混凝土帆布和碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土方柱轴压试验研究.pdf

40总第13 6 期基建管理优化2023年3 期第3 5卷混凝土帆布和碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土方柱轴压试验研究王震（内蒙古科技大学土木工程学院，包头0 140 10）摘要：钢筋混凝土结构在长期使用中不仅要承受外部荷载作用，还要经受侵蚀性环境的作用（湿度、温度、冻融、化学介质、户外气候等），使得钢筋混凝土结构的长期耐久性会受到影响。在氯盐侵蚀环境下，腐蚀性介质会通过裂缝使内部钢筋锈蚀，从而降低混凝土结构耐久性。纤维增强复合材料（Fibre一reinforcedPolymer，FRP)具有厚度小、抗拉强度高、提高结构承载力等优点，在结构加固工程应用中得到广泛关注。但有研究发现，FRP的粘结胶会受侵蚀老化使得腐蚀性介质侵入混凝土内部。而混凝土帆布（ConcreteCanvas，CC)加固是将水泥粉置于帆布中，而后将其覆盖在构件表面洒水硬化形成保护性薄层的一种加固方法，具有密实度高、抗侵蚀及施工方便等优点。为了增加钢筋混凝土结构的抗腐蚀能力，本文将采用碳纤维增强复合材料（CFRP)与混凝土帆布（Concretecanvas，CC)新型联合的加固方式，这种加固方式不仅可以抵抗腐蚀介质的侵入，减缓腐蚀过程，还可以提高钢筋混凝土柱的轴压承载力和延性。41总第13 6 期2023年3 期第3 5卷基建管理优化通过电化学加速锈蚀法模拟西部盐水环境（NaCl盐水）对钢筋混凝土柱的锈蚀损伤，进行CC与CFRP联合加固锈蚀钢筋混凝土方柱轴心受压试验研究。关键词：CFRP加固；混凝土帆布；电化学锈蚀；钢筋混凝土方柱；轴心受压试验；1引言碳纤维增强复合材料（CFRP）由于其抗拉强度高、质轻、耐腐蚀和易于施工等优点，已经逐渐在建筑领域得到普及，尤其在既有缺陷钢筋混凝土柱的加固方面成功得到运用1-2 。但由于CFRP加固后的钢筋混凝土结构不仅要承受外部荷载作用，还要经受侵蚀性环境作用，使得CFRP加固效果和CFRP加固钢筋混凝土结构的长期耐久性会受到影响。CFRP布和黏结剂在侵蚀环境作用下构件及黏结胶会产生变形和裂缝。在氯盐侵蚀环境下，腐蚀性介质会通过裂缝使内部钢筋锈蚀，从而降低混凝土结构耐久性。因此，呕需一种将腐蚀性介质和表面混凝土分隔开的材料。混凝土帆布（Concrete Canvas)以下简称CC,应运而生，它是由Brewin和Crawford3在2 0 0 5年发明的，因其储存、运输方便，操作简单、成型快以及防火性强、耐腐蚀性和抗渗性好等优点，使得其可以快速、高效、广泛的应用于帐篷、边坡支护、预制掩体、车辆轨道和人行道以及管线保护层等4。国内东南大学陈惠苏教授主要进行过CC制备和抗压、抗拉强度等方面的力学性能试验5-6 。将CC作为一种防护材料，置于CFRP加固层内，即在加固构件表面首先包裹CC防护层，再采用CFRP进行粘贴加固。刘晓7 研究了碳纤维布与混凝土帆布(CC)联合加固正方形截面柱的受力性能，研究结果表明，CC和CFRP联合加固柱的承载力和延性均得到提高，破坏形态也得到明显改善。因此，将碳纤维增强复合材料（CFRP)和混凝土帆布(CC)对结构或构件进行联合加固，以期克服现有加固形式的缺点，在提高承载力的同时增强耐久性。而柱作为混凝土结构中的主要受力构件，当其出现钢筋锈蚀问题会严重影响结构的安全性。综上本文采用CC和CFRP联合加固的新型方式对锈蚀损伤的钢筋混凝土柱进行加固研究，为实际工程结构中既有损伤柱的加固提供参考，具有一定的实践意义和参考价值。2试验2.1试件设计本文为研究混凝土帆布和CFRP联合加固对锈蚀钢筋混凝土方柱受力性能的影响，本次试验共设计3 组6根轴心钢筋混凝土方柱，方柱混凝土强度等级为C30，截面尺寸为150 mm(150mm，柱高为450 mm，每个试件配置4C12纵筋和A6150箍筋，保护层厚度为2 5mm。试件主要参数见表1，试件尺寸及配筋如图1所示。表1试件主要参数试件编号锈蚀率/%CFRP层数CC层数试件个数C5-0-05002C5-1-05102C5-1-15112注：试件编号中，C表示方柱，第一个数字角标为锈蚀率，第二个数字为CFRP的层数，第三个数字为CC的层数。