纖維增強(qiáng)聚合物cfrp加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性試驗(yàn)研究

纖維增強(qiáng)聚合物cfrp加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性試驗(yàn)研究

0frp加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能隨著纖維增強(qiáng)聚合物（frp）在土木工程加固領(lǐng)域的快速發(fā)展，關(guān)于frp的應(yīng)用研究越來(lái)越多。目前，加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要是對(duì)加固結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和計(jì)算方法的總結(jié)。目前，中國(guó)對(duì)frp加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要是對(duì)加固結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和計(jì)算方法。目前，關(guān)于加固結(jié)構(gòu)的國(guó)外結(jié)果表明，fp加固結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能研究很少，國(guó)外對(duì)fp的耐久性和綠化結(jié)構(gòu)的環(huán)境衰減系數(shù)的研究也很少。在我國(guó)出版的《纖維片材料加固和混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)法規(guī)》中，對(duì)fp體、粘接材料的耐久性以及加固環(huán)境的衰減系數(shù)的研究十分必要。加強(qiáng)耐久性是研究的重點(diǎn)。對(duì)于規(guī)范fp和相關(guān)樹脂材料的開發(fā)、生產(chǎn)，完善fp加固結(jié)構(gòu)規(guī)則，安全科學(xué)地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。1影響加固結(jié)構(gòu)材料耐久性的因素根據(jù)FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),加固結(jié)構(gòu)的耐久性能應(yīng)和下列因素有關(guān):加固結(jié)構(gòu)各部分組成材料的耐久性能;粘結(jié)界面的耐久性能以及被加固構(gòu)件整體耐久性能.本文分別對(duì)此進(jìn)行試驗(yàn)研究,以綜合分析腐蝕環(huán)境對(duì)FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的影響.1.1試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)采用在工程加固中比較常用的玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)和碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP).GFRP是國(guó)產(chǎn)單向高強(qiáng)度耐堿片材和美國(guó)產(chǎn)GFRP-AFRP混合編織片材,CFRP是由國(guó)內(nèi)某單位進(jìn)口單絲編織而成.粘結(jié)劑采用美國(guó)進(jìn)口GFRP專用環(huán)氧樹脂膠和沈陽(yáng)某單位研制的FRP專用環(huán)氧樹脂膠.試驗(yàn)考慮的環(huán)境條件包括濕熱環(huán)境、水環(huán)境、凍融循環(huán)、堿環(huán)境,并把試驗(yàn)結(jié)果同室溫下的試件進(jìn)行對(duì)比.FRP的拉伸試驗(yàn)參照《定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行,FRP、夾具的尺寸如圖1所示.水環(huán)境侵蝕試驗(yàn)參照《玻璃纖維增強(qiáng)塑料耐水性試驗(yàn)方法》進(jìn)行.凍融循環(huán)試驗(yàn)參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中抗凍性能試驗(yàn)的快凍法進(jìn)行,每次凍融循環(huán)時(shí)間是3h,控制試件中心溫度分別在(-17±2)℃和(8±2)℃.濕熱試驗(yàn)參照《玻璃纖維增強(qiáng)塑料濕熱試驗(yàn)方法》進(jìn)行,溫度設(shè)定在40℃,濕度保持在98%,試驗(yàn)時(shí)間為1000h.堿化試驗(yàn)采用飽和的氫氧化鈣堿溶液,在常溫下((25±2)℃)進(jìn)行,試驗(yàn)周期選為7、30d.1.2試驗(yàn)設(shè)備及條件粘結(jié)試驗(yàn)采用FRP與混凝土的單面剪切粘結(jié)試驗(yàn),FRP與混凝土粘結(jié)長(zhǎng)度100mm,試驗(yàn)形式如圖2所示.試件參數(shù)包括FRP的種類、粘結(jié)劑的種類、FRP的寬度、混凝土試件的尺寸等.腐蝕環(huán)境包括凍融循環(huán)和濕熱環(huán)境腐蝕,試驗(yàn)條件參照2.1中相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行.1.3凍融循環(huán)試驗(yàn)試驗(yàn)分為兩個(gè)部分:腐蝕環(huán)境對(duì)FRP加固混凝土梁的耐久性能影響和對(duì)FRP加固混凝土柱耐久性能的影響.腐蝕環(huán)境是凍融循環(huán),循環(huán)次數(shù)分別為25和50次.試驗(yàn)用混凝土梁、柱的尺寸為100mm×100mm×400mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,試驗(yàn)考慮的影響因素包括:凍融循環(huán)的次數(shù);粘貼纖維布的次序.FRP采用美國(guó)產(chǎn)CFRP片材和國(guó)產(chǎn)GFRP片材,FRP粘貼層數(shù)為1層,采用分條粘貼,每條寬度為100mm.每條FRP的搭接長(zhǎng)度大于50mm.