堿環境下玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁的受力性能

楊 濤，郝海超，盧維平，鄭宏宇

(1.廣西大學 土木建筑工程學院,廣西 南寧 530004；2.廣西大學 廣西防災減災與工程安全重點實驗室,廣西 南寧 530004；3.防災減災與工程安全教育部重點實驗室,廣西 南寧 530004)

堿環境下玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁的受力性能

楊 濤1,2,3，郝海超1,2,3，盧維平1,2,3，鄭宏宇1,2,3

(1.廣西大學 土木建筑工程學院,廣西 南寧 530004；2.廣西大學 廣西防災減災與工程安全重點實驗室,廣西 南寧 530004；3.防災減災與工程安全教育部重點實驗室,廣西 南寧 530004)

為了研究堿環境對玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁受力性能的影響，對經歷堿溶液侵蝕作用后的玻璃纖維布和玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁試件分別開展單調靜力試驗。研究表明：堿環境下玻璃纖維布的受力性能退化明顯，但浸漬樹脂的存在可顯著改善其耐久性能；在pH值為12.8的堿溶液中浸泡60 d后，玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁的承載能力和變形性能無明顯退化；GFRP加固鋼筋混凝土梁的受力性能與玻璃纖維布和混凝土梁界面處的粘結性能密切相關。

玻璃纖維布；加固；堿環境；耐久性能

GFRP是一種常用的纖維增強復合材料，經GFRP加固修復后結構的受力性能可以得到明顯的改善[1-3]。我國有面積分布廣泛的鹽堿地，而鹽、堿環境會對GFRP加固混凝土結構的受力性能產生不利影響[4-5]，如：材料力學性能的降低、GFRP材料與混凝土破壞特征的改變等。部分學者對GFRP材料及GFRP加固結構在海洋環境與凍融循環等環境條件下的耐久性開展了試驗研究[6-9]，但對其在堿環境下的耐久性能開展的試驗研究相對有限。本文通過試驗研究了堿環境對玻璃纖維布加固鋼筋混凝土梁受力性能的影響，探討了在材料老化后其承載能力、破壞形態等受力性能的變化特點。

1 玻璃纖維布耐久性試驗

采用單向玻璃纖維布作為受損鋼筋混凝土梁試件的加固材料，粘貼劑采用浸漬樹脂。單向玻璃纖維布的抗拉強度為1 502 MPa，浸漬樹脂的抗拉強度為43.4 MPa。為了評估玻璃纖維布在堿環境中的耐久性能，設計了兩類玻璃纖維布試件：第一類試件寬為30 mm，寬度范圍內共包含6束玻璃纖維；第二類試件的規格尺寸與第一類試件完全相同，但在試件表面均勻涂抹了浸漬樹脂，以考察浸漬樹脂對玻璃纖維布耐久性的影響。按照在1 L無離子水中拌制含Ca(OH)2、NaOH和KOH分別為11.9、0.9和4.2 g的分析純的比例制作試驗所用的堿溶液，溶液的pH值約為12.8。將上述兩類玻璃纖維布試件分別浸泡在堿溶液中20、40和60 d，達到預定時間撈出并干燥后測試其力學性能。為防止試件夾持端在加載過程中因局部受力而提前破壞，在試件的兩端設置鋁片進行局部加強，試件如圖1所示。

試驗結果表明：在堿溶液中浸泡20 d后，第一類玻璃纖維布試件的極限抗拉荷載均值由4.20 kN降至了1.15 kN，降幅達到了72.6%，可見堿溶液環境對玻璃纖維布的受力產生了極為不利的影響。第二類玻璃纖維布試件的初始極限抗拉荷載均值約8.15 kN，在堿溶液環境中浸泡20 d后的抗拉強度未下降；分別浸泡40 d和60 d后，試件的極限抗拉荷載均值降為7.9 kN和7.04 kN，降幅分別約2.5%和13.6%。通過兩類玻璃纖維布試件試驗結果的對比可見，堿環境下浸漬樹脂可以有效改善玻璃纖維布的耐久性能。

