郭衛(wèi)彤 蘇建遙

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)以其高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、抗磁性、電絕緣性、良好的抗疲勞、等性質(zhì)及施工方便等優(yōu)點(diǎn)，使得FRP筋材正在被越來(lái)越多地應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)加固中[1,2].在結(jié)構(gòu)加固過(guò)程中，F(xiàn)RP筋材的加固效果很大程度上取決于其與混凝土構(gòu)件的連接性能，兩者連接方式可分為膠接、機(jī)械連接和混合連接[3,4].NSM-FRP法是近年來(lái)開發(fā)的一種新FRP加固方法[5]，該方法是預(yù)先在構(gòu)件的混凝土保護(hù)層內(nèi)開槽，將FRP筋材用環(huán)氧樹脂嵌入其中，灌入樹脂填平凹槽以加固混凝土構(gòu)件.

粘結(jié)性能是FRP筋嵌入式加固是否有效的關(guān)鍵因素，為了研究FRP筋加固的切實(shí)可行性及加固效果，本文通過(guò)試驗(yàn)研究FRP嵌入式加固混凝土的有效性.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件主要是為了確定FRP筋和混凝土之間的粘結(jié)性，此問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是樹脂膠和混凝土及FRP筋之間的粘結(jié)性以及樹脂膠的強(qiáng)度.即考慮在嵌入式加固中，試件破壞時(shí)是膠和混凝土之間的粘結(jié)發(fā)生失效，還是樹脂和FRP材料之間的粘結(jié)發(fā)生破壞，或者是粘結(jié)材料強(qiáng)度不夠造成粘結(jié)失效.為此我們?cè)O(shè)計(jì)如下試件：混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C20，采用φ7.4和φ11.5兩種FRP材料共計(jì)2組試件，每組2塊共計(jì)4塊，所有試塊尺寸為100×200×2200，并嵌入一根FRP筋材.另外制作無(wú)FRP筋嵌入混凝土強(qiáng)度為C20試件一塊，編號(hào)為試件0，用于試驗(yàn)對(duì)比.配筋為受壓區(qū)3φ12，受拉區(qū)為2φ12，以便試件受壓區(qū)混凝土具有足夠的抗壓強(qiáng)度而發(fā)生受拉區(qū)破壞，此外，還要配置足夠的抗剪鋼筋防止試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生剪切破壞，從而便于研究FRP筋材的粘結(jié)性.試件構(gòu)造如圖1所示.設(shè)計(jì)試驗(yàn)純彎段為1000 mm，試驗(yàn)加載裝置如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)加載裝置

2 試件制作

2.1 試件制作要求

在試件制作過(guò)程中，開槽應(yīng)當(dāng)盡量減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的損害.一般開槽尺寸以筋的直徑的1.5倍計(jì)，且小于20 mm.在結(jié)構(gòu)構(gòu)件開槽后，用空壓機(jī)或其他除塵設(shè)備仔細(xì)清除槽中的混凝土殘?jiān)w粒及浮塵，否則，殘?jiān)赡軙?huì)影響FRP筋與原結(jié)構(gòu)的粘結(jié)，從而影響加固效果.將FRP放入槽中后輕壓，使筋與原結(jié)構(gòu)的粘結(jié)更加密實(shí).然后將擠壓溢出的膠用刮刀等抹去.

圖3 嵌入法施工工藝

2.2 試件制作

試件1嵌入φ7.4長(zhǎng)為1300 mmFRP筋材一根，開槽寬度為10 mm，純彎區(qū)為1 m，F(xiàn)RP筋材兩端伸出純彎區(qū)分別為150 mm.試件2嵌入φ7.4長(zhǎng)為1600 mmFRP筋材一根，開槽寬度為10 mm，純彎區(qū)為1 m，F(xiàn)RP筋材兩端伸出純彎區(qū)分別為300 mm.試件3嵌入φ11.5長(zhǎng)為1300 mmFRP筋材一根，開槽寬度為15 mm，純彎區(qū)為1 m，F(xiàn)RP筋材兩端伸出純彎區(qū)分別為150 mm.試件4嵌入φ11.5長(zhǎng)為1600 mmFRP筋材一根，開槽寬度為15 mm，純彎區(qū)為1 m，F(xiàn)RP筋材兩端伸出純彎區(qū)分別為300 mm.試件構(gòu)造如圖4所示.

圖4 試件FRP筋嵌入構(gòu)造圖

試件編號(hào)混凝土材料FRP直徑(mm)粘結(jié)長(zhǎng)度0C20——1C207.413002C207.416003C2011.513004C2011.51600

試件具體參數(shù)見下表所示

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

試件0未嵌入FRP筋，用于同其他試件進(jìn)行對(duì)比，以確定FRP材料嵌入式加固法的有效性和效率高低.此試件破壞為彎曲破壞，破壞時(shí)受拉區(qū)混凝土開裂，鋼筋屈服，但是受壓區(qū)混凝土未被壓碎.試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)荷載增加到約25 KN時(shí)，試件開始產(chǎn)生第一條裂縫，即開裂荷載為25 KN，隨著荷載的增加混凝土開裂逐漸增多，裂縫寬度加寬，當(dāng)荷載加至49 KN時(shí)，受拉區(qū)鋼筋屈服，試件破壞.

