碳纖維加固建筑混凝土梁的抗彎性能研究

陳進財，商先鵬，張蘇文，姬孟剛，郭敬添

（中建八局第一建設有限公司，山東濟南，250100）

隨著我國城鎮化建設的快速發展和工業建筑的不斷進步，碳纖維布加固和碳纖維板加固混凝土逐漸在我國橋梁及建筑物（倉庫、廠房）等結構中應用，究其原因這主要與碳纖維具有較高的抗拉強度（同等截面鋼筋的7～10倍）、質量輕、耐久性好以及施工方便快捷等特性有關[1-2]，將碳纖維應用于混凝土結構可以大幅度提升整體構件的承載能力、抗震性能和耐久性等[3]。雖然碳纖維加固混凝土結構有一些優異特性，但是將普通碳纖維內嵌加固至混凝土時，對撓度和裂縫的作用有限[4-6]。因此，本文探討了對碳纖維材料進行預應力加載，以探討預應力碳纖維內嵌加固混凝土的抗彎性能，以期為碳纖維在混凝土中的應用提供參考，并有助于降低整體混凝土構件承載過程中撓度和抑制裂縫。

1 材料與方法

試驗用碳纖維復合材料為直徑6mm的CFRP筋，基本力學性能參數為：抗拉強度1810MPa、彈性模量124GPa、斷后伸長率1.82%、極限拉力為51.3kN；試驗用粘結劑為環氧樹脂砂漿，環氧樹脂、固化劑、填料質量比為1:0.23:1.5，環氧樹脂砂漿澆筑的立方體模塊在25℃養護7天后測得其抗壓強度為61.7MPa；試驗用鋼筋為包括直徑12mm和16mm的HRB400鋼筋，彈性模量都為200GPa；試驗用混凝土為C40混凝土（水泥：砂子：碎石：水=1:1.42:2.65:0.45），澆筑成120×120×120mm3立方塊后進行標準養護28d，抗壓強度平均值為54.8MPa。

共制備了6組碳纖維加固混凝土試件，具體參數見表1。試件截面為矩形截面梁，尺寸為250mm×300mm，跨高比為8；碳纖維加固混凝土梁的尺寸示意圖和截面配筋圖如圖1所示。采用一次性澆筑成型方法澆筑混凝土試件，制備過程中用振動棒振實，并用塑料布覆蓋24h，待硬化后拆模養護，標準養護28d。

表1 碳纖維加固混凝土試件的參數表Table 1 Parameters of carbon fiber reinforced concrete specimens

圖1 碳纖維加固混凝土梁的尺寸示意圖和截面配筋圖Fig.1 Dimension diagram and section reinforcement diagram of carbon fiber reinforced concrete beam

在TMS液壓伺 服系統中對碳纖維加固混凝土試件進行加載，加載裝置示意圖如圖2所示。試驗采用分級加載的靜載方法進行[11-14]，采用BX150-200BB型應變采集箱對試驗數據進行采集，每一級載荷大小控制在開裂載荷25%以內[15]，當整體構件發生開裂后將荷載變為4kN直至鋼筋屈服，然后荷載降低至10kN直至試件破壞。

圖2 碳纖維加固混凝土試件的加載裝置示意圖Fig.2 Loading device of carbon fiber reinforced concrete specimen

2 結果及討論

圖3為6組碳纖維加固混凝土試件的破壞形態，其中L1試件（對比梁）為未添加預應力碳纖維筋的加固梁，加載過程中將碳纖維加固混凝土試件出現第一條裂縫時對應的荷載稱為開裂載荷。在對6組碳纖維加固混凝土試件進行分級加載過程中，L1試件在達到極限載荷時，混凝土上的裂縫會迅速增大，并伴隨著噼里啪啦的聲音，整體構件較快就失去了承載能力[圖（3a）]；對于JGL1試件，混凝土上的裂縫開始出現后，整體構件不會發生裂縫迅速增大的現象，在碳纖維筋被拉斷后混凝土才出現壓碎和破壞[圖（3b）]；JGL2～JGL5試件的混凝土裂縫的出現與擴展現象與JGL2相似，即由于碳纖維筋的加固作用，混凝土上裂縫出現后不會快速擴展及造成試件破壞，預應力碳纖維筋被拉斷后，混凝土試件才會逐漸出現剝落和壓碎現象[圖3（c）～（f）]。整體而言，L1試件的破壞形式為裂縫出現后快速壓碎，而碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）中除JGL3試件發生剪切破壞外，其余試件都為鋼筋屈服和碳纖維筋拉斷后發生破壞。