2 GFRP加固混凝土梁老化后的靜力試驗

2.1 試驗設計

設計了4根鋼筋混凝土梁試件，試件設計參數見表1，試件的尺寸和配筋如圖2所示。在對鋼筋混凝土梁進行加固前，采用兩點對稱加載的方式對試件施加大小約為0.3Pu(9.4 kN)的初始荷載以在梁上形成初始損傷，Pu為鋼筋混凝土梁試件的計算極限承載力；加載裝置如圖3所示。在初始荷載作用下，試件跨中梁底區域均觀測到了裂縫。形成初始損傷后，用單向玻璃纖維布對梁進行加固處理：梁底面全長粘貼玻璃纖維布，同時在梁側面粘貼U形箍，加固后的試件如圖4所示。梁中縱向受拉鋼筋和箍筋分別采用HRB 400級和HPB 300級鋼筋；混凝土軸心抗壓強度實測值為46.2 MPa。

整個試驗包括堿溶液中的浸泡老化試驗和浸泡后的靜力試驗。首先，將試件S1-S3在堿溶液中分別浸泡20、40和60 d，而對比試件S0放置在自然環境中養護。在浸泡試驗結束后，待試件干燥，分別對4根梁開展單調靜力加載試驗，試驗加載裝置同圖3。加載設備采用液壓千斤頂，最大加載能力為500 kN。在靜力加載試驗過程中主要測量試件的裂縫分布、承載能力和跨中變形等受力性能。

表1 試件設計

2.2 靜力試驗結果與分析

2.2.1 受力過程

試件S0：試驗開始后，加載到35 kN時，跨中靠近加載點梁底位置觀測到第一條縫；隨著荷載的繼續增加，梁上裂縫不斷增多，已有裂縫寬度變大；加載到95 kN時，試件彎剪區內的斜裂縫大多已延伸到梁頂；加載到165 kN時，跨中梁頂部混凝土受壓開裂并最終被壓碎，隨后跨中梁底部GFRP與混凝土剝離并發生斷裂。最終破壞時，梁的彎曲變形較為明顯。

試件S1：當加載到40 kN時，跨中觀測到第一條裂縫；加載到105 kN時，試件彎剪區內的斜裂縫延伸到梁頂；當加載至168 kN時，在梁一側的彎剪區內形成主斜裂縫，U形箍與混凝土梁之間有局部剝離現象發生，試件發生最終破壞。

試件S2-S3：兩個試件在荷載作用下的受力過程較為相似。加載至35～40 kN時，在梁的跨中區域首先觀測到裂縫，隨后彎剪段的斜裂縫逐漸增多，縫寬逐漸增大。在最終受力階段，跨中梁頂混凝土被壓碎，而梁底部GFRP與混凝土之間發生了不同程度的剝離現象。

2.2.2 破壞形態

各試件的破壞形態如圖5所示。試件S1在受力過程中U形箍與混凝土梁局部剝離，其破壞形態屬于剪切破壞；其他3根試件在最后受力階段梁底GFRP布與混凝土梁之間也有脫開、剝離現象的發生，其破壞形態均屬于彎曲破壞。對比可見，在經歷堿溶液的侵蝕作用后，GFRP布與混凝土梁界面間易發生粘結破壞，并會對GFRP布加固混凝土梁的破壞形態產生直接的影響。

2.2.3 極限承載能力

4個試件的極限承載力見表2，可見在堿性溶液中浸泡20、40和60 d后，試件的極限承載力變化不大，并未呈現下降趨勢。這種現象與以下三點有關：1)根據對兩類玻璃纖維布試件的試驗研究結果可知，在本試驗所設定的時間周期內堿溶液對涂抹浸漬樹脂的玻璃纖維布的力學性能影響有限。2)由試驗現象可知，GFRP布材料本身未能完全發揮作用，試件的破壞更多源于GFRP布和鋼筋混凝土梁界面間的粘結破壞，這也是各試件極限承載力變化不大的原因之一。因此，在堿環境下浸漬樹脂的抗老化性能與GFRP布加固混凝土梁的耐久性能關系密切。3)4個試件在進行加固處理時浸漬樹脂的厚度并不完全相同，這會導致試件極限承載力有所波動。

表2 極限承載能力

2.2.4 荷載-撓度曲線

各試件的荷載-跨中撓度曲線如圖6所示。由圖6可知：1)試件的變形能力與破壞形態相關，發生剪切破壞的試件S1的變形能力最差。2)對比試件S0、S2和S3可知，堿溶液的侵蝕作用對GFRP加固混凝土梁變形能力的影響并不顯著。

