凍融環(huán)境下碳纖維聚合物加固混凝土施工技術(shù)研究

肖亮洲

(廣東保輝建筑工程有限公司,廣東 汕頭 515071)

0 引言

在寒冷地區(qū),冬天的溫度通常低于零下20 ℃。結(jié)構(gòu)柱和橋墩不僅要承受長期的結(jié)構(gòu)荷載,還要承受嚴(yán)酷的寒冷條件。結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性直接關(guān)系到建筑安全[1]。大量研究表明,混凝土在凍融循環(huán)作用下發(fā)生凍脹問題。混凝土表面剝落,鋼筋開始銹蝕,出現(xiàn)內(nèi)部裂縫,不利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。

因此,一些學(xué)者提出使用鋼管和收縮補償材料形成的加固系統(tǒng)來加固混凝土構(gòu)件。劉澤平等[2-3]采用預(yù)制CFRP/GFRP和鋼管加固混凝土短柱,并通過無收縮灌漿對FRP進行后張。試驗結(jié)果表明,采用預(yù)應(yīng)力GFRP加固的短柱的橫向應(yīng)變是未施加預(yù)應(yīng)力的GFRP包裹柱子的2倍,而采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固的試件的縱向和橫向變形是無約束混凝土試件的10倍。張榮振等[4]研究了用CFRP、鋼管和自密實混凝土加固的方形樁柱的軸向壓縮性能。張立群等[5]指出,在鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)的加固過程中,外接纖維增強聚合物(FRP)復(fù)合材料的利用率僅為35%。張向?qū)萚6]提出,在預(yù)制FRP外殼和矩形柱之間澆筑補償收縮混凝土作為加固材料,具有優(yōu)越的力學(xué)性能。結(jié)果表明,采用FRP復(fù)合材料和補償收縮混凝土加固的矩形柱的軸向強度和極限軸向壓縮應(yīng)變顯著提高,在地震荷載作用下的力學(xué)性能也有所改善[7]。然而,該方法在凍融環(huán)境下具有較差的力學(xué)性能。

基于上述研究情況,本文研究CFRP和收縮補償混凝土加固受壓構(gòu)件在凍融環(huán)境下的力學(xué)性能,利用碳纖維增強聚合物(CFRP)和補償收縮自密實混凝土(ESCC)組成的加固系統(tǒng)對CFRP外殼施加后張應(yīng)力,進一步消除應(yīng)力滯后,并發(fā)揮約束作用,以提高混凝土短柱在凍融環(huán)境下的力學(xué)性能。

1 試驗方法與設(shè)計

1.1 碳纖維增強聚合物(CFRP)

本實驗中使用的碳纖維增強聚合物為大連本地供應(yīng)商提供的碳纖維單向編織布。粘合劑為建筑結(jié)構(gòu)粘合劑,與碳纖維增強聚合物來自同一供應(yīng)商。單向碳纖維增強聚合物織物與粘合劑的質(zhì)量比為1∶3[8]。碳纖維增強聚合物樣品的彈性模量和拉伸強度根據(jù)GB/T 3354—1999規(guī)范測定。實驗結(jié)果如表1所示。試驗中使用了鋁合金加強筋,均勻地對試樣施加載荷,防止試樣因明顯的不連續(xù)性而提前失效。試驗儀器為300 kN萬能試驗機。試驗采用位移控制,速度為2 mm/min。

表1 碳纖維增強聚合物的材料特性

1.2 混凝土

實驗中使用了三種不同配合比的混凝土。混凝土采用抗壓強度為30 MPa的常規(guī)強度混凝土。粗骨料為粒徑5 mm～20 mm的碎石,細骨料為中粗河砂,細度模數(shù)為2.59。水泥采用P.O42.5的普通硅酸鹽水泥,28 d立方體抗壓強度為32 MPa。加固層分別采用抗壓強度為40 MPa的自密實混凝土(NC40)和抗壓強度為40 MPa的收縮補償自密實混凝土(EC40)[9-11]。通過對比NC40和EC40,旨在比較不同類型混凝土加固層造成的差異。表2為混凝土受壓構(gòu)件(NC30)和加固層(NC40/EC40)的配合比。采用氧化鈣膨脹劑作為膨脹劑,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

1.3 試驗方法

共設(shè)計了32個混凝土短柱試件(試件配比如表3所示),受壓混凝土構(gòu)件的直徑為150 mm,高度為300 mm。加固后,試樣直徑為200 mm,高度保持不變。試件的標(biāo)注規(guī)則如下:第一個字母(即A/B/C)表示混凝土受壓構(gòu)件分別經(jīng)歷了25/75/125次凍融循環(huán)。中間帶字母“L”的數(shù)字表示不同層數(shù)的CFRP。NC/EC分別代表加固層混凝土的類型,即普通自密實混凝土(NSCC)和收縮補償自密實混凝土(ESCC)[11]。例如,A-1L-EC表示混凝土受壓構(gòu)件經(jīng)75次凍融循環(huán)破壞后,使用單層CFRP和ESCC進行加固。

