黃國清

摘要：針對混凝土梁開裂的問題，提出制備玻璃纖維增強(qiáng)塑料筋（GFRP）-聚合物砂漿板，對混凝土梁進(jìn)行加固。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土梁的破壞形式為脆性破壞，與GFRP-聚合物砂漿板結(jié)合后，粘接強(qiáng)度明顯高于混凝土基體強(qiáng)度。聚合物砂漿板加固混凝土梁的機(jī)理在于，當(dāng)混凝土梁產(chǎn)生裂縫時，薄板與混凝土內(nèi)部箍筋共同起到承載作用，進(jìn)而達(dá)到加固效果。當(dāng)漿板長度為600 mm，此時薄板長度略長于混凝土純彎段，加固效果最好。

關(guān)鍵詞：聚合物砂漿板；混凝土梁加固；雙剪靜載試驗(yàn)；加固機(jī)理

中圖分類號：TQ178文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0096-04

Study on the bonding performance of a new glass fiber GFRP?reinforced mortar board for reinforcing concrete beams

HUANG Guoqing

（Guangdong Communication Planning & Design Institute Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510507，China）

Abstract：In order to solve the problem of cracking of concrete beams，a glass fiber reinforced plastic bar （GFRP）-polymer mortar board was prepared to reinforce the concrete beam.The test results showed that the failure mode of the concrete beam was brittle failure.After being combined with GFRP-polymer mortar sheet，the bond strength was significantly higher than the strength of the concrete matrix.The mechanism of strengthening concrete beam with polymer mortar thin plate was that when the concrete beam cracked，the thin plate and the stirrup inside the concrete jointly played a bearing role，and then achieved the reinforcement effect.When the length of the thin plate was 600 mm，the length of the thin plate was slightly longer than that of the pure bending section of the concrete，and the reinforcement effect was the best.

Key words：polymer mortar sheet;concrete beam reinforcement;double shear static load test;strengthening mechanism

有些混凝土梁橋雖然服役時間較長，但結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還較為牢固，對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后重復(fù)利用，既可以緩解結(jié)構(gòu)壓力，又能為拆除工作節(jié)約成本，還能有效保護(hù)環(huán)境，因此需要尋找一種適合的加固方法。對此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如采用超高性能混凝土對原有結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行加固，并對加固后混凝土性能進(jìn)行研究[1]。以聚氨酯水泥作為加固材料對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固[2]。以纖維織物為增強(qiáng)材料對高延性混凝土加固[3]。通過纖維加固裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能[4]。以上學(xué)者的研究為混凝土的加固提供了一些方法，但加固效果還達(dá)不到理想的目標(biāo)。基于此，試驗(yàn)參考文獻(xiàn)[5]的方法，制備了一種新型GFRP筋-聚合物砂漿板作為混凝土梁的加固材料，并對其加固機(jī)理進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

主要材料：水泥（P·O42.5），安東新型建材；碎石（I級），南昱礦產(chǎn)品；砂子（II級），石曄礦產(chǎn)品；雙組分環(huán)氧砂漿（標(biāo)準(zhǔn)品），景程新型建材；玻璃纖維（標(biāo)準(zhǔn)品），維佳復(fù)合材料；GFRP 筋（I級），鴻業(yè)工礦設(shè)備。

主要設(shè)備：WAW型微機(jī)伺服液壓萬能試驗(yàn)機(jī)（方圓試驗(yàn)儀器）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1混凝土試件的制備

（1）由于混凝土強(qiáng)度不同，因此試件的配比也有一些差異。設(shè)計的不同強(qiáng)度混凝土配比如表1所示；

（2）根據(jù)表1配比將所有原料進(jìn)行人工拌和，待結(jié)束后倒入提前刷油的模具中，充分振搗后抹平混凝土表面，養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，并澆水養(yǎng)護(hù)至指定齡期。

1.2.2GFRP-聚合物砂漿板的制備

（1）對 GFRP-聚合物砂漿板的尺寸進(jìn)行設(shè)計，具體見圖1；

（2）提前將玻璃纖維截成300 mm長短，并打磨鋼筋兩端，避免因外力造成應(yīng)力集中的情況；

（3）按照設(shè)計圖定位尺寸在模具內(nèi)擺放GFRP 筋并進(jìn)行固定，并提前在模具內(nèi)壁上進(jìn)行厚度設(shè)定值的標(biāo)記，避免在澆筑過程中漿板厚度超過設(shè)定值；

（4）將聚合物砂漿（雙組分環(huán)氧砂漿）拌和均勻，然后緩慢倒入固定有GFRP 筋的模具中；

（5）振搗均勻后，抹平表面養(yǎng)護(hù)7 d后拆模。

1.2.3雙剪試件的組裝

（1）提前用砂紙打磨混凝土試件與GFRP-聚合物砂漿板，清理掉表面灰塵后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%的酒精進(jìn)行擦洗；

（2）設(shè)計應(yīng)變片的位置并進(jìn)行粘貼，第1個應(yīng)變片布置位置在粘接面最頂端，然后在每隔30 mm的位置進(jìn)行布置，最后一個應(yīng)變片的位置在粘接界面的最下端，具體布置見圖2；

（3）將直徑為3 mm的鋼絲做成與粘接界面同等大小的矩形框，然后將其分別固定在混凝土試件與GFRP-聚合物砂漿板上；

（4）將環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑均勻涂抹在矩形框內(nèi)，避免因粘結(jié)劑薄厚不均造成的試驗(yàn)結(jié)果誤差；

（5）將混凝土試件與GFRP-聚合物砂漿板組合在一起，待膠層稍稍凝固后，去除鋼絲矩形框，并抹平膠層縫；

（6）組裝結(jié)束后靜置凝固，得到雙剪組合試件。

1.3性能測試

1.3.1靜載試驗(yàn)

