凍融環(huán)境下碳纖維聚合物加固混凝土施工技術(shù)研究

肖亮洲

(廣東保輝建筑工程有限公司,廣東 汕頭 515071)

0 引言

在寒冷地區(qū),冬天的溫度通常低于零下20 ℃。結(jié)構(gòu)柱和橋墩不僅要承受長期的結(jié)構(gòu)荷載,還要承受嚴(yán)酷的寒冷條件。結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性直接關(guān)系到建筑安全[1]。大量研究表明,混凝土在凍融循環(huán)作用下發(fā)生凍脹問題。混凝土表面剝落,鋼筋開始銹蝕,出現(xiàn)內(nèi)部裂縫,不利于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。

因此,一些學(xué)者提出使用鋼管和收縮補(bǔ)償材料形成的加固系統(tǒng)來加固混凝土構(gòu)件。劉澤平等[2-3]采用預(yù)制CFRP/GFRP和鋼管加固混凝土短柱,并通過無收縮灌漿對FRP進(jìn)行后張。試驗結(jié)果表明,采用預(yù)應(yīng)力GFRP加固的短柱的橫向應(yīng)變是未施加預(yù)應(yīng)力的GFRP包裹柱子的2倍,而采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固的試件的縱向和橫向變形是無約束混凝土試件的10倍。張榮振等[4]研究了用CFRP、鋼管和自密實混凝土加固的方形樁柱的軸向壓縮性能。張立群等[5]指出,在鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)的加固過程中,外接纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)復(fù)合材料的利用率僅為35%。張向?qū)萚6]提出,在預(yù)制FRP外殼和矩形柱之間澆筑補(bǔ)償收縮混凝土作為加固材料,具有優(yōu)越的力學(xué)性能。結(jié)果表明,采用FRP復(fù)合材料和補(bǔ)償收縮混凝土加固的矩形柱的軸向強(qiáng)度和極限軸向壓縮應(yīng)變顯著提高,在地震荷載作用下的力學(xué)性能也有所改善[7]。然而,該方法在凍融環(huán)境下具有較差的力學(xué)性能。

基于上述研究情況,本文研究CFRP和收縮補(bǔ)償混凝土加固受壓構(gòu)件在凍融環(huán)境下的力學(xué)性能,利用碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)和補(bǔ)償收縮自密實混凝土(ESCC)組成的加固系統(tǒng)對CFRP外殼施加后張應(yīng)力,進(jìn)一步消除應(yīng)力滯后,并發(fā)揮約束作用,以提高混凝土短柱在凍融環(huán)境下的力學(xué)性能。

1 試驗方法與設(shè)計

1.1 碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)

本實驗中使用的碳纖維增強(qiáng)聚合物為大連本地供應(yīng)商提供的碳纖維單向編織布。粘合劑為建筑結(jié)構(gòu)粘合劑,與碳纖維增強(qiáng)聚合物來自同一供應(yīng)商。單向碳纖維增強(qiáng)聚合物織物與粘合劑的質(zhì)量比為1∶3[8]。碳纖維增強(qiáng)聚合物樣品的彈性模量和拉伸強(qiáng)度根據(jù)GB/T 3354—1999規(guī)范測定。實驗結(jié)果如表1所示。試驗中使用了鋁合金加強(qiáng)筋,均勻地對試樣施加載荷,防止試樣因明顯的不連續(xù)性而提前失效。試驗儀器為300 kN萬能試驗機(jī)。試驗采用位移控制,速度為2 mm/min。

表1 碳纖維增強(qiáng)聚合物的材料特性

1.2 混凝土

實驗中使用了三種不同配合比的混凝土?；炷敛捎每箟簭?qiáng)度為30 MPa的常規(guī)強(qiáng)度混凝土。粗骨料為粒徑5 mm～20 mm的碎石,細(xì)骨料為中粗河砂,細(xì)度模數(shù)為2.59。水泥采用P.O42.5的普通硅酸鹽水泥,28 d立方體抗壓強(qiáng)度為32 MPa。加固層分別采用抗壓強(qiáng)度為40 MPa的自密實混凝土(NC40)和抗壓強(qiáng)度為40 MPa的收縮補(bǔ)償自密實混凝土(EC40)[9-11]。通過對比NC40和EC40,旨在比較不同類型混凝土加固層造成的差異。表2為混凝土受壓構(gòu)件(NC30)和加固層(NC40/EC40)的配合比。采用氧化鈣膨脹劑作為膨脹劑,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。

1.3 試驗方法

共設(shè)計了32個混凝土短柱試件(試件配比如表3所示),受壓混凝土構(gòu)件的直徑為150 mm,高度為300 mm。加固后,試樣直徑為200 mm,高度保持不變。試件的標(biāo)注規(guī)則如下:第一個字母(即A/B/C)表示混凝土受壓構(gòu)件分別經(jīng)歷了25/75/125次凍融循環(huán)。中間帶字母“L”的數(shù)字表示不同層數(shù)的CFRP。NC/EC分別代表加固層混凝土的類型,即普通自密實混凝土(NSCC)和收縮補(bǔ)償自密實混凝土(ESCC)[11]。例如,A-1L-EC表示混凝土受壓構(gòu)件經(jīng)75次凍融循環(huán)破壞后,使用單層CFRP和ESCC進(jìn)行加固。

