表層嵌貼螺紋碳纖維筋粘結(jié)性能試驗(yàn)研究

0表層嵌貼frp加固技術(shù)的研究現(xiàn)狀由于材料累積損失、老化、各種自然災(zāi)害、功能或功能負(fù)荷變化、設(shè)計(jì)和施工錯(cuò)誤等原因，大量房屋和橋梁的結(jié)構(gòu)需要加固和修復(fù)。因此,探尋切實(shí)可行的加固方法成為土木工程界一個(gè)研究熱點(diǎn),而表層嵌貼(Near-SurfaceMounted,簡(jiǎn)稱NSM)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法是其中有代表性的一種,近幾年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用。1949年,Asplund首次提出表層嵌貼鋼筋加固鋼筋混凝土梁以提高其抗彎性能的方法,但直到上世紀(jì)末,表層嵌貼FRP加固技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于土木工程界。表層嵌貼FRP法是在表層粘貼FRP法基礎(chǔ)上的發(fā)展和創(chuàng)新,其方法是先在鋼筋混凝土構(gòu)件表層開(kāi)槽,然后將FRP筋或者板材嵌入槽中壓實(shí),利用粘結(jié)劑使其與構(gòu)件結(jié)合緊密(圖1),達(dá)到加固修復(fù)目的。FRP和粘結(jié)劑主要處于構(gòu)件槽內(nèi)部,因此能夠有效地抵抗火災(zāi)的高溫作用、避免車(chē)輪直接輾壓和重物的沖擊,尤其適合于橋面和樓面板負(fù)彎矩區(qū)域的加固。表層嵌貼FRP加固法是近年來(lái)新的研究熱點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)外對(duì)表層嵌貼FRP加固技術(shù)研究剛開(kāi)始,相關(guān)研究文獻(xiàn)較少,也未有設(shè)計(jì)規(guī)范準(zhǔn)則頒布。國(guó)外,有學(xué)者相繼開(kāi)展了試驗(yàn)研究、近似理論分析、數(shù)值分析和工程應(yīng)用;國(guó)內(nèi),有關(guān)表層嵌貼FRP加固技術(shù)的研究處于剛起步階段,目前主要有浙江大學(xué)、中南大學(xué)、華僑大學(xué)等高校開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究和理論推導(dǎo)[11,12,13,14,15,16]?？偠灾?表層嵌貼FRP加固技術(shù)是國(guó)內(nèi)土木工程結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域值得進(jìn)一步深入研究的新課題,開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)和理論研究具有較重要工程實(shí)踐意義。為進(jìn)一步對(duì)FRP表層嵌貼加固技術(shù)的加固效果及設(shè)計(jì)方法開(kāi)展研究,本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,首先開(kāi)展了表面纏裹纖維束碳纖維筋(簡(jiǎn)稱螺紋碳纖維筋)與混凝土的粘結(jié)性能試驗(yàn)研究,分析了其破壞形態(tài)及應(yīng)力傳遞方式。完成了3根表層嵌貼螺紋碳纖維筋加固鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁在單調(diào)荷載作用下的抗彎試驗(yàn)研究,對(duì)比分析了有無(wú)附加錨固件加固梁的力學(xué)性能。1表面活性劑的碳筋拉硬度試驗(yàn)1.1試件參數(shù)及試結(jié)果為研究螺紋碳纖維筋與混凝土粘結(jié)性能,本文首先進(jìn)行了一批表層嵌貼螺紋碳纖維筋拉拔試驗(yàn),旨在研究環(huán)氧樹(shù)脂砂漿粘結(jié)性能,為后續(xù)加固試驗(yàn)提供依據(jù)。