尹世平，余玉琳，那明望

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

1 研究背景

處于海洋環(huán)境和除冰鹽環(huán)境中的鋼筋混凝土橋梁等結(jié)構(gòu)，氯鹽侵蝕是引起鋼筋銹蝕的最主要原因，而荷載作用會從微細(xì)觀尺度上改變混凝土的孔隙特征，甚至使混凝土產(chǎn)生損傷和開裂，進(jìn)而影響氯鹽向鋼筋表面的傳輸速率和鋼筋脫鈍、起銹時間［1-2］。大壩、渡槽及水閘等水工結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下一旦發(fā)生破壞，就會使結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生裂縫，隨著水荷載的反復(fù)作用以及進(jìn)一步的腐蝕作用，裂縫將進(jìn)一步擴大，這樣不但會對結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命產(chǎn)生直接的影響，而且會造成一定輸水損失，從而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。這就在客觀上需要對這些混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)、加固、補強，增強其耐久性和可靠性［3］。目前最常用的加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)是外部粘結(jié)纖維增強聚合物（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP），但是此加固方法存在一定局限性［3］，如：（1）耐高溫和耐火性差及受紫外線影響大；（2）低溫環(huán)境下施工過于困難，且不適用于潮濕的混凝土表面；（3）膠體材料與混凝土基底的不協(xié)調(diào)性，且缺乏蒸汽滲透性。纖維編織網(wǎng)增強混凝土（Textile Reinforced Concrete，TRC）的出現(xiàn)為解決這個問題提供了一個新的思路，TRC不僅結(jié)合FRP的一些優(yōu)點，而且能夠克服FRP的一些不足［4］。與傳統(tǒng)加固材料相比，TRC和既有混凝土結(jié)構(gòu)能更好地協(xié)調(diào)和相容［5］。此外，TRC基本不會使原構(gòu)件的尺寸和自重發(fā)生改變［3，6］。

目前，許多學(xué)者對TRC加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎性能和裂縫發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。尹世平等［7-8］研究表明，采用單面加固或U形加固都可以提高梁的承載力和疲勞壽命，改善裂縫形式；同時把TRC與CFRP加固的RC梁進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)TRC的荷載提高能力稍遜于CFRP，但延性和裂縫控制能力優(yōu)于CFRP。Contamine等［9］研究表明，常規(guī)環(huán)境下使用TRC對混凝土梁進(jìn)行加固和使用CFRP加固對梁的整體性能影響比較相似，但是TRC加固梁的整體性能更趨于穩(wěn)定。Gopinath等［10］對單調(diào)荷載和低周疲勞荷載作用下的玄武巖TRC加固梁研究表明，不管是單調(diào)荷載還是低周疲勞荷載下加固梁的破壞模式和裂縫開展基本相同，都得到了較好的改善。Verbruggen等［11］研究了不同加固接觸面積對素混凝土梁裂縫開展的影響，研究發(fā)現(xiàn)，TRC對裂縫的開展具有較好的橋接作用，能較好地限制裂縫開展和提升承載力。文獻(xiàn)［12-13］還針對環(huán)氧樹脂浸漬過的纖維編織網(wǎng)聯(lián)合鋼筋增強混凝土受彎構(gòu)件的計算理論進(jìn)行了研究，并給出了整個加載過程中不同階段正截面的承載能力的計算公式。

通過以往的研究可以發(fā)現(xiàn)，TRC對混凝土梁的抗彎增強有著較好的效果。然而氯鹽侵蝕作用下TRC加固承載RC梁的研究還較少，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮干濕循環(huán)及其與彎曲應(yīng)力的耦合作用對TRC加固承載RC受彎梁抗裂性能的影響。