表2 混凝土配合比 kg/m3

表3 試件配比

凍融試驗按照GB/T 50082—2009規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的快速冷凍法進(jìn)行。實驗組試樣被放置在凍融冰箱中以開展凍融損傷實驗,對照組試樣置于室溫水中以確保試樣環(huán)境的一致性。通過濕法鋪設(shè)工藝預(yù)制了直徑為200 mm的圓形碳纖維增強(qiáng)聚合物殼體。碳纖維增強(qiáng)聚合物的重疊長度為150 mm,以避免加固試件在抗壓試驗中因應(yīng)力集中而過早失效。獲得凍融循環(huán)后受損的混凝土受壓構(gòu)件后,將受損的混凝土受壓構(gòu)件和預(yù)制碳纖維增強(qiáng)聚合物外殼進(jìn)行定位,并用酸性硅酮玻璃膠粘合板粘合。然后,在預(yù)制碳纖維增強(qiáng)聚合物外殼和受損混凝土受壓構(gòu)件之間的縫隙中澆筑加固層混凝土。養(yǎng)護(hù)28 d后,在進(jìn)行軸向壓縮試驗前,對加固試件的表面進(jìn)行打磨和整平。軸向壓縮試驗在500 t液壓試驗機(jī)上進(jìn)行。應(yīng)變采集裝置由四個垂直位移采集器和四組縱向和橫向應(yīng)變儀組成,黏貼在試樣中間。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由軸向壓縮試驗機(jī)得出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖1。從圖1中可以看出,使用單層CFRP加固的試件在經(jīng)歷非線性截面后進(jìn)入水平截面,沒有明顯的軟化行為,這表明使用CFRP和自密實混凝土有效地改變了混凝土受壓構(gòu)件在單軸受壓下的軟化行為。對于凍融循環(huán)次數(shù)分別為25次和75次的混凝土受壓構(gòu)件,采用收縮補(bǔ)償自密實混凝土對CFRP施加后張拉應(yīng)力的方法顯著提高了混凝土受壓構(gòu)件的承載力,比普通混凝土的承載力分別提高了13.23%和4.22%。然而,當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到125次時,收縮補(bǔ)償自密實混凝土的增強(qiáng)效果弱于普通自密實混凝土。同時,使用雙層CFRP加固的試件的加固效果明顯優(yōu)于單層CFRP加固的試件。

試件的極限承載力如圖2所示。為了消除不同養(yǎng)護(hù)齡期對混凝土強(qiáng)度的影響,將試件的抗壓強(qiáng)度fco用28 d立方體抗壓強(qiáng)度fcu進(jìn)行歸一化處理?？梢钥闯?經(jīng)過25次凍融循環(huán)后,試件的承載能力略有提高,比對照組提高了10.26%。這可能是由于水泥在水環(huán)境中不斷水化,從而進(jìn)一步提高了混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加到75次時,混凝土試件的承載力比對照組降低了5.13%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加,混凝土試件的損壞程度也逐漸增加,與對照組相比,承載力下降了28.2%。

2.2 凍融試驗

如圖3所示,經(jīng)過幾個凍融循環(huán)后,混凝土表面的粘貼層首先脫落,混凝土受壓構(gòu)件表面變得灰暗不平。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土進(jìn)一步脫落并開始露出骨料。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加時,骨料周圍的混凝土開始剝落,界面過渡區(qū)遭到破壞,骨料與基體之間的黏結(jié)逐漸失效,部分骨料開始剝落,導(dǎo)致質(zhì)量損失和動態(tài)彈性模量損失開始下降。

混凝土受壓構(gòu)件的質(zhì)量損失率、動態(tài)彈性模量損失率根據(jù)規(guī)范要求計算,結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,質(zhì)量損失率和動態(tài)彈性模量損失率的變化趨勢相似,說明凍融破壞對混凝土的破壞是一個遞增的過程。且圖4中的結(jié)果表明,前50次凍融循環(huán)對混凝土質(zhì)量和動態(tài)彈性模量的影響相對較小。而75次凍融循環(huán)后,動態(tài)彈性模量損失率和質(zhì)量損失率突然增加,分別為14.1%和2.5%。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到125次時,無混凝土加固層和CFRP的混凝土受壓構(gòu)件的動態(tài)模量損失率達(dá)到24.8%,質(zhì)量損失率為5.3%。