例如，试件 C5一1一1 代表锈蚀率为5%，包裹一层CFRP及一层CC的试件。42总第13 6 期2023年3 期第3 5卷基建管理优化413图1试件尺寸及配筋2.2试件制作因本文拟在研究加固方式对锈蚀试件的影响，因此在试件制作前需对试件使用的钢筋进行除锈操作：先采用机械初处理后再使用钢丝刷清理钢筋四角的锈蚀产物，以此保证钢筋的状态和力学性能。同时因本文是使纵筋产生锈蚀，为了防止箍筋锈蚀要对纵筋和箍筋的接触部位做绝缘处理。除锈后尽快进行钢筋绑扎和混凝土浇筑，避免除锈后的钢筋又在放置过程中因遇到空气和水发生锈蚀钢筋混凝土柱采用强度等级为C30的混凝土，其中水灰比0.45，砂率0.3 5，具体配合比见表2。混凝土立方体抗压强度实测值为3 4.9 MPa。每个试件的纵向受力钢筋采用4C12HRB400级钢筋，箍筋采用A6HPB300级钢筋。所用钢筋材性检测根据（GB/T22.8.1-2010)金属材料拉伸试验7)设计制作，试验时每种材料试验三次，并取三者算术平均值作为最终参数。钢筋材料性能参数见表3。（2）碳纤维布（CFRP)：所用纤维布是由北京卡本工程技术研究所有限公司生产的CFS-I-300g。(3）混凝土帆布（CC)：混凝土帆布主要由3 D网布和内部的水泥粉组成。其中：3 D网布主要由外部织物和内部纤维编织而成，厚度2 0 毫米，材料参数见表5，形状特征见图2。水泥采用硫铝酸盐快硬水泥图23D网布规格2.3电化学锈蚀试验将试件的纵筋用导线并联连接，钢筋与导线连接处以及伸出试件的部分均用环氧树脂包裹。将试件放人塑料箱中置好的木块上，向塑料箱中注人5%NaCl溶432023年3 期第3 5卷基建管理优化总第13 6 期液，浸泡2 4小时，以破坏钢筋表面的氧化膜。然后将试件接至直流稳压稳流开关电源，电源阳极与钢筋相连，阴极与铜片相连，铜片置于NaCl溶液中。控制电源的电流大小来模拟锈蚀，本试验理论锈蚀率为5%，稳压直流电源电流密度设置为3 0 0，根据法拉第定律计算出通电时间为15.6 天。通电初期电流浮动较大因此需经常观察、调试电流直至稳定。当铜片上有气泡出现时，表明电化学加速锈蚀开始。当通电时间达到根据法拉第定律计算出的时间后，关闭电源。2.4试件处理及加固所有试件先将试件表面打磨平整，用水泥砂浆对孔隙进行填充，然后将已经灌满水泥粉的混凝土帆布裹于柱表面并对其进行喷水使其硬化，待硬化后，用丙酮将CC和已经裁好的CFRP布擦拭干净，将浸渍胶均匀涂于CC表面及CFRP布上，最后将CFRP布包裹在柱表面并碾出内部气泡，其搭接长度为10 0 mm。试件表面处理与CFRP粘贴严格遵循碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程CECS146：2 0 0 3 8 1和混凝土结构加固规范GB50367:20139中的相关规定。2.5试验加载方案及量测试件加载方式采用轴心受压加载，加载装置为5000kN液压试验机，如图3(a)所示。分级加载程序按照混凝土结构试验方法标准GB50152-201210进行制定，对试件正式加载之前，首先使加载装置与试件进行几何对中，即按承载力预估值的15%进行预先加载，对试件和加载仪器进行校正，使加载装置上的荷载归零，连续缓慢加载直到试件压坏3结果和讨论3.1试件破坏形态Cs-0-0Cs-1-0Cs-1-1图3各试件破坏形态对于未加固试件C5一0 一0：由于预加了钢筋锈蚀，试件表面有锈蚀产物从试件表面渗出，试件表面已经产生了许多细小裂缝，导致试件本身的试件强度低于未锈蚀试件。但在加载初期，试件仍处于弹性阶段。然而，随着荷载的增加，试件表面因锈蚀产生的细小裂缝开始延伸扩展贯通。当达到峰值荷载时，由于混凝土之间的断裂能很小且试件不受约束，裂缝迅速发展。随着加载轴向位移的增大，竖向裂缝迅速贯通加宽，将试件分割呈数个棱柱体，混凝土被压碎，试件宣告破坏。仅CFRP加固试件C5-1一0 在加载初期，各个试件表现与未加固混凝土柱几乎相同。