基于橋梁改造的新舊混凝土結構粘接加固復材改性研究

摘 要：試驗制備了一種聚乙烯醇（PVA）纖維水泥基復合材料（ECC），并將該材料與碳纖維布（CFRP）結合，對新舊鋼筋混凝土梁進行復合加固處理，研究材料性能。結果表明，制備的ECC材料具備較好綜合性能，粘接效果和抗裂效果良好，可以與CFRP結合，對橋梁混凝土進行粘接加固；相對于普通鋼筋混凝土梁，經過ECC/CFRP復合加固后，鋼筋混凝土梁的剛度提高，極限荷載明顯提升；隨著ECC/CFRP復合加固層厚度的增加、CFRP長度的增加，粘接加固效果越好，極限荷載最大值分別達到30.17、29.73 kN。ECC/CFRP復合加固可以提高舊危橋梁混凝土的性能，粘接加固效果較好。

關鍵詞：橋梁混凝土；纖維水泥基復合材料；碳纖維布；極限荷載；粘接加固

中圖分類號：TQ177.6+8" " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " "文章編號：1001-5922（2024）07-0017-04

Research on the modification of bonded and reinforced

composite materials of new and old concrete structures

based on bridge reconstruction

PENG Xue1，ZHENG Dongdong2

（1. Xianyang Vocational and technical college，Xianyang 712000， Shaanxi China；

2. Comprehensive Management Service Center for Construction of Urumqi Ganquanbao Economic and

Technological Development Zone （Industrial Zone）， Ganquanbao，Wulumuqi 831408，China）

Abstract： A polyvinyl alcohol （PVA） fiber cement based composite material （ECC） was prepared in this experiment， and the material was combined with carbon fiber cloth （CFRP） to reinforce the new and old reinforced concrete beams to study the material properties. The experimental results showed that the ECC material prepared in this experiment had good comprehensive properties， good bonding and crack resistance， and could be combined with CFRP for bonding reinforcement of bridge concrete. Compared to ordinary reinforced concrete beams， after ECC/CFRP composite reinforcement， the stiffness of the reinforced concrete beam increased and the ultimate load significantly increased. Moreover， with the increase of the thickness of the ECC/CFRP composite reinforcement layer and the length of the CFRP， the bonding reinforcement effect improved， and the maximum ultimate load values reached 30.17 kN and 29.73 kN， respectively. ECC/CFRP composite reinforcement can improve the performance of old and dangerous bridge concrete， and the bonding reinforcement effect is good.

Key words： bridge concrete；fiber cement based composite materials；carbon fiber cloth；ultimate load；adhesive"" " " " " "reinforcement

受到服役時間和服役環境的影響，混凝土材料的性能不斷降低。對舊危橋梁鋼筋混凝土結構進行加固，成為現代建筑發展的一個焦點。對此，許多學者進行了研究，如采用芳綸纖維和玻璃纖維制備了一種混合纖維布復合材料，針對病害橋梁進行加固處理［1］。使用超高性能的鋼纖維混凝土對傳統橋梁進行加固，并研究鋼纖維混凝土鋪裝厚度、長度對加固性能的影響［2］。通過正交試驗，制備了一種超高性能混凝土（UHPC），用于高架橋梁的加固［3］。碳纖維布（CFRP）是一種常用的外貼橋梁加固材料［4］。基于此，試驗制備了一種聚乙烯醇（PVA）纖維水泥基復合材料（ECC），與碳纖維布（CFRP）結合，對鋼筋混凝土梁進行復合加固，并研究材料性能。

1" "試驗部分

1.1" "材料與設備

主要材料：P·O42.5普通硅酸鹽水泥（工業純，上海乾胡實業）；細骨料河砂（工業純，石家莊晶森礦產 粒徑小于5 mm）；粗骨料碎石（工業純，靈壽縣梓舒礦產 粒徑5～20 mm）；粉煤灰（工業純，石家莊光寧礦產）；細砂（工業純，粒徑小于0.6 mm）；聚乙烯醇纖維（工業純，山東力創新材料）；萘系減水劑（工業純，山東天宏化工）；碳纖維布（工業純，德州華中新材料）；環氧樹脂AB膠（工業純，廣州均實復合材料）；鋼筋（工業純，柳州市亞來鋼材，HPB300級、HPB335級）；螺紋鋼筋（工業純，長沙宇新鋼鐵，HRB400級）。

主要設備：RD1020型電子天平（深圳市榮達儀器）；SFS型水泥膠砂攪拌機（上海新勒機電）；WD-300型立式攪拌桶（濟寧威達機械有限公司）；DYE-2000型壓力試驗機（鼎鵬河北試驗儀器）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗機（北京吉泰科儀檢測設備）；GY-YL型壓力傳感器（上海港禹自動化儀表）；K60型荷載顯示儀（獻縣天健儀器）；ST-3C型應力-應變試驗機（洛泰精密儀器）。

