冻融环境对CFRP加固混凝土梁疲劳性能的影响.pdf

2 0 1 2 年 第 5 期 (总 第 2 7 1期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORE TI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 5 0 0 8 冻融环境对 C F R P加固混凝土梁疲劳性能的影响 喻林 a ，钱向东 ，吴晓晖 ( 河海大学 a 力学与材料学院； b 土木与交通学院，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要： 通过对碳纤维布加固混凝土梁经过 冻融循 环作用后的疲劳试验 ， 分析 了冻 融循 环作用以及不同应力水平对碳纤维布加 固混凝 土梁的疲劳性能影响。 试验结果表明： 冻融循环环境作用导致破坏荷载明显降低， 疲劳次数明显减少 ； 应力水平越高， 疲劳次数越小； 梁的 主要破坏形式是弯 曲破坏 。 关键词 ： 碳纤维 ；加固梁 ；冻融循环 ；疲劳试验 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 2 7 0 2 I nf l ue nc e o f f r e ez e - t ha w en vi r onmen t o n t h e f at i gue per f o r m a nc e o f CFRP r e i n f or c e d c onc r e t e be am YUL i n ， Q I ANXi a n g - d o n g ， WUXi a o - h u i ( a I n s t i t u t e o f Me c h a n i c s a n dMa t e r i a l s ； b I n s t i t u t e o f C i v i l a n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g ， Ho h a i Un i v e r s i t y ， Na n j i n g2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ati e r f r e e z e t h a w c y c l e e f f e c t o n t h e C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d P o l y me r ( C F R P ) r e i n f o r e e d c o n c r e t e b e a ms t h e f a t i g u e t e s t s u n d e r t h e d i ffe r e n t s t r e s s】 e v e 1 we r e d o n e T h r o u g h t h e f a t i g u e t e s t ， a d e t a i l e d a n a l y s i s o fi n fl u e n c e o f疗C C Z C tha w c y c l i n g a c tio n a n d d i ffe r e n t s t r e s s l e v e l o n t he f a t i g ue p e r f o r ma n c e o f CFRP r e i n f o r e e d c o n c r e t e be am wa s ma d e Th e t e s t r e s ul t s i n d i c a t e tha t ： Un d e r the a c t i o n o f t he fre e z e tha w c y c l e e n v i r o n me n t ， b o t h o f t h e f a i l u r e s u s t a i n e dl o a d a n dthe n u mb e r o f f a t i g u ew e r e s i g n i fi c a n tl y r e d u c e d ； eb 咖 e ro f t h e s e s sl e v e l ， thel e s s o f the n u mb e r o ff a t i g u e： CF RP r e i n f o r c e d c o n c r e t e be a ms we r e d a ma g e d i n t h e f o rm o f b e nd i n g f a i l u r e Ke y w o r ds ： c a r b o n fi b e r - r e i nf o r c e d p o l yme r ； r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e am ； f r e e z e t h a w c y c l e； f a t i g u e t e s t 0 引言 钢筋混凝土结构成为工程建设中一种最为广泛的结构形 式， 但在 自然环境和使用环境作用下， 由于累积损伤 、 材料老 化、 灾害荷载、 设计和施工中的缺陷等因素的综合作用下发生 过早失效。 