外粘碳纖維布加固混凝土的粘接性能研究

摘 要：為了提升外粘碳纖維布加固混凝土的粘接性能，對比分析了未摻加鋼纖維和摻加不同含量鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土的粘接性能。結果表明，摻加鋼纖維可以提升混凝土試件的抗壓強度、劈拉強度、極限荷載、峰值擾度和最大應變，從而對混凝土起到加固作用；摻加鋼纖維試件的極限荷載要高于未摻加鋼纖維的試件，且鋼纖維摻加量越大則極限荷載越大，界面滑移也越大；都使用再生骨料混凝土的情況下，摻加鋼纖維試件的有效粘接長度大于未摻加鋼纖維的試件，且當鋼纖維摻加量較大時試件有效粘接長度要高于未使用再生粗骨料的試件。

關鍵詞：碳纖維布；混凝土；鋼纖維；再生粗骨料；粘接性能

中圖分類號：

TQ 343+.1

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0015-04

Study on bonding performance of externally bonded carbon fiber cloth reinforced concrete

GAO Shujun1，WANG Chunsheng2

（1.Department of Infrastructure Engineering，Beijing Rehabilitation Hospital Affiliated to Capital Medical University，Beijing 100144，China;

2.HebeiUniversity of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China）

Abstract： In order to improve the bonding performance of externally bonded carbon fiber cloth reinforced concrete，the bonding performance of externally bonded carbon fiber cloth reinforced concrete with and without steel fiber addition and with different content of steel fibers was compared and analyzed.The results showed that the addition of steel fiber can improve the compressive strength，splitting tensile strength，ultimate load，peak disturbance and maximum strain of concrete specimens，thus playing a reinforcing role for concrete.The ultimate load of concrete specimens strengthened with steel fibers was higher than that of concrete specimens without steel fibers，and the greater the amount of steel fibers，the greater the ultimate load and the interface slip.When recycled aggregate concrete was used，the effective bonding length of the specimens with steel fiber was greater than that of the specimens without steel fiber，and when the amount of steel fiber was large，the effective bonding length of the concrete specimens was higher than that of the concrete specimens without using recycled coarse aggregate.

Key words：carbon fiber cloth;concrete;steel fiber;recycled coarse aggregate;adhesion property

隨著鋼筋混凝土建筑結構使用年限的增加，混凝土會不同程度地產生開裂和局部破壞，為了在不影響使用的前提下，提升建筑的安全儲備，有必要對既有建筑進行加固改造處理，以增強建筑結構的承載能力和安全服役能力［1］。而碳纖維布作為一種質量輕、比強度高的新型建筑加固材料，可以通過在砌體結構中采用纖維增強材料粘貼加固的方法提升承載能力，且占用空間小、抑制裂紋擴散的能力較強［2-4］，在現代化建筑加固改造中有較好的應用前景。然而，將碳纖維布和再生粗骨料混合應用于混凝土加固改造方面的研究報道較少，研究對比分析了未摻加鋼纖維和摻加不同含量鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土的粘接性能，將有助于擴大碳纖維布和再生粗骨料在混凝土建筑加固改造中的推廣應用。

1 材料與試件制備

1.1 試驗材料

試驗材料包括普通粗骨料（有效吸水率0.62%、推擠密度1 630 kg/m3，表觀密度2 734 kg/m3，壓碎指標8.5%）、原生粗骨料（有效吸水率2.81%，推擠密度1 243 kg/m3，表觀密度2 643 kg/m3，壓碎指標13.2%）、PO42.5硅酸鹽水泥（細度0.28%，燒矢量4.35%，抗壓強度49.9 MPa，彎拉強度9.3 MPa）、細骨料（細度模數2.79，表觀密度2.65 kg/m3，堆積密度1 561 kg/m3，含泥量1.6%）、聚羧酸減水劑（減水率16%）、330 CN型環氧樹脂膠（抗拉強度45 MPa，伸長率2.2%，抗壓強度85 MPa）、IW-700鋼纖維（抗拉強度685 MPa、長度25 mm、長徑比50）、301C型碳纖維布（密度1.81 g/cm3，厚度0.18 mm，拉伸強度5.0 kN/mm2，彈性模量229 kN/mm2）和自來水。

1.2 試件制備

按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，制備6組外粘碳纖維布加固混凝土試件［5］，配合比設計如表1所示。其中，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm、水膠比設定為0.4、碳纖維布尺寸為295 mm×50 mm。粘貼完成后對外粘碳纖維布加固混凝土試件進行室溫養護處理，時間為7 d。

