碳纖維加固素混凝土抗彎性能試驗研究

彭詩文

(西南交通大學， 四川成都 610031)

粘貼加固法作為我國土木工程領域常用的被動加固法，在不增加建筑高度和建筑自重的情況下，可以有效提高承載力。碳纖維材料最早作為粘貼鋼板加固技術的替代材料，目前已經成為工程常用的粘貼加固材料，這是由于碳纖維的種種優良性能。

(1)很高的抗拉強度，可達到鋼材的10倍以上。

(2)較高的彈性模量(鋼材的1～2倍)。

(3)很低的密度。

(4)很強的耐久性，對于酸、堿、鹽的腐蝕都能夠抵抗，不生銹。

(5)柔韌性好，可以包裹各種復雜形狀的結構橫截面。

(6)施工方便，無需大型器具和設備，用量不多就可以修復。使得粘貼碳纖維加固具有很大的前景和優勢。

碳纖維是線彈性材料，它的應力—應變曲線是直線。混凝土是非彈性的脆性材料，應力—應變曲線在未超過峰值應變是二次拋物線。可以說碳纖維材料各方面材料性能都與混凝土相差很多，二者共同工作性能是值得研究的。過去對于碳纖維加固混凝土的抗壓等性能已經有了很多的研究，也得到很多結論。受彎構件同樣作為土木工程領域常見的受力構件，產生的損傷也可使用碳纖維進行加固，本文主要通過試驗研究碳纖維加固素混凝土受彎構件的性能，得到碳纖維布加固后的受彎構件受力規律。

1 試驗簡介

選定受彎構件的橫截面尺寸8 cm×6 cm，構件的長度為1.2 m。碳纖維布不適宜加固強度太低的混凝土構件，采用C30強度級別的混凝土，為了不使得粗骨料粒徑過大導致混凝土的質量太過于不均勻而影響了試驗效果，篩選小于等于構件寬度2/3的粗骨料粒徑，即3 cm以下。

為了使構件產生裂縫，以模擬產生病害的構件，控制每次加載的量在1.5～2.5 kN(氣壓千斤頂需要用手柄向下的幅度來控制)進行分級加載，讀取構件加載期間的撓度和應變數據。產生肉眼可見的裂縫后，停止初次加載，并對裂縫位置進行標記。將碳纖維布沿著已經處理過的構件表面，繞構件產生裂縫的橫截面垂直粘貼。養護3 d后，膠水可以很好地貼合。將加固好的構件，以與之前初次加載相同的加載位置以及測量位置布置儀器，再次分級加載，讀取相應位置的撓度和應變，當應變儀讀數忽然變為0或者構件產生突然破壞時，停止加載。具體試驗材料參數見表1，構件設計參數見表2。

表1 具體試驗材料參數

表2 構件設計參數

在加載期間，用三只百分表測定梁的撓度。使用位于梁中性軸的兩個應變片和梁頂面的兩個應變片組成的全橋，測量梁的最大應變，同時位于側面的上部和下部的4個應變片組成另一個全橋，用于檢驗和對比。梁頂面兩個應變片，沿著梁高貼6個應變片。而下部則通過千斤頂給構件施加兩個向上的力，使得兩個加載力位置中間的區域處于純彎狀態。 前后將6根試件分為兩組，試件2-1、2-2、3-1為一組，粘貼的是200gII級碳纖維布，試件3-2、4-1、4-2為一組，粘貼的是200gI級碳纖維布。前綴代表碳纖維布層數(圖1)。

圖1 試驗量測裝置布置

2 加固前后承載力比較

梁的二次加載，采取和初次加載一樣的加載和量測方案。在梁即將破壞時，可以清楚地觀察到碳纖維布被拉變形的紋理。在加載至破壞后，未進行打磨倒角處理的梁，碳纖維布與梁分離破壞，而碳纖維布粘結緊密的梁則產生了整個截面斷裂的樣子(圖2)。

圖2 碳纖維布加固構件受彎破壞

由荷載撓度變化可以看出，在加固之前，混凝土試件梁的撓度隨荷載的增加速度很快，在即將產生裂縫的瞬間，撓度會大幅增加，比之前增加的幅度增大4～10倍。混凝土產生裂縫時，梁的撓度在100～200 mm之間。