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1凍融循環(huán)對(duì)材料力學(xué)性能的影響經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、水環(huán)境試驗(yàn)、堿化試驗(yàn)后,FRP復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度(fCF)、彈性模量(ECF)、極限應(yīng)變(εCF)變化情況參見表1.經(jīng)過(guò)30d的浸水試驗(yàn)后,兩種纖維材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本呈線性變化.CFRP的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變均未發(fā)生明顯的變化;GFRP抗拉強(qiáng)度下降了10%左右,同時(shí)極限應(yīng)變也降低了8%,彈性模量未發(fā)生明顯變化,即玻璃纖維材料經(jīng)過(guò)浸水試驗(yàn)后有一定的變脆趨勢(shì).經(jīng)過(guò)50、100次凍融循環(huán)后,兩種纖維材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本呈線性變化.CFRP的抗拉強(qiáng)度略有下降,經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)后,強(qiáng)度下降2.1%左右;經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后,強(qiáng)度平均下降了4.4%.彈性模量沒有明顯變化.GFRP的抗拉強(qiáng)度、極限應(yīng)變下降較大,在10%左右,彈性模量變化不顯著.經(jīng)過(guò)1000h的濕熱老化試驗(yàn)后,兩種纖維材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本呈線性變化.CFRP的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變均未發(fā)生明顯的變化,說(shuō)明濕熱環(huán)境對(duì)CFRP力學(xué)性能沒有明顯影響.經(jīng)過(guò)濕熱老化試驗(yàn)后,GFRP的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變均有不同程度的下降.其中采用沈陽(yáng)產(chǎn)環(huán)氧樹脂作為浸漬膠的玻璃纖維片材抗拉強(qiáng)度下降了26%、彈性模量下降12%;采用美國(guó)產(chǎn)環(huán)氧樹脂作為浸漬膠的玻璃纖維片材抗拉強(qiáng)度下降了16%,彈性模量下降了17%.經(jīng)過(guò)堿化試驗(yàn)后,兩種纖維材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本呈線性變化.強(qiáng)堿環(huán)境對(duì)GFRP的力學(xué)性能影響較大,浸泡在強(qiáng)堿中30d后,兩種GFRP的抗拉強(qiáng)度僅剩原來(lái)的1/4和1/6,而環(huán)氧樹脂能有效地減少堿溶液對(duì)玻璃纖維的侵蝕作用,經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹脂浸漬的兩種GFRP在強(qiáng)堿中浸泡30d后,強(qiáng)度達(dá)到原來(lái)的1/2和3/4.強(qiáng)堿環(huán)境對(duì)CFRP的力學(xué)性能也有不利影響,浸泡在堿溶液30d后,CFRP的抗拉強(qiáng)度下降了1/3,同樣環(huán)氧樹脂能夠有效地降低堿溶液對(duì)碳纖維的侵蝕作用,經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹脂浸漬的CFRP在強(qiáng)堿溶液浸泡30d后,力學(xué)性能基本保持不變.2.2結(jié)合界面的耐久性研究2.2.1凍融循環(huán)對(duì)frp與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的影響凍融循環(huán)試驗(yàn)前后FRP與混凝土剪切粘結(jié)試驗(yàn)中平均破壞荷載(PˉˉˉΡˉ)、平均粘結(jié)強(qiáng)度(τˉτˉ)和強(qiáng)度下降比率(γˉγˉ)參見表2.觀察經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)的混凝土試件,發(fā)現(xiàn)混凝土表面已經(jīng)有輕微的剝離,而經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)的混凝土試件,混凝土表面的剝離現(xiàn)象已經(jīng)很明顯,因此從外觀看,凍融循環(huán)對(duì)混凝土產(chǎn)生了一定的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明,無(wú)論是否經(jīng)過(guò)凍融循環(huán),FRP與混凝土的粘結(jié)破壞均為混凝土發(fā)生剪切破壞的形式,無(wú)論是在混凝土試件凍融循環(huán)試驗(yàn)之前粘貼FRP還是在凍融循環(huán)試驗(yàn)之后粘貼FRP,FRP與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度均發(fā)生了較大程度的下降(大部分下降幅度在20%以上),其中經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)的試件粘結(jié)強(qiáng)度下降的幅度稍大一些.以上結(jié)果說(shuō)明,凍融循環(huán)對(duì)FRP與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度有較大影響,造成影響的原因是由于混凝土受到凍融循環(huán)損傷后,內(nèi)部出現(xiàn)了微裂縫.2.2.2frp片材與混凝土粘結(jié)破壞特征濕熱環(huán)境前后FRP與混凝土剪切粘結(jié)試驗(yàn)中PˉˉˉΡˉ、τˉτˉ和γˉγˉ參見表3.試驗(yàn)結(jié)果表明,濕熱環(huán)境對(duì)FRP與混凝土的粘結(jié)性能有較大的影響.