［1－3］，用CFRP加固混凝土構件能增加混凝土的彈性區范圍，特別是縱向受拉鋼筋屈服后效果顯著.由于CFRP 為完全彈性材料，它與鋼筋共同工作會減弱鋼筋的塑性變形，影響構件延性的提高，因此CFRP 用量過多時，構件延性會有所降低［2］.

CFRP加固鋼筋混凝土梁（以下簡稱加固梁）正截面受彎破壞形式有以下幾種［4－6］：（1）受壓區混凝土被壓碎，但受拉鋼筋未達到屈服強度，CFRP未達到極限拉應變；（2）受壓區混凝土被壓碎，受拉鋼筋已達到屈服強度，但CFRP 未達到極限拉應變；（3）鋼筋屈服后CFRP達到極限拉應變被拉斷，受壓區混凝土尚未破壞；（4）保護層混凝土剪切受拉剝離破壞；（5）CFRP與混凝土基層間黏結剝離破壞.

加固梁正截面受彎承載能力提高程度受以下因素影響：混凝土劣化程度、受拉鋼筋銹蝕率、CFRP黏貼層數及利用率，以及CFRP 與劣化混凝土界面的黏結性能等［4，6－8］.特別地，對于多層CFRP的利用率，需考慮折減系數［7］.文獻［9］給出的折減系數k的表達式為：

式中：ncf為CFRP的層數；Ecf為CFRP的彈性模量；tcf為每層CFRP的厚度.

縱向粘貼CFRP在一定程度上能夠提高銹蝕鋼筋混凝土梁的抗彎剛度；設置橫向U 型箍能有效提高加固體系的整體工作性能［1，10］.CFRP 加 固 梁 抗彎剛度的衰減曲線包括初始的快速減小階段、穩定衰減階段和梁臨近破壞時的快速減小階段［11］.

現有文獻充分研究了粘貼CFRP對劣化鋼筋混凝土梁承載能力的提高程度，卻忽略了混凝土梁整體劣化程度（即混凝土劣化、鋼筋銹蝕以及兩者間黏結性能退化等）對加固效果的影響.因為受破壞模式的影響，CFRP的有效利用率不是一個常量，而是與混凝土和鋼筋劣化程度相關聯的變量.故有必要仔細研究加固梁的抗彎性能與CFRP用量的關系.

本文通過對分別粘貼1層和2層CFRP的劣化鋼筋混凝土梁進行正截面受彎試驗，來研究加固梁的力學性能時變規律.同時分析加固梁承載力模型、CFRP用量對加固梁剛度的影響，以及影響CFRP有效利用率的主要因素.為研究混凝土劣化、鋼筋銹蝕以及CFRP與劣化混凝土界面黏結性能退化等因素對加固效果的影響，本文將試驗梁劣化狀態分為輕度劣化（有銹斑，受拉縱筋位置混凝土無明顯銹脹裂縫）、中度劣化（有明顯銹脹裂縫，受拉縱筋位置混凝土保護層未剝落）和重度劣化（受拉縱筋位置混凝土保護層銹脹剝落）.

1 試驗

1.1 原材料

水泥：徐州巨龍水泥廠產P·O 32.5R普通硅酸鹽水泥，密度為3.18g／cm3，比表面積為350m2／kg.砂：天然河砂（中砂），細度模數為2.42.粗骨料：最大粒徑為16mm 的石灰巖碎石.混凝土設計強度等級為C25，混凝土配合比為m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）＝192∶343∶576∶1 063，水灰比為0.56（質量比，文中涉及的水灰比、砂率等均為質量比或質量分數），砂率35%.CFRP 及黏結劑基本性能指標見表1.

表1 CFRP及黏結劑基本性能指標Table 1 Details of CFRP and binder used in the test

1.2 試件設計和試驗方案

試驗梁于2009年1月統一制作完成，室內自然養護28d.圖1為試驗梁配筋及CFRP加固方式示意圖.其中圖1（a）的縱向受拉鋼筋直徑為12mm，上部架立筋直徑為8mm；圖1（b），（c）中為預防受剪破壞，在梁受剪段每間隔100 mm 粘貼1 層50mm寬U 型箍，同時設計了2 種CFRP 加固量，即分別在試驗梁底部受拉面粘貼1層和2層CFRP，其寬度和長度與梁底面一致.共制作17根試驗梁，其中5 根采用方式Ⅰ進行加固（編號記為CL0～CL4），5根采用方式Ⅱ進行加固（編號記為DCL1～DCL5），7根作為各損傷劣化階段的對比梁（編號記為L0～L6）.