2.2.5 GFRP的受力狀態

在各試件的跨中梁底GFRP上布置應變測點，得到梁底部GFRP應變隨荷載的變化曲線如圖7所示。在達到極限荷載前，各個試件的GFRP應變隨著荷載的增加而呈線性增長的趨勢。在試件達到極限荷載直至最終破壞的過程中，由于浸漬樹脂的作用，GFRP呈現出了一定的塑性變形能力。對比可見，經歷堿溶液侵蝕作用后，各試件上GFRP的工作性能無明顯改變。

3 結論

1)玻璃纖維布在堿環境下受力性能退化較為明顯，但浸漬樹脂可以有效改善玻璃纖維布的耐久性能。

2)GFRP布加固鋼筋混凝土梁在經歷pH值為12.8的堿溶液侵蝕60 d后，承載能力、變形能力等受力性能無明顯退化。

3)GFRP加固鋼筋混凝土梁的受力性能與GFRP布和混凝土梁界面處的粘結性能密切相關，采用抗老化性能好的玻璃纖維布粘貼劑有利于改善加固結構的耐久性能。

[1]趙 菲.外包GFRP板鋼筋混凝土粱的力學性能研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[2]黃麗華, 李宇婧, 張耀燁, 等.不同種類FRP加固混凝土梁加固效果試驗研究[J].大連理工大學學報, 2013, 53(1): 102-107.

[3]何小兵,郭曉博, 李 亞，等. GFRP/CFRP混雜加固混凝土梁阻裂增強機理[J].華中科技大學學報, 2014, 42(1): 78-83.

[4]胡安妮.荷載和惡劣環境下FRP增強結構耐久性研究[D].大連：大連理工大學，2007.

[5]趙慧敏,王 俊，劉偉慶，等.氯離子與荷載耦合條件下玻璃纖維增強復合材料耐久性試驗研究[J].工業建筑，2013, 43(10): 102-105.

[6]張彥紅，楊勇新，姚 勇，等.玻璃纖維增強復合材料在濕熱環境下的耐久性試驗及性能衰減模型[J].工業建筑，2014，44(10)：46-50.

[7]呂珍瑩，單魯陽.鹽溶液干濕循環下GFRP管約束混凝土柱耐久性試驗研究[J].玻璃鋼/復合材料, 2015(6): 93-96.

[8]高維未.玻璃纖維布加固混凝土梁耐久性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[9]CHU W, WU L, KARBHARI V M. Durability evaluation of moderate temperature cured E-glass/vinylester systems[J].Composite Structures, 2004(66): 367-376.

(責任編輯 李軍)

Mechanical performance of RC beams strengthened with GFRP sheets in alkali environment

YANG Tao1,2,3, HAO Haichao1,2,3, LU Weiping1,2,3, ZHENG Hongyu1,2,3

( 1． College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Guangxi Nanning，530004，China; 2． Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety，Guangxi University，Guangxi Nanning，530004，China; 3． Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education，Guangxi Nanning，530004，China)

To investigate the influence of alkali environment on the mechanical performance of reinforced concrete ( RC) beams strengthened with GFRP sheets，monotonic static tests were conducted on GFRP sheets and RC beams strengthened with GFRP sheets respectively． Which had been subjected tothe corrosion of alkal: solution Experimental results show that mechanical performance of GFRP sheets degenerates significantly in alkali environment，while the impregnating resin can obviously improve the durability of GFRP sheets． Degeneration of the bearing capacity and deformation performance of the strengthened beams is not apparent after being soaked in the alkali solution with pH 12． 8 for 60 days． Mechanical performance of the strengthened beams is closely related to the interface adhesive property between GFRP sheets and RC beams．

GFRP sheet; strengthening; alkali environment; durability

1673-9469(2016)04-0001-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.001

2016-08-28

廣西科學研究與技術開發計劃項目(桂科攻1598009-1)；廣西大學科研基金資助項目(XJZ130358)

楊濤(1979- )，男，河南淅川人，博士，副教授，主要從事混凝土結構和組合結構的研究。

TU375.1

A