聶紅賓，賈 良，聶曉梅

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道工程系，陜西 渭南 117000；2. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，沈陽(yáng)110044；3. 沈陽(yáng)大學(xué)，沈陽(yáng) 110044）

CFRP修復(fù)加固凍融損傷混凝土構(gòu)件抗彎性能研究

聶紅賓1，賈 良1，聶曉梅2,3

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道工程系，陜西 渭南 117000；2. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，沈陽(yáng)110044；3. 沈陽(yáng)大學(xué)，沈陽(yáng) 110044）

為了進(jìn)一步研究碳纖維復(fù)合材料（CFRP）修復(fù)凍融混凝土構(gòu)件損傷的力學(xué)效果，對(duì)CFRP修復(fù)混凝土構(gòu)件試件進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，結(jié)果表明：CFRP能有效提高損傷試件的承載力和延性性能，尤其是全包方式；試件的承載力受凍融影響較大，但受凍融次數(shù)影響較??；隨著凍融次數(shù)的增加，CFRP修復(fù)試件的中性軸上移越來越快，逐漸不符合平截面假定，試件剪跨區(qū)的受力也越來越不均勻；經(jīng)過理論推導(dǎo)，得到了CFRP修復(fù)不同凍融損傷程度混凝土構(gòu)件的抗彎承載力公式，利用ABAQUS模擬CFRP加固凍融損傷混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能，得到的計(jì)算值、模擬值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果吻合較好。

碳纖維復(fù)合材料；修復(fù)加固；凍融損傷；混凝土構(gòu)件；力學(xué)性能；試驗(yàn)

0 引言

凍融損傷一直是影響混凝土構(gòu)件耐久性的主要問題。在我國(guó)的西北和東北地區(qū)混凝土工程中凍融受損嚴(yán)重，如青藏鐵路的維修與保養(yǎng)中，大部分費(fèi)用消耗在修復(fù)隧道的混凝土襯砌中?；炷翗?gòu)件由于長(zhǎng)期受潮，吸水膨脹后產(chǎn)生裂紋，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)程度不同的裂縫[1]。凍融損傷試件的表面水泥剝離、骨料外露且坑洼不平，CFRP無法直接包裹在其表面，修復(fù)效果較差。目前，國(guó)內(nèi)外很少研究將CFRP修復(fù)技術(shù)用在凍融損傷混凝土構(gòu)件中，只有中鐵隧道集團(tuán)混凝土研發(fā)中心、中鐵一局等單位將碳纖維廢絲直接加入混凝土構(gòu)件中抵抗凍融損傷[2]。試驗(yàn)對(duì)采用特制結(jié)構(gòu)樹脂將碳纖維布浸漬、粘貼并固化成型在混凝土構(gòu)件表面，并對(duì)修復(fù)試件進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，觀察結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，分析承載力、荷載－應(yīng)變關(guān)系以及撓度等參數(shù)的變化，對(duì)實(shí)際工程有一定的探索性。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)件較小，屬于模型試驗(yàn)，截面尺寸參照文獻(xiàn)[1]為100×100×400 mm，試驗(yàn)方案詳見表1，加載裝置和應(yīng)變片位置如圖1所示。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Parameters table

圖1 加載裝置圖Fig.1 The loading device diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

試件分別經(jīng)過50、100、150和200 次凍融循環(huán)后，試件破壞狀態(tài)見圖2，未凍融的混凝土試件表面光滑和密實(shí)，凍融循環(huán)50 次后試件表面出現(xiàn)很多小孔，有少量細(xì)骨料顆粒；100 次后試件表面粗骨料裸露，出現(xiàn)微小裂縫，端部有掉渣現(xiàn)象；150 次后試件整個(gè)表面出現(xiàn)大量浮砂，裂縫越來越發(fā)育，試件端部損壞嚴(yán)重；200 次后試件表面粗骨料剝落，裂縫貫通，部分試件端部斷裂，試件破壞。最終得到了普通礦渣硅酸鹽水泥配置C30混凝土試件的質(zhì)量損失率和動(dòng)彈性模量損失率，如圖3～4所示。2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 試件的凍融破壞圖Fig.2 Specimen destruction diagram of freeze-thaw cycles