2 試驗概況

2.1 試驗設(shè)計整個試驗共制作了7根鋼筋混凝土梁。其中不加固梁1個，承載加固梁6個，梁的信息見表1。文獻(xiàn)［8，14］承載加固梁是在0.2的持載比下進(jìn)行加固。梁的設(shè)計基于文獻(xiàn)［15-16］的研究結(jié)果，不加固梁的尺寸為：100 mm×200 mm×1200 mm；因為TRC加固層的厚度約為10 mm左右，所以加固之前尺寸為：100 mm×190 mm×1200 mm。受拉區(qū)布置兩根主筋，級別為HRB400，直徑為12 mm?；炷帘Ｗo(hù)層厚度為20 mm（包括加固層），架立筋為兩根直徑為8 mm的HPB300級鋼筋，箍筋采用直徑為6.5 mm的HPB300級鋼筋，在梁的剪跨段箍筋間距為60 mm，其純彎段箍筋間距為150 mm，配筋示意圖如圖1。本試驗中RC梁均采用強度等級C40的混凝土，配合比為水泥∶水∶中砂∶碎石∶減水劑=415∶161∶643∶1181∶2.85，標(biāo)準(zhǔn)試塊養(yǎng)護(hù)28 d后，測得的平均強度為45.29 MPa。TRC基體所用細(xì)?；炷敛捎梦墨I(xiàn)［7］提供的配合比，標(biāo)準(zhǔn)試塊養(yǎng)護(hù)28 d后，測得的平均強度為52.9 MPa。試驗中所用纖維編織網(wǎng)的緯向（增強方向）采用了碳纖維束，而在起固定作用（非受力方向）的經(jīng)向采用了玻璃纖維束，纖維束的間距為10 mm×10 mm，厚度約為2 mm，為提高纖維束和細(xì)?；炷恋酿そY(jié)，加固前纖維編織網(wǎng)采用環(huán)氧樹脂浸漬并粘砂處理，其力學(xué)性能見文獻(xiàn)［7，17］。

表1 試件信息

圖1 試件尺寸、配筋、應(yīng)變片及位移計位置（單位：mm）

2.2 加固層的施工工藝TRC的加固步驟：第一，使用鑿子對混凝土梁的底部進(jìn)行人工鑿毛，除掉表面的水泥漿使石子外露，鑿糙是為了增加梁表面的粗糙度，進(jìn)而增強TRC和老混凝土之間的粘結(jié)性能。第二，在梁的兩側(cè)放置木板，然后使用夾具進(jìn)行固定，保持木板邊緣和梁齊平。第三，在老混凝土表面均勻抹上細(xì)粒混凝土2～3 mm，涂抹均勻，接著鋪設(shè)纖維編織網(wǎng)，隨后使用3 mm木條把纖維編織網(wǎng)固定在兩側(cè)木板上，繼續(xù)在纖維編織網(wǎng)上覆蓋細(xì)粒混凝土，使用3 mm的木條是為了控制加固層總厚度為10 mm。第四，重復(fù)第三步，最后把加固層表面均勻抹平。第五，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

由于承載梁加固是在一定的受力水平（0.2的持載比）下進(jìn)行加固，所以對承載梁鑿毛之后，把梁放在支座上，然后在梁的上部放置水平分配梁，緊接著放上千斤頂和荷載傳感器，按實驗方案設(shè)計的承載應(yīng)力水平來進(jìn)行四點彎曲加載。加載后按現(xiàn)澆TRC的步驟來進(jìn)行加固的實施，施工完成之后，在梁底用木板覆蓋，然后用夾子加緊，防止由于TRC的自重導(dǎo)致加固層下墜，影響TRC和老混凝土之間的界面性能。

2.3 侵蝕環(huán)境及持載方式加固28 d后進(jìn)行腐蝕試驗，腐蝕持載裝置見圖2，使用千斤頂進(jìn)行四點彎曲加載，純彎段為400 mm。此外，由于應(yīng)力松弛，在千斤頂上放置一個傳感器，每3 d測試一下加載情況，如果荷載減少，就使用千斤頂進(jìn)行加載，以保持荷載的恒定。氯鹽干濕循環(huán)系統(tǒng)如下［16］：在室溫條件下，在5%的氯化鈉溶液中浸泡12 h后，再將氯鹽溶液抽干，晾干試件12 h，整個循環(huán)為24 h，此為一次干濕交替循環(huán)。