1.2" "試驗方法

1.2.1" "ECC配合比設計

試驗在P·O42.5普通硅酸鹽水泥中加入聚乙烯醇（PVA）纖維和粉煤灰，制備一種纖維水泥基復合材料（ECC）。其中，ECC的配合比設計［5?6］：P·O42.5普通硅酸鹽水泥540kg；PVA纖維25kg/m；細砂515kg/m；粉煤灰680kg/m；水膠比0.35；減水劑1.60%。

1.2.2" "ECC的制備

（1）根據ECC的配合比，用電子天平稱取適量的ECC原材料，備用；

（2）先在攪拌機中加入少量的水泥、細砂和水，進行攪拌處理2 min。然后繼續加入剩下的水泥、細砂和適量的水，并倒入粉煤灰，繼續攪拌3 min；

（3）向攪拌機中加入剩下的水以及適量減水劑，進行攪拌3 min。同時，在攪拌過程中慢慢加入一定量的PVA纖維。在攪拌均勻后，獲得ECC砂漿，備用；

（4）將ECC砂漿倒入準備好的模具中，注意插搗成型。然后將模具放置在振動臺上振實，排除砂漿內部多余的氣泡；

（5）用抹灰刀將模具周圍多余的砂漿抹平，之后用塑料薄膜密封，在常溫環境下放置1 d，脫模。將ECC試件在養護內養護一定時間，然后取出，貯存備用。

1.2.3" "ECC-CFRP復合加固

本試驗將1.2.2中制備好的ECC砂漿與碳纖維布（CFRP）結合，對鋼筋混凝土骨架進行復合加固。

（1）先用電子天平稱取一定量的水泥、碎石、河砂和水，制備鋼筋骨架中澆筑用混凝土，以上各材料的配合比分別是420、1140、640、230 kg/m；

（2）將稱取好的水泥、碎石、河砂，加入到混凝土攪拌機中，再加入適量的水和減水劑，攪拌混合，獲得混凝土砂石漿；

（3）將鋼筋骨架放到鋼模板中，然后采用分層澆筑的方法把混凝土砂石漿倒入鋼筋骨架中，注意一邊倒入一邊插搗成型，最后使用鐵抹子抹平鋼筋骨架梁上多余的混凝土漿料，使其表面平整；

（4）對澆筑完成后的鋼筋骨架梁靜置24 d，然后脫模，用塑料薄弱密封處理，養護28 d，作為試驗待加固梁備用；

（5）將待加固梁的受拉底面進行手工鑿毛處理，控制其界面粗糙度在2.7左右，并用刷子將待加固梁表面的雜物清理干凈，然后噴灑少量水至梁表面濕潤狀態；

（6）分2層將1.2.2中制備的ECC砂漿倒入代加固梁模板中，并在中間加入適量長度、寬度的CFRP。在ECC砂漿與CFRP復合加固過程中，注意用橡膠錘輕輕敲擊模板側面。最后用鐵抹子抹平，在室溫環境下放置24 h，脫模，并用塑料薄弱密封處理，養護28 d，備用。

1.3" "性能測試

1.3.1" "強度測試

通過電液伺服萬能試驗機和壓力試驗機對ECC試件進行測試，分析其強度性能情況。

1.3.2" "應力-應變測試

通過應力-應變試驗機對試件進行測試。

1.3.3" "荷載測試

采用三分點加載的方式對鋼筋混凝土梁試件進行測試。利用千斤頂以及其上部的壓力傳感器、荷載顯數儀，控制對鋼筋混凝土梁試件施加的載荷，記錄并分析加載5 min后試件變形的數據。

1.3.4" "撓度測試

在1.3.3的基礎上，在鋼筋混凝土梁試件的跨中底面放置一個百分表，然后在鋼筋混凝土梁試件的兩邊支座上也各放置一個百分表，分析試件的撓度情況。

2" "結果與分析

2.1" "ECC試件基礎性能

本試驗對1.2.2中制備的ECC試件進行測試，分析其基礎性能情況，結果見表1。

由表1可知，本試驗制備的ECC試件抗壓、抗拉強度分別是38.74 、4.51 MPa，并且ECC試件裂紋產生的初始強度為4.03 MPa。在應變方面，ECC試件裂紋產生的初始應變為0.033%，而極限拉應變達到3.82%，材料性能良好。因此，本試驗將ECC材料與CFRP結合，對鋼筋骨架梁試件進行復合加固處理。

2.2" "荷載-撓度分析

2.2.1" "加固層厚度的影響

本試驗對不同ECC/CFRP復合加固層厚度的鋼筋混凝土梁試件進行荷載-撓度測試，并以未加固的普通鋼筋混凝土梁試件作為對比試件，測試結果如圖1所示。

由圖1可知，對于不同加固層厚度的試件，當外荷載逐漸增加時，試件的跨中撓度也在不斷增加，呈現線性增長的趨勢。此時，鋼筋混凝土梁試件的剛度較大。直到鋼筋混凝土梁試件開始出現裂紋，其荷載-撓度曲線便出現拐點，曲線的斜率減小，鋼筋混凝土梁試件的

