碳纖維加固鋼筋混凝土板的試驗研究

周慶華，吳建平

(中交四航工程研究院有限公司，廣州 510230)

鋼筋混凝土板是典型的受彎構件。鋼筋混凝土板在荷載作用下，位于受拉區的混凝土容易出現裂縫，從而導致鋼筋腐蝕，承載力和耐久性降低，結構功能退化甚至成為結構安全的隱患，因此，研究鋼筋混凝土板的碳纖維補強加固具有較顯著實際意義。

1 試件制備

1.1 試件方案設計

本項研究共制作了4塊板，編號分別為 B1、B2、B3、B4。板的規格相同，均為340 cm×100 cm。板的設計如圖1所示。其中 B1為基準板，B2、B3、B4為加固板。三塊加固板的碳纖維粘貼網格及碳纖維用量各不相同，其加固方案列于表1中，碳纖維加固設計如圖2～圖4所示。

表1 板的編號及粘貼碳纖維方式

本試驗所用的加固材料是重億型碳纖維布，粘結劑為Araldite牌膠。試件混凝土水灰比采用0.5，強度等級C40，鋼筋采用普通HPB235級鋼筋制作，鋼筋混凝土板的材料及加固材料的性能如表2所示。

圖1 鋼筋混凝土板設計(單位:mm)

圖2 板B2碳纖維加固方式(網格1，單位:cm)

圖3 板B3碳纖維加固方式(網格2，單位:cm)

圖4 板B4碳纖維加固方式(網格3，單位:cm)

表2 材料力學性能

1.2 試件制作

混凝土澆筑后自然養護至28 d粘貼碳纖維布。粘貼前打磨構件表面，打磨后清除混凝土表面浮灰，均勻飽滿地涂一層底膠，等底膠干后，涂一層均勻的粘結劑，將已裁剪好的碳纖維布粘貼上去，同時用刷子沿碳纖維受力方向刷動，以利于碳纖維布和底膠的充分結合，并將布內氣泡中的空氣趕壓出去。隨后，在碳纖維表面再刷一層粘結劑，待7 d后粘結劑完全固化，即進行加載試驗。

2 加載試驗

2.1 測試內容及測點布置

本試驗的測試內容包括:板的底面與頂面混凝土縱向應變、板的豎向位移(撓度)和板的裂縫。應變測量使用大標距(10 cm)電阻式應變片、位移測量使用百分表、裂縫測量使用刻度放大鏡和塞尺。應變測點總數為24個:其中板底面布置15個，板頂面布置9個。板底面的應變測點布置在碳纖維布表面，而板頂面的應變測點布置在混凝土表面。

位移測點總數為6個，分別沿板的兩側對稱布置，每側3個百分表。

2.2 加載試驗

本項試驗的板均為單向板，兩短邊簡支，兩長邊自由。板的凈跨為lo=3 000 mm。采用加載方式進行加載。加載程序為:0級→1級(17 kN)→2級(34 kN)→3級(51 kN)→4級…，4級以后的荷載因板而異。施加給板的試驗荷載通過分配板及兩條木方轉換成兩平行線性荷載，兩荷載間距為80 cm。每級荷載施加完畢后測讀一次全部試驗數據，待該級荷載作用下，板的變形穩定后再測讀一次全部試驗數據，然后才施加下一級荷載，直至板破壞。在加載過程中，記錄開始出現裂縫時的荷載，以及裂縫的開展寬度與對應的試驗荷載。

3 試驗結果與分析

3.1 板的豎向位移試驗結果及分析

板的位移測點共有6個，編號分別為百分表1～百分表6。其荷載—位移曲線如圖5～圖8所示。

從圖5可以看出，基準板 B1在加載達到34 kN時，位移的變化呈明顯的線性特征。可以判斷在這一階段，板底部混凝土尚未開裂，中性軸穿過截面的幾何中心，拉應力由鋼筋與混凝土共同承擔。

圖5 板B1荷載—位移曲線

當加載達到51 kN時，板底部位移開始出現非線性增大的趨勢，從裂縫測量結果來看，這時的板底部出現肉眼可觀察到的裂縫，寬度很小，只有0.05 mm。裂縫出現后，截面中性軸上移，拉應力僅由鋼筋承擔，到加載達到61 kN時，位移增長很快，非線性特征已經非常明顯。可以判斷，加載在51～61 kN之間時，鋼筋達到了屈服點。