加固后，可見所有構件在碳纖維布和混凝土的共同作用下，混凝土的變形基本變為線性，在受彎過程中表現出了類似彈性的特點，最大撓度(貼3層碳纖維布并且打磨倒角處理)可以達到800 mm左右，比加固之前增加了300 %，荷載作用下得變形能力有大幅度的提高。并且可以承受的荷載也增高了很多，從4～5 kN增至10～15 kN，比加固之前增加了150 %～200 %，可以看出承載力也提高了不少(表3、圖3、圖4)。

表3 加固效果試驗數據

圖3 試件加固前后混凝土構件荷載-撓度對比

圖4 全部試件加固后混凝土梁荷載-撓度對比

在這組數據中，可以看出除了試件2-2、3-2和4-2在加固后最大應力沒有提高很多，其余三組試件的最大拉應力測出來都有很大提高。推測原因是未進行打磨，這三組試件的橫截面形狀不那么規則，使得貼碳纖維布時沒有很好地貼合。

3 碳纖維加固梁破壞分析

加固后，混凝土梁的受力性能發生改變，根據荷載-撓度圖，加固前，混凝土梁隨著荷載增大，撓度急劇上升，而加固后基本會變為近似線性，顯示出彈性的特點。

碳纖維布并未發揮出自己的強度極限，碳纖維布的抗拉強度可以達到2 400 MPa，但是在遠遠沒有達到這個強度就破壞了，認為有以下3個原因造成。

3.1 混凝土強度低

為了分析CFRP加固的混凝土梁受彎過程，有如下的基本假設：

(1)截面應變規律符合平截面假定，即正截面應變按照線性分布。

(2)截面受拉區不考慮混凝土的抗拉作用。

(3)混凝土受壓應力-應變曲線由拋物線上升段和水平段組成。

根據混凝土基本設計原理，可以得到混凝土極限應變為0.003 3，碳纖維的極限應變根據試驗中按照0.016來取值，較之碳纖維布是極小的。在混凝土達到極限應變時，碳纖維布還未達到極限應變，也未發揮出其強度。并且受彎構件橫截面較低的情況下可以提供的受壓高度也相應較小，而碳纖維布的厚度較之受彎構件截面高度低得多，所以在截面高度低的情況下無法提供較大的抵抗彎矩。因此碳纖維布屬于彈性材料，在混凝土強度較小的情況小，截面高度較低，碳纖維布貼的層數有限的情況下，會產生碳纖維布并未達到極限、發揮出強度就斷裂的情況。

3.2 試驗溫度影響

試驗進行時是冬天，氣溫在0～10 ℃，低溫環境造成碳纖維布脆性增加。一般的材料，在氣溫很低時脆性受力效應都會更加顯著，使得不適于承受忽然加上去的荷載，碳纖維布和混凝土材料也會如此。

3.3 未打磨接觸面

若在粘貼碳纖維布時，不能很好地與混凝土表面貼合，則相應加固效果會變差。在試驗中，對試件2-1、3-1以及4-1進行打磨處理就是為了使得構件能夠更好地與碳纖維布貼合，觀察加固效果。也得出了確實打磨的構件可以更好的發揮碳纖維布加固能力的結論。

4 結束語

碳纖維和混凝土是兩種截然不同的材料，在一起工作時的性質相互作用很獨特。本文通過試驗分析，得到以下結論。

(1)發現碳纖維布加固混凝土時十分依賴于施工質量，碳纖維布雖然層數越多加固效果越好，但并非成倍遞增，層與層之間也需要緊密貼合。

(2)在粘貼前對混凝土表面進行打磨，并且將矩形截面的角進行磨圓處理，會使得加固效果增強。

(3)碳纖維布對受彎構件加固作用十分顯著，提高了構件承載能力以及受力變形能力。

(4)改善了素混凝土受彎構件的受力性能，甚至在破壞之際荷載-撓度曲線仍然為線性。

(5)試驗中也發現，過低的氣溫也會加速碳纖維布加固梁的斷裂。