如严寒地区的混凝土桥梁一方面承受着频繁的交通 荷载， 另一方面又受到冻融循环和来 自除冰盐的离子侵蚀1 】 。 提 高材料的耐久性和服役寿命已遍及材料科学与工程的各个领 域 2 _ 3 。 碳纤维片材由于其高强轻质、 适应性强 、 易于施工 、 材料 本身耐腐蚀、 耐疲劳性能好 ， 且适用面广等优点 ， 受到我国工程 界的密切关注4 _ Iq 。 本研究通过对碳纤维布加固混凝土梁经冻 融循环作用后的疲劳试验， 分析不同应力水平作用下冻融循环 作用对碳纤维布加固混凝土梁的疲劳性能影响。 1 试验设计 1 1 试件 设计 制作的试验梁尺寸均为 1 0 0 m r r l O 0 ra m 4 0 0 mm， 采用 C 3 0 混凝土， 混凝土试块实测立方体抗压强度代表值为 4 1 2 MP a 。 碳纤维布采用 C F W2 0 0单向碳纤维布； 黏结剂采用 D L J G N D 型碳纤维建筑结构黏合剂及 DL J GN E型碳纤维黏合剂专用 底胶 。 1 2 试验 加载 与量 测 试块标养 2 8 d后， 将试件取出风干， 然后按照 C E C S 1 4 6 一 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 1 1 一 l 9 基金项目 ：海岸灾害及防护教育部重点实验室科 研基金资助项 目( 2 0 1 1 0 2 6 ) 2 0 0 3 ( 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 】 工艺要求粘贴碳 纤维布。 本试验采用水冻方法， 仪器采用 H 3 1 8 5型全 自动快速 冻融试验机 ， 按照 G B J 8 2 8 5 普通混凝土长期性能和耐久性 试验方法 中抗冻性能试验的快冻法进行， 连续进行 1 0 0次冻 融循环后， 进行应力水平分别为 0 6 5 、 0 7 O 、 0 7 5 、 0 8 5 、 O 9 0的疲 劳试验。 试验以试件静态强度的试验确定疲劳试验中试件实际 承受的荷载。 2 试验 结果及分析 表 1 为试件经过 1 0 0次冻融循环后， 在不同应力水平( 0 6 5 0 9 0 ) 作用下的疲劳寿命。 自然环境下应力水平 0 8 0试件的疲 劳寿命为 5 6 8 8 次。 冻融循环后混凝土内部产生损伤， 从宏观物 理性能上来看 ， 主要表现为动弹性模量的下降、 表面剥落造成 质量损失； 从力学性能上来看， 主要表现为抗压强度 、 抗折强 度、 静弹性模量等力学性能指标的降低 ； 从微观和细观来看 ， 表 现为微细裂缝的扩展 、 凝胶体从密实向松散发展等。 混凝土的 冻融破坏可以理解为混凝土在冻融循环的作用下， 静水压力和 渗透压力疲劳作用于混凝土而引起混凝土内部损伤累积的结 果。 从表 1 试验结果可以看出： 试件经过 1 0 0次冻融循环后 ， 当 应力水平为 0 9 0时， 试件平均疲劳寿命仅为 8 2 次 ， 而当应力水 平为 0 6 5时 ， 试件平均疲劳寿命仅达到 3 0 2 8 3 5次。 试验说明 应力水平越高， 疲劳次数越小 ； 应力水平大于 0 8 0时， 疲劳寿命 较小( 不超过 5 0 0 0 次) ， 容易发生脆性破坏。 27 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 不 同应 力水平下的疲劳寿命 注 ： 表明数据 明显异常 ， 舍弃。 表 2为不同应力水平作用下梁的破坏形态、 破坏部位 、 裂 缝宽度等试验结果。 由表 2中破坏部位及破坏形式可以看出： C F R P加固混凝土粱在不同应力水平下的破坏形式均为碳纤维 布与混凝土黏结面的界面剥离， 与应力水平为 0 8 O的试验破坏 形式基本相同。 破坏部位大多靠近梁的中部， 距离端部距离在 1 2 0 n 吼 左右， 说明梁的主要破坏形式是弯曲破坏， 与静载试验 结果基本一致； 由表 2中裂缝最大宽度可以看出： C F R P加固混 凝土梁在冻融环境不同应力水平下的裂缝最大宽度基本相同， 与不同环境下 C F R P加固混凝土梁在不同环境作用下的裂缝 宽度基本一致。 裂缝分布较少， 主要集中在破坏部位附近。 主要 是由于加固材料和混凝土材料均为脆性材料， 试件中没有配置 受拉钢筋 ， 破坏形式为脆性破坏 ； 挠度是混凝土梁疲劳性能的 重要指标， 从表 2 试验结果可以看出： 不同应力水平下 C F R NJ I 固混凝土梁的最大跨中挠度范围为 1 1 1 4 mi l l ， 变形比较小， 跨 中挠度相差不大， 与应力水平为 0 8 0的试验结果基本相同， 这主 要是因为经过 1 0 0次冻融循环后， 混凝土、 碳纤维布以及黏结 剂的脆性增大； 应力水平越低， 跨中挠度略大。 梁的挠度随疲劳 荷载循环次数的增加而增大。 图 1为混凝土疲劳变形的三阶段与特征点示意图。 图 1 9 0 0 8 0 0 700 6 0 0 兰5 0 0 4 0 0 3 0 O 20O 1 0 0 O 0 1 0 2 0 3 04 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 循环 比率n N ( a ) S =O 9 0 N= 8 2 0 1 O 2 0 3 O 4 O 5 0 6 0 7 O 8 0 9 1 O 循 环 比率 IV 1 4 O 0 1 2 0 0 1 O O 0 兰 8 0 0 6 0 0 400 2 0 0 4 0 0 35O 3 0 0 | 2 5 0 最2 0 0 1 5O 1 00 5 O O 表 2不同应力水平下疲劳试验结果 图 1 疲劳变形的三阶段与特征点示意 图 中 s 、 分别为最大应力 和最小应力 所对应的应 变 ，简称最大应变和最小应变 。 