繼續加載到66 kN時，板底位移的增長繼續加快，加載到71 kN時，跨中位移超過百分表量程，同時板底裂縫寬度達到7.50 mm，板達到其承載力極限，已經破壞。

根據板B1的荷載—位移關系曲線可以判定，板B1的極限承載力為65 kN，正常使用荷載可以取為53 kN，對應的彎矩為34.78 kN·m。從圖6可以看出，板 B2的位移在加載達到51.0 kN時，仍然保持非常明顯的線性特征。加載達到63.8 kN時，開始出現板底裂縫，寬度為0.05 mm，位移開始出現加快增長的現象，但在這之后，一直到加載達到91.8 kN，位移的增長又呈線性，從圖6上看就是曲線以另一個較大的斜率延伸。加載到98.8 kN后，可聽到碳纖維稍許剝離聲響，位移曲線的斜率又有增加，最后加載到101.8 kN，又出現少許碳纖維剝離聲，板底裂縫達到0.55 mm，停止加載。

根據板B2的荷載—位稱變化規律可以判定，正常使用荷載可以取為85 kN。板的極限荷載為98 kN。

圖6 板B2荷載—位移曲線

比較板B1和板B2的位移，最大的不同之處在于板B2的位移曲線有兩個線性段。第一個線性段與板B1的線性段相同，是從開始到板出現可測量裂縫之前。第二個線性段從板出現可測量裂縫一直到板達到承載力極限前出現碳纖維剝離聲響。剝離聲出現后，再加載，位移加速增加，直至達到承載力極限。

板B3的位移規律同板B2相同(見圖7)，也有兩個明顯的線性段，不同之處在于板B3的承載力稍低，比板B2低5%，位移和板底裂縫較大，加載達到96.8 kN時，碳纖維剝離聲較大，而且連續出現，最后的裂縫寬度達1.50 mm。

圖7 板B3荷載—位移曲線

板B3與板B2的碳纖維粘貼方式稍有不同，從承載力提高幅度上看，板B3的提高幅度明顯劣于板B2。

根據板B3的荷載—位移變化規律可以判定，正常使用荷載可以取為82 kN。極限荷載為93 kN。板B4的位移規律同板 B3、板 B2相同(見圖8)，同樣有兩個明顯的線性段。不同之處在于，板B4的承載力比板B2提高了10.8%，比B3提高了16.5%。同時板底位移、裂縫寬度較板B2、B3也有所減小。

圖8 板B4荷載—位移曲線

根據板B4的荷載—位移變化規律可以判定，正常使用荷載可以取為98 kN。板的極限荷載可以取為101 kN。

從加固效果來看，考慮到板B4比板B2、B3多使用5.5%的碳纖維，粘貼方式網格式3仍然明顯優于網格式1和網格式2。分析其原因，可能是較均勻的碳纖維分布有利于充分發揮碳纖維的受力性能。

以上試驗結果表明:①碳纖維加固可以明顯增強鋼筋混凝土板的正截面剛度，減小位移量，在本試驗研究中，接近極限荷載時，加固板的位移大大小于基準板位移，位移的減小量達50%左右;②碳纖維加固后的鋼筋混凝土板，其荷載—位移規律在達到極限荷載前，有明顯的兩個線性段，兩個線性段的斜率不同，第二個線性段斜率明顯大于第一個線性段，兩個線性段的交點在板出現可測量裂縫時對應的荷載附近;③碳纖維的粘貼方式對板的承載力提高幅度有影響，用較窄的碳纖維布條與用較寬的碳纖維布條相比，在碳纖維總用量相同的情況下，前者更能減小板的位移，對承載力提高更有利。

3.2 板的應變測試結果及分析

板的縱向應變測點共有24個，其中板底面15個測點，布置在碳纖維布表面，板頂面9個測點，布置在混凝土表面。應變與荷載的關系曲線如圖9～圖16所示。

對于基準板 B1而言，板頂和板底跨中的應變隨荷載的變化關系比較簡單。板底的跨中應變在溢出前，隨荷載的變化呈明顯的線性關系。而對于板頂跨中應變，在加載小于34 kN時，呈明顯線性關系，在超過34 kN后，則呈非線性關系(見圖9和圖10)。

加固板B2的荷載—應變關系曲線與基準板明顯不同。板底面的測試結果其實是碳纖維的應變，其變化規律與豎向位移的結果非常類似，荷載—應變曲線也有兩個線性段。第一個線性段線性程度非常高，而第二個線性段線性程度是近似的。同時，兩個線性段的交點也在初始可測量裂縫出現時的荷載附近。板頂面的測試結果是混凝土的應變，其荷載—應變曲線在荷載<51kN時呈很好的線性關系，當荷載超過51 kN且小于98 kN時，曲線也近似呈線性，但是離散性較大(見圖11、圖12)。