2.4 加載方式及測試內(nèi)容本次試驗采用四點彎曲加載方式進(jìn)行加載，通過分配梁來對稱布置加載點。試驗中采用千斤頂分級加載，加載等級為5 kN，在梁開裂和鋼筋屈服時，適當(dāng)加密加載等級，每級加載后保持3～5 min，直到混凝土梁完全破壞。在梁每級加載之后進(jìn)行裂縫的觀察和最大裂縫寬度的測量，并進(jìn)行記錄?；炷翍?yīng)變片貼在梁跨中：梁頂1個，梁側(cè)面4個，梁底1個；側(cè)面的應(yīng)變片距梁頂?shù)木嚯x依次為40、80、120和160 mm，見圖1?？缰袚隙群椭c的變形用位移計測量。采集設(shè)備為東華3816靜態(tài)采集設(shè)備。本試驗中所使用的裂縫觀測儀為北京高鐵建GTJ-F210裂縫寬度測試儀，放大倍數(shù)為60倍，自動識別裂縫寬度。

圖2 持載干濕循環(huán)裝置

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 破壞特征

3.1.1 不同干濕循環(huán)次數(shù) 梁H1、H2和H3的破壞形態(tài)如圖3所示。3根梁的最終破壞形態(tài)都是纖維編織網(wǎng)的拉斷破壞，充分發(fā)揮了纖維編織網(wǎng)的性能。梁H2纖維編織網(wǎng)拉斷后，沿著受拉鋼筋產(chǎn)生橫向裂縫，這是因為干濕循環(huán)次數(shù)的增加促進(jìn)了氯離子的滲透，加快了鋼筋的銹蝕，同時鋼筋屈服后產(chǎn)生變形，從而削弱了老混凝土與鋼筋的界面性能，使加固層與老混凝土之間的黏結(jié)力大于老混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)力，所以纖維編織網(wǎng)斷裂后裂縫沿著縱筋發(fā)展的概率變大。梁H3最后在纖維編織網(wǎng)斷裂處部分板脫粘，這可能是因為隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，鹽水侵蝕對TRC和老混凝土之間的黏結(jié)性能影響較大。因為梁為承載加固，在加固之前進(jìn)行持載，對梁造成了一定損傷，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，使界面間微觀結(jié)構(gòu)中孔洞和微裂縫增加，同時氯鹽結(jié)晶和侵蝕產(chǎn)物增多膨脹引起混凝土開裂，導(dǎo)致界面黏結(jié)性能下降，所以在最后破壞時造成了部分TRC脫粘的現(xiàn)象。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)梁的最終破壞形式

3.1.2 不同彎曲應(yīng)力 梁H4、H5和H6的最終破壞形態(tài)如圖4所示，梁H4和H6的最終破壞形態(tài)為纖維編織網(wǎng)的拉斷破壞，梁H5的最終破壞形態(tài)為端部的脫落破壞。同梁H2，梁H4和H6的破壞過程是鋼筋先屈服，然后上部混凝土壓碎，最后纖維編織網(wǎng)被拉斷，都較好地利用了纖維編織網(wǎng)的性能。梁H5為TRC加固層的端部脫落，一方面可能是由于重復(fù)的持載卸載作用，持載加固時梁有一定的變形，卸載后有一定的變形回復(fù)，而TRC加固層的限制作用使其與老混凝土間產(chǎn)生了剪切力作用，再進(jìn)行持載腐蝕時有可能造成層間的輕微錯動，使得二者之間有較多的細(xì)微裂縫存在，同時又由于加固之前梁本身已經(jīng)有較大的裂縫產(chǎn)生，加固之后TRC限制了裂縫的閉合，導(dǎo)致較多較大的裂縫存在，從而促進(jìn)了氯離子的滲透侵蝕，使TRC與老混凝土的界面粘結(jié)性能減弱；另一方面，從圖4（b）中可以看出，板脫落的界面之上和老混凝土分離較為徹底，也可能是施工質(zhì)量不過關(guān)，使得施工時TRC加固層和老混凝土黏結(jié)不好，造成了一定的缺陷，再進(jìn)行一系列的持載干濕循環(huán)后更容易產(chǎn)生剝離破壞。所以上述兩方面因素造成了TRC加固層的端部脫落現(xiàn)象。

圖4 不同彎曲應(yīng)力梁的最終破壞形式

3.2 裂縫分布及最大寬度裂縫發(fā)展決定了混凝土的工作性能，從結(jié)構(gòu)的可靠性考慮，有效控制混凝土的最大裂縫寬度，可保證結(jié)構(gòu)地安全適用?；谶@一點，本文從裂縫分布和最大裂縫寬度方面來分析TRC的限裂性能。

