凍融環境下碳纖維聚合物加固混凝土施工技術研究

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,冬天的溫度通常低于零下20 ℃。結構柱和橋墩不僅要承受長期的結構荷載,還要承受嚴酷的寒冷條件。結構的承載力和耐久性直接關系到建筑安全[1]。大量研究表明,混凝土在凍融循環作用下發生凍脹問題。混凝土表面剝落,鋼筋開始銹蝕,出現內部裂縫,不利于結構構件的承載能力。

因此,一些學者提出使用鋼管和收縮補償材料形成的加固系統來加固混凝土構件。劉澤平等[2-3]采用預制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。試驗結果表明,采用預應力GFRP加固的短柱的橫向應變是未施加預應力的GFRP包裹柱子的2倍,而采用預應力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)結構的加固過程中,外接纖維增強聚合物(FRP)復合材料的利用率僅為35%。張向岡等[6]提出,在預制FRP外殼和矩形柱之間澆筑補償收縮混凝土作為加固材料,具有優越的力學性能。結果表明,采用FRP復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變顯著提高,在地震荷載作用下的力學性能也有所改善[7]。然而,該方法在凍融環境下具有較差的力學性能。

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件在凍融環境下的力學性能,利用碳纖維增強聚合物(CFRP)和補償收縮自密實混凝土(ESCC)組成的加固系統對CFRP外殼施加后張應力,進一步消除應力滯后,并發揮約束作用,以提高混凝土短柱在凍融環境下的力學性能。

1 試驗方法與設計

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商提供的碳纖維單向編織布。粘合劑為建筑結構粘合劑,與碳纖維增強聚合物來自同一供應商。單向碳纖維增強聚合物織物與粘合劑的質量比為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GB/T 3354—1999規范測定。實驗結果如表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,其質量分數為8%。

1.3 試驗方法

共設計了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。試件的標注規則如下:第一個字母(即A/B/C)表示混凝土受壓構件分別經歷了25/75/125次凍融循環。中間帶字母“L”的數字表示不同層數的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表示混凝土受壓構件經75次凍融循環破壞后,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規范標準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境的一致性。通過濕法鋪設工藝預制了直徑為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力集中而過早失效。獲得凍融循環后受損的混凝土受壓構件后,將受損的混凝土受壓構件和預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,在預制碳纖維增強聚合物外殼和受損混凝土受壓構件之間的縫隙中澆筑加固層混凝土。養護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。應變采集裝置由四個垂直位移采集器和四組縱向和橫向應變儀組成,黏貼在試樣中間。

2 結果與討論

2.1 應力-應變曲線

由軸向壓縮試驗機得出的應力-應變關系曲線見圖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件在單軸受壓下的軟化行為。對于凍融循環次數分別為25次和75次的混凝土受壓構件,采用收縮補償自密實混凝土對CFRP施加后張拉應力的方法顯著提高了混凝土受壓構件的承載力,比普通混凝土的承載力分別提高了13.23%和4.22%。然而,當凍融循環次數達到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,經過25次凍融循環后,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境中不斷水化,從而進一步提高了混凝土的強度。當凍融循環次數增加到75次時,混凝土試件的承載力比對照組降低了5.13%。隨著凍融循環次數的不斷增加,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,經過幾個凍融循環后,混凝土表面的粘貼層首先脫落,混凝土受壓構件表面變得灰暗不平。隨著凍融循環次數的增加,混凝土進一步脫落并開始露出骨料。當凍融循環次數繼續增加時,骨料周圍的混凝土開始剝落,界面過渡區遭到破壞,骨料與基體之間的黏結逐漸失效,部分骨料開始剝落,導致質量損失和動態彈性模量損失開始下降。

混凝土受壓構件的質量損失率、動態彈性模量損失率根據規范要求計算,結果如圖4所示。從圖4中可以看出隨著凍融循環次數的增加,質量損失率和動態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中的結果表明,前50次凍融循環對混凝土質量和動態彈性模量的影響相對較小。而75次凍融循環后,動態彈性模量損失率和質量損失率突然增加,分別為14.1%和2.5%。當凍融循環次數達到125次時,無混凝土加固層和CFRP的混凝土受壓構件的動態模量損失率達到24.8%,質量損失率為5.3%。

2.3 峰值環向應變與軸向應變變化規律

圖5為峰值環向應變εh和極限承載力Pu。隨著凍融循環次數的增加,單層CFRP加固的混凝土受壓構件的峰值環向應變和極限承載力呈先增大后減小的趨勢。這一現象與經歷凍融循環的混凝土受壓構件的極限承載力的變化趨勢相似。此外,125次凍融循環的峰值環向應變和極限承載力均低于25次凍融循環的峰值環向應變和極限承載力。與使用單層CFRP加固并經歷25次凍融循環的試樣相比,使用NC和EC加固的試樣在經歷125次凍融循環后的峰值環向應變分別降低了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件的損壞影響了外層CFRP外殼的利用率。且受壓構件的凍融破壞越嚴重,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件的峰值環向應變和極限承載力繼續下降,這可能是由于雙層CFRP外殼對混凝土受壓構件的約束較強,改變了下降趨勢。經過125次凍融循環后,NC和EC加固試件的環向應變峰值分別下降了15.07%和9.18%,極限承載力分別下降了21.12%和2.75%。

試樣的峰值軸向應變與環向應變如圖6所示。軸向應變峰值的變化趨勢與環向應變峰值的變化趨勢相似。一般來說,受到凍融破壞的壓縮構件在加固后,其軸向應變和箍筋應變都會明顯減小。圖6為CFRP加固混凝土受壓構件在軸向受壓下的軸向應變-環向應變關系。對于采用后張法CFRP加固的混凝土受壓構件,由于后張法應力的作用,環向應變有一個初始值,表明在加載初期CFRP外殼對混凝土受壓構件的約束作用已經發揮出來。在試件受壓初期,軸向應變-環向應變變化趨勢基本保持平行,但隨著荷載的不斷增加,可以發現在相同軸向應變的情況下,采用普通自密實混凝土加固的混凝土受壓構件表現出較大的環向應變,進一步表明采用普通自密實混凝土加固的受壓構件比采用收縮補償自密實混凝土加固的構件更容易受到破壞,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件時,與CFRP結合的收縮補償SCC比普通自密實混凝土具有更好的變形能力。

3 結論

1)試驗結果表明,凍融循環對混凝土受壓構件的破壞是一個漸進的過程。前50次凍融循環對混凝土受壓構件的質量和動態彈性模量的影響相對較小。經過50次凍融循環破壞的混凝土受壓構件的動態彈性模量損失率和質量損失率分別為5.9%和0.4%。完成75次凍融循環后,混凝土受壓構件的破壞速度和程度迅速增加。當凍融循環次數達到125次時,混凝土受壓構件的動態模量損失率為24.8%,質量損失率為5.3%。隨著凍融循環次數的增加,混凝土受壓構件的歸一化極限承載力先上升后下降。與對照組相比,125次凍融循環后試件的極限承載力下降了28.2%,而75次凍融循環后試件的極限承載力下降了5.13%。2)CFRP外殼的加固效果優于單層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于普通自密實混凝土。與使用單層CFRP加固并經歷25次凍融循環的試樣相比,使用NC和EC加固的試樣在經歷125次凍融循環后的環向應變峰值分別降低了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加固并經歷25次凍融循環的試樣,使用NC和EC加固的試樣在125次凍融循環后的峰值箍筋應變分別降低了15.07%和9.18%,極限承載能力分別降低了21.12%和2.75%。