圖9 板B1跨中底面荷載—應變關系曲線

圖10 板B1跨中頂面荷載—應變關系曲線

圖11 板B2跨中底面荷載—應變關系曲線

圖12 板B2跨中頂面荷載—應變關系曲線

加固板B3與加固板B2的荷載—應變關系曲線比較接近，跨中底面碳纖維的應變與荷載的關系曲線也有兩個線性段。同時，兩個線性段的交點也在初始可測量裂縫出現時的荷載附近。板頂面混凝土的荷載—應變關系曲線在荷載<51 kN時呈很好的線性關系，當荷載超過51 kN，但小于93 kN時，曲線近似呈線性，但是離散性較大(見圖13、圖14)。

圖13 板B3跨中底面荷載—應變關系曲線

圖14 板B3跨中頂面荷載—應變關系曲線

對于加固板B4，其荷載—應變關系曲線同板B2、B3比較接近。板底跨中碳纖維的荷載—應變曲線也有兩個線性段，第二個線性段線性程度是近似的，其斜率較板B2、B3小，而第一個線性段線性程度較高。同時，兩個線性段的交點也在初始可測量裂縫出現時的荷載附近。板頂的應變是混凝土應變，當荷載<51 kN時呈明顯的線性關系，當荷載超過51 kN但小于101 kN時，曲線呈近似線性關系。不同測點的離散性較小(見圖15、圖16)。

圖15 板B4跨中底面荷載—應變關系曲線

圖16 板B4跨中頂面荷載—應變關系曲線

以上試驗結果表明:①碳纖維加固后的鋼筋混凝土板，其荷載—應變規律同荷載—位移規律非常類似，在達到極限荷載之前，有明顯的兩個線性段，兩個線性段的斜率不同，第二個線性段斜率明顯大于第一個線性段，兩個線性段的交點在板出現可測量裂縫時對應的荷載附近;②碳纖維的粘貼方式對板的承載力提高有影響，用較窄的碳纖維布條與用較寬的碳纖維布條相比，在碳纖維總用量相同且均勻分布的情況下，前者的提高幅度更大。

3.3 板的裂縫測試結果與分析

混凝土構件的裂縫使用刻度放大鏡和塞尺進行測量。在測量裂縫寬度的同時，要記錄作用于板的荷載大小。在每塊板的加載過程中要完整記錄裂縫的發生、發展全過程。圖17為各板的裂縫寬度與荷載的關系曲線。

圖17 板B1～B4荷載—裂縫寬度曲線

從圖17可以看出，碳纖維加固可以明顯使得初始裂縫出現的對應荷載增大，而且可以延緩裂縫隨荷載的發展。基準板B1出現可測量裂縫的對應荷載為51.0 kN，而加固板 B2和板 B3出現可測量裂縫時的荷載為63.8 kN，板 B4出現可測量裂縫時的荷載為70.8 kN。經碳纖維加固后的板，其初始可測量裂縫出現時對應的荷載增大均在25%以上。

經過碳纖維加固的板，其裂縫隨荷載發展的速度較基準板有明顯的延緩。當出現初始裂縫后，裂縫寬度隨荷載的增長有一個明顯的緩慢增長段，直到荷載增加到84.8 kN時，各加固板的裂縫寬度都在0.20 mm以內。當荷載超過84.8 kN時，裂縫寬度增長速度加速，達到極限狀態。

以上試驗結果表明:①碳纖維加固能夠明顯增加板的抗裂能力，提高板出現初始裂縫的對應荷載;②經過碳纖維加固后，板的裂縫寬度隨荷載的增長較緩慢，有一個明顯的緩慢增長段，直到達到極限荷載，裂縫才加速發展。

4 結論

1)碳纖維加固可以明顯增強鋼筋混凝土板的正截面剛度，減小板的豎向位移，在本試驗研究中，接近極限荷載時，加固板的位移大大小于基準板位移，位移的減小量達50%左右。

2)碳纖維加固的鋼筋混凝土板，其荷載(應變)—位移規律在達到極限荷載前，有明顯的兩個線性段，兩個線性段的斜率不同，第二個線性段斜率明顯大于第一個線性段，兩個線性段的交點在板出現可測量裂縫時對應的荷載附近。

3)碳纖維的粘貼方式對板的承載力提高有影響，用較窄的碳纖維布條與用較寬的碳纖維布條相比，在碳纖維總用量相同的情況下，前者更能減小板的位移，承載力提高幅度更大。

4)碳纖維加固能夠明顯增加板的抗裂能力，使得板的初始裂縫出現時對應的荷載增加，且可延緩板的裂縫隨荷載增加的發展速度;經碳纖維加固后，板的裂縫寬度隨荷載的增長較緩慢，有一個明顯的緩慢增長段，直到達到極限荷載，裂縫才加速發展。

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