碳纤维布加固混凝土梁耐久性的研究_4642447a_aa8e_4f81_b511

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引言

近年来，对已有老建筑和存在缺陷的建筑加固改造与修复，使得FRP（fiber－reinforced polymer)即纤维增强复合材料在全世界得到广泛应用。由于受到侵蚀性环境的影响，这些建筑的强度和刚度严重降低，产生裂缝和挠度过大，严重影响到结构的使用。新型的纤维增强复合材料如CFRP外贴钢筋混凝土梁的加固方法正在得到广泛应用。

我国于2003年颁布实施了《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CCS146:2003），实施近十年来，全国各地的加固公司如雨后春笋般涌现出来，我国的碳纤维布加固技术正在走向成熟。随着人们对混凝土结构耐久性的重视，这种对经过纤维布加固的混凝土结构的耐久性研究也日益为广大工程技术人员所重视。

目前国内混凝土梁加固用的纤维有玻璃纤维(G F ）及碳纤维（CF），现在又有工程技术人员提出了混杂纤维，即将玻璃纤维及碳纤维按一定比例混杂。碳纤维的抗拉强度和弹性模量很高，断裂延伸率底，仅为1％～5％，价格昂贵。玻璃纤维的抗拉强度和弹性模量都较低，但断裂延伸率高，可达3％～5.4％。混杂纤

维复合材料（HFRP）使抗冲击性能提高，疲劳寿命提高，而且比较经济。对经过FRP加固的混凝土梁的耐久性研究，应从以下几个方面进行。

1、材料本身的耐久性

1.1 FRP的耐久性

混凝土结构会在各种环境下工作，因此会受到诸如湿度、自然老化、温度的升高、阳光的光照（尤其是紫外线）等因素的影响。已有研究表明CFRP的耐久性能良好，GFRP对湿度和紫外线较为敏感，可以采用如下的试验方法：

（1）温度循环。-20℃到+50℃变化，每个循环持续24h，其中升温5h，降温17h，在每个端点温度下停留1h。当每个循环结束后，测定FRP 的重量损失及其力学性能，如抗拉强度、抗弯强度。多次循环后，将成果进行分析对比。

（2）湿度循环、环境温度30℃，相对湿度100％。在暴露一定时间后，如每8 h测定 FRP的重量损失及其力学性能。多次循环后，将成果进行分析对比。

1.2 粘合剂的耐久性

目前，通常采用的粘合剂是环氧树脂。可采用同上的温度循环和湿度暴露的方法，测试环氧树脂的弹性模

量、抗拉强度及极限应变。已有试验表明，环氧树脂经温度循环后强度和弹性模量都相应提高。但是，抗拉强度和弹性模量都显著下降，水是重要的破坏因素。

2、粘合面的耐久性

有两个粘合面，混凝土与粘合剂的界面以及粘合剂与FRP的界面。影响上述两粘合面的耐久性的因素有：

①FRP的类型和力学性质； ②FRP的空隙率和渗透性； ③混凝土结构表面处理情况； ④底层胶的类型（如果采用）； ⑤粘结剂的类型和养护时间； ⑥暴露的环境时间； ⑦加固后结构的工况。 FRP材料与混凝土结构的粘结面是加固中的薄弱环节，可采用正交试验的方法来确定耐久性较高的粘结面的几个特征值。

J.Liu和C.Vipulanandan已对粘结破坏模式进行了详细论述。他们指出，通过 CIGMAT CT－2的测试方法，可以得出五种破坏类型：第一种为混凝土破坏，这是由于混凝土受拉造成的，说明粘结层与混凝土之间的粘结强度要比混凝土的抗拉强度高。第二种为粘结层的粘结破坏，这是由于粘结层的抗拉强度比粘结强度低，

摘要：对碳纤维布加固混凝土梁的耐久性研究分别从材料本身、粘合面及加固后混凝土梁的耐久性三个方面进行了论述。

关键词：耐久性；碳纤维；混凝土梁；研究方法

Abstract：This paper provides three methods studying the durability of RC beams strengthed witn FRP，such asthe durability of materials，bonding and RC beams strengthed with FRP．

Key words：durability；concrete beams；FRP；study method

的研究

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而且比混凝土的抗拉强度低。第三种为粘结表面破坏，这种破坏发生在粘结层与混凝土表面之间，这是由于涂层与混凝土表面之间的粘结强度较弱造成的。第四种类型是一种兼有粘结和混凝土的破坏，在这种破坏中，涂层与混凝土之间的粘结强度与混凝土基底要高；冻融循环、紫外线照射、温度湿度变化对粘结强度的影响较大。第五种类型是一种兼有粘结和粘结层的破坏，在这种破坏中，涂层与混凝土之间的粘结强度与涂层的抗拉强度接近。粘结面对环境的敏感程度比FRP材料本身和混凝土基底要高；冻融循环、紫外线照射、温度湿度变化对粘结强度的影响较大。