圖1 試驗梁配筋及CFRP加固方式示意圖Fig.1 Configuration of specimens and strengthening method（size：mm）

2009年9月開始試驗，所有構件統一時間放入模擬環境中，按設計周期對所有構件進行外觀檢查，測量試驗梁面層銹脹裂縫寬度ω.分批對試驗梁進行正截面受彎試驗，然后采用取芯法，從梁的兩端不受力處鉆取芯樣，測量芯樣碳化深度X，并采用軸壓法檢測其抗壓強度值fc，隨后對試驗梁進行破型，取出銹蝕鋼筋，測量銹蝕率η，極限承載力Fu和跨中撓度δ.

根據工程實測結果［12］，模擬煤礦地面環境，開展加速劣化試驗.主要考慮因素為HCl和CO2氣體質量濃度以及Cl－和SO2－4質量分數，不考慮溫濕變化，環境設置如表2所示.

試驗梁的截面幾何參數、劣化程度、加固方式及破壞模式等如表3所示.

2 結果及討論

2.1 破壞模式

不同程度劣化梁加固前后正截面受彎破壞形態如圖2所示.

圖2 CFRP加固前后劣化梁破壞形態Fig.2 Failure modes of beams before and after strengthening

由圖2可見，劣化梁受彎時主要有2種破壞模式：受壓區混凝土壓碎和受拉鋼筋屈服破壞；粘貼1層CFRP加固的劣化梁正截面受彎時主要破壞形態為CFRP拉斷，在沿受拉鋼筋方向的銹脹裂縫較寬時，部分混凝土保護層會被剝離；粘貼2層CFRP加固的輕度劣化梁（DCL1和DCL2）受彎時，CFRP拉斷破壞，當劣化程度較大（中度劣化及重度劣化）時，加固梁的主要破壞模式為CFRP 黏結層剪斷破壞.試驗過程中，U 型箍始終保持較好的抗剪性能，沒有發生破壞.

與劣化梁相比，加固梁受彎破壞形態有較大變化.主要存在以下原因：（1）受力裂縫的存在，導致混凝土與CFRP界面存在局部脫黏，裂縫兩側混凝土豎向撓度不等，對該位置的CFRP 黏結層產生剪切作用.此外，CFRP承受拉力，阻礙受拉裂縫的發展，導致純彎段能量過于集中.CFRP 同時承受拉力作用和黏結層傳遞的剪切作用，破壞形態存在一定的變異性［5，13－14］.（2）受壓區混凝土抗壓強度降低速度相對緩慢.（3）加固梁正截面受彎時，U 型箍增強了劣化梁箍筋的抗剪能力，而純彎段則缺少U 型箍，抗剪能力明顯偏弱，在交界位置產生剪力突變.（4）CFRP壓條約束受壓區混凝土及鋼筋橫向變形，提高了試驗梁受壓區承載能力.（5）鋼筋銹蝕造成劣化混凝土銹脹開裂，減弱了鋼筋與混凝土的黏結能力［6，15］.加 固梁破壞時，CFRP與黏結的混凝土同步發生破壞，而與銹蝕鋼筋的屈服不同步.

表2 物理模擬環境設置Table 2 Setting details of physical simulation environment

表3 劣化試驗梁加固前后受彎破壞特征參數Table 3 Flexural test results of beams before and after strengthening

2.2 極限承載力

圖3給出了加固梁極限承載力Fu與受拉區鋼筋銹蝕率η的關系.

由圖3 可見，相對于未劣化未加固的基準梁L0，粘貼1層CFRP加固梁的極限承載力在輕度劣化階段略有增長，在中度劣化階段則持續降低；粘貼2層CFRP加固梁的相應指標在中度劣化階段基本穩定，而在重度劣化階段持續降低.由此可見，加固梁在輕度劣化時CFRP用量上的優勢并不明顯.