圖3 質(zhì)量損失率Fig.3 The mass loss rate

圖4 動(dòng)彈性模量圖Fig.4 The dynamic elastic modulus diagram

2.2.1 抗彎試驗(yàn)結(jié)果

試件抗彎破壞見圖5，試件凍融200次后，未加固試件端部破碎，加載值很小且斷裂突然，對(duì)試件用CFRP全包加固試件后加載，會(huì)聽到“噼啪”聲，當(dāng)試件破壞時(shí)，底部的CFRP出現(xiàn)脆性斷裂，發(fā)出“巨大”的斷裂聲，CFRP包裹截面未完全斷裂，有一定的承載力和延性。

2.2.2 參數(shù)分析

圖5 CFRP全包凍融損傷試件抗彎試驗(yàn)的破壞圖Fig.5 Destruction diagram of freeze-thaw damagablly flexural member inclusived CFRP sheets

圖6 WD0平截面荷載-應(yīng)變圖Fig.6 WD0 load-strain diagram of plane

表2 修復(fù)試件抗彎承載力Table 2 The capacity of the flexural specimens

① 承載力分析。CFRP修復(fù)凍融試件如圖6和表2所示，未凍融全包試件WD0的極限承載力最高，WD50和WD200的極限承載力下降了59.9%和 71.4%，說明凍融損傷對(duì)混凝土構(gòu)件抗彎的極限承載力影響很大。凍融50 次的全包試件WD50與凍融200 次的全包試件WD200相比，凍融損傷200 次后試件的承載力僅降低11%，說明凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)抗彎承載力影響不大。凍融200 次后全包試件WD200與未修復(fù)試件WD200W相比，全包試件的承載力提高900%，說明CFRP能有效提高承載力。

圖7 WD50平截面荷載-應(yīng)變圖Fig.7 WD50 load-strain diagram of plane

圖8 WD200平截面荷載和應(yīng)變圖Fig.8 load and strain diagram of WD200 plane

圖9 WD200W平截面荷載-應(yīng)變圖Fig.9 WD200W load-strain diagram of plane

② 平截面。圖6～9為不同凍融損傷全包試件平界面的應(yīng)變與荷載變化關(guān)系，分析可得如下結(jié)論，隨著試件凍融損傷程度的加劇，CFRP修復(fù)試件的中性軸上移越來越快，逐漸不滿足平截面的假定。

③ 荷載與應(yīng)變。CFRP修復(fù)試件支座處的荷載-應(yīng)變見圖10～13，分析得出以下結(jié)論，未凍融試件抗彎支座處受力均勻，豎向應(yīng)變相同；隨著凍融次數(shù)的增加，兩端支座處受力越來越不均勻，且變形越來越大。

圖10 左支座荷載-水平應(yīng)變圖Fig.10 strain-level load diagram of the left abutment

圖11 左支座荷載-豎向應(yīng)變圖Fig.11 strain-vertical load diagram of the left abutment

圖12 右支座荷載-水平應(yīng)變圖Fig.12 strain-level load diagram of the right abutment

圖13 右支座荷載-豎向應(yīng)變圖Fig.13 strain-vertical load diagram of the right abutment

3 全包混凝土構(gòu)件抗彎承載力計(jì)算

3.1 混凝土模型簡(jiǎn)化

3.1.1 梯形抗壓強(qiáng)度模型

基于規(guī)范（GB50010-2010）[4]推薦模型和趙彤模型[5～6]，試驗(yàn)對(duì)混凝土應(yīng)力模型簡(jiǎn)化為梯形圖，見公式⑴，應(yīng)力關(guān)系見圖14，形心距xc見公式⑵所示。

