CFRP嵌入式加固砌体结构抗弯性能试验研究.pdf

钎 蟓 中 国 科 技 核 心 期 刊 C F R P 嵌入式加固砌体结构 抗弯性能试验研究 李保亮 ， 丁百湛 ， 黄国君 ， 朱强强 1 ． 淮安市建筑工程检测中心有限公司， 江苏 淮 安2 2 3 0 0 1 2 ． 淮 阴工学 院 建筑工程学院 ， 江苏 淮安2 2 3 0 0 1 摘要 采用环氧树脂胶和碳纤维布制成 C F R P条状试样， 黏结环氧树脂胶嵌入到预先在砌体结构表面设置的槽中， 研究了嵌入 式C F R P与砌体凹槽粘结强度的影响因素， 及嵌入 C F R P 对砌体结构平面外抗弯性能的影响。研究结果表明， 增加 C F R P层数及宽 度均可提高 C F R P与砌体粘结强度，然而却降低了C F R P 效率发挥系数， C F R P 效率发挥系数与C F R P 横截面周长与横截面面积之 比正相关， 且短切碳纤维增强环氧树脂胶可提高C F R P与砌体粘结性能， 另外， 嵌入式 C F R P加固砌体结构大大提高了砌体结构的 极限承载力及延性 。 关键词 C F R P ； 嵌入式加固 砌体结构； 抗弯性能 中图分类号 T U 5 2 8 ．0 4 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 7 0 2 X 2 0 1 4 0 9 0 0 9 1 04 Ex p e r i me n t a l s t u d y o f 0 1 I t O f 。_ p l a n e fle x u r a l pe rfo r m a n c e o f ma s o n r y s t r u c t u r e s s t r e n g t h e n e d wi t h n e a r - s u rfa c e mo u n t e d c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r L I B a o l i a n ， D I N G B a i z h a n D HU AN G G u o j u n “ ， Z HU Q i a n g q i a n g 2 1 ． H u a i a n T e s t i n g C e n t e r f o r C o n s t r u c t i o n E n g i n e e ri n g C o ． L t d ． ， H u a i a n 2 2 3 0 0 1 ， J i a n g s u ， C h i n a 2 ． F a c u l t y o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l 、 E n gin e e r i n g ， H u a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H u a i a n 2 2 3 0 0 1 ， J i a n g s u ， C h i n a Abs t r a ct I n t h i s e x p e rime n t a l r e s e a r c h， CF RP s t r i p s we I f a b ri c a t e d b y e po x y r e s i n s g l u e a n d c a r b o n fi b e r p o l y me r s h e e t s ， an d e mb e d d e d i n g r o o v e s p r e - e u t i n t h e n e ar- s u r f a c e o f ma s o n r y wh i c h a t t a c h e d wi t h e p o x y r e s i n g l u e ， t h e n t h e s e v e r a l f a c t o r s wh i c h a f - f e e t t h e b o n d s t r e n g t h o f t h e C F R P s t ri p s e m b e d d e d ， a n d t h e i n f l u e n c e o f n e a r - s u r f a c e m o u n t e d N S M C F R P o n t h e o u t -- of- p l a ／ l e fle x u r a l p e r f o r man c e o f maso n r y s t r u c t u r e s s t r e n g t h e n e d we r e s t u d i e d ．T h e t e s t r e s u h s s h o we d t h a t ， i n c r e a s i n g t h e NS M C FRP t h i c k - n e s s a n d t h e NS M C F R P w i d t h c o u l d i n c rea s e t h e b o n d s t r e n gt h o f t h e N S M C F R P s t ri p s ．