CFRP-ECC复合体系用于加固修复混凝土结构
2018-03-26
 
采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固混凝土结构已经引起土木工程领域的广泛关注,并且该技术的相关国际规范已经出版。这是因为CFRP材料有很多优点,包括轻质高强、低热传导率以及在恶劣环境下的优良耐久性能。
该技术多采用聚合物如树脂将CFRP材料粘贴在混凝土表面来实现加固效果。在不考虑火灾情况下,聚合物胶用于粘贴是十分有效的。然而如果在火灾情况下,聚合物胶的力学性能会迅速恶化导致加固失效。这是因为聚合物有玻璃态转化温度Tg,当温度超过Tg时聚合物就会从稳定的玻璃态转化为不稳定的橡胶态而出现软化现象。聚合物的这种性质极大限制了CFRP加固混凝土结构技术的发展。
为了解决这个问题,本研究提出了一种CFRP-ECC复合体系用于加固混凝土结构已解决火灾高温失效问题。首先测试了该体系在500摄氏度高温条件下的拉伸、压缩等力学性能。然后通过直接拔出实验将CFRPECC中拔出来研究CFRPECC在高温条件下的界面性能。同时为了找到CFRP最佳埋深,采用了不同的CFRP粘接长度。最后通过钢筋混凝土梁的四点弯曲试验验证该CFRP-ECC复合体系的加固效果。
经过28天养护之后,ECC样品在高温炉中进行高温处理。高温炉达到目标温度后恒温一个小时确保样品温度均匀稳定。高温处理后,对样品进行拉伸实验以探究高温对材料的力学性能影响。
 
 
 
1 ECC与普通混凝土弯曲能力的比较(左图);ECC拉伸的应力应变曲线(右图)
 
 
 
2 温度对ECC拉伸应力应变曲线的影响(左图);以及对ECC抗拉强度和极限拉应变的影响(右图)
 
直接拔出实验中,CFRP直接从ECC中拔出以探索二者界面关系。为了找到CFRP最佳埋入深度,采用了6CFRP长度,分别为25 mm,50 mm,75 mm,100 mm,135 mm170 mm。拔出实验在采用MTS 810材料试验机进行。
 
 
 
3 (a) CFRP拔出强度与其在ECC中埋入深度的关系;(b) 温度对CFRP拔出强度的影响
 
三个钢筋混凝土梁进行了四点弯曲实验。第一根梁没进行加固用于对照,第二根梁采用CFRP-ECC复合体系加固,第三根梁采用CFRP-水泥砂浆加固。
 
 
 
4 (a) 对照梁;(b) CFRP-水泥浆加固梁;(c) CFRP-ECC复合体系加固梁的破坏模式对比
 
本研究的结论是CFRP-ECC复合体系在500摄氏度高温下的力学性能良好。通过理论分析和实验结果可以判断,CFRP-ECC复合体系用于加固混凝土结构有很好的应用潜力。实验结果表明直接将CFRP-ECC复合体系浇筑在混凝土结构表面是不行的。本研究建议需要在混凝土结构表面先设置剪力钉,然后再浇筑CFRP-ECC复合体系实现最佳加固效果。这种界面处理的手段可以有效的保证在高温环境下该复合体系与混凝土结构的界面粘接。
 
 
吴超,交通科学与工程学院,教授,青年千人,E-mail: wuchao@buaa.edu.cn
 
参考文献
[1]Wu, C., Li, V. C. (2017). CFRP-ECC hybrid for strengthening of the concrete structures, Composite Structures, 178, 372-382.
[2]Wu, C., Li, V. C. (2017). Thermal-mechanical behaviors of CFRP-ECC hybrid under elevated temperatures, Composites Part B, 110, 255-266.