李俊清 李永兵

（1.內(nèi)蒙古呼倫貝爾學(xué)院建筑工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008 2.內(nèi)蒙古財經(jīng)大學(xué)工商管理學(xué)院 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

引言

碳纖維材料以其輕質(zhì)高強的特性廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)加固中，但在極高寒如呼倫貝爾地區(qū)有關(guān)碳纖維加固 RC結(jié)構(gòu)的實際工作性能的研究成果幾近空白。

工程結(jié)構(gòu)過早地破壞，許多情況下并不是設(shè)計缺陷而是建筑物的耐久性未達(dá)到要求，通常認(rèn)為，工程材料自身特性和施工質(zhì)量是決定結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)因，而工程結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件和防護措施則是影響其耐久性的外因。在我國呼倫貝爾地區(qū)，凍融作用是影響室外工作環(huán)境下混凝土構(gòu)件耐久性的主因之一?；炷两Y(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)過反復(fù)凍融循環(huán)后，內(nèi)部顆粒之間的空隙會逐漸增大，裂紋增多，混凝土疏松，強度降低從而破壞?，F(xiàn)通過對12塊2005年制作的受10年凍融作用的鋼筋混凝土雙向板進行碳纖維加固試驗研究，以分析其抗彎工作性能。

1.試驗情況說明

1.1 試驗條件

實驗室室內(nèi)正常溫度（20±3℃）下貼布加固，室外平均氣溫-39℃條件下進行加載試驗。

1.2 試驗對象

本次試驗所用構(gòu)件為 2005年制作的 12塊1800mm×1500mm×70mm的鋼筋混凝土雙向板，這些板在室外自然環(huán)境下層疊堆放10年，已經(jīng)過由季節(jié)變換而致的多次凍融循環(huán)。板內(nèi)受力鋼筋采用HPB235，于板底雙向配置，各板配筋均為：長向φ6.5@207mm，短向φ6.5@194mm。試驗板的混凝土強度等級設(shè)計為C20，板的平均保護層厚度為15mm。由于板處于未工作狀態(tài)，因此其受損情況不嚴(yán)重，外觀依然完好。未有明顯的混凝土大面積脫落發(fā)生。

1.3 材料性能

C20混凝土彈性模量2.85×104MPa，棱柱體抗壓強度17.75 MPa，立方體抗壓強度26.52 MPa；鋼筋彈性模量屈服強度MPa，極限強度。加固材料采用日產(chǎn)UT70-30碳纖維布及相關(guān)的配套用膠，碳纖維布單層厚度0.167mm，彈性模量，抗拉強度fcu=3430MPa，極限應(yīng)變 2.1%。

1.4 加載加固方式

因?qū)嶒炇覘l件有限，且為了與2005年室溫條件下加固板的研究數(shù)據(jù)進行比較，本試驗依然采用2005年的試驗設(shè)備，采用手動千斤頂進行四點靜力加載法實現(xiàn)加載，用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集鋼筋、混凝土及碳纖維的應(yīng)變。表 1中列出試驗加載對象，每一類型試驗板取2兩塊重復(fù)兩次試驗，取試驗結(jié)果的兩次平均值。

表1 試驗板貼布、貼片、加載方案

2.試驗結(jié)果分析比較

2.1 荷載——鋼筋拉應(yīng)變曲線分析

以下為 2015年冬季室溫（20±3℃）及高寒（平均-39℃）條件下對比板與加固板相關(guān)測點鋼筋拉應(yīng)變曲線對比圖。

圖1 B0短跨跨中鋼筋拉應(yīng)對比變曲線圖

圖2 B1短跨跨中鋼筋拉應(yīng)對比變曲線圖

圖3 B5短跨跨中鋼筋拉應(yīng)對比變曲線圖

圖4 B4短跨跨中鋼筋拉應(yīng)對比變曲線圖

圖5 高寒加載條件 B0、B1、B2、B3、B4、B5短跨中點鋼筋拉應(yīng)變曲線

從總體分析各板鋼筋應(yīng)變曲線圖可知，各試驗板的短跨中點的鋼筋均已屈服，且均有較明顯的屈服臺階。但與2005年試驗結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)對比板與加固板鋼筋的屈服強度降低，應(yīng)變增加，而且對比板B0的室溫破壞強度值及各加固板的破壞強度值比2005年的試驗結(jié)果有一定降低，這緣于混凝土構(gòu)件的時效及反復(fù)凍融的影響結(jié)果。

各加固板鋼筋屈服后其荷載——拉應(yīng)變曲線斜率發(fā)生突變，原因是碳纖維發(fā)揮作用所致。有的鋼筋其荷載——應(yīng)變曲線走勢異常，分析原因主要是由于應(yīng)變片粘貼質(zhì)量較差或是鋼筋變形過大，加載過程中應(yīng)變片從鋼筋上脫落等原因?qū)е?。另外從每個加固板鋼筋應(yīng)變曲線圖上可以看出，室溫與高寒環(huán)境下同方案加固的雙向板在同值荷載作用下其鋼筋應(yīng)變只是高寒環(huán)境下的稍大些，且高寒環(huán)境下板的破壞荷載均小于室溫環(huán)境，其中多數(shù)是由于碳纖維早剝離所致。

