鹽凍對預應力CFRP—混凝土加固梁界面性能的影響

李賀 馬超

摘 要：通過36個預應力CFRP加固梁的單剪試驗，考察凍融循環次數對加固梁界面粘結性能的影響。試驗結果表明：3.5%氯離子濃度、凍融次數200次對界面粘結性能的影響較為明顯，在寒冷地區，道路覆蓋除冰鹽的地域，預應力CFRP-鋼筋混凝土梁的初始預應力不宜過大，并加強端部錨固措施。

關鍵詞：界面；初始預應力；混凝土梁

自從上個世紀90年代，FRP技術作為土木工程結構加固新型外貼材料后，我國及各國學者對其加固性能進行了廣泛而深入的研究，不僅完成了大量的工業建筑、民用建筑和橋梁混凝土結構的加固工程，而且還編制了《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》及國家建設部頒發的《結構加固修復用碳纖維片材》[ 1-3 ]。20年后過去了，FRP技術似乎到了一個瓶頸，那就是加固效果很好，但是FRP加固性能沒有得到很好體現，以FRP加固鋼筋混凝土梁為例，具體表現在FRP往往只達到極限性能的20%左右，FRP便從加固梁上剝離，因此預應力FRP加固鋼筋混凝土梁（以下簡稱PRC梁）便是非預應力技術受限后的一個革新技術，很多學者對其進行廣泛的研究。本文通過對預制36根80×80×190（mm3）矩形截面PRC梁，考察凍融循環次數對受腐蝕后的PRC梁界面粘結應力的影響。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

由于PRC梁具有初始預應力，因此對于加固梁來說，較高的混凝土強度等級，在FRC受力過程中，界面具有較好的穩定性，不易剝離。因此本實驗選擇混凝土的強度等級為C60。混凝土配合比和CFRP物理性能見表1-3。

1.2 環境條件設置

本實驗考察的是混凝土在凍融循環（鹽凍循環）下界面的損傷程度及外貼CFRP加固效果對界面性能的影響。因此以下實驗分兩步走，其一是凍融循環，其二則是CFRP-混凝土單剪試驗。

1.2.1鹽凍循環

混凝土的凍融循環試驗按照GBJ 82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中抗凍性能試驗的“快凍法”進行。提前4d將試件浸泡在溫度為15-20℃，NaCl質量分數為3.5%的鹽水中，試驗前測試其動彈性模量和質量。每次凍融循環應在2-4h內完成，其中用于融化的時間不得少于整個凍融時間的1/4，一般每隔25次循環作1次動彈性模量測試。在凍結和融化終了時，試件中心溫度應分別控制在（-17±2）℃和（8±2）℃。

本試驗由于整個項目系統性試驗的工作量很大，而凍融循環試驗箱容積有限，所以研究中均采用了尺寸為80mm× 80mm×190mm的試件。測定混凝土的相對動彈性模量和質量損失時，考慮到多種因素組合作用下混凝土的損傷可能加劇，及界面損傷的程度，考慮鹽凍25個循環且為了精確記錄混凝土的性能變化過程，將測試間隔定為8次。

1.2.2單剪試驗

通過1000kN拉力試驗機開展混凝土單剪試驗，試驗中以0.1mm/min位移進行控制，應變片以10mm為間距均勻貼到纖維布表面，連接數據采集儀進行應變采集。隨著拉力的增加，當纖維布從混凝土表面剝離時，停止加載，觀察破壞形態，極限荷載、極限位移及各階段纖維布表面讀數。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

經過Nacl溶液腐蝕后，CFRP片材表面發白，觸感細膩，同時有一層鹽附著在混凝土的表面。CFRP和混凝土的表面經擦拭后，顏色依舊比對比件發白，說明有一部分鹽已經侵入混凝土內部，且CFRP和膠層均受到侵蝕影響。單剪破壞后，共計有兩種破壞形態：試件沒有經過海水腐蝕（對比試件），這種破壞形式以混凝土加載端拉下一塊三角體混凝土居多。

2.2 結果分析

可以看到：隨著凍融循環次數的提高，界面粘結性能呈現逐漸下降的趨勢，尤其到了200次凍融循環，界面能下降較快。說明氯離子和凍融循環帶來的凍脹作用會加劇破壞界面粘結性能，這種復合荷載作用下的影響，要強于單一因素影響。試驗中用質量分數3.5%的氯化鈉溶液，也是基于這種濃度的凍融循環產生的作用最明顯，因此該濃度具有代表作用。

3 結論

1）PRC加固技術中，界面的粘結性能是一項關鍵技術，要保證粘結實現，適當可以采用端部加強錨固措施。

2）3.5%氯離子濃度、凍融次數200次對界面粘結性能的影響較為明顯。

參考文獻：

[1] ALI-AHMAD M， SUBRAMANIAM K， GHOSN M. Experimental investigation and fracture analysis of debonding between concrete and FRP sheets[J].J EngG Mech，2006，132：914-923.

[2] 李杉.環境與荷載共同作用下FRP加固混凝土耐久性[D].大連.大連理工大學，2009.

[3] 王蘇巖，李璐希，洪雷.荷載與凍融循環對CFRP-高強混凝土黏結性能影響[J].建筑材料學報，2016（06）：479-484.