本文共設(shè)計(jì)2組共計(jì)6個(gè)拉拔試件,通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試塊表層開(kāi)設(shè)25mm×25mm方槽嵌入CFRP螺紋筋制作而成,并在華僑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)7d,試件參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。加固用碳纖維筋采用深圳泰達(dá)爾智能工程有限公司產(chǎn)品,碳纖維筋表面經(jīng)過(guò)螺旋纏裹纖維束處理,極限抗拉強(qiáng)度為2000MPa,彈性模量為150GPa。環(huán)氧樹(shù)脂膠采用南京海拓復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Lica-300植筋膠。試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的加載測(cè)量裝置(圖2),通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀,將作用在拉拔試件的荷載和加載端滑移同步輸出得到荷載-加載端滑移試驗(yàn)曲線。1.2加載端滑移控制試驗(yàn)按每級(jí)0.2kN幅值分級(jí)加載。加載初期,加載端未測(cè)到滑移,隨著荷載加大,試件發(fā)出連續(xù)“噼啪”響聲,滑移裝置開(kāi)始測(cè)量到加載端產(chǎn)生滑移,當(dāng)滑移達(dá)到0.2～0.7mm時(shí),試件發(fā)出較大響聲,同時(shí)荷載急劇下降,接著開(kāi)始緩慢上升,當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí),試件再次發(fā)出較大響聲,然后開(kāi)始緩慢下降,加載端滑移發(fā)展較快,直至碳纖維筋被拔出。試件混凝土表面未見(jiàn)明顯裂縫,最終破壞形態(tài)為碳纖維筋被拔出,表面纏裹纖維束斷裂(圖3)。1.3載荷達(dá)到極限荷載試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀對(duì)荷載和加載端滑移進(jìn)行了量測(cè)記錄,各拉拔試件的荷載-端部滑移試驗(yàn)曲線如圖4所示。從圖4可知,所有拉拔試件在試驗(yàn)過(guò)程中,均出現(xiàn)荷載急劇下降,接著緩慢上升再下降的過(guò)程。B1系列試件在荷載達(dá)到極限時(shí),荷載值急劇下降,然后上升再下降,后期荷載值均小于極限荷載;B2系列試件荷載在上升至某個(gè)值時(shí)出現(xiàn)小幅下降,接著緩慢上升至極限荷載,隨后曲線發(fā)展過(guò)程與B1系列試件相似。原因可能是螺紋碳纖維筋在受力過(guò)程中,加載端首先受到張拉產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力,纖維束斷裂后,稍遠(yuǎn)端才開(kāi)始產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力,應(yīng)力的發(fā)展和傳遞不連續(xù)均勻。綜上所述,螺紋碳纖維筋在受到外力作用時(shí),表面粘結(jié)應(yīng)力的發(fā)展和傳遞是斷續(xù)不均勻的。從表1可知,環(huán)氧樹(shù)脂膠有效使用期限對(duì)配置的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度影響較大,采用未過(guò)期環(huán)氧樹(shù)脂膠和砂漿配置的環(huán)氧樹(shù)脂砂漿為化學(xué)粘結(jié)劑試件的平均粘結(jié)強(qiáng)度比過(guò)期的高約37%,原因可能是環(huán)氧樹(shù)脂膠暴露空氣太久受到了氧化,從而影響了粘結(jié)性能。