基坑工程中碳纖維增強混凝土的界面粘結性能研究

韓 峰

（河北工業大學，天津300401）

隨著基建工程的快速發展，基坑支護工程數量不斷攀升，同時給基坑支護質量等提出了更高的要求，這主要是因為基坑工程所處的地質條件和周邊環境條件較為復雜[1]，如通常伴隨著建筑物、構筑物、管線等，既涉及土力學中典型強度與穩定問題，又包含了變形問題，同時還涉及到土與支護結構的共同作用[2]。目前，大多數基坑工程都采用混凝土結構，在多年使用后通常發生破損，后續需要進一步進行加固處理，如使用碳纖維增強混凝土等，在水凍和鹽凍環境下，基坑工程中的碳纖維混凝土結構會受到不同程度的破壞[3]。然而，目前基坑工程中混凝土的破壞形態等研究多集中在單一水凍環境和混凝土結構中，對于不同凍融環境下的碳纖維增強混凝土的影響方面的報道較少[4-6]。本文對比分析了基坑工程中水凍和鹽凍環境下碳纖維增強混凝土結構的破壞形態和界面剪切行為，結果可為實際基坑工程中的加固改造等提供必要參考。

1 試驗材料與方法

試驗原料: 普通PO42.5 硅酸鹽水泥（比表面積為345m2/kg）、粒徑級配10～20mm 的石子作為粗骨料，天然砂為細骨料（表觀密度2542kg/mm3、堆積密度1625kg/mm3、含泥量0.85%），自來水、HPEG2400 型聚羧酸系減水劑、Ⅰ級碳纖維布、碳纖維環氧樹脂浸漬膠和4% NaCl 溶液。

按照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》制備C40 混凝土，配合比（kg/m3）為:125 水、285 灰、455 砂、1365 石子、72 粉煤和1.5 減水劑。按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行混凝土試件制備，模具內側涂抹親水性脫模劑，混凝土攪拌均勻后進行振搗和室溫24h 養護處理后脫模，并轉入標準養護室內進行28d 養護。碳纖維- 混凝土試件的示意圖如圖1 所示，混凝土立方體尺寸為100×100×100mm3，碳纖維尺寸為200mm 長×50mm寬，按照CECS146:2007《碳纖維片材加固混凝土結構技術規程》對碳纖維和混凝土進行粘結（粘結長度100mm）[7-8]，試件制備完成并脫模后置于標準養護室內進行7d 養護。

圖1 碳纖維混凝土剪切試件的示意圖Fig.1 Schematic diagram of carbon fiber reinforced concrete shear specimen

按照GB/T 50082-2009 進行凍融循環試驗，凍融箱溫度在-18℃～7℃循環，單次凍融循環時間為6h，分別在凍融循環次數為25、50、75、100 次時取出試樣，水凍介質為自來水，鹽凍介質為4% NaCl 溶液；采用華為P30 手機對凍融循環后的試樣進行宏觀形貌拍攝；在SF-Q61 型混凝土強度測試儀中對混凝土立方體進行抗壓性能測試；在MTS-810 型液壓伺服萬能拉伸試驗機上進行粘結強度測試[9]，加載速率為1.5kN/min。

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土立方體

圖2 為不同水凍次數下混凝土立方體的表面形貌。對比分析可知，室溫水凍25 次后，混凝土表面未見明顯變化，而增加水凍次數至50 次時，混凝土表面開始出現脫落，并在水凍次數為75 次時可見整個表面有麻點或者顯微凹坑；繼續增加水凍次數至100 次，混凝土立方體的邊部出現明顯脫落，局部可見粗骨料存在。由此可見，隨著室溫水凍次數增加，混凝土立方體的破壞程度不斷加劇，并在水凍次數達到100 次時出現邊部脫落現象。

圖2 不同水凍次數下混凝土立方體的表面形貌Fig.2 Surface morphology of concrete cube under different times of water freezing

圖3 為不同鹽凍次數下混凝土立方體的表面形貌。對比分析可知，室溫鹽凍25 次后，混凝土表面已出現局部凹坑，而增加鹽凍次數至50 次時，混凝土表面可見局部脫落并露出粗骨料；在鹽凍次數為75 次時，表面脫落現象更加嚴重，并在鹽凍次數增加至100 次時，混凝土立方體的表面呈現完全侵蝕特征，粗骨料在整個表面都清晰可見。對比圖2 的相同循環次數下混凝土表面形貌可知，鹽凍環境會相對水凍環境對混凝土的侵蝕破壞更加嚴重。