H o w e v e r t h e C F R P e f f i c i e n c y w a s r e d u c e d， t h e C FR P e ffi c i e n c y WS S i n p r o po rti o n t o t h e r a t i o o f t h e NS M CF RP c r o s s s e c t i o n a l p e ri me t e r t o C reS S s e c t i o n a l a r e a ， a n d t h e e p o x y r e s i n d u e s e n gt h e n e d w i t h s h o r t c a r b o n fi b e r e n h anc e d s i g n i fi c a n t l y i t s b o n d s t r e n g t h w i t h t h e m a s o n r y ． I n a d d i t i o n ， t h e r e s u i t s als o s h o we d t h a t ， s t r e n gth e ne d wi t h NS M CFRP， t h e s t r e n gth an d d u c t il i t y o f t h e ma s o n ry s t ruc t u r e s s p e c i me n s wa s i n c r e a s e d s i gni fic a n t l y ． Ke y wo r d s C F R P s t ri p ； n e ar- s u rf a c e mo u n t e d s e n gt h e n ； m aso n ry s t r u c t u r e s ； fl e x u r al p e r f o rm anc e 砌体结构特点是抗拉、 抗折、 抗弯强度显著不足， 在风、 爆炸、 地震等水平荷载作用下易发生破坏， 随使用年限增加， 破坏现象严重， 亟需加固修复。 而纤维增强塑料类材料 F R P 加固技术以其高强高效、 耐久性、 不增加构件的白重及体积、 适用面广、 便于旌工等技术优势， 近年来在土木工程领域得 到了广泛的研究和应用。 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 1 8 作者简介 李保亮， 男， 1 9 8 3 年生， 山东陵县人， 硕士， 主要从事工程 检测 及建材研 发。 地址 江苏省淮安市青年路 1 4号 淮安市建筑工程 检测中心有限公司， E - m a i h l b l j n d x 1 2 6 ． c o rn。 目 前， 国内外有关F R P加固砌体结构抗弯性能的研究表 明 ， F R P加固砌体在抗弯承载力、 平面外刚度和延性方面 都有很大的 提高， F R P 加固量 和F R P 类型 均影响到 墙体的刚 度， 而砌体构件的失效模式取决于F R P的粘贴方式和锚固方 式， 通过合理的界面处理和锚固措施， 可以避免发生剥离破 坏， 充分发挥F R P 材料优良 的拉伸性能。这为利用其它形式 的F R P 制品 加固 砌体结构 提供了 新的 思路。 F I P 嵌入式加固砌体结构， 是在砌体结构表面处开槽， 然 后将F R P采用环氧树脂、 水泥基等胶结材料嵌入粘结到槽 内， 作为一种新型加固方式， 其弥补了F R P 粘贴砌体结构外 墙加固方式的不足。本文主要针对 C F R P嵌入式加固时的 NE W B U I L DI NG MAT E R I AL S 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李保亮， 等 C F R P 嵌入式加固 砌体结构抗弯性能试验研究 C F R P与砌体结构锚固粘结性能影响因素及对砌体结构抗弯 性能影响进行了初步探讨。 1 原材料及试样制备 1 ． 1 原材料 碳纤维布 上海东维化建新材料科技有限公司生产的 T R C A ， 型号 T C 2 2 0 0 ， 理论厚度 0 ． 1 1 1 m m ， 其性能依据 G B 5 0 3 6 7 --2 0 0 6 混凝土结构加固设计规范 进行测试， 结果见表 1 。 环氧树脂胶 上海东维化建新材料科技有限公司生产的 T I G E R ， 型号 T G E - 2 ， m t O m0 3 - 3 l ， 其性能依据G B 5 0 3 6 7 2 0 0 6 进行测试， 结果见表2 。 表 1 碳纤维布的性能 项 目 测试结果 抗拉强度标准值／ MP a 受拉弹性模量／ G P a 伸长率／ ％ 仰贴条件下纤维复合材料与 混凝土的正粘贴 强度／ MP a 3 24 3 2 2 6 2 ．