凍融循環對預應力CFRP-混凝土加固梁界面性能的影響

李國民

摘? 要：通過36個預應力CFRP加固梁的單剪試驗，考察初始預應力、凍融循環次數、堿性溶度對加固梁界面粘結性能的影響。試驗結果表明：堿性環境、凍融次數、初始預應力值對界面粘結性能的影響中，初始預應力值影響最大，其次堿性環境、凍融次數影響相比較弱。在堿性寒冷地區，初始預應力值不易過大，否則嚴重影響界面粘結強度。

關鍵詞：界面? 初始預應力? 混凝土梁? 堿性? 凍融循環

中圖分類號：TU528.572? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0049-02

自從20世紀90年代，FRP（Fiber Reinforced Polymer）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[4-7]，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。

姜新佩等通過對預應力FRP加固的混凝土梁開展彎曲加載試驗，試驗結果表明：預應力下的FRP加固體，更具有較好的剛度和整體穩定性，并且對裂縫的閉合起到較大作用;薛偉辰通過做同樣類型試驗，通過試驗數據得到了較為系統的理論研究，提出不同破壞模式下的加固梁受彎承載力計算公式;高仲學通過同樣試驗得到預應力損失的計算方法和考慮預應力損失下抗彎承載力模型，極大的推進了預應力損失下抗彎加固理論。目前對預應力加固工程的技術操作已經相對成熟，但是規范中并沒有考慮環境和多場因素作用下對加固梁的界面影響，因此考慮環境因素，對于較為精確估算加固梁抗彎承載力，具有十分現實作用。該文通過對預制36根80×80×190（mm3）矩形截面PRC梁，設置堿性、凍融環境，以堿度、凍融循環次數、初始預應力大小3個參數為考察對象，分析受腐蝕后的PRC梁界面粘結應力影響情況。

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。因此本試驗選擇混凝土的強度等級為C60，混凝土的配合比見表1。

1.2 參數設置

該試驗以堿度、凍融循環次數、初始預應力大小三個參數為考察對象，具體設置如下，以工業氫氧化鈉質量分數3%、7%、10%為三種堿性環境，凍融循環次數為50次、100次、200次，初始預應力為極限荷載的5%、10%、15%。

1.3 試件設計

預制36根80×80×190（mm3）矩形截面梁，標準養護28d后，磨去粘貼面浮漿，將纖維布裁剪成60×60×170（mm3）的窄帶，按照CECS-146（2007）《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》將纖維布按照初始預應力粘貼到打磨面上，形成單剪試件。后講應變片以10mm為一個間距等距離布置到纖維布上，連接采集儀，分析在不同荷載作用下纖維布的應變關系。

1.4 試驗方法

采用1000kN的電液伺服材料試驗機，以0.1mm/min的位移控制加載，數據采集主要有3種形式：（1）通過50kN的荷載傳感器進行荷載測量;（2）通過夾式引伸儀測量混凝土與CFRP相對滑移;（3）通過粘貼在CFRP片上的應變片對纖維布進行測量。

2? 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

通過對PRC梁進行單剪試驗可以看到，受到堿性+凍融環境下的加固梁界面提前剝離，加載時間不到3min便出現砰砰聲，纖維布從混凝土表面剝離，并帶一層混凝土。由于受侵環境下，有的試件在沒有加載前有的界面就出現空隙空洞，纖維布受損嚴重，彈力缺失等。

2.2 結果分析

可以看到：隨著堿性濃度提高，纖維布纖維泛黃較為嚴重，界面粘結應力逐漸下降，10%濃度較3%濃度，界面粘結應力峰值下降45%，極限位移減少37%，說明堿度對界面的損傷比較嚴重，尤其10%的堿度，已經對構件造成嚴重破壞;隨著凍融循環次數增加，PRC梁破壞不如堿度環境那么明顯，但是也可以發現，CFRP和混凝土界面處出現微小氣泡，尤其在200次凍融循環下，混凝土損傷較為嚴重，界面處有裂縫存在，50次、100次、200次的凍融循環下剝離荷載分別為22kN、19kN、6.8kN;初始預應力因素對于PRC梁界面損傷最為嚴重，由于在受侵蝕時荷載一直持續，相當于界面在侵蝕環境和荷載共同作用，界面最容易破壞，從試驗發現，15%的初始預應力較5%界面粘結應力峰值下降67%左右，極限位移降低74%，因此可以說，在堿性寒冷地區，初始預應力值不易過大，否則嚴重影響界面粘結強度。

3? 結語

（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）堿性環境、凍融次數、初始預應力值對界面粘結性能的影響中，初始預應力值影響最大，其次堿性環境、凍融次數影響相比較弱。

（3）在堿性寒冷地區，初始預應力值不易過大，否則嚴重影響界面粘結強度。

參考文獻

[1] Ali-AhmaDM，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（6）：479-484.

[4] American Society of Civil Engineers （ASCE）. Report card for Americas infrastructure. ASCE; 2005.

[5] Mertz DR， Gillespie JW， Chajes MJ， Sabol SA. The rehabilitation of steel bridge girders using advanced composite materials， NCHRP-IDEA Project 51.Washington（DC）：Transportation Research Board; 2002.

[6] Tavakkolizadeh M， Saadatmanesh H. Fatigue strength of steel girders strengthened with carbon fiber reinforced polymer patch[J]. J Struct Eng2003，129（1）：186，96.

[7] Kim YJ， Yoon DK. Identifying critical sources of bridge deterioration in cold regions through the constructed bridges in North Dakota[J]. J Bridge Eng ASCE 2010，15（5）：542，52.