從圖5曲線可以看出，對比板B0短跨中點鋼筋應(yīng)變最大，中密兩疏貼法的板與加壓條的板其短跨中點鋼筋應(yīng)變最小?？梢娫谕刻祭w維下，多條密布且中密兩疏粘貼方式效果最好，應(yīng)優(yōu)先采用。而加壓條的加固板的受力性能幾乎等同于中密兩疏分條貼的板，因此加壓條尤為必要。由圖5還可知，同荷載下粘貼兩層布的B4板的鋼筋應(yīng)變比粘貼一層的板小，因此適量增加貼布量可行。加壓條后的板B5其鋼筋拉應(yīng)變遠(yuǎn)小于同載下的 B1板，且小于同載下的兩層粘貼板 B4?？梢娫陔p向板的加固中，加壓條的加固方式同樣是非常有效且應(yīng)優(yōu)先采用的。說明即使在高寒環(huán)境下，中密兩疏及加壓條的貼布方式仍是有效的加固方案。

2.2 荷載—碳纖維拉應(yīng)變曲線分析

以下為2015年分別在室溫與高寒環(huán)境下加載碳纖維加固板由數(shù)據(jù)繪制的各板跨中荷載與碳纖維拉應(yīng)變曲線圖。

圖6 B1短跨中碳纖維拉應(yīng)變曲線

圖7 B3短跨中碳纖維拉應(yīng)變曲線

圖8 B5短跨中碳纖維拉應(yīng)變曲線

圖9 高寒加載條件各加固板短跨中部碳纖維拉應(yīng)變曲

從現(xiàn)在試驗結(jié)果分析得知，經(jīng)過10年自然氣候環(huán)境下反復(fù)凍融，各試驗板貼碳纖維布加固后，碳纖維拉應(yīng)變曲線圖所反映的仍然是隨外荷載的增加碳纖維的拉應(yīng)變不斷增加，且荷載—拉應(yīng)變曲線走勢依然基本呈線性。各試驗板短向跨中碳纖維應(yīng)變均大于長向跨中碳纖維應(yīng)變，但應(yīng)變均未達(dá)極限。同載下，B4、B5應(yīng)變相對接近且最小，綜合分析B5比B4應(yīng)變小。因此，同量用布情況加壓條的加固方案與中密兩疏貼布方案應(yīng)優(yōu)先采用。只是各加固板破壞荷載較10年前降低，而板趨于破壞時碳纖維拉應(yīng)變基本與10年前破壞時應(yīng)變無太大變化。原因在于現(xiàn)階段受損板開裂早，碳纖維提早接替鋼筋進入受拉工作狀態(tài)。

2.3 板承載力分析

經(jīng)過10年高寒自然氣候條件凍融作用，進行板加固試驗，發(fā)現(xiàn)無論是室溫還是高寒條件加載，對比板B0在受拉鋼筋屈服后，在荷載增量不大的情況下，板的變形很大，板很快破壞。粘貼碳纖維布后，如表 2所示，板的開裂荷載、屈服荷載及破壞荷載都有不同程度的提高。

在碳纖維用量相同，粘貼方式不同的一組試驗中，貼了碳纖維的 B1、B2、B3、B4、B5板，在受拉鋼筋屈服后板的承載能力依然很強，可見碳纖維有效地提高了板的后期強度?？傮w分析試驗結(jié)果可見，受損板相比于2005年實驗結(jié)果無論是否加固其承載力均相應(yīng)降低較大，但在同時期（2015年）碳纖維加固后的板其承載力有顯著提高，相對于未加固板，開裂荷載最高提高達(dá)75%，屈服荷載最高提高達(dá)100%，極限破壞荷載最高提高達(dá)118%。增加貼布量可有效提高板承載力，分條貼比整體貼加固效果好，但從加固效果及經(jīng)濟角度考慮，分條中密兩疏貼布方案與加壓條的貼布方案仍然是提高加固板承載力最有效的方法。不過分析看出，在2015年高寒環(huán)境下各試驗板分別受載后，其開裂荷載，屈服荷載及極限破壞荷載較室溫環(huán)境雖然均有所降低，但降低值不大，只是高寒環(huán)境下加載的板其剝離破壞現(xiàn)象嚴(yán)重。

表2 2015年冬季試驗板承載能力試驗數(shù)據(jù)對比

3.結(jié)論

3.1 在呼倫貝爾高寒特征環(huán)境下，經(jīng)過10年之久的自然氣候反復(fù)凍融作用的混凝土雙向板，其抗彎強度較初始未受損狀態(tài)均有明顯降低。其混凝土表層均已不同程度地質(zhì)變疏松。未加固的受損板的開裂荷載在室溫與高寒加載條件下均降低了25%，屈服荷載均降低了10%，極限荷載在室溫加載下降低了 10%，在高寒加載條件下降低了18%。

3.2 處于高寒環(huán)境經(jīng)受自然氣候反復(fù)凍融作用的鋼砼板，在相同加固方案下，在室溫與高寒條件下加載，板的開裂荷載，屈服荷載，極限破壞荷載均體現(xiàn)為高寒環(huán)境下的值偏低，板內(nèi)鋼筋拉應(yīng)變，碳纖維拉應(yīng)變均體現(xiàn)為高寒環(huán)境下的值偏大。即惡劣的工作環(huán)境會影響加固效果。

3.3 處于高寒工作環(huán)境下的鋼筋混凝土板，采用碳纖維加固可有效提高板的抗彎工作能力，分條以中密兩疏的方式或在受力碳纖維條帶兩端加壓條的貼布方式是提高板抗彎能力最有效的加固方式，應(yīng)優(yōu)先采用。