高寒環境下碳纖維加固RC雙向板抗彎工作性能研究

李俊清 李永兵

（1.內蒙古呼倫貝爾學院建筑工程學院 內蒙古 海拉爾 021008 2.內蒙古財經大學工商管理學院 內蒙古 呼和浩特 010070）

引言

碳纖維材料以其輕質高強的特性廣泛應用于工程結構加固中，但在極高寒如呼倫貝爾地區有關碳纖維加固 RC結構的實際工作性能的研究成果幾近空白。

工程結構過早地破壞，許多情況下并不是設計缺陷而是建筑物的耐久性未達到要求，通常認為，工程材料自身特性和施工質量是決定結構耐久性的內因，而工程結構所處的環境條件和防護措施則是影響其耐久性的外因。在我國呼倫貝爾地區，凍融作用是影響室外工作環境下混凝土構件耐久性的主因之一。混凝土結構構件經過反復凍融循環后，內部顆粒之間的空隙會逐漸增大，裂紋增多，混凝土疏松，強度降低從而破壞。現通過對12塊2005年制作的受10年凍融作用的鋼筋混凝土雙向板進行碳纖維加固試驗研究，以分析其抗彎工作性能。

1.試驗情況說明

1.1 試驗條件

實驗室室內正常溫度（20±3℃）下貼布加固，室外平均氣溫-39℃條件下進行加載試驗。

1.2 試驗對象

本次試驗所用構件為 2005年制作的 12塊1800mm×1500mm×70mm的鋼筋混凝土雙向板，這些板在室外自然環境下層疊堆放10年，已經過由季節變換而致的多次凍融循環。板內受力鋼筋采用HPB235，于板底雙向配置，各板配筋均為：長向φ6.5@207mm，短向φ6.5@194mm。試驗板的混凝土強度等級設計為C20，板的平均保護層厚度為15mm。由于板處于未工作狀態，因此其受損情況不嚴重，外觀依然完好。未有明顯的混凝土大面積脫落發生。

1.3 材料性能

C20混凝土彈性模量2.85×104MPa，棱柱體抗壓強度17.75 MPa，立方體抗壓強度26.52 MPa；鋼筋彈性模量屈服強度MPa，極限強度。加固材料采用日產UT70-30碳纖維布及相關的配套用膠，碳纖維布單層厚度0.167mm，彈性模量，抗拉強度fcu=3430MPa，極限應變 2.1%。

1.4 加載加固方式

因實驗室條件有限，且為了與2005年室溫條件下加固板的研究數據進行比較，本試驗依然采用2005年的試驗設備，采用手動千斤頂進行四點靜力加載法實現加載，用靜態電阻應變儀采集鋼筋、混凝土及碳纖維的應變。表 1中列出試驗加載對象，每一類型試驗板取2兩塊重復兩次試驗，取試驗結果的兩次平均值。

表1 試驗板貼布、貼片、加載方案

2.試驗結果分析比較

2.1 荷載——鋼筋拉應變曲線分析

以下為 2015年冬季室溫（20±3℃）及高寒（平均-39℃）條件下對比板與加固板相關測點鋼筋拉應變曲線對比圖。

圖1 B0短跨跨中鋼筋拉應對比變曲線圖

圖2 B1短跨跨中鋼筋拉應對比變曲線圖

圖3 B5短跨跨中鋼筋拉應對比變曲線圖

圖4 B4短跨跨中鋼筋拉應對比變曲線圖

圖5 高寒加載條件 B0、B1、B2、B3、B4、B5短跨中點鋼筋拉應變曲線

從總體分析各板鋼筋應變曲線圖可知，各試驗板的短跨中點的鋼筋均已屈服，且均有較明顯的屈服臺階。但與2005年試驗結果進行比較，發現對比板與加固板鋼筋的屈服強度降低，應變增加，而且對比板B0的室溫破壞強度值及各加固板的破壞強度值比2005年的試驗結果有一定降低，這緣于混凝土構件的時效及反復凍融的影響結果。

各加固板鋼筋屈服后其荷載——拉應變曲線斜率發生突變，原因是碳纖維發揮作用所致。有的鋼筋其荷載——應變曲線走勢異常，分析原因主要是由于應變片粘貼質量較差或是鋼筋變形過大，加載過程中應變片從鋼筋上脫落等原因導致。另外從每個加固板鋼筋應變曲線圖上可以看出，室溫與高寒環境下同方案加固的雙向板在同值荷載作用下其鋼筋應變只是高寒環境下的稍大些，且高寒環境下板的破壞荷載均小于室溫環境，其中多數是由于碳纖維早剝離所致。