圖14 抗彎簡(jiǎn)化圖Fig.14 The bending diagram

式中，?為受壓區(qū)高度修正系數(shù)，公式見⑶，

3.1.2 不同損傷程度的混凝土強(qiáng)度模型

過鎮(zhèn)海教授利用凍融模型[7～9]對(duì)損傷混凝土分析。模型轉(zhuǎn)換后見公式⑷，

式中，ε和εc為應(yīng)變和峰值的應(yīng)變；σ和σc表示應(yīng)力和應(yīng)力峰值；A=混凝土彈性模量/割線模量，C30混凝土取1.78，l1、l2和l3分別表示凍融修正系數(shù)，見表3。

經(jīng)計(jì)算得到凍融損傷后混凝土的強(qiáng)度關(guān)系，未凍融混凝土試件的本構(gòu)關(guān)系，如公式⑸所示，

凍融50 次后混凝土本構(gòu)關(guān)系見公式⑹，

凍融200 次后混凝土本構(gòu)關(guān)系見公式⑺，

3.2 極限彎矩

根據(jù)塑性理論[10]，截面的極限彎矩Mu如公式⑻，

令Ws= S1+10S2，得公式⑼，

式中，Ws為塑性截面系數(shù)，見公式⑽，

彈性截面系數(shù)W見公式⑾，

彈性計(jì)算的彎矩和塑性計(jì)算的比值如公式⑿，

經(jīng)過彈性和塑性計(jì)算得到的極限彎矩Mu，結(jié)果相差很大，表4是試驗(yàn)所用試件的彈性和塑性計(jì)算荷載，差值約在27%，為使構(gòu)件能夠發(fā)揮一定的塑性性能，且仍要偏安全，可采用混凝土規(guī)范方法，抗彎構(gòu)件仍采用彈性理論計(jì)算，但極限值要增大，可取下限為1.20[11]。

3.3 全包加固凍融損傷構(gòu)件抗彎承載力公式

由圖15可得，截面受力平衡條件可得到理想的抗彎承載力計(jì)算公式⒀～⒂，

表3 強(qiáng)度關(guān)系參數(shù)表Table 3 The table of constitutive parameters

式中，?c?s為CFRP全包加固極限抗拉強(qiáng)度。

利用抗彎承載力公式，計(jì)算CFRP修復(fù)損傷試件的抗彎承載力，分別為23.66、7.8和6.2 kN。與試驗(yàn)結(jié)果相比，誤差控制在8%。

4 CFRP加固凍融損傷構(gòu)件非線性分析

表4 彈塑性荷載計(jì)算Table 4 The elastic and plastic load table

圖15 CFRP修復(fù)混凝土構(gòu)件抗彎受力圖Fig.15 The strengthened beams diagram reinforced of CFRP sheets

采用ABAQUS對(duì)CFRP修復(fù)凍融損傷試件進(jìn)行抗彎模擬，在前處理模塊中建模，CFRP的模型采用殼單元S4R，混凝土采用的是實(shí)體單元C3D8R模型，粘結(jié)劑不計(jì)厚度，采用模型為內(nèi)聚力單元C0H3D8，其混凝土與CFRP的表面處理采用tie連接。建好模型后劃分網(wǎng)格。

在加載時(shí)，要先選好參考點(diǎn)并搭建耦合關(guān)系，使軟件處理達(dá)到收斂效果[12]。

通過對(duì)圖16分析得如下結(jié)論，凍融循環(huán)50 次后，撓度變化基本相同；隨著凍融次數(shù)的增加，撓度值越來越小。通過ABAQUS對(duì)修復(fù)損傷梁進(jìn)行非線性分析，較好的反映出CFRP修復(fù)損傷試件的受力性能。

圖16 試件的荷載—撓度圖Fig.16 the load-deflection diagram

5 結(jié)語(yǔ)

⑴ 對(duì)礦渣硅酸鹽水泥制備的C30混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過凍融循環(huán)125次后彈性模量損失達(dá)到10%，循環(huán)175 次后質(zhì)量損失達(dá)到5%，動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失作為混凝土耐久性基本參數(shù)，判斷存在一定誤差。同時(shí)試驗(yàn)還建立了不同凍融損傷程度下混凝土的本構(gòu)關(guān)系。