圖3 鹽溶液環境下混凝土立方體的表面形貌Fig.3 Surface morphology of concrete cube in salt solution

圖4 為凍融次數對混凝土抗壓強度的影響曲線。可見，室溫養護下混凝土試件的抗壓強度為43MPa，而水凍環境和鹽凍環境下混凝土的抗壓強度都相對較低；隨著凍融次數從25 次增加至100 次，混凝土試件的抗壓強度呈現逐漸降低的趨勢，但是在相同凍融次數下，水凍試件的抗壓強度要高于鹽凍試件，這主要與鹽凍環境對混凝土試件的侵蝕更嚴重有關[10]。

圖4 凍融次數對混凝土抗壓強度的影響Fig.4 Influence of freeze-thaw times on compressive strength of concrete

2.2 碳纖維混凝土試件

圖5 為不同水凍次數下碳纖維混凝土試件的界面形貌。對比分析可知，隨著水凍次數從25 次增加至100 次，碳纖維表面粘結的混凝土厚度呈現不斷增大趨勢，且當水凍次數為100 次時，局部區域還可見混凝土被粘結撕下的特征。

圖5 不同水凍次數下碳纖維混凝土試件的界面破壞形態Fig.5 Interface failure mode of carbon fiber reinforced concrete specimens under different times of water freezing

圖6 為不同鹽凍次數下碳纖維混凝土試件的界面形貌。對比分析可知，與水凍時碳纖維混凝土試件的界面相似的是，碳纖維表面粘結的混凝土厚度會隨著鹽凍次數增加而增大，且相同循環次數下，鹽凍環境下碳纖維表面粘結的混凝土厚度更大。

圖6 不同鹽凍次數下碳纖維混凝土試件的界面破壞形態Fig.6 Interface failure mode of carbon fiber reinforced concrete specimens under different times of salt freezing

表1 為不同凍融環境下碳纖維混凝土試件的界面力學性能測試結果。可見，在水凍環境下，當水凍次數為25、50、75、100 次時，碳纖維- 混凝土界面承載力和粘結強度呈現隨著水凍次數增加而減小的特征，且都低于常溫養護試件；在鹽凍環境下，當鹽凍次數為25、50、75 和100 次時，碳纖維- 混凝土界面承載力和粘結強度呈現隨著鹽凍次數增加而減小，其界面承載力和粘結強度也都低于常溫養護試件[11]。此外，在相同凍融循環次數下，鹽凍試件的界面承載力和粘結強度都要低于水凍試件。

表1 不同凍融環境下碳纖維混凝土試件的界面力學性能Table 1 Interface mechanical properties of carbon fiber reinforced concrete specimens under different freeze-thaw environments

圖7 為凍融環境下凍融次數與加載端最大應變值的對應關系。對比分析可知，當凍融循環次數分別為25、50、75、100 次時，常溫氧化試件加載端最大應變值都高于水凍和鹽凍試件，且除凍融循環次數為50 次外，其余凍融次數下水凍試件的加載端最大應變值都高于鹽凍試件。造成這種現象的原因在于，經過不同次數的凍融循環處理后，水凍和鹽凍試件中碳纖維與混凝土之間的粘結強度會降低，造成混凝土與碳纖維會提前剝離[12]，而使得加載端最大應變值減小，且由于鹽凍試件相較水凍試件對界面的惡化更加嚴重，前者的加載端最大應變值會更小。

圖7 凍融環境下凍融次數與加載端最大應變值的對應關系Fig.7 Corresponding relationship between freeze-thaw times and maximum strain at loading end in freeze-thaw environment

3 結論

（1）隨著室溫水凍次數增加，混凝土立方體的破壞程度不斷加劇，并在水凍次數達到100 次時出現邊部脫落現象；鹽凍環境會相對水凍環境對混凝土的侵蝕破壞更加嚴重。

（2） 室溫養護下混凝土試件的抗壓強度為43MPa，而水凍環境和鹽凍環境下混凝土的抗壓強度都相對較低；隨著凍融次數從25 次增加至100 次，混凝土試件的抗壓強度呈現逐漸降低的趨勢，但是在相同凍融次數下，水凍試件的抗壓強度要高于鹽凍試件。

（3）當水凍次數為25、50、75、100 次時，碳纖維-混凝土界面承載力和粘結強度呈現隨著水凍次數增加而減小的特征，且都低于常溫養護試件；在鹽凍環境下，當鹽凍次數為25、50、75、100 次時，碳纖維- 混凝土界面承載力和粘結強度呈現隨著鹽凍次數增加而減小，其界面承載力和粘結強度也都低于常溫養護試件。在相同凍融循環次數下，鹽凍試件的界面承載力和粘結強度都要低于水凍試件。