通過微機(jī)伺服液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn)。在加載平臺上放置制備好的試件，確保承臺與試件完好接觸，然后對緩慢的對試件施加荷載，直至試件破壞。

1.3.2建立有限元模型

在創(chuàng)建部件中繪制各個構(gòu)件的草圖，然后對部件的材料和截面屬性進(jìn)行創(chuàng)建，最后進(jìn)行裝配和條件的設(shè)置，劃分網(wǎng)格進(jìn)行建模，分析薄板的加固機(jī)理。

2結(jié)果與討論

2.1粘接性能試驗(yàn)結(jié)果

表2為試件靜載試驗(yàn)結(jié)果。

由表2可知，在只考慮粘接長度對承載力影響的情況下可以發(fā)現(xiàn)，粘接長度越長，試件承載力越高；但被剪切的面積也越大。出現(xiàn)這個變化的主要原因：試件間粘接長度越長，則剪應(yīng)力的傳導(dǎo)距離也有一定增加，單位面積所承受的剪應(yīng)力減小，整體承載力有一定增加[6-9]。由表2還可知，隨混凝土強(qiáng)度的增加，材料的極限荷載也有一定增加。這主要是因?yàn)檎辰訌?qiáng)度明顯高于混凝土本身的抗剪強(qiáng)度，因此均在混凝土基體表面產(chǎn)生破壞[10-11]。證明混凝土本身的強(qiáng)度直接影響組合試件的承載力。2.2GFRP-聚合物砂漿板應(yīng)變分布規(guī)律

圖3為試件載荷-應(yīng)變曲線。

由圖3可知，3個組在加載前期，各測點(diǎn)應(yīng)變變化均較為緩慢，隨加載的進(jìn)行，應(yīng)變片總體表現(xiàn)為上升趨勢。距加載端較近的測點(diǎn)1和測點(diǎn)4曲線走勢較快，說明隨荷載的增加，膠層和混凝土表面均產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞，因此變形較大。隨加載端距離的增加，曲線走勢變緩，變形相對較小。試件B的曲線走勢在后半段變化和其余2組試件的曲線有一定差異，這可能是因?yàn)樵诩虞d過程中出現(xiàn)松動，受力不均引起；總之，試件曲線變化規(guī)律一致。對試件規(guī)律進(jìn)行對比分析可知，粘接長度較長的試件具備較好的承載能力與抵抗應(yīng)變的能力， 不易發(fā)生較大變形[12-13]。在加載后期，荷載值超過粘接應(yīng)力時，試件在一瞬間發(fā)生破壞。同時，在雙剪試驗(yàn)進(jìn)行的過程中，混凝土抗壓強(qiáng)度比膠體抗拉強(qiáng)度更小，這就使得混凝土破壞均發(fā)生在表面[14]。

2.3薄板加固混凝土梁的剛度

選擇梁中點(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行剛度分析，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，2種強(qiáng)度混凝土梁的荷載-撓度曲線均為上升狀態(tài)，這說明漿板對混凝土梁的加固效果較為顯著，且漿板長度為600 mm的加固效果較好。這是因?yàn)?00 mm 板長剛好是純彎的長度，雖然在一定程度上可以起到加固作用，但容易造成應(yīng)力集中的情況，加固效果不理想[15-16]。而600 mm長度漿板略長于混凝土純彎段，可以有效阻斷彎矩的繼續(xù)發(fā)展。板長為700 mm的加固效果與板長為600 mm的加固效果較為接近，這說明彎矩傳遞力延伸的距離有限，過長的薄板無法發(fā)揮更好的作用[17-18]。對比圖4（a）、（b）可知，當(dāng)薄板長度相同，C40強(qiáng)度混凝土梁的撓度值明顯小于 C35強(qiáng)度混凝土梁撓度值。也就是說，漿板對C40強(qiáng)度的混凝土梁的加固效果明顯優(yōu)于C35強(qiáng)度的混凝土梁。

2.4漿板加固混凝土梁的箍筋應(yīng)變

不同漿板加固的箍筋應(yīng)變（以梁中點(diǎn)側(cè)面作為箍筋取值點(diǎn)）如圖5所示。

由圖5可知，在加載前期，混凝土梁并未出現(xiàn)裂縫，此時箍筋應(yīng)變較小，說明箍筋并未參與承載工作。繼續(xù)在混凝土梁上施加荷載，混凝土梁開始出現(xiàn)裂縫，此時箍筋開始承受一定荷載，因此應(yīng)變值開始增加。當(dāng)荷載相同的條件下，經(jīng)過聚合物砂漿板加固后的混凝土梁箍筋應(yīng)變明顯小于加固前混凝土梁，表現(xiàn)出良好的加固作用[19-20]。

3結(jié)語

（1）雙剪靜載試驗(yàn)結(jié)果表明，與GFRP-聚合物砂漿板結(jié)合后，粘接強(qiáng)度明顯高于混凝土基體強(qiáng)度，因此混凝土本身的強(qiáng)度對組合試件的承載力有重要的影響；

（2）聚合物砂漿板加固混凝土梁的機(jī)理在于，當(dāng)混凝土梁產(chǎn)生裂縫時，漿板與混凝土內(nèi)部箍筋共同起到承載作用，進(jìn)而達(dá)到加固效果。當(dāng)漿板長度為600 mm，此時可以有效阻斷彎矩的繼續(xù)發(fā)展，加固效果最好。

本研究得出，聚合物砂漿板結(jié)合后，對混凝土都有一定的加固作用，這與文獻(xiàn)[5]的結(jié)論接近，說明本試驗(yàn)可行。

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