2.3 峰值環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變變化規(guī)律

圖5為峰值環(huán)向應(yīng)變εh和極限承載力Pu。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,單層CFRP加固的混凝土受壓構(gòu)件的峰值環(huán)向應(yīng)變和極限承載力呈先增大后減小的趨勢。這一現(xiàn)象與經(jīng)歷凍融循環(huán)的混凝土受壓構(gòu)件的極限承載力的變化趨勢相似。此外,125次凍融循環(huán)的峰值環(huán)向應(yīng)變和極限承載力均低于25次凍融循環(huán)的峰值環(huán)向應(yīng)變和極限承載力。與使用單層CFRP加固并經(jīng)歷25次凍融循環(huán)的試樣相比,使用NC和EC加固的試樣在經(jīng)歷125次凍融循環(huán)后的峰值環(huán)向應(yīng)變分別降低了14.42%和15%,極限承載力分別降低了-9.23%和7.69%。這也表明混凝土受壓構(gòu)件的損壞影響了外層CFRP外殼的利用率。且受壓構(gòu)件的凍融破壞越嚴(yán)重,加固后的極限變形承載力就越低。采用雙層CFRP加固的混凝土受壓構(gòu)件的峰值環(huán)向應(yīng)變和極限承載力繼續(xù)下降,這可能是由于雙層CFRP外殼對混凝土受壓構(gòu)件的約束較強(qiáng),改變了下降趨勢。經(jīng)過125次凍融循環(huán)后,NC和EC加固試件的環(huán)向應(yīng)變峰值分別下降了15.07%和9.18%,極限承載力分別下降了21.12%和2.75%。

試樣的峰值軸向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。軸向應(yīng)變峰值的變化趨勢與環(huán)向應(yīng)變峰值的變化趨勢相似。一般來說,受到凍融破壞的壓縮構(gòu)件在加固后,其軸向應(yīng)變和箍筋應(yīng)變都會明顯減小。圖6為CFRP加固混凝土受壓構(gòu)件在軸向受壓下的軸向應(yīng)變-環(huán)向應(yīng)變關(guān)系。對于采用后張法CFRP加固的混凝土受壓構(gòu)件,由于后張法應(yīng)力的作用,環(huán)向應(yīng)變有一個初始值,表明在加載初期CFRP外殼對混凝土受壓構(gòu)件的約束作用已經(jīng)發(fā)揮出來。在試件受壓初期,軸向應(yīng)變-環(huán)向應(yīng)變變化趨勢基本保持平行,但隨著荷載的不斷增加,可以發(fā)現(xiàn)在相同軸向應(yīng)變的情況下,采用普通自密實混凝土加固的混凝土受壓構(gòu)件表現(xiàn)出較大的環(huán)向應(yīng)變,進(jìn)一步表明采用普通自密實混凝土加固的受壓構(gòu)件比采用收縮補(bǔ)償自密實混凝土加固的構(gòu)件更容易受到破壞,橫向體積膨脹更大。且從圖中可以看出,除B-2L外,采用收縮補(bǔ)償混凝土加固的混凝土受壓構(gòu)件具有更大的軸向變形能力。這表明,在加固受損的混凝土受壓構(gòu)件時,與CFRP結(jié)合的收縮補(bǔ)償SCC比普通自密實混凝土具有更好的變形能力。

3 結(jié)論

1)試驗結(jié)果表明,凍融循環(huán)對混凝土受壓構(gòu)件的破壞是一個漸進(jìn)的過程。前50次凍融循環(huán)對混凝土受壓構(gòu)件的質(zhì)量和動態(tài)彈性模量的影響相對較小。經(jīng)過50次凍融循環(huán)破壞的混凝土受壓構(gòu)件的動態(tài)彈性模量損失率和質(zhì)量損失率分別為5.9%和0.4%。完成75次凍融循環(huán)后,混凝土受壓構(gòu)件的破壞速度和程度迅速增加。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到125次時,混凝土受壓構(gòu)件的動態(tài)模量損失率為24.8%,質(zhì)量損失率為5.3%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土受壓構(gòu)件的歸一化極限承載力先上升后下降。與對照組相比,125次凍融循環(huán)后試件的極限承載力下降了28.2%,而75次凍融循環(huán)后試件的極限承載力下降了5.13%。2)CFRP外殼的加固效果優(yōu)于單層CFRP,而采用收縮補(bǔ)償自密實混凝土作為加固層的加固效果優(yōu)于普通自密實混凝土。與使用單層CFRP加固并經(jīng)歷25次凍融循環(huán)的試樣相比,使用NC和EC加固的試樣在經(jīng)歷125次凍融循環(huán)后的環(huán)向應(yīng)變峰值分別降低了14.42%和15%。極限承載能力分別下降了-9.23%和7.69%。同時,對于使用兩層CFRP加固并經(jīng)歷25次凍融循環(huán)的試樣,使用NC和EC加固的試樣在125次凍融循環(huán)后的峰值箍筋應(yīng)變分別降低了15.07%和9.18%,極限承載能力分別降低了21.12%和2.75%。