試件1最終破壞荷載約為64 KN，整個(gè)加載過(guò)程當(dāng)荷載加到超過(guò)38 KN時(shí)，試件開始在純彎區(qū)出現(xiàn)彎曲裂縫，隨著荷載增加，裂縫在彎曲段內(nèi)逐漸開展，數(shù)量增多，寬度增大.當(dāng)荷載增大到64 KN時(shí)，試件破壞，破壞形態(tài)為FRP筋端部發(fā)生膠層劈裂，帶周邊小塊混凝土碎屑剝離，F(xiàn)RP筋被拔出.

試件2最終破壞荷載大約為76 KN，在整個(gè)加載過(guò)程中當(dāng)荷載加載至約39 KN時(shí)試件純彎曲開始產(chǎn)生裂縫，隨著荷載繼續(xù)增加，裂縫繼續(xù)開展，增多、增寬.當(dāng)荷載增加至破壞荷載76 KN時(shí)，試件開始破壞.破壞形態(tài)為FRP筋端部膠層帶周邊混凝土保護(hù)層碎裂剝離，F(xiàn)RP筋被拔出.

試件3最終破壞荷載為70 KN，整個(gè)加載過(guò)程當(dāng)荷載加到約40 KN時(shí)，試件開始在純彎區(qū)出現(xiàn)彎曲裂縫，隨著荷載增加，裂縫在彎曲段內(nèi)逐漸開展，數(shù)量增多，寬度增大.當(dāng)荷載增大到70 KN時(shí)，試件破壞，破壞形態(tài)為FRP筋端部發(fā)生膠層劈裂，帶周邊小塊混凝土碎屑剝離，F(xiàn)RP筋被拔出.

試件4最終破壞荷載大約為81 KN，在整個(gè)加載過(guò)程中當(dāng)荷載加載至約39 KN時(shí)試件純彎曲開始產(chǎn)生裂縫，隨著荷載繼續(xù)增加，裂縫繼續(xù)開展，增多、增寬.當(dāng)荷載增加至破壞荷載81 KN時(shí)，試件開始破壞.破壞形態(tài)為破芳FRP筋端部膠層帶周邊混凝土保護(hù)層碎裂剝離，F(xiàn)RP筋被拔出.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2和圖6.

表2 加固效果對(duì)比表

圖6 加固效果對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象及上表2和圖6發(fā)現(xiàn)，試件2，3，4，破壞方式基本相同，為粘結(jié)破壞，破壞中受拉混凝土未發(fā)生壓碎，試件2較之于試件1，試件4較之于試件3開裂荷載基本不變，而承載列具有較高的提高，說(shuō)明在加固中FRP粘結(jié)性和錨固的可靠與否是影響承載力的主要因素，在整個(gè)試驗(yàn)中FRP筋為達(dá)到其極限承載強(qiáng)度，說(shuō)明FRP筋強(qiáng)度未能充分應(yīng)用，如果充分發(fā)揮FRP高強(qiáng)抗拉能力應(yīng)該對(duì)FRP做相應(yīng)的錨固措施，并且防止受壓區(qū)混凝土在FRP筋破壞前發(fā)生壓碎破壞.

試件3、4較試件1、2FRP加固配筋率有很大提高，但是嵌筋加固后承載力提高并不明顯，說(shuō)明由于在試驗(yàn)中破壞的主要方式為粘結(jié)破壞，所以單純的提高配筋率的提高承載能力貢獻(xiàn)不大.

與第0組試塊對(duì)比發(fā)現(xiàn)，所有加固構(gòu)件開裂荷載和破壞荷載均有提高，特別是破壞荷載提高比較多，這說(shuō)明FRP筋嵌入式加固對(duì)構(gòu)件的開裂具有一定的延緩作用，對(duì)于提高構(gòu)件的承載力具有明顯的效果.

4 結(jié) 論

(1)在加固中FRP粘結(jié)性和錨固的可靠與否是影響承載力的主要因素，在整個(gè)試驗(yàn)中FRP筋為達(dá)到其極限承載強(qiáng)度，說(shuō)明FRP筋強(qiáng)度未能充分應(yīng)用，如果充分發(fā)揮FRP高強(qiáng)抗拉能力應(yīng)該對(duì)FRP做相應(yīng)的錨固措施，并且防止受壓區(qū)混凝土在FRP筋破壞前發(fā)生壓碎破壞.

(2)試驗(yàn)表明破壞的主要方式為粘結(jié)破壞，所以單純的提高配筋率的提高承載能力貢獻(xiàn)不大.

(3)FRP筋嵌入式加固對(duì)構(gòu)件的開裂具有一定的延緩作用，對(duì)于提高構(gòu)件的承載力具有明顯的效果.

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