3、加固后混凝土梁的耐久性

加固后混凝土梁同样可能会受到诸如温度、湿度、自然老化、氯盐侵蚀、酸溶液、碱溶液以及炭化、冻融一解冻的外界条件的影响。对这些单一作用或几种条件共同作用下的混凝土梁的耐久性应当给予足够的重视。由此，提出试验方法。

3.1 试验方法

要研究FRP加固后梁的耐久性，应当采用对比试验方法。采用基准梁（与其它梁的加固方式、方法及加固量完全相同，但仅在自然条件下）与试验梁进行对比。试验梁的加固方式、方法及加固量完全相同。而且每根试验梁仅承受一种环境条件。在遭受完环境暴露后及对试验梁进行抗弯承载力试验或疲劳试验。同样，基准梁也要进行进行抗弯承载力试验或疲劳试验由上，得出各自的荷载——挠度曲线，进行比较分析得出结论。

3.2 环境条件

（1）100％相对湿度

为了提供能充分满足设计条件的环境，可设计制造能够容纳试验梁的不锈钢水槽。此水槽应有足够的长度以容纳混凝土梁，同时还要有足够的深度，可以放置几层梁。放置时，层与层之间用木块垫起，以保证梁充分润湿。将试验梁分层放置是要梁的浸泡时间由级差，以便于更好地对比浸

泡时间的长短对试验梁的影响。在实

验梁达到浸泡时间后，将其从水槽中

取出，干燥后，称其重量损失，待后

进行力学试验。

（2）标准强碱溶液、海水溶液

可采用与上相同的水槽，但是将

水换成标准强碱溶液。此溶液的浓度

可用浓度百分比控制，也可用pH值控

制。要随时测定试验进行中的OH-的

浓度，保证浓度基本恒定。试验梁的

放置与上也相同，分层分列。上下两

层间用木块垫起。试验中还应保证整

个水槽中的浓度相差不要太大。在实

验梁达到浸泡时间后，将其从水槽中

取出，干燥后称其重量损失，待后进

行力学试验。

（3）干热环境

设计制造标准干热燃烧室以满

足标准要求。在100％相对湿度条件

下，试验梁也要分层分列放置。燃

烧室加热到 60℃，让各层梁遭受到

的平稳热流的时间要有级差。当试

验梁达到相应的时间后，将其从燃

烧室中取出，称重，待后进行力学

试验。

（4）冻融——解冻循环

另外设计一个新的燃烧室以满足

本试验的要求。此试验中，试验梁的

放置不用成层，单层即可。可采用下

列温度控制过程：首先降温从4℃降

到-17．8℃，然后升温从-17．8℃到

4℃，每个冻融解冻循环要4h。用空气

来冻融试验梁，而用水将其解冻。燃

烧室中的冻融解冻达350周循环后，将

其取出称重，待后进行力学试验。

（5）热膨胀

可以采用与冻融解冻循环同样

大小的燃烧室。此燃烧室的设计最

高温度为 75±5℃，最大相对湿度

100％。采用的每个热膨胀包含如下

过程：首先升温到48．9±1．5℃，

然后降温到26．7±1．5 ℃。每个热

膨胀循环的试验周期为5h。全部的试

验梁要经历35次热膨胀循环。后从燃

烧室中取出，将其取出称重，待后进

行力学试验。

（6）酸性溶液

要设计制造不与酸发生反应的水

槽，其尺寸可采用与100％相对湿度

条件相同的尺寸。在浸泡过程中，要

随时测定试验进行中H+浓度，保证

浓度基本恒定。试验梁的放置也是分

层分列放置，且用木块垫起。试验中

还应保证整个水槽中的浓度相差不要

太大。在实验梁达到浸泡时间后，将

其从水槽中取出，干燥后称其重量损

失，待后进行力学试验。

3.3 力学实验

可以采用一般的静载试验方法，

测定方法是：三分点处简支，分配梁

实现加荷，用百分表测中点挠度，作

荷载——中点挠度曲线。由此可以得

出哪种环境条件单一作用对混凝土梁

的力学性能（包括破坏荷载、中点挠

度以及应变）最为不利，并且由观察

到的破坏类型进行分析归纳。

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（选自：《江苏建材》）

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