2表面覆蓋纖維加固簡(jiǎn)單支梁試驗(yàn)2.1試件與試驗(yàn)裝置為減少加固后鋼筋混凝土梁碳纖維筋的端部滑移,同時(shí)進(jìn)一步提高加固后梁的開(kāi)裂、屈服荷載和極限承載力,共設(shè)計(jì)了3根矩形截面梁進(jìn)行單調(diào)荷載下受彎性能試驗(yàn),探索性研究附加錨固件對(duì)碳纖維筋端部滑移的約束作用,試件參數(shù)見(jiàn)表2。試件通過(guò)在梁表層開(kāi)設(shè)25mm×25mm方槽,采用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿作為化學(xué)粘結(jié)劑,將螺紋碳纖維筋內(nèi)嵌在淺槽內(nèi)制作而成,施工完畢后,試件在華僑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)7d。梁的截面尺寸均為b×h=170mm×320mm;混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C35設(shè)計(jì);縱向受拉鋼筋為210,ρ=0.32%;架立筋216;箍筋10@75/150,彎剪段間距為75mm,純彎段間距為150mm,圖5為截面示意圖。碳纖維筋采用深圳泰達(dá)爾智能工程有限公司公司產(chǎn)品,材料性能參數(shù)見(jiàn)表3。試驗(yàn)采用兩端簡(jiǎn)支,中間兩點(diǎn)同步用100kN液壓千斤頂施壓的加載裝置(圖6)。荷載通過(guò)放置在千斤頂上的荷載傳感器記錄,同時(shí)由電腦自動(dòng)采集輸出。加載點(diǎn)間即跨中1360mm范圍為純彎段,加載點(diǎn)到支座點(diǎn)長(zhǎng)度820mm范圍為彎剪段,梁計(jì)算跨度為3000mm。碳纖維筋不伸入支座,避免對(duì)碳纖維筋滑移或剝離破壞產(chǎn)生影響。試驗(yàn)中,對(duì)梁跨中、支座、加載點(diǎn)處的豎向位移、碳纖維筋滑移、純彎段碳纖維筋的應(yīng)變、跨中截面的混凝土應(yīng)變進(jìn)行量測(cè)記錄;對(duì)裂縫開(kāi)展過(guò)程、碳纖維筋粘結(jié)剝離破壞和混凝土壓碎等現(xiàn)象進(jìn)行了觀察記錄,測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7。2.2試件破壞形態(tài)試驗(yàn)按每級(jí)2kN幅值分級(jí)加載。從試驗(yàn)中觀察到,試件首先在跨中出現(xiàn)第一條彎曲裂縫,很快在純彎段出現(xiàn)多條彎曲裂縫,裂縫等間距分布,并連續(xù)發(fā)出清脆的“噼啪”響聲;隨著荷載增加,彎剪段也出現(xiàn)斜裂縫,但發(fā)展較慢。隨著荷載繼續(xù)增加至極限荷載,純彎段彎曲裂縫逐漸變寬,受壓區(qū)混凝土逐漸鼓起,試件變形發(fā)展迅速,在達(dá)到極限荷載后,受壓區(qū)混凝土明顯壓碎,變形快速發(fā)展,試驗(yàn)結(jié)束,試件最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖8。在試驗(yàn)加載過(guò)程中,多次出現(xiàn)了荷載下降又上升再下降,然后試件才被壓壞的試驗(yàn)現(xiàn)象,這與拉拔試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。原因可能是碳纖維筋表面進(jìn)行纏裹纖維束形成螺紋,試驗(yàn)過(guò)程中分段被拉斷裂,導(dǎo)致受力不均勻,使得產(chǎn)生滑移后依然存在較大承載力?？傮w而言,試件均表現(xiàn)出鋼筋屈服受壓區(qū)混凝土壓碎的破壞形態(tài),破壞時(shí)CFRP螺紋筋未拉斷,碳纖維筋端部產(chǎn)生滑移。試件底部有兩種典型破壞現(xiàn)象:①化學(xué)粘結(jié)劑分段斷裂,間距與裂縫間距一致;②CFRP螺紋筋表面纏裹纖維束斷裂。第②種破壞形態(tài)是影響碳纖維筋端部滑移主要原因,如能減少甚至消除,試件的極限承載力還能進(jìn)一步得到提高,加固效果會(huì)更明顯,這有待進(jìn)一步深入研究。