表2 混凝土配合比 kg/m3

表3 試件配比

凍融試驗按照GB/T 50082—2009規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的快速冷凍法進行。實驗組試樣被放置在凍融冰箱中以開展凍融損傷實驗,對照組試樣置于室溫水中以確保試樣環(huán)境的一致性。通過濕法鋪設(shè)工藝預(yù)制了直徑為200 mm的圓形碳纖維增強聚合物殼體。碳纖維增強聚合物的重疊長度為150 mm,以避免加固試件在抗壓試驗中因應(yīng)力集中而過早失效。獲得凍融循環(huán)后受損的混凝土受壓構(gòu)件后,將受損的混凝土受壓構(gòu)件和預(yù)制碳纖維增強聚合物外殼進行定位,并用酸性硅酮玻璃膠粘合板粘合。然后,在預(yù)制碳纖維增強聚合物外殼和受損混凝土受壓構(gòu)件之間的縫隙中澆筑加固層混凝土。養(yǎng)護28 d后,在進行軸向壓縮試驗前,對加固試件的表面進行打磨和整平。軸向壓縮試驗在500 t液壓試驗機上進行。應(yīng)變采集裝置由四個垂直位移采集器和四組縱向和橫向應(yīng)變儀組成,黏貼在試樣中間。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由軸向壓縮試驗機得出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1。從圖1中可以看出,使用單層CFRP加固的試件在經(jīng)歷非線性截面后進入水平截面,沒有明顯的軟化行為,這表明使用CFRP和自密實混凝土有效地改變了混凝土受壓構(gòu)件在單軸受壓下的軟化行為。對于凍融循環(huán)次數(shù)分別為25次和75次的混凝土受壓構(gòu)件,采用收縮補償自密實混凝土對CFRP施加后張拉應(yīng)力的方法顯著提高了混凝土受壓構(gòu)件的承載力,比普通混凝土的承載力分別提高了13.23%和4.22%。然而,當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到125次時,收縮補償自密實混凝土的增強效果弱于普通自密實混凝土。同時,使用雙層CFRP加固的試件的加固效果明顯優(yōu)于單層CFRP加固的試件。

試件的極限承載力如圖2所示。為了消除不同養(yǎng)護齡期對混凝土強度的影響,將試件的抗壓強度fco用28 d立方體抗壓強度fcu進行歸一化處理。可以看出,經(jīng)過25次凍融循環(huán)后,試件的承載能力略有提高,比對照組提高了10.26%。這可能是由于水泥在水環(huán)境中不斷水化,從而進一步提高了混凝土的強度。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加到75次時,混凝土試件的承載力比對照組降低了5.13%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加,混凝土試件的損壞程度也逐漸增加,與對照組相比,承載力下降了28.2%。

2.2 凍融試驗

如圖3所示,經(jīng)過幾個凍融循環(huán)后,混凝土表面的粘貼層首先脫落,混凝土受壓構(gòu)件表面變得灰暗不平。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土進一步脫落并開始露出骨料。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時,骨料周圍的混凝土開始剝落,界面過渡區(qū)遭到破壞,骨料與基體之間的黏結(jié)逐漸失效,部分骨料開始剝落,導(dǎo)致質(zhì)量損失和動態(tài)彈性模量損失開始下降。

混凝土受壓構(gòu)件的質(zhì)量損失率、動態(tài)彈性模量損失率根據(jù)規(guī)范要求計算,結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,質(zhì)量損失率和動態(tài)彈性模量損失率的變化趨勢相似,說明凍融破壞對混凝土的破壞是一個遞增的過程。且圖4中的結(jié)果表明,前50次凍融循環(huán)對混凝土質(zhì)量和動態(tài)彈性模量的影響相對較小。而75次凍融循環(huán)后,動態(tài)彈性模量損失率和質(zhì)量損失率突然增加,分別為14.1%和2.5%。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到125次時,無混凝土加固層和CFRP的混凝土受壓構(gòu)件的動態(tài)模量損失率達到24.8%,質(zhì)量損失率為5.3%。