無(wú)論是CFRP還是GFRP片材,與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度在濕熱試驗(yàn)后都有較大程度的下降.在經(jīng)過(guò)1000h的濕熱試驗(yàn)后,FRP片材與混凝土的粘結(jié)破壞特征也出現(xiàn)了明顯的變化,多組試件出現(xiàn)了FRP片材與混凝土的剝離破壞.其中FRP寬度為20mm粘結(jié)試驗(yàn),全部出現(xiàn)剝離破壞;FRP寬度為50mm粘結(jié)試驗(yàn),大部分出現(xiàn)了剝離破壞;而FRP寬度為80mm的粘結(jié)試驗(yàn)有個(gè)別試件出現(xiàn)了剝離破壞.而濕熱試驗(yàn)前,所有的粘結(jié)破壞都是由于混凝土的剪拉強(qiáng)度低引起的.粘結(jié)破壞特征發(fā)生的變化,說(shuō)明粘結(jié)劑在濕熱試驗(yàn)后性能下降是造成FRP與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度下降的主要原因.2.3fp加固混凝土構(gòu)件的抗凍容性能2.3.1凍融循環(huán)對(duì)混凝土梁開裂抗彎強(qiáng)度的影響試件的編號(hào)、試件特征、開裂荷載Pc、極限荷載Pu、開裂應(yīng)變?chǔ)與、極限應(yīng)變?chǔ)舥、跨中最大位移dmax見表4.GFRP加固受到凍融循環(huán)混凝土梁的破壞形態(tài)仍然為GFRP與混凝土的剝離破壞,破壞時(shí),FRP沒有發(fā)生斷裂.表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:采用GFRP加固受到25次凍融循環(huán)的混凝土梁,混凝土梁的平均開裂強(qiáng)度提高75%,平均極限強(qiáng)度提高200%;而加固受到50次凍融循環(huán)混凝土梁的平均開裂強(qiáng)度提高63%,平均極限強(qiáng)度提高147%.經(jīng)過(guò)玻璃纖維布加固后,梁的延性都有很大的提高.凍融循環(huán)對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度有影響,因此經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)的混凝土梁開裂抗彎強(qiáng)度比初始值都有不同程度的降低,并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,降低量有增大的趨勢(shì).表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明:玻璃纖維布加固未經(jīng)凍融循環(huán)混凝土梁的開裂抗彎荷載是25.7kN;加固經(jīng)過(guò)25、50次凍融循環(huán)混凝土梁的開裂抗彎荷載分別是22.7、17.0kN;采用玻璃纖維布加固后再經(jīng)過(guò)25、50次凍融循環(huán)的開裂抗彎荷載是22.7、20.4kN.混凝土梁先經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán),加固后再經(jīng)過(guò)25次凍融循環(huán)的開裂抗彎荷載是22.1kN.經(jīng)過(guò)玻璃纖維布加固后,無(wú)論是否經(jīng)過(guò)凍融循環(huán),梁的承載能力都得到很大的提高,但是未經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)梁的極限承載能力更大一些.按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的正常使用極限狀態(tài)要求,試驗(yàn)梁的跨度是300mm,取梁跨中允許位移為1.5mm時(shí)的荷載值,凍融試驗(yàn)前后試件的荷載值比較接近,可見凍融循環(huán)對(duì)FRP加固混凝土梁影響更多的是極限承載能力,當(dāng)跨中撓度小于正常使用極限狀態(tài)規(guī)定的撓度值時(shí),凍融循環(huán)并沒有引起FRP加固梁承載能力的明顯降低.2.3.2凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果試件的編號(hào)、FRP類型、試驗(yàn)過(guò)程、峰值應(yīng)力(f′c)、提高系數(shù)(fFRP/f′c)見表5.試驗(yàn)表明,粘貼FRP加固的混凝土柱在受到25、50次凍融循環(huán)后,其承載能力同損傷前相比,并沒有較大程度的降低(個(gè)別還有些增加).此前進(jìn)行的混凝土柱經(jīng)過(guò)25、50次凍融試驗(yàn)后,其承載能力降低10%左右,同時(shí)凍融循環(huán)引起了FRP與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度較大程度的下降(20%左右).解釋出現(xiàn)目前試驗(yàn)結(jié)果的原因可能有以下幾個(gè):其一,雖然CFRP與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度在凍融循環(huán)試驗(yàn)后出現(xiàn)了較大程度的降低,但實(shí)際FRP加固混凝土柱的破壞是由于應(yīng)力集中引起柱角部FRP的斷裂造成,在FRP斷裂時(shí),大部分FRP與混凝土基本保持良好的粘接狀態(tài),因此由于凍融引起FRP與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的降低并沒有造成混凝土柱強(qiáng)度的降低;其二,凍融循環(huán)引起柱的承載能力降低,但經(jīng)過(guò)FRP加固后,混凝土柱承載能力提高的部分是由于FRP對(duì)混凝土的約束作用產(chǎn)生的,承載能力提高的幅度主要與約束效果相關(guān).前面提到,經(jīng)過(guò)加固的混凝土柱破壞時(shí)FRP的橫向應(yīng)變?cè)?000×10-6～6000×10-6,對(duì)于FRP橫向應(yīng)變較大的柱,承載能力提高的幅度要更大一些,因此可能出現(xiàn)經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后承載能力更高的情況.3性能能的影響(1)CFRP復(fù)合體的耐久性能較好,GFRP的耐久性能略差.水環(huán)境、凍融循環(huán)、濕熱