2.3附加錨固件對(duì)梁剛度的影響加固梁主要試驗(yàn)結(jié)果列于表4,圖9、10分別給出了跨中和加載點(diǎn)的荷載-撓度試驗(yàn)曲線,跨中碳纖維筋荷載-應(yīng)變發(fā)展試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖11。從圖9、10可知,加固梁荷載-撓度試驗(yàn)曲線變化規(guī)律可以分為以下幾個(gè)階段來(lái)描述?；炷灵_(kāi)裂前,所有試驗(yàn)梁荷載-撓度試驗(yàn)曲線呈線性關(guān)系,開(kāi)裂荷載幾乎相同。原因是在荷載較小時(shí),試驗(yàn)梁處于彈性階段,而碳纖維筋應(yīng)變小,面積也較小,對(duì)開(kāi)裂荷載的提高作用有限。在梁截面開(kāi)裂后剛度降低,荷載-撓度試驗(yàn)曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折,撓度發(fā)展較快。在縱向受拉鋼筋屈服以前,同一試件荷載-撓度試驗(yàn)曲線斜率變化不大,且不同試件的曲線斜率大致相同,說(shuō)明在受拉縱向鋼筋屈服前,碳纖維筋對(duì)梁剛度的提高作用可以忽略;縱向受拉鋼筋屈服后,荷載-撓度試驗(yàn)曲線又見(jiàn)明顯轉(zhuǎn)折,荷載增加減緩而撓度發(fā)展較快。比較而言,在接近極限荷載前,無(wú)附加錨固件加固梁在該階段荷載-撓度試驗(yàn)曲線變化較為平坦,剛度明顯退化,可見(jiàn),在縱向鋼筋屈服后期,附加錨固件后,梁剛度稍有提高但是作用不太明顯。在達(dá)到極限荷載后,附加錨固件加固梁荷載-撓度試驗(yàn)曲線呈鋸齒狀,多次出現(xiàn)荷載急劇下降后又上升的試驗(yàn)現(xiàn)象,撓度發(fā)展較快;而無(wú)附加錨固件加固梁荷載-撓度試驗(yàn)曲線在達(dá)到極限荷載后開(kāi)始曲線下降直至試件破壞。加固梁碳纖維筋的受力是一個(gè)斷續(xù)不均勻的過(guò)程,錨固長(zhǎng)度內(nèi)的碳纖維筋不是同時(shí)受到張拉而產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力,而且應(yīng)力的傳遞也不是連續(xù)均勻的。因此,在實(shí)際工程加固中,通過(guò)增加碳纖維筋錨固長(zhǎng)度來(lái)改善加固效果并不是合理的選擇,而是應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)腻^固長(zhǎng)度。綜上所述并結(jié)合表4試驗(yàn)結(jié)果可知:①附加錨固件后,梁的開(kāi)裂荷載、屈服荷載與無(wú)附加錨固件的加固梁相比,相差不大;②試件JZL1-10-800-1-5與JZL1-10-800-1-3、JZL1-10-800-0相比,極限荷載分別提高了21.1%和16.95%,而附加3個(gè)錨固件試件的極限荷載與基準(zhǔn)梁相差不大,這表明只有附加錨固件個(gè)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量才能對(duì)碳纖維筋的滑移起約束作用,使極限承載力得到提高;③碳纖維筋應(yīng)變大小跟附加錨固件個(gè)數(shù)有關(guān),最大應(yīng)變可達(dá)到0.018;與RC梁計(jì)算值相比,試件JZL1-10-800-0、JZL1-10-800-1-3和JZL1-10-800-1-5極限荷載力分別提高193.5%、183.5%和243.3%?？梢?jiàn),不管有無(wú)附加錨固件,表層嵌貼螺紋碳纖維筋加固鋼筋混凝土抗彎加固效果明顯,具有良好推廣價(jià)值。3增強(qiáng)鋼筋混凝土梁的承載力通過(guò)表層嵌貼碳纖維筋粘結(jié)性能和加固鋼筋混凝土梁受彎試驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論:(1)通過(guò)拉拔試驗(yàn),得到環(huán)氧樹(shù)脂膠有效期限