o点为疲劳变形第一 阶段 的起 始点， A、 B、 F点分别为疲劳变形第一、 二、 三阶段的终点。 K A、 K B分别为第一阶段和第二阶段末 A、 B点对应的疲劳循环次 数与混凝土疲劳寿命的比值， 即 K A为第一阶段占整个疲劳寿 命的比例， K B为第一、 二阶段之和占整个疲劳寿命的比例。 图 2为本试验 C F R P加固混凝土梁在冻融循环环境下应 力水平分别为 0 9 0 、 0 8 5 、 0 8 0 、 0 7 5 、 0 7 0 、 0 6 5 、 O 6 0的等幅弯曲 疲劳变形曲线( g - N曲线) 。 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 循环 比率 N ( b ) S = 0 8 5 ， N= 5 5 7 O 1 O 2 0 3 0 4 O 5 06 0 7 0 8 0 9 1 0 循环比率n N 宝 制 450 4 0 0 3 5 0 3 0 0 呈2 5 0 200 1 5O 1 0O 5O O ( d 1 s = 0 7 5 ， = 1 8 0 7 1 ( e ) S = 0 7 0 ，N= 6 9 2 9 0 图 2 不 同应力水平下 GF RP加固混凝土梁的疲劳变形曲线 由图2可以看出：各不同应力水平下混凝土疲劳变形在初 始阶段发展很快 ， 随着疲劳荷载作用次数的增加 ， 增长速率逐渐 降低 ； 第二阶段， 混凝土的变形随着疲劳荷载作用次数的增加呈 线性增长； 第三阶段 ， 混凝土的变形进入快速发展阶段 ， 变形急 剧增加 ， 混凝土很快发生破 坏。 C F R P加固混凝 土梁在冻融循 环 2 8 循环比率 N ( c ) S = 0 8 0 ， N = 3 2 8 2 0 1 0 2 0 3 0 4 O 5 0 6 0 7 O 8 0 9 1 O 循环 比率月 N ( t) s = o 6 5 ， N= 3 0 2 8 3 5 环境下不同应力水平的等幅弯曲疲劳变形曲线均完全符合图 1 混凝土疲劳变形的j 三 阶段发展规律， 说明C F R P加固混凝土梁在 冻融循环环境下的混凝土疲劳变形曲线与应力水平大小无关。 进一步证明了混凝土材料疲劳变形三阶段发展规律的普遍性。 下转第 3 1页 0 0 O O 0 0 O 0 O O 印 如 如 0 一 0 0 0 O O 0 0 O O O 舳 印 加 舳 加 加 0【 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 素作用于混凝土时的破坏机理。 只有将各种机理研究清楚 ， 这 样的理论才可 以用来改造实践 。 各种破坏因素对混凝土的破 坏机理需要更深层次的研究 ， 如冻融破坏的真正原因， 应力作 用下各种混凝土的本构关系 ， 各种溶液对混凝土的渗透以及 遇到冰冻以后 的性能 ， 腐蚀性气体在混凝土中扩散与腐蚀的 发生， 以及各种微观层次的机理与混凝土宏观性能劣化的量 化关系等 。 参考文献 ： f 1 慕儒 冻融循环与外部弯曲应力、 盐溶液复合作用下混凝土的耐久 性与寿命预测 D 南京： 东南大学， 2 0 0 0 2 2 MI AO C h a n g - w e n ， MU Ru ， T I A N Q i a n， e t a1E f f e c t o f s u l f a t e s o l u t i o n o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e wi t h a n d wi t h o u t s t e e l fib e r r e i n f o r o e m e n t J C e me n t a n d C o n c r e t e ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 1 j ： 3 1 - 3 4 3 】关宇刚 单和多重破坏因素作用下高强混凝土的寿命评估 D 南 京： 东南大学， 2 0 0 2 【 4 】张建业 在冻融循环作用下绿色高耐久性混凝土的损伤失效过程及 损伤抑S U D 南京 ： 南京航空航天大学， 2 0 0 7 I 5 1 Z HO U Y i _ x i a ， C O HE N M D， DO L C H L W E f f e c t o f e x t e r n a l l o a d s o n t h e f r o s t r e s i s t a n t p r o p e r t i e s o f mo r t a r w i t h a n d w i t h o u s s i l i c a f u m e J A C I Ma t e r J ， 1 9 9 4 ， 9 1 ( 6 ) ： 5 9 5 6 0 1 6 S U N W， Z H A NG Y M， Y A N H D， e t a1 D a m a g e a n d d a m a g e r e s i s t a n c e 0 f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e