2.3 峰值環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變變化規(guī)律

圖5為峰值環(huán)向應(yīng)變εh和極限承載力Pu。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,單層CFRP加固的混凝土受壓構(gòu)件的峰值環(huán)向應(yīng)變和極限承載力呈先增大后減小的趨勢。這一現(xiàn)象與經(jīng)歷凍融循環(huán)的混凝土受壓構(gòu)件的極限承載力的變化趨勢相似。此外,125次凍融循環(huán)的峰值環(huán)向應(yīng)變和極限承載力均低于25次凍融循環(huán)的峰值環(huán)向應(yīng)變和極限承載力。與使用單層CFRP加固并經(jīng)歷25次凍融循環(huán)的試樣相比,使用NC和EC加固的試樣在經(jīng)歷125次凍融循環(huán)后的峰值環(huán)向應(yīng)變分別降低了14.42%和15%,極限承載力分別降低了-9.23%和7.69%。這也表明混凝土受壓構(gòu)件的損壞影響了外層CFRP外殼的利用率。且受壓構(gòu)件的凍融破壞越嚴(yán)重,加固后的極限變形承載力就越低。采用雙層CFRP加固的混凝土受壓構(gòu)件的峰值環(huán)向應(yīng)變和極限承載力繼續(xù)下降,這可能是由于雙層CFRP外殼對混凝土受壓構(gòu)件的約束較強,改變了下降趨勢。經(jīng)過125次凍融循環(huán)后,NC和EC加固試件的環(huán)向應(yīng)變峰值分別下降了15.07%和9.18%,極限承載力分別下降了21.12%和2.75%。

試樣的峰值軸向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。軸向應(yīng)變峰值的變化趨勢與環(huán)向應(yīng)變峰值的變化趨勢相似。一般來說,受到凍融破壞的壓縮構(gòu)件在加固后,其軸向應(yīng)變和箍筋應(yīng)變都會明顯減小。圖6為CFRP加固混凝土受壓構(gòu)件在軸向受壓下的軸向應(yīng)變-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系。對于采用后張法CFRP加固的混凝土受壓構(gòu)件,由于后張法應(yīng)力的作用,環(huán)向應(yīng)變有一個初始值,表明在加載初期CFRP外殼對混凝土受壓構(gòu)件的約束作用已經(jīng)發(fā)揮出來。在試件受壓初期,軸向應(yīng)變-環(huán)向應(yīng)變變化趨勢基本保持平行,但隨著荷載的不斷增加,可以發(fā)現(xiàn)在相同軸向應(yīng)變的情況下,采用普通自密實混凝土加固的混凝土受壓構(gòu)件表現(xiàn)出較大的環(huán)向應(yīng)變,進一步表明采用普通自密實混凝土加固的受壓構(gòu)件比采用收縮補償自密實混凝土加固的構(gòu)件更容易受到破壞,橫向體積膨脹更大。且從圖中可以看出,除B-2L外,采用收縮補償混凝土加固的混凝土受壓構(gòu)件具有更大的軸向變形能力。這表明,在加固受損的混凝土受壓構(gòu)件時,與CFRP結(jié)合的收縮補償SCC比普通自密實混凝土具有更好的變形能力。

3 結(jié)論

1)試驗結(jié)果表明,凍融循環(huán)對混凝土受壓構(gòu)件的破壞是一個漸進的過程。前50次凍融循環(huán)對混凝土受壓構(gòu)件的質(zhì)量和動態(tài)彈性模量的影響相對較小。經(jīng)過50次凍融循環(huán)破壞的混凝土受壓構(gòu)件的動態(tài)彈性模量損失率和質(zhì)量損失率分別為5.9%和0.4%。完成75次凍融循環(huán)后,混凝土受壓構(gòu)件的破壞速度和程度迅速增加。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到125次時,混凝土受壓構(gòu)件的動態(tài)模量損失率為24.8%,質(zhì)量損失率為5.3%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土受壓構(gòu)件的歸一化極限承載力先上升后下降。與對照組相比,125次凍融循環(huán)后試件的極限承載力下降了28.2%,而75次凍融循環(huán)后試件的極限承載力下降了5.13%。2)CFRP外殼的加固效果優(yōu)于單層CFRP,而采用收縮補償自密實混凝土作為加固層的加固效果優(yōu)于普通自密實混凝土。與使用單層CFRP加固并經(jīng)歷25次凍融循環(huán)的試樣相比,使用NC和EC加固的試樣在經(jīng)歷125次凍融循環(huán)后的環(huán)向應(yīng)變峰值分別降低了14.42%和15%。極限承載能力分別下降了-9.23%和7.69%。同時,對于使用兩層CFRP加固并經(jīng)歷25次凍融循環(huán)的試樣,使用NC和EC加固的試樣在125次凍融循環(huán)后的峰值箍筋應(yīng)變分別降低了15.07%和9.18%,極限承載能力分別降低了21.12%和2.75%。