圖3 加固梁極限承載力隨受拉鋼筋銹蝕率變化趨勢Fig.3 Ultimate strength of beams changed with the increase of corrosion rate of rebar

造成試驗數據波動的因素主要有：（1）CFRP與混凝土界面的黏結性能；（2）CFRP的用量；（3）鋼筋混凝土梁的劣化程度［1，4，7］.界面黏結性能直接影響了CFRP與鋼筋混凝土梁受力變形的協調性，中度劣化后，隨著CFRP用量的增加，加固梁的極限承載力顯著增加，但變化趨勢相近.

2.3 荷載－撓度曲線

加固梁的荷載－撓度關系曲線如圖4所示.

由圖4（a）可以看出，加固梁的荷載－撓度曲線上有2個明顯的拐點，分別對應開裂荷載和屈服荷載；在圖4（b）中則看不到開裂荷載對應的拐點，加固梁到達屈服階段后仍然保持較大的剛度，直到破壞，表現出較大的脆性，粘貼2 層CFRP 的加固梁尤為顯著.

圖4 加固梁荷載－跨中撓度曲線Fig.4 Load－deflection curves of strengthened beams

同級荷載作用下，加固梁的位移增加量與CFRP用量呈反比.相同加固量時，試驗梁的極限變形能力隨其劣化程度增加而減小，原因在于加固梁剛度上的變化.除了CFRP及劣化梁自身材料參數（鋼筋銹蝕率及力學性能、混凝土劣化程度）影響外，加固梁的剛度主要受CFRP用量、開裂截面內力臂系數、受壓區邊緣混凝土平均應變綜合系數、鋼筋應變不均勻系數以及碳纖維布應變不均勻系數影響［10，16］.

3 理論分析

3.1 CFRP用量對加固梁極限承載力的影響

CFRP提高鋼筋混凝土梁抗彎能力的主要原理是彌補了鋼筋銹蝕引起的抗拉能力下降.加固梁受彎裂縫見圖5.其中θ1和θ2分別表示受力裂縫的2個豎向開裂角度；θ3和θ4分別表示混凝土梁中鋼筋受彎變形時受力裂縫兩側的撓曲角度；ω 表示受力裂縫寬度；δ1和δ2分別表示鋼筋和碳纖維布豎向變形；l1和l2分別表示受力裂縫兩側受影響剝離的混凝土長度；c為混凝土保護層厚度.

圖5 CFRP加固劣化梁受彎裂縫Fig.5 Cracks of the beam under loading

試驗發現，在加固梁輕度劣化和中度劣化前期，粘貼1層或2層CFRP，其極限承載力相近.此時，鋼筋與CFRP 受力撓度相等，即δ1＝δ2，θ1＝θ2＝θ3＝θ4；在中度劣化后期和重度劣化時，受拉鋼筋銹蝕導致混凝土保護層開裂后，劣化混凝土與銹蝕鋼筋間黏結性能退化，甚至變為無黏結［17］，CFRP 與混凝土保護層形成一體，在加固梁受力裂縫兩側δ1＞δ2，θ1＞θ3，θ2＞θ4，且θ1≠θ2，此時對CFRP黏結層產生剪切力，U 型箍的約束則對CFRP加固層產生反向剪切力，兩者相互作用，致使CFRP 黏結層（嚴重時甚至包括CFRP 黏結層和受拉區混凝土保護層兩者）發生受剪破壞而不能正常發揮其抗拉性能.CFRP 用量越大，CFRP 黏結層抗剪能力越強，因而承載力也會增大，直至再次發生受壓區混凝土壓碎破壞模式，但增大程度需要進一步研究.

3.2 CFRP用量對加固梁剛度的影響

文獻［10］通過試驗結果和數值計算得到碳纖維布加固銹蝕梁的抗彎剛度B，其表達式為：

式中：Es和Ecf分別為受拉鋼筋和CFRP彈性模量；As和Acf分別為受拉鋼筋和CFRP截面積；h0和h分別為鋼筋混凝土梁截面有效高度和實際高度；k（η）為銹蝕鋼筋綜合應變系數；ψ 為鋼筋銹蝕后應變不均勻系數；αE為鋼筋與混凝土彈性模量之比；αF為CFRP與混凝土彈性模量之比；ρs 為根據銹蝕縱筋面積計算的配筋率；ρcf為CFRP加固率.

