表层嵌贴CFRP板条的混凝土梁粘结性能试验
2003年我国工程建设标准化协会颁布《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》 (CECS146:2003) , 采用的是表面粘贴法—将CFRP片材粘贴在加固部位表面的加固方法。近年来国外研究应用[1,2,3]的表层嵌贴加固法是把碳纤维加固材料嵌贴在混凝土保护层内它具有:可避免CFR P材料磨损, 适合于桥面板和连续梁负弯矩区域的加固;CFRP材料与混凝土的粘结表面积增大, 提高了CFRP的利用率;可用于恶劣环境下 (高湿、高温、冻融、耐火、耐久性能) 等优点, 有着广阔的工程应用前景。
目前国内的研究尚在起步阶段, 研究表明, 表层嵌贴加固梁的抗弯承载力高于表面粘贴加固梁, 本文对5根混凝土表层嵌贴CFRP板条的T形截面梁进行梁式拉拔粘结破坏试验, 选取加载方式、粘结剂种类作为研究的重要参数。
注:试件编号中数字3—1点加载、3点弯曲;4—2点加载、4点弯曲;E1—环氧树脂XH111A/B;E2—环氧树脂XH130A/B/C;C—水泥砂浆;CE—XH111A/B改性水泥砂浆;bl—CFRP板嵌贴长度。
1 试验方案
1.1 试件设计
试件如图1所示, 通过梁的跨中截面纵筋不连续、受拉区跨中开槽精确控制裂缝位置, 保证加载时裂缝首先出现在跨中;采用C25混凝土, 实测立方体抗压强度平均值为25.8MPa。
为避免跨中受压区混凝土压碎, 由受弯构件基本公式:
按混凝土压碎破坏计算:
按CFRP筋破坏计算:
为确保试验时梁跨中不出现混凝土压碎破坏, 试验还取CFRP筋面积大于实际试验值50%, 即Af=72mm2进行验算。
按混凝土压碎破坏计算:
按CFRP筋拉断破坏计算:
由此可知构件不会出现混凝土压碎破坏。
剪跨比λ=ah0=300250=12.为斜压破坏, 抗剪验算时取λ=5.1, 在构件中配置φ10@100的箍筋, 根据集中荷载作用下抗剪承载力计算基本公式:
计算可得:Vcs=127.84KN;
试验荷载P4=2Vcs=255.68KN大于按受弯构件承载力计算的试验破坏荷载238.47KN, 试件具有足够的抗剪承载力。
目前工程中大量使用的现浇钢筋混凝土受弯构件为梁板整浇构件, 形成带翼缘的T型截面梁, 故本文采用T型截面梁进行研究更具有代表性和实用价值。T形截面梁式试件也是国内外研究人员常用的试件形式 (如图1) 。
粘结剂种类是影响粘结性能的重要参数, 现有结构加固胶大都为有机胶, 耐久性、抗腐蚀性及环保性能都有所欠缺, 且成本高。本文采用环氧树脂XH111A/B改性水泥砂浆、环氧树脂XH111A/B、环氧树脂XH130A/B/C及普通水泥砂浆4种粘结剂作粘结对比试验, 环氧树脂XH111A/B中环氧树脂和固化剂的质量比是2∶1, 环氧树脂XH130A/B/C中环氧树脂、固化剂、石英砂的质量比是3∶1∶4, 环氧树脂XH111A/B改性水泥砂浆中环氧树脂XH111A/B与水泥砂浆的配合比为1∶1, 其立方体抗压强度的实测平均值为21.47MPa;水泥砂浆立方体抗压强度的实测平均值为20.19MPa, 环氧树脂粘结剂力学性能见表1。
选取CFRP板的嵌贴长度lb为450mm, 分别采用1点加载 (三点弯曲) 和2点加载 (四点弯曲) 加载方式考察其对粘结性能的影响。试件情况见表2。
1.2 仪表布置及加载
试件加载方式、应变片布置和CFRP板条嵌贴示意如图2所示, CFRP板条在研究半跨内按设计的嵌贴长度嵌贴, 在另半跨内通长嵌贴, 以保证破坏发生在研究段;为进一步了解应变沿CFRP板条长度与宽度方向的变化规律, 试件除沿纵向布置应变片外, 在个别试件跨中CFRP板条横向的上中下也各布置一片应变片 (图2c) ;为便于观察混凝土表层嵌贴CFRP板裂缝开展情况试验采用手动千斤顶反向施加荷载, 通过分配梁提供1点加载 (三点弯曲图2a) 和对称2点加载 (四点弯曲图2b) , 跨中和支座处分别布置百分表测量试件挠度, 加载采用控制跨中挠度方式, 加载步长根据嵌贴长度在0.3mm-0.5mm调整, 在加载后期为捕捉到准确的极限粘结承载力, 适当减少加载步长。
2 试验现象分析
2.1 开裂分析
采用XH111A/B改性水泥砂浆和XH111A/B粘结剂的试件, 当加载端应变片数值在1500-2000µε时, 在试验梁跨中预留槽底部出现一条大约1/2梁高的主裂缝, 周围伴有细小的混凝土裂缝, 继续加载, 跨中裂缝迅速向翼缘处扩散, 加载端应变增加幅度远大于开裂前的增加幅度, 加载端CFRP板-胶-混凝土界面出现细小的斜裂缝, 斜裂缝与CFRP板条受拉方向形成大约60°夹角 (图3) , 裂缝发展区域从CFRP板条加载端向自由端扩展。新裂缝区域的裂缝性状与加载端裂缝出现伊始的情况相同, 较早出现胶层裂缝的区域, 板-胶界面剥离迹象清晰可见, 在界面处可以观察到滑移产生的极少的白色环氧树脂粉屑及一些粘结剂碎片。此时加载端混凝土斜向主裂缝扩展至梁侧, 与CFRP板条受拉方向大约成30°。当荷载处于较高水平时, 加载端混凝土主裂缝宽度明显增加, 有拉出之势。