0 4 4 ． 1 且混凝 土内聚破坏 表 2 环氧树脂胶的性能 项 目 测试结 果 抗拉强度／ M P a 受拉弹性模量／ MP a 伸长率， ％ 抗弯 强度／ MP a 抗压 强度／ MP a 钢一 钢拉伸抗剪强度标准值／ M P a 与混凝土的正拉粘结强度， MP a 4 2 2 61 0 1 ．6 3 5 3 无脆性破坏 8 4 1 5 4． 1 M 7 ． 5 砂浆； M U 1 5 粉煤灰实心砖； 1 5 0 m m x l 5 0 m m的C 5 0 混凝土试块。 1 ． 2 试样制备及试验方法 1 ．2 ． 1 C F R P 条的制作 1 玻璃板上， 放置 1 层隔离塑料膜， 先刷 1 层搅拌好的 环氧树脂胶， 将剪好的碳纤维布粘上， 然后在碳纤维布上浸刷 环氧树脂胶并用玻璃棒滚平赶走气泡， 使之浸抹均匀， 完毕后 在空气中固化2 d 。 2 用小刀或剪刀剪取相应宽度C F R P 条， 待用。 1 ．2 ．2 砖砌试样的制作及 C F R P条嵌入加固 1 砌体采用粉煤灰实心砖砌筑， 具体砌筑方式按照G B ／ T 5 0 1 2 9 - - 2 0 1 1 砌体基本力学性能试验方法标准 实施和设计， 试验的试件分为 4组， L 1 为未加固砌体， L 2为嵌入 2条 C F R P 加固； L 3 为嵌入 3 条 C F R P 加固； 为嵌入4 条C F R P 9 2 新型建筑材料 2 0 t 4 ． 9 加固， 每组3 个试件， 试件尺寸2 4 0 m m x 2 4 0 m m x 9 3 0 m l n ， 如 图 1 所示。 诬 ’ Q 3 Q 鄞 图 1 试件示意 2 C F R P嵌入方式 在砌体表面等处开槽， 并清理干净 凹槽内的灰渣，将环氧树脂胶涂抹C F R P 片材两面及凹槽内 表面， 并将C F R P 片材嵌入凹槽内， 固化2 d ， 其中砌体开槽宽 度3 m m， C F R P宽度为凹槽宽度的2 ／ 3 ，剩余用砂浆勾缝填 平。 具体嵌入方式， 嵌入2 条时， 即在砌体砖中部开槽， 具体参 照图 1 ； 嵌入3 条时， 在嵌入2 条基础上， 在砌体灰缝处再嵌 入1 条； 嵌入4 条时， 使4条C F R P 条在砌体宽度方向均匀等 距离分布。 1 ．2 ．3 抗弯试验装置及加载方式 砌体沿通逢截面抗弯试验采用由试验台座、 千斤顶、 应变 仪等组成的加荷系统进行加载 见图2 ， 并用百分表进行挠 度测量。 正式加载之前， 在试件上标出支座与荷载作用线的准 确位置， 在纯弯区段， 测量截面尺寸， 每组选择3 个试件， 测其 自 重并计算平均值。用应变仪对千斤顶进行校准，按每级 5 k N进行加载， 记录每级荷载下对应的应变仪读数。在试验台 座上， 按简支 梁3 分点 集中 加载的要求， 使试 件准确就位。 试 验采用匀速连续加载方法，加载速度按试件在3 5 m i n内破 坏进行控制， 试件破坏时， 记录破坏荷载值、 挠度及试件的破 坏特征[6 1 。 悬吊钢 粱 图2 抗弯试件加载示意 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李保亮， 等 C F R P嵌入式加固砌体结构抗弯性能试验研究 2 结果与讨论 2 ． 1 嵌入式 C F R P片材锚固性能影响 试验采用上海益环仪器科技有限公司生产的 Y H S 一 2 2 9 W J 一 5 0 K N 型万能试验机， 最大承 载力5 O k N 。 利用万能试 验机拉伸嵌入到混凝土块体中的C F R P 条来测试 C F R P的锚 固粘结性能， 测试试件见图3 。 ／ jJ ；_．H ，‘ ＼ l 图 3 C F R P粘结强度试件示意 C F R P 拉伸粘结性能试验结果见表3 。 表 3 嵌入式 C F R P尺寸对粘结性能影响 注 C F R P拉伸衙载 发挥系数 为C F R P粘 结破坏 荷载与 C F R P拉 伸强度破坏荷载之比， 下同。 从表3 可知， 试样均为拉出 破坏， 且增加C F R P 宽度与层 数， 均可提高C F R P的粘结荷载， 这是因为增加C F R P宽度与 层数均可增加C F R P 与砌体接触面积， 从而增加锚固力。 而增 加C F R P宽度与层数均降低C F R P 拉伸荷载发挥系数， C F R P 层数从 1 层增加到 3 层， C F R P拉伸荷载发挥系数为5 8 ％、 5 4 ％、 4 5 ％，依次降低； C F R P试样宽度分别为 2 0 、 2 5 、 3 0 m m 时， C F R P拉伸荷载发挥系数分别为5 6 ％、 5 5 ％、 5 3 ％，依次降 低。C F R P 粘结破坏荷载与C F R P 试件横界面周长、 长度及与 凹槽界面摩擦系数成正比，而C F R P拉伸粘结荷载与C F R P 横截面面积成正比， 因 此在本试验条件下， 同 种材料的C F R P 拉伸荷载发挥系数与C F R P 试件横截面周长与横截面面积的 比值成正比。而试样层数越少、 试样宽度越小， 横截面周长与 横截面面积的比值越大， C F R P 拉伸强度发挥系数越大。 