当试件所受荷载超过未加固试件的峰值荷载后，试件进人弹塑性阶段，试件的横向变形迅速增加，从而CFRP的横向拉应变开始逐渐增大，部分碳纤维开始发生断裂并伴有“丝丝”响声，CFRP因混凝土的横向膨胀而出现褶皱隆起，CFRP陆续开始出现“瞬啪”响声，说明纤维存在局部拉断现44总第13 6 期基建管理优化2023年3 期第3 5卷象，当加载至试件峰值荷载时，CFRP出现响亮的“瞬啪”声，柱中角部CFRP纤维突然被拉断并沿试件高度上下扩展，CFRP失效退出工作，导致核心区混凝土失去约束。对于CC和CFRP联合加固试件C5-1-1:在加载初期与仅CFRP加固试件试验现象相似，外观无明显变化，随着荷载的增大有粘结胶开裂的声音；当荷载超过未约束混凝土峰值荷载后，联合约束试件CFRP很少出现“丝丝”响声，当荷载接近联合加固试件的峰值荷载时，少量柱角部纤维被拉断，且声音较为沉闷；当达到峰值荷载时，柱中角部CFRP纤维突然被拉断并沿试件高度上下扩展，CFRP失效退出工作，导致核心区混凝土失去约束。4结论（1）从柱的破坏形态可以看出：锈蚀未加固试件由于预加锈蚀，在电化学锈蚀试验后试件表面就已产生了沿纵筋的细小裂缝，随着加载地进行，试件由于没有约束而导致裂缝迅速延伸扩展直至破坏，表现为脆性破坏；（2）仅CFRP加固试件加载初期与未加固试件类似，但加载后期由于CFRP布的横向约束，延缓了试件的破坏进程，一部分程度提高了未加固试件的承载力，但由于方形柱的角部应力集中，仅CFRP加固试件仍表现为脆性破坏；（3）相较于未加固试件和仅CFRP加固试件，联合加固试件在加载初期也与前两者相类似，但在加载后期核心混凝土的横向变形由于外部包裹的CFRP布提供约束，首先由中部CC其中的快硬水泥承载，直至其压碎，柱中部的CFRP开始拉断并上下扩展直至内部混凝土失去约束作用彻底破坏，并且CFRP是丝绒状断裂，试件相较于仅加固试件的脆性破坏具有一定的延性，且更好的提高了试件的承载力。参考文献1滕锦光，陈建飞，ST史密斯，等.FRP加固混凝土结构M.北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 5.2赵彤，谢剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术M.天津：天津大学出版社，2 0 0 1.3 刘放混凝土帆布建造“口袋房子”J.水利天地，2 0 13（11）：3 0 一3 1.4 Li Hui,Chen Huisu,Liu Lin,et al.Ap-plication design of concrete canvas（CC)i nsoil reinforced structure J.Geotextilesand Geomembranes，2 0 16，44（4):557-567.5 Li H,Chen H,Liu L,et al.Application de-sign of concrete canvas（CC)i n s o i l r e i n-forced structure J .G e o t e x t ile s a n dGeomembranes,2016,44(4):557-567.6J Han F,Chen H,Jiang K,et al.Influencesof geometric patterns of 3D spacer fabricon tensile behavior of concrete canvasJ.Construction and Building Materials,2014,65:620-629.7 G B/T 2 2 8 1一2 0 10.金属材料拉伸试验一第1部分：室温试验方法S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 10.8 C EC S146：2 0 0 3.碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程S.北京：国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心，2 0 0 3.9 G B50 3 6 7 2 0 13.混凝土结构加固规范S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 13.10 G B50 152 2 0 12.混凝土结构试验方法标准M.北京：中国建筑工业出版社，2 0 12.（本文主审：扈姬优教授）