從圖5曲線可以看出，對比板B0短跨中點鋼筋應變最大，中密兩疏貼法的板與加壓條的板其短跨中點鋼筋應變最小。可見在同量碳纖維下，多條密布且中密兩疏粘貼方式效果最好，應優先采用。而加壓條的加固板的受力性能幾乎等同于中密兩疏分條貼的板，因此加壓條尤為必要。由圖5還可知，同荷載下粘貼兩層布的B4板的鋼筋應變比粘貼一層的板小，因此適量增加貼布量可行。加壓條后的板B5其鋼筋拉應變遠小于同載下的 B1板，且小于同載下的兩層粘貼板 B4。可見在雙向板的加固中，加壓條的加固方式同樣是非常有效且應優先采用的。說明即使在高寒環境下，中密兩疏及加壓條的貼布方式仍是有效的加固方案。

2.2 荷載—碳纖維拉應變曲線分析

以下為2015年分別在室溫與高寒環境下加載碳纖維加固板由數據繪制的各板跨中荷載與碳纖維拉應變曲線圖。

圖6 B1短跨中碳纖維拉應變曲線

圖7 B3短跨中碳纖維拉應變曲線

圖8 B5短跨中碳纖維拉應變曲線

圖9 高寒加載條件各加固板短跨中部碳纖維拉應變曲

從現在試驗結果分析得知，經過10年自然氣候環境下反復凍融，各試驗板貼碳纖維布加固后，碳纖維拉應變曲線圖所反映的仍然是隨外荷載的增加碳纖維的拉應變不斷增加，且荷載—拉應變曲線走勢依然基本呈線性。各試驗板短向跨中碳纖維應變均大于長向跨中碳纖維應變，但應變均未達極限。同載下，B4、B5應變相對接近且最小，綜合分析B5比B4應變小。因此，同量用布情況加壓條的加固方案與中密兩疏貼布方案應優先采用。只是各加固板破壞荷載較10年前降低，而板趨于破壞時碳纖維拉應變基本與10年前破壞時應變無太大變化。原因在于現階段受損板開裂早，碳纖維提早接替鋼筋進入受拉工作狀態。

2.3 板承載力分析

經過10年高寒自然氣候條件凍融作用，進行板加固試驗，發現無論是室溫還是高寒條件加載，對比板B0在受拉鋼筋屈服后，在荷載增量不大的情況下，板的變形很大，板很快破壞。粘貼碳纖維布后，如表 2所示，板的開裂荷載、屈服荷載及破壞荷載都有不同程度的提高。

在碳纖維用量相同，粘貼方式不同的一組試驗中，貼了碳纖維的 B1、B2、B3、B4、B5板，在受拉鋼筋屈服后板的承載能力依然很強，可見碳纖維有效地提高了板的后期強度。總體分析試驗結果可見，受損板相比于2005年實驗結果無論是否加固其承載力均相應降低較大，但在同時期（2015年）碳纖維加固后的板其承載力有顯著提高，相對于未加固板，開裂荷載最高提高達75%，屈服荷載最高提高達100%，極限破壞荷載最高提高達118%。增加貼布量可有效提高板承載力，分條貼比整體貼加固效果好，但從加固效果及經濟角度考慮，分條中密兩疏貼布方案與加壓條的貼布方案仍然是提高加固板承載力最有效的方法。不過分析看出，在2015年高寒環境下各試驗板分別受載后，其開裂荷載，屈服荷載及極限破壞荷載較室溫環境雖然均有所降低，但降低值不大，只是高寒環境下加載的板其剝離破壞現象嚴重。

表2 2015年冬季試驗板承載能力試驗數據對比

3.結論

3.1 在呼倫貝爾高寒特征環境下，經過10年之久的自然氣候反復凍融作用的混凝土雙向板，其抗彎強度較初始未受損狀態均有明顯降低。其混凝土表層均已不同程度地質變疏松。未加固的受損板的開裂荷載在室溫與高寒加載條件下均降低了25%，屈服荷載均降低了10%，極限荷載在室溫加載下降低了 10%，在高寒加載條件下降低了18%。

3.2 處于高寒環境經受自然氣候反復凍融作用的鋼砼板，在相同加固方案下，在室溫與高寒條件下加載，板的開裂荷載，屈服荷載，極限破壞荷載均體現為高寒環境下的值偏低，板內鋼筋拉應變，碳纖維拉應變均體現為高寒環境下的值偏大。即惡劣的工作環境會影響加固效果。

3.3 處于高寒工作環境下的鋼筋混凝土板，采用碳纖維加固可有效提高板的抗彎工作能力，分條以中密兩疏的方式或在受力碳纖維條帶兩端加壓條的貼布方式是提高板抗彎能力最有效的加固方式，應優先采用。