圖3 碳纖維加固建筑混凝土梁的破壞形態Fig.3 Failure mode of concrete beams strengthened with carbon fiber

表2為6組碳纖維加固混凝土梁試件的抗彎性能試驗結果。可見，碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷都明顯高于未添加碳纖維筋的對比梁（L1），而極限撓度都明顯小于L1試件；從最大裂縫寬度上來看，碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）的最大裂縫寬度也高于對比梁（L1）。隨著張拉控制應力增加（JGL1、JGL2、JGL3），碳纖維加固混凝土梁的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷逐漸增大，極限撓度逐漸減小；在相同張拉控制應力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），鋼筋直徑更大的混凝土試件的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷更大，而極限撓度更小。

表2 碳纖維加固建筑混凝土梁的抗彎性能Table 2 Flexural performance of building concrete beams strengthened with carbon fiber

圖4為6組碳纖維加固混凝土試件的裂縫分布圖。對比分析可見，碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）的裂縫數量都明顯小于未添加碳纖維筋的對比梁（L1），且裂縫間距明顯高于后者、主裂縫間的小裂縫的數量也較少。隨著張拉控制應力的增加，碳纖維加固混凝土試件的裂縫數量會逐漸減小，在張拉預應力為50%時整個混凝土梁上僅可見8條裂縫，可見張拉預應力可以有效抑制碳纖維筋加固混凝土的裂縫數量。此外，在相同張拉控制應力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），鋼筋直徑更大的混凝土試件的裂縫數量并沒有發生明顯改變。

圖4 碳纖維加固建筑混凝土梁的裂縫分布圖Fig.4 Crack distribution of concrete beams strengthened with carbon fiber

圖5 為6組碳纖維加固混凝土試件的荷載-裂縫寬度曲線。對比分析可見，無論是碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）還是未添加碳纖維筋的對比梁（L1），試件上的裂縫寬度都會隨著荷載增加而增大，但是裂縫開始出現對應的荷載明顯不同。未添加碳纖維筋的對比梁（L1）在荷載為40kN時即出現了0.1mm的裂縫，而JG3試件在荷載達到80kN時才開始出現裂縫。此外，在相同張拉控制應力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），鋼筋直徑更大的混凝土試件出現裂縫時的載荷并不會改變。由此可見，預應力碳纖維加固有助于提升混凝土梁出現裂縫時的荷載，而鋼筋直徑不會對混凝土梁出現裂縫時的荷載產生明顯影響。

圖5 碳纖維加固建筑混凝土梁的荷載-裂縫寬度曲線Fig.5 Load crack width curve of concrete beams strengthened with carbon fiber

圖6 為6組碳纖維加固混凝土試件的荷載-撓度曲線。對比分析可見，無論是碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）還是未添加碳纖維筋的對比梁（L1），試件的撓度都會隨著荷載的增加而增大，且在相同荷載作用下，加固混凝土試件的撓度要明顯低于未加固的試件。隨著控制張力應力的提高，混凝土梁試件的極限撓度會逐漸減小；在相同控制張力應力作用下，鋼筋直徑更大的試件的極限撓度更小。

圖6 碳纖維加固建筑混凝土梁的荷載-撓度曲線Fig.6 Load deflection curve of concrete beams strengthened with carbon fiber

3 結論

（1）L1試件的破壞形式為裂縫出現后快速壓碎，而碳纖維加固建筑混凝土梁（JGL1、JGL2、JGL3、JGL4、JGL5）中除JGL3試件發生剪切破壞外，其余試件都為鋼筋屈服和碳纖維筋拉斷后發生破壞。

（2）碳纖維加固建筑混凝土梁的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷都明顯高于未添加碳纖維筋的對比梁，而極限撓度都明顯小于L1試件。隨著張拉控制應力增加（JGL1、JGL2、JGL3），碳纖維加固混凝土梁的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷逐漸增大，極限撓度逐漸減小；在相同張拉控制應力下（JGL1和JGL4，JGL3和JGL5），鋼筋直徑更大的混凝土試件的開裂載荷、屈服載荷和極限載荷更大，而極限撓度更小。

（3）6組試件的撓度都會隨著荷載的增加而增大，且在相同荷載作用下，加固混凝土試件的撓度要明顯低于未加固的試件。隨著控制張力應力的提高，混凝土梁試件的極限撓度會逐漸減小；在相同控制張力應力作用下，鋼筋直徑更大的試件的極限撓度更小。