表4 为利用3 m m短切碳纤维增强环氧树脂胶来增加 C F R P 粘结锚固 强度， 3 m m短切碳纤维占 环氧树脂胶体积分 数 5 ％， 短切碳纤维增强环氧树脂胶涂于C F R P及砌体凹槽表 面。 表 4 短切碳纤维增强环氧树脂胶对 C F R P 粘结锚固强度的影响 由表4 可见， 用短切碳纤维增强环氧树脂胶， 大大提高了 环氧树脂胶的粘结强度， 增强了C F R P 粘结破坏荷载， 并且使 得单层 1 5 m m宽的C F R P拉出破坏荷载更接近C F R P 拉伸断 裂荷载， 且C F R P 材料拉伸荷载发挥系数提高后， 试样破坏模 式由单纯的拉出破坏到出现C F R P条破裂、 拔出及块体剪切 破坏， C F R P锚固粘结强度明显提高。 2 ． 2 抗弯试样破坏模式 砌体试件中分别嵌入 2 、 3 、 4条单层 1 5 m m宽C F R P ， 并 用3 m m短切碳纤维增强环氧树脂胶提高C F R P与砌体的粘 结强度。 抗弯试验表明，未加固砌体在竖直灰缝处出现裂缝后迅 速失去承载力， 其破坏是突然性的， 具有明显的脆性特征， 且 断裂面平整， 并出现在跨中位置， 为弯曲破坏； 而嵌入C F R P 的砌体，在竖直灰缝处出现裂缝后，破坏出现延迟，随后 C F R P 折断或者剥离而出现突然破坏， 并伴随砌体砖破坏， 为 弯剪破坏。具体如下 嵌入2 条C F R P ， 砌体破坏是由于C F R P条从砌体凹槽处 拔出， 初始破坏发生在砌体灰缝砂浆处， 砌体破坏的声音是渐 次的， 是伴随着C F R P 条破坏的， 砌体结构的 抗弯 应力由 砌体 灰缝处砂浆粘结力承担， 嵌入C F R P时， 砌体结构的抗弯应力 大部分由C F R P 条承担，此种加固方式是环氧树脂胶与砌体 截面松懈导致。 嵌入3 条C F R P ， 砌体破坏是由于剪切所致， 同嵌入2 条 时相似， 在最大弯曲应力时， 破坏首先出现在砂浆灰缝处， 在 破坏最后阶段可见C F R P 从砌体凹槽截面处松懈拔出。并且 初始破坏发生时间相对未加固时有所延迟，且破坏裂缝宽度 随嵌入C F R P 数量增加而减小 相对嵌入2 条C F R P 。 嵌入4 条C F R P ， 砌体破坏与嵌入 3 条不同之处是， 砌体 最终破坏是某条C F R P 突然断裂所致。 2 - 3 嵌入 C F R P对砌体结构抗弯性能影响 试验中弯矩采用式 1 计算阎 NE W BU J L D J NG MAT E RI AL 5 9 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李保亮， 等 C F R P 嵌入式加 固 砌体结构抗夸}生 能试验研究 M - P L i - c L 1 式中 一 试件跨中 弯矩， k N m 卜竖向荷载， k N 剪跨段长度， m G 试件的自 重， k N ‘ 2 个支座之间的距离， m。 嵌入C F R P 对砌体结构抗弯性能的 影响 见表5 。 表 5 嵌入 C F R P对砌体结构抗弯性能的影响 由表5 可知，嵌入C F R P 加固后砌体与未加固的砌体相 比， 砌体抗弯承载力和变形能力均有较大的提高。 砌体通逢截 面嵌入2 条、 3 条、 4 条单层 1 5 m m宽C F R P 后，其竖向荷载 分别为未加固砌体的3 ． 4 5 倍、 5 ． 3 9 倍、 7 ． 8 3 倍， 极限弯矩分别 为未加固砌体的1 ． 9 6 倍、 2 ． 7 2 倍、 3 ． 6 8 倍， 极限挠度分别为未 加固砌体的5 ． 5 0 倍、 6 ． 8 3 倍、 8 ． 6 7 倍。 3 结论 1 增加C F R P 片材的厚度及宽度均可增加C F R P 材料 与砌体结构的锚固性能，而C F R P材料拉伸强度效率发挥系 数却随C F R P 材料厚度及宽度的增加而下降。 C F R P 材料拉伸 强度发挥系数与C F R P材料横截面周长与横截面面积之比正 相关，采用短切碳纤维增强环氧树脂胶粘结C F R P明显提高 了C F R P 材料的拉伸强度发挥系数。 2 嵌入式C F R P加固砌体结构的破坏模式主要是弯剪 切破坏， 并且可明显延迟破坏， 而未加固砌体主要破坏模式为 脆性弯曲破坏。 3 嵌入 C F R P 片材后， 砌体结构抗弯性能改善明显， 沿 通逢嵌入2 、 3 、 4 条 1 5 m i ll 宽单层C F R P片材， 砌体结构竖向 荷载分别为未加固砌体的3 ． 4 5 倍、 5 ． 3 9 倍、 7 ． 8 3 倍； 极限弯矩 分别为未加固砌体的 1 ． 9 6 倍、 2 ． 7 2 倍、 3 ． 6 8 倍； 极限挠度分别 为未加固砌体的5 ． 5 O 倍、 6 ． 8 3 倍、 8 ． 6 7 倍。 参考文献 [ 1 】 A l b e r t M L ， E l w i A E ， C h e n g J J R ． S t r e n g t h e n i n g o f u n r e i n - 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