u n d e r t h e a c t i o n o f l o a d an d f r e e z e -t h a w c y - c l e s J C e me n t a n d C o n c r e t e ， 1 9 9 9， 2 9 ( 9 )： 1 5 1 9 1 5 2 3 7 慕儒， 严安， 孙伟 荷载与冻融同时作用下 H S C和 S F R H S C的耐久 性【 J 1 工业建筑， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 8 ) ： 1 1 1 4 【 8 慕儒， 严安， 孙伟荷载作用下引气与非引气混凝土的抗冻性 J 1 东南 大学学报， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 1 3 8 1 4 4 上接第 2 8页 3 小结 ( 1 ) 冻融循环环境作用对混凝土的破坏荷载影响很大， 混 凝土破坏荷载明显降低。 ( 2 ) 冻融循环环境作用导致混凝土的疲劳次数减少 ， 寿命 降低 。 ( 3 ) 应力水平越高， 试件疲劳次数越小； 应力水平大于 0 8 0 时， 疲劳寿命较小。 梁的破坏形式均为碳纤维布与混凝土黏结面 的界面剥离 ， 与应力水平为 0 8 0的试验破坏形式基本相同。 破坏 部位大多靠近梁的中部， 梁的主要破坏形式是弯曲破坏。 不同应力 水平下 C F RP 加固混凝土梁的最大跨中挠度范围为 1 1 1 4 mm， 变形比较小， 跨中挠度相差不大。 ( 4 ) 混凝土的疲劳变形曲线呈稳定的三阶段发展规律 ， 与 应力水平大小无关。 参考文献 ： 1 李文婷 ， 等 疲劳荷载与环境因素耦合作用下混凝土损伤劣化研究 进展U 硅酸盐学报， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 2 1 4 2 2 1 4 9 2 】S U N W， Z H AN G Y M， Y A N H D， e t a 1 D a m a g e a n d d a m a g e r e s i s t a n c e w i t h d i f f e r e n t s t r e n gt h g r a d e u n d e r d o u b l e d a ma g e f a c t o r s J C e me n t C o n c r e t e C o m p o u n d ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 6 ) ： 4 3 9 4 4 2 3 Y U AN Yo n g ， WAL R A WE N， Y E G u a n g S e r v i c e a b i l i t y o f u n d e r gro u n d s t r u c t u r e s C P r o c e e d i n g s o f t h e F i r s t I n t e rna t i o n a l w o r k s h o p o n S e rvi c e 9 】Z I V I C A V， S Z A B O V T h e b e h a v i o r o f c e m e n t c o m p o s i t e u n d e r e o mp r e s s i o n l o a d a t s u l p h a t e a t t a c k J C e mC o n c r R e s ， 1 9 9 4 ， 2 4 ( 8 ) ： 1 4 7 5 - 1 4 8 4 1 0 S c HN E I D E R U， N A GE L E ES t r e s s c o r r o s i o n o f c e m e n t mo r t a r s i n a m m o n i u m s u l f a t e s o l u t i o n J C e m a n d C o n c r R e s ， 1 9 9 3 ， 2 3 ( 1 ) ： 1 3 1 9 【 1 1 S C HN E I D E R U， C HE N S WMo d e l i n g a n d e m p i r i c a l f o r mala s f o r c h e m i c al c o r r o s i o n a n d s t r e s s c o rro s i o n o f c e me n t a t i o n s ma t e r i a l s Ma t e r , a n d S t r u c t ， 1 9 9 8 ， 3 1 ( 1 O ) ： 6 6 2 6 6 8 1 2 】 S C HN E I D E R U， C HE N S W T h e e h e m o me c h a n i c a l e ff e c t a n d t h e m e c h a n o c h e mi c a l e f f e c t o n h i g h p e r f o rma n c e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o s t r e s s c o r r o s i o n