1.3 測試方法

在合作實驗室中進行外粘碳纖維布加固混凝土各項性能測試，包括采用MTS 810型液壓伺服系統進行抗壓強度和劈裂抗拉性能測試，并記錄極限荷載、峰值擾度和最大應變［6］，參照標準為CECS 13—2009《纖維混凝土試驗方法標準》；采用Nikon數碼相機拍攝外粘碳纖維布加固混凝土試件的斷裂形態。

2 試驗結果與分析

表2為外粘碳纖維布加固混凝土試件的粘接性能測試結果。對于未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布的CSN-1試件，抗壓強度、劈拉強度、極限荷載、峰值擾度和最大應變分別為50.3 MPa、4.79 MPa、18.89 kN、1.071 mm和7 225 με；對于未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布的CSR-1試件，由于試件中加入了再生粗骨料，抗壓強度、峰值擾度相對增大，而劈拉強度、極限荷載和最大應變有所減小。相較于未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布的CSN-1和CSR-1試件，摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件（CSR-2、CSR-3、CSR-4和CSR-5）的抗壓強度、劈拉強度、極限荷載、峰值擾度和最大應變都有不同程度提高，且隨著纖維含量增加，外粘碳纖維布加固混凝土試件的抗壓強度、劈拉強度、極限荷載、峰值擾度和最大應變都呈現逐漸增大的趨勢。由此可見，摻加鋼纖維可以提升混凝土試件的抗壓強度、劈拉強度、極限荷載、峰值擾度和最大應變，從而對混凝土起到加固作用。

對比外粘碳纖維混凝土試件的斷裂形態可知，6組試件的破壞形態都為內聚剝離破壞，但是未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布的CSN-1和CSR-1試件的斷面較為平整，而摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件（CSR-2、CSR-3、CSR-4和CSR-5）的斷面凹凸不平，這可能與摻加的鋼纖維含量較高有關［7］。

進一步對外粘碳纖維布加固混凝土試件的應變分布進行分析，結果如圖1所示。其中，橫坐標為距非粘接區距離。對比分析可知，在初始剝離階段，外粘碳纖維布加固混凝土試件的應變變化相對較小，未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布的CSN-1試件的初始剝離應變大于未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布的CSR-1試件。相較于未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布的CSN-1和CSR-1試件，摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件（CSR-2、CSR-3、CSR-4和CSR-5）在初始剝離階段的應變相對較大，且隨著鋼纖維摻量增加，初始應變有逐漸增大的趨勢。此外，摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件隨著距非粘接區距離的增加應變下降幅度更加平緩，這主要是因為外粘碳纖維布有助于增加應變傳遞的緣故［8］。

圖2為外粘碳纖維布加固混凝土試件的荷載-界面滑移曲線。在彈性變形階段，荷載會隨著界面滑移增加而快速增大，這主要是因為此時試件的剛度較大，外加荷載主要作用在混凝土上［9］；隨著界面滑移增加，外界荷載逐漸會作用在碳纖維布上，此時外粘碳纖維布加固混凝土試件進入損傷階段［10-12］，不同時間的荷載-界面滑移曲線的斜率會發生變化；繼續增加界面滑移，碳纖維布會逐漸發生剝離，外粘碳纖維布加固混凝土試件的極限荷載也呈現不同的變化。相對而言，外粘碳纖維布加固混凝土試件中摻加鋼纖維的試件的極限荷載要高于未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件，且鋼纖維摻加量越大則極限荷載越大，界面滑移也越大。

表3為外粘碳纖維布加固混凝土試件的有效粘接長度統計結果，表中分別列出了3組試樣的有效粘接長度并給出平均值。未摻加鋼纖維的外粘貼碳纖維布的CSN-1和CSR-1試件的有效粘接長度分別為52.029 mm和46.890 mm，可見，使用再生粗骨料的CSR-1試件的有效粘接長度會相對較低。摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件CSR-2、CSR-3、CSR-4和CSR-5的有效粘接長度分別為47.841、51.917、53.361和62.689 mm，這也說明鋼纖維摻加量越大則有效粘接長度越大。此外，對比分析可知，并不是摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件的有效粘接長度都高于未摻加鋼纖維的外粘貼碳纖維布試件，但是在都使用再生骨料混凝土的情況下，CSR-2、CSR-3、CSR-4和CSR-5的有效粘接長度大于CSR-1試件，且當鋼纖維摻加量較大時的CSR-4和CSR-5的有效粘接長度要高于未使用再生粗骨料的外粘碳纖維布加固混凝土試件，這也說明一定含量的鋼纖維的摻加可以彌補再生粗骨料帶來的有效粘接長度降低，這主要是因為鋼纖維加入混凝土中可以起到橋接作用，有助于減少混凝土內部缺陷而使得有效粘接長度增加［13-17］。