2.2 曲率分析
三点弯曲在嵌贴长度内的曲率变化率较四点弯曲的大 (图4) , 曲率越大, 板受拉内外边缘应变差越大, 当外边缘发生剥离后次外边缘有可能还没有剥离, 其粘结剪应力还没有达到峰值。曲率越小, 沿板宽度方向越接近于同时剥离, 此时测得应变值就越大。同时若两截面的曲率差值越大, 则此两截面的应变差也就越大, 此时由应变得出的剪应力就越大。
2.3 CFRP板条应变分布规律
4E1/L450试件CFRP板条在不同荷载水平下的应变分布图 (应变片布置见图2c表中数值为每一级加载时CFRP板条的拉力, 单位KN) 。在加载过程中, CFRP板加载端附近首先产生应变, 随着荷载增加, 距离加载端稍远处也开始产生应变, 同时已经产生应变的区域应变持续增长。先后出现应变的相邻应变片间形成应变差, 该区间内开始承载粘结剪应力。当应变增加到3000µε-4000µε, 级差开始减小, 可知各个试件加载端的粘结剪应力有一个峰值;当加载端应变测点的应变值增加到7000µε水平以后, 相邻应变测点的应变差近似为常量, 各级荷载水平下的应变曲线接近平行分布。各试件CFRP板条的应变分布规律大致相同。CFRP板应变ε (µε)
3 影响因素
3.1 加载方式影响
各试件试验结果汇总见表3。由表中可知, 三点弯曲的纤维板极限粘结承载力及跨中绕度都较四点弯曲的高。
由此可知在试件开裂后, 挠度相同的情况下, 三点弯曲试件的跨中弯矩大于4点弯曲构件, 其极限挠度和极限弯矩均高于4点弯曲构件。粘结剪应力峰值与试件抗弯刚度有明显关系, 试验结果发现, 破坏界面的峰值剪应力越大, 试件的抗弯刚度越大, 承载力越高。
3.2 粘结剂影响
不同粘结剂试件的弯矩-挠度曲线。4E2/L450试件采用XH130A/B/C粘结剂与CFRP板的粘结性能较差, 在试件开裂时, 加载端开始发生剥离, 随着荷载的增加, 剥离破坏很快扩展至自由端, 加载端CFRP板应变值较小, 胶层没有观察到裂缝, 粘结剂本身未充分发挥其抗拉强度, 粘结承载力低。
4C/L450试件采用水泥砂浆粘结剂与CFRP板的结性能更差, 在试件开裂后, 即发生剥离破坏, 虽然试验实测跨中弯矩-挠度曲线上有一延性段, 此延性段是CFRP板和粘结剂残余摩擦力提供的粘结承载能力, 并非表明水泥砂浆粘结剂试件的剥离破坏为延性。另外在养护期间, 由于水泥砂浆在结硬过程中出现了微裂缝, 也是致使其粘结性能不佳的原因之一。
4E1/L450试件采用环氧树脂XH111A/B粘结剂与CRFP板、混凝土都具有良好的粘结性能。采用环氧树脂XH111A/B作为粘结剂的试件破坏时CFRP板内应变都大于采用其它粘结剂的试件, 较充分地发挥了CFRP板的高强性能。
4CE1/L450试件采用环氧树脂XH111A/B改性水泥砂浆粘结剂, 它与CRFP板、混凝土也具有良好的粘结性能, 能充分地发挥CFRP板的高强性能, 其破坏形式基本同4E1/L450试件。环氧树脂XH111A/B改性水泥砂浆和普通水泥砂浆的立方体平均抗压强度实测结果仅差6%, 但两者的粘结性能差别很大。本文配制的XH111A/B改性水泥砂浆, 通过极限承载力比较可以看出其极限承载力及粘结性能完全能代替XH111A/B粘结剂。
4 结语
粘结剂是影响粘结性能的重要因素采用不同粘结剂, 试件的极限粘结承载力和破坏模式有较大不同。环氧树脂XH111A/B及环氧树脂XH111A/B改性水泥砂浆都具有良好的粘能, 后者成本低、环保、性能优良, 具有巨大的工程应用前景, 但其耐久性能和抗腐蚀性还有待验证。XH130A/B/C粘结剂不能发挥CFRP板的高强性能, 因此不宜采用。普通水泥砂浆的粘结承载力低, 工程中不应直接采用。
混凝土强度对粘结性能、破坏模式的影响尚需进一步研究。
摘要：采用表层开槽、嵌贴CFRP板条的混凝土结构加固新技术, 对5根T形截面混凝土梁进行改进梁式拉拔粘结试验, 研究了影响混凝土表层嵌贴CFRP粘结机理的两个主要因素:加载方式和粘结剂种类。分析讨论了试件的破坏模式与粘结性能, 提出了问题及建议, 供实际工程加固参考。
关键词：表层嵌贴加固法,碳纤维增强复合材料板条,粘结剂种类,粘结破坏模式,加载方式
参考文献
[1] 周延阳.混凝土表层嵌贴CFRP板黏结机理研究[D].杭州:浙江大学, 2005.
[2] 朱晓旭.混凝土表层嵌贴CFRP板黏结性能及理论研究[D].杭州:浙江大学, 2006.
[3] 姚谏, 朱晓旭, 周延阳.混凝土表层嵌贴CFRP板条的黏结承载力[N].浙江大学学报 (工学版) , 2008.