J C e mC o n c r R e s ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 0 9 5 2 2 1 3 S c HN E I D E R U， C HE N S W B e h a v i o r o f h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e u n d e r a m mo n i u m n i t r a t e s o l u t i o n a n d s u s t a i n e d l o a d J A C I Ma t e r J ， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 1 ) ： 4 7 5 1 1 4 慕儒， 孙伟， 缪昌文 荷载作用下高强混凝土的硫酸盐侵蚀 J J 工业建 筑 ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 8 ) ： 5 2 5 5 1 5 】 王爱勤， 曹建国， 李金玉， 等 高浓度和荷载条件下混凝土硫酸盐侵蚀 特性及抗侵蚀技术 M 北京 ： 中国建材工业出版社， 1 9 9 9 ： 1 7 9 1 8 3 【 1 6 李金玉， 林莉， 曹建国， 等 高浓度和应力状态下混凝土硫酸盐侵蚀 性的研究 M 1 北京： 中国建材工业出版社， 2 0 0 1 ： 4 1 3 4 2 6 【 1 7 U 数华， 阎培渝 高性能再生骨料混凝土的性能与微结构 硅酸盐 学报， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 4 ) ： 4 5 6 4 6 0 1 8 王玲， 李刚 纤维混凝土在冻融循环、 冻融一氯盐共同作用下的耐久 性试验研究【 J 】 混凝土， 2 0 0 2 ( 1 2 ) ： 4 3 4 6 作者简介 联 系地址 联 系电话 熊卫士( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 硕士， 高级工程师， 主要从事混凝土材 料研究。 重庆币渝中区6 6 号( 4 0 0 0 6 0 ) 1 3 8 8 9 1 3 0 2 6 9 L i f e for Un d e r gro u n d S t r u c t u r e s S h a n g h a i ： T o n 西i U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 6 ： 2 0 5 - 2 9 4 4 余红发 ， 孙伟沼B 良慧 ， 等 混凝土使用寿命预测方法的研究 I 理论 模型叨 硅酸盐学报， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 6 ) ： 6 8 6 6 9 0 【 5 】B R O WN V L， B A R T H 0 L 0 ME w C L F R P r e i n f o r c e d c o n c r e t e me m- b e r s A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 3 ， 9 0 ( 1 ) ： 3 4 3 9 6 】王文炜 ， 李果纤维增强塑料( F R P ) 在混凝土结构中的研究与应用【 J J 混凝土 ， 2 0 0 1 ( 1 O ) ： 3 7 3 9 7 】杜国威碳纤维加固在建筑工程结构裂缝加固处理中的应用 J 1 _广东 建材， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 8 ) ： 8 1 8 2 8 陶建强 碳纤维加固技术在改造工程中的应用 J J 中国高新技术企 业， 2 0 0 9 ， 1 6 ( 1 1 ) ： 3 3 3 4 9 邓朗妮， 张鹏 ， 燕柳斌， 等预应力碳纤维板加固钢筋混凝土梁施工 工艺及试验研究f J 1 混凝土， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 1 1 7 1 1 9 1 O 】 王慧英， 张季超 碳纤维增强材料在结构抗震加固中的应用 J J _山西 建筑， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 6 ) ： 8 0 8 1 【 1 1 C E C S 1 4 6 ： 2 0 0 3 ， 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程 s J _ E 京 ： 中国计划出版社， 2 0 0 3 作 者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 喻林 ( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 博士， 副教授， 研究方向： C F R P加固混 凝土构1 牛性能研究。 南京市鼓楼区西康路 1 号 河海大学 5 2 2 信箱( 2 1 0 0 9 8 ) 1 3 7 7 0 5 51 0 6 7 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m