為分析CFRP 用量對加固梁剛度的影響，令k1＝EsAsh02，k2＝Ecfh2，k3＝1.15k（η）ψ＋12.54αEρs－0.24，k4＝12.54αF，則式（2）可簡化為：

式中：b為鋼筋混凝土梁截面寬度.

由k1，k2，k3和k4的表達式可知，隨著鋼筋混凝土梁劣化程度的增加，k1和k3逐漸減小，k4逐漸增加，k2為常數.B 值取決于（k1k4－k2k3）與k2k4比值的大小，當時，B 隨Acf的增加而增大，反之變小.不考慮式中的常數，EsAs／Ecf是影響B 變化的主要因素.

加固梁剛度試驗與計算結果對比見表4.

表4 加固梁剛度試驗與計算結果對比Table 4 Results comparison of calculation and test

由表4可見，隨著混凝土梁劣化程度的增加，對于采用相同方式加固的劣化梁，加固梁剛度計算值和試驗值均呈降低趨勢.對于劣化程度相近的加固梁CL4 和DCL3，由于滿足，它們的剛度隨著CFRP用量增加而增大，因而后者的剛度略高于前者；加固梁CL2和DCL2雖然劣化程度也相近，但不滿足上式，因而加固梁的剛度并未隨CFRP用量增加而增大.

3.3 CFRP有效利用率

CFRP用量增加時加固梁的極限抗彎能力增大，但兩者不成正比關系.隨著CFRP 層數的增加，各層CFRP并不能完全共同工作，部分強度沒有完全發揮，因而在計算加固梁正截面極限承載力時需要考慮CFRP 的有效利用率γ.CFRP 加固梁理想的受彎破壞模式是受壓區混凝土壓碎的同時，受拉鋼筋屈服且受拉CFRP 拉斷.此時加固梁極限彎矩Mu的表達式為：

式中：α1為受壓區混凝土矩形應力值與混凝土軸心抗壓強度設計值的比值；fc為混凝土抗壓強度；x 為受壓區高度；fy為受拉鋼筋屈服強度；εcf為受拉CFRP 極限拉應變，Acf，min為受拉CFRP最小截面積.

對于剪斷破壞的試驗梁，破壞點主要發生在剪力突變位置，即靠近純彎段的第1個U 型箍邊沿.為保障加固梁承載力的提高效果，需要更多的CFRP用量，此時Acf取極大值Acf，max，其值可由式（5）求得：

式中：Gc和Gcf分別為混凝土和CFRP 混凝土界面的抗剪模量；τ和τcf分別為混凝土和CFRP－混凝土界面的剪應變；fv和f′v分別為受拉鋼筋和受壓鋼筋抗剪承載力；A′s為受壓鋼筋截面積；FS為加固梁界面剪力.

由式（4），（5）可以求得Acf，min和Acf，max，從而獲得γ的取值范圍：

根據式（6）所求得的γ值，可在對構件進行修復加固時有針對性地控制CFRP 用量，并保障加固效果.

4 結論

（1）CFRP加固梁正截面受彎時，隨著混凝土劣化程度的增加，破壞模式逐漸由受壓區混凝土壓碎轉變為CFRP拉斷，最終演變為CFRP 黏結層剪斷且混凝土保護層剝落.

（2）銹脹裂縫出現是CFRP 加固梁極限承載力快速退化的關鍵點.開裂前，CFRP用量對加固梁極限承載力影響很小；開裂后，由于裂縫兩側的加固層撓度出現不等，對CFRP黏結層產生剪力，促使加固梁過早破壞.CFRP用量越大，CFRP 黏結層抗剪能力越強，因而承載力也會增大，直至再次發生受壓區混凝土壓碎破壞，但增大程度需進一步研究.

（3）加固梁的剛度變化取決于CFRP 彈性模量及用量、銹蝕鋼筋及劣化混凝土參數，其中，銹蝕鋼筋彈性模量Es和剩余截面積As的乘積與CFRP彈性模量Ecf的比值是影響抗彎剛度B 變化的主要因素.

（4）同級荷載作用下，加固梁的位移增加量與CFRP用量呈反比.相同加固量時，極限變形能力隨試驗梁的劣化程度增加而減小.

（5）CFRP有效利用率γ 受其自身破壞模式影響較大.在實際應用中，應當有針對性地對劣化梁，尤其是銹脹裂縫及受拉區混凝土保護層進行處理，以提高CFRP有效利用率.

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