3.2.1 不同干濕循環(huán)次數(shù) 如圖5所示，3根梁的裂縫分布較均勻，呈現(xiàn)“密而多”的分布現(xiàn)象，主裂縫被分散成幾條小的次裂縫，延緩了大裂縫的發(fā)展，說明在干濕循環(huán)的作用下TRC仍保持了較好的限裂性能，對加固梁的裂縫發(fā)展限制較好。從圖6中可以看出，在100 kN之前3根梁的最大裂縫寬度基本相似，且發(fā)展情況相似，但是在100 kN之后，梁H3的最大裂縫寬度發(fā)展相對于另外兩根梁明顯加快，這可能是因為TRC的加固作用受到了影響，正如3.1.1所解釋，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的性能下降，TRC與老混凝土的界面粘結(jié)性能減弱，從而影響了TRC對梁裂縫的限制作用，使加固梁的限裂性能降低，但是從最終的裂縫寬度來看，影響較小。總的來說，承載加固對TRC的加固效果有一定的影響，使梁的劣化加快，從而影響了梁的最后破壞形態(tài)。但是從梁的裂縫分布和最大裂縫寬度來看，承載加固時，TRC依然能起到較好的增強作用，可以較好地限制梁受彎裂縫的開展。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)梁的裂縫分布

圖6 梁H1，H2，H3的荷載-最大裂縫寬度

圖7 不同彎曲應(yīng)力梁的裂縫分布

3.2.2 不同彎曲應(yīng)力 如圖7所示，隨著彎曲應(yīng)力的增大，裂縫的分布較為集中，且豎向裂縫向上的延伸程度有一定減小，這可能是因為隨著彎曲應(yīng)力水平的增大，梁會產(chǎn)生較多較大的裂縫，干濕循環(huán)時，造成氯離子的侵蝕嚴(yán)重，對老混凝土損害較為嚴(yán)重，引起混凝土內(nèi)部孔隙的破壞，所以造成裂縫分布相對不均勻。由于梁H5最終破壞形式為TRC加固層的脫落破壞，所以從圖8可以看出，在裂縫發(fā)展的過程中，梁H5的最大裂縫寬度相對于其他3根梁較大，說明TRC的限裂作用受到了影響。從圖8還可以看出，在120 kN之前隨著彎曲應(yīng)力的增大，裂縫寬度減小，這可能是因為重復(fù)的持載卸載作用使鋼筋的強度提高而延性降低，從而鋼筋的變形較小，減緩了裂縫的發(fā)展。但在120 kN之后，彎曲應(yīng)力較大時，梁的最大裂縫寬度也隨之增大。這可能是受承載加固的影響，正如3.1.2節(jié)所解釋，梁的持載越大，TRC和老混凝土之間承受的反復(fù)剪切力作用越大，對TRC和老混凝土之間的界面性能影響越大，從而一定程度上影響了TRC限裂作用的發(fā)揮。但是從圖7和圖8來看，裂縫都較多且間距較小，且4根梁的最大裂縫寬度相差較小，發(fā)展較為相似，說明TRC在荷載和環(huán)境的耦合作用下，仍能保持較好的限裂作用。

4 結(jié)論

（1）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，承載加固梁的裂縫開展都加快，最大的裂縫寬度變大，梁的破壞趨向于嚴(yán)重，但梁在受力過程中TRC始終保持較好的作用，限制了裂縫的發(fā)展和最大裂縫寬度，防止了因裂縫寬度較大而加速梁的破壞。

（2）隨著持載腐蝕彎曲應(yīng)力的增大，承載加固梁中TRC和老混凝土之間的界面性能退化明顯，一定程度上影響了TRC的抗裂性能，梁的裂縫開展都有所加快，最大裂縫寬度增加，裂縫延伸減弱。

（3）TRC是一種有效的加固措施，在干濕循環(huán)及其與荷載耦合作用下能較好地限制裂縫的開展，在梁加固前有上部承載時，也能有良好的加固效果，增強了梁的抗裂性能。

綜上所述，TRC具有較好的限裂性能，且適用于海洋等嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)，在水工混凝土領(lǐng)域會有較好的發(fā)展前景。