3 結語

（1）相較于未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布的CSN-1和CSR-1試件，摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件CSR-2、CSR-3、CSR-4和CSR-5的抗壓強度、劈拉強度、極限荷載、峰值擾度和最大應變都有不同程度提高，且隨著纖維含量增加，都呈現逐漸增大的趨勢;

（2）外粘碳纖維布加固混凝土試件中摻加鋼纖維的試件的極限荷載要高于未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件，且鋼纖維摻加量越大則極限荷載越大，界面滑移也越大;

（3）未摻加鋼纖維的外粘碳纖維布的CSN-1和CSR-1試件的有效粘接長度分別為52.029 mm和46.890 mm，使用再生粗骨料的CSR-1試件的有效粘接長度會相對較低。摻加鋼纖維的外粘碳纖維布加固混凝土試件CSR-2、CSR-3、CSR-4和CSR-5的有效粘接長度分別為47.841、51.917、53.361和62.689 mm，這也說明鋼纖維摻加量越大則有效粘接長度越大。

【參考文獻】

［1］

楊港，閆亞坤，朱宇航，等.CFRP加固混凝土柱研究綜述［J］.山東化工，2021，50（22）：103-105.

［2］ 吳智深.外貼碳纖維布加固橋梁結構失效原因與對策分析［J］.現代交通技術，2022，19（3）：1-14.

［3］ 梁龐.纖維增強復合材料在建筑結構加固工程中的應用研究［J］.合成材料老化與應用，2022，51（1）：117-119.

［4］ 佘澤昇，雷冬，何錦濤，等.碳纖維增強復合材料加固混凝土粘結性能試驗［J］.科學技術與工程，2022，22（6）：2428-2436.

［5］ 張景峰，仝朝康，張智超，等.CFRP加固鋼筋混凝土梁抗沖擊性能試驗［J］.中國公路學報，2022，35（2）：181-192.

［6］ 喻林，王鳳霞，蔣林華，等.碳纖維加固混凝土的粘結性能研究［J］.工業建筑，2010，40（10）：103-105.

［7］ AL-ABDWAIS A H，AL-MAHAIDI R S.Bond properties between carbon fibre reinforced polymer （CFRP） textile and concrete using modified cement-based adhesive［J］.Construction amp; Building Materials，2017，154：983-992.

［8］ KHORRAMIAN K，SADEGHIAN P.Hybrid system of longitudinal CFRP laminates and GFRP wraps for strengthening of existing circular concrete columns［J］ .Engineering Structures ，2021，235：112028-112036.

［9］ 閆清峰，張紀剛，張宜聰，等.FRP布加固鋼筋混凝土短柱軸壓性能試驗研究［J］.混凝土與水泥制品，2022（1）：64-70.

［10］ 楊曌，凌之涵，葉蛟龍，等.碳纖維布加固震損裝配整體式混凝土框架節點抗震性能試驗研究［J］.工業建筑，2021，51（7）：185-193.

［11］ 楊朝帥，崔臻，潘岳.碳纖維布補強破損隧道襯砌的抗彎性能試驗研究［J］.水利與建筑工程學報，2021，19（6）：133-137.

［12］ 袁嬌嬌，林軍，繆云，等.粘接長度對AFRP-混凝土界面粘接性能的影響［J］.硅酸鹽通報，2020，39（9）：2830-2836.

［13］ ALABDULJABBAR H，WEST J.Bond behavior of cleaned corroded rebar repaired by partial depth repair［J］.Structures，2020，27：813-823.

［14］ 唐魁.纖維增強型水泥混凝土抗變形分析及應用［J］.粘接，2022，49（4）：135-137.

［15］ 葛輝，張啟志.高性能混凝土制備及其耐久性性能的試驗分析［J］.化學與粘合，2022，44（4）：355-358.

［16］ 黃艷妮，王津.碳纖維增強復合網格加固混凝土柱抗震加固技術性能研究［J］.粘接，2021，45（3）：105-107.

［17］ 秦堃.BFRP復合材料增強鋼筋混凝土柱抗震性能試驗研究［J］.合成材料老化與應用，2022，51（1）：79-82.