剛度下降。對于10 mm加固層厚度的試件，其荷載-撓度曲線與對比試件相接近。這表明，當ECC/CFRP復合

加固層的厚度較小時，對鋼筋混凝土梁試件在外荷載作用下裂縫的擴展不能起到抑制或緩解效果，復合加固效果較差。當鋼筋混凝土梁試件上的加固層厚度不斷增加時，試件的梁截面面積也會不斷變大，剛度提高，復合加固對鋼筋混凝土梁試件裂縫的抑制或緩解效果提升。所以，鋼筋混凝土梁試件的承載力提高，性能增強［7?8］。隨著ECC/CFRP復合加固層厚度的增大，鋼筋混凝土梁的性能越好，加固效果越好。

2.2.2" "CFRP長度的影響

在對鋼筋混凝土梁試件進行ECC/CFRP復合加固時，對不同CFRP長度下鋼筋混凝土梁試件的荷載-撓度進行測試，結果如圖2所示。

由圖2可知，相對于未加固的對比鋼筋混凝土梁試件，進行復合加固的試件在開裂至屈服之前的荷載?撓度曲線斜率均較大。當ECC/CFRP復合加固中的CFRP長度較小時，會降低加固層與原本的混凝土梁之間的界面粘接效果，容易引起局部粘接失效的情況，進而使鋼筋混凝土梁試件上的加固層承載拉力的作用下降，材料性能降低［9?10］。CFRP長度越長，ECC/CFRP復合加固的效果越好。

2.3" "極限荷載分析

2.3.1" "加固層厚度的影響

不同加固層厚度影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著ECC/CFRP復合加固層的增大，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載呈現先迅速增加，后緩慢上升的變化。對于未加固的對比鋼筋混凝土梁試件，其極限荷載為22.35 kN；當以10 mm的加固層厚度對鋼筋混凝土梁進行ECC/CFRP復合加固時，試件的極限荷載迅速上升至27.04 kN，增幅達到20.98%；隨

著加固層厚度的繼續增加，鋼筋混凝土梁試件的極限

荷載緩慢增加；當ECC/CFRP復合加固層的厚度達到55 mm時，極限荷載升高至30.17 kN，增幅達到34.99%。當采用ECC材料結合CFRP對鋼筋混凝土梁進行復合加固時，在外荷載的作用時，即使鋼筋混凝土梁的加固層發生開裂，其裂縫間會有PVA纖維以及CFRP的共同作用，從而提高鋼筋混凝土梁的極限荷載，使材料性能提高，達到加固效果［11?12］。

綜上，增大ECC/CFRP復合加固層厚度，可以增加鋼筋混凝土梁的極限荷載，加固效果越好。

2.3.2" "CFRP長度的影響

不同CFRP長度的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著ECC/CFRP復合加固層中CFRP長度的增加，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載呈現先迅速增加，再緩慢增加的現象。對于未加固的對比鋼筋混凝土梁試件，其極限荷載為22.35 kN；當ECC/CFRP復合加固層中CFRP的長度為900 mm時，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載為27.58 kN，這與空白對比試件相比，增加幅度為 23.40%；隨著ECC/CFRP復合加固層中CFRP的長度繼續增加，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載增加較緩慢；當CFRP的長度達到1 500 mm時，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載升高至29.73 kN，這與空白對比試件相比，上升的幅度為33.02%。由此可見，在一定范圍內，ECC/CFRP復合加固層中的CFRP長度越長，鋼筋混凝土梁試件的極限荷載越大，加固效果越好。因此，在ECC/CFRP復合加固層中的加入的CFRP長度較長時，在外荷載的作用，加固層產生裂縫的情況下，可以抑制或減緩裂縫繼續擴展，并減緩應力集中的現象，使鋼筋混凝土梁試件更加均勻［13?14］。

綜上，在使用ECC/CFRP復合加固鋼筋混凝土梁的過程中，CFRP的長度越長，加固效果越好。

3" "結語

（1）ECC材料綜合性能良好，可以與CFRP結合，對橋梁混凝土進行粘接加固；

（2）與普通鋼筋混凝土梁相比，經過ECC/CFRP復合加固的鋼筋混凝土梁試件剛度提升，并且隨著加固層厚度的增加、CFRP長度的提高，復合加固梁的剛度也提高，粘接加固效果越好；

（3）ECC/CFRP復合加固后的鋼筋混凝土梁極限荷載明顯提升。且加固層越厚、CFRP長度越長，極限荷載的增幅越大，最大增幅分別達到34.99%、33.02%，粘接加固效果越好。

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