⑵ 對(duì)CFRP修復(fù)凍融試件進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，結(jié)果表明：凍融對(duì)試件的抗彎性能影響很大，經(jīng)過CFRP修復(fù)后，能大幅度增加損傷試件的承載力；但循環(huán)次數(shù)（即試件凍融損傷程度）對(duì)抗彎承載力影響不大；隨著凍融損傷程度的加劇，試件受力小、變形大且中性軸朝受壓面上移越來越快，以致于不適用平截面的假定。

⑶ 通過理論計(jì)算和ABAQUS模擬，得到了不同凍融損傷程度下CFRP全包試件的抗彎承載力公式，試驗(yàn)值與計(jì)算、模擬值相比，存在8%的誤差，較好印證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

[1] 周禹. 鋼筋銹蝕與凍融作用下鋼筋混凝土梁的抗彎性能[D]. 包頭: 內(nèi)蒙古科技大學(xué), 2012.

[2] 冀曉東. 凍融后混凝土力學(xué)性能及鋼筋混凝土粘結(jié)性能的研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2007.

[3] 曾憲桃, 成香莉, 高保彬. 內(nèi)嵌碳纖維增強(qiáng)塑料板條抗彎加固混凝土梁試驗(yàn)研究[J]. 工程力學(xué), 2008, 25(12): 106-113.

[4] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2010.

[5] 趙彤, 謝劍, 戴自強(qiáng). 碳纖維布提高鋼筋混凝土梁受剪承載力試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2000, 30(7): 21-25.

[6] 趙彤, 謝劍, 戴自強(qiáng). 碳纖維布約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2000, 30(7): 40-43.

[7] 祝金鵬. 凍融循環(huán)后混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南: 山東大學(xué), 2009.

[8] 商懷帥, 宋玉普, 覃麗坤. 普通混凝土凍融循環(huán)后性能的試驗(yàn)研究[J]. 混凝土與水泥制品, 2005, (2): 9-11.

[9] 楊忠偉. 凍融循環(huán)作用下混凝土單軸受壓性能試驗(yàn)研究[D]. 揚(yáng)州: 揚(yáng)州大學(xué), 2010.

[10] 李廉錕. 結(jié)構(gòu)力學(xué)(第四版): 下冊(cè)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[11] 謝建和, 黃培彥, 郭永昌, 等. 預(yù)應(yīng)力FRP加固RC梁界面疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究[J]. 工程力學(xué), 2011, 28(7): 180-185.

[12] 劉濤. 碳纖維(CFRP)布加固混凝土矩形柱的性能研究[D]. 上海: 上海大學(xué), 2006.

The research on bending properties of freezing-thawing damageable beams strengthened by CFRP sheets

NIE Hong-bin1, JIA Liang1, NIE Xiao-mei2,3

( 1. Railway Engineering Department, Shanxi Railway Institute, Shanxi Weinan 714099 China; 2. The Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering, Shenyang 110044 China; 3. Shenyang University, Shenyang 110044 China )

In order to further research the mechanical properties of the bending component of freeze-thaw damage concrete by CFRP reinforced. The bending test are carried out by the 12 root of component of freeze-thaw damage by CFRP sheet reinforced. Test shows that CFRP sheet can effectively increase the bending bearing capacity of damage specimen and ductility performance, especially the whole package way. Through theoretical calculation, the bending bearing capacity formula of component ordinary concrete reinforced and the reinforced component after freeze-thaw damage are deduced. Using ABAQUS simulated the mechanical properties of the bending component of freeze-thaw damage concrete by CFRP reinforced, the calculated value and simulation value compared with the test results and the results are coincident.

CFRP; repair reinforcement; freezing-thawing damageable; concrete component; mechanical properties; test

TQ327.3; TU377

A

1007-9815（2016）02-0038-06

定稿日期:2016-04-18

國(guó)家支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAJ06B04），陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2012年第二批科研基金項(xiàng)目（2014-44）

聶紅賓（1986-），男，陜西大荔人，講師，博士研究生，從事混凝土耐久性研究，(電子信箱)niehongbin@126.com。