[摘要] 洪雷++马腾龙++王苏岩通过试验研究了湿度为98%，温度分别为20 ℃，40 ℃，60 ℃的湿热环境下预应力碳纤维增强复合塑料（CFRP）加固高强
洪雷++马腾龙++王苏岩
通过试验研究了湿度为98%，温度分别为20 ℃，40 ℃，60 ℃的湿热环境下预应力碳纤维增强复合塑料（CFRP）加固高强混凝土的破坏形态和承载性能，分析了预应力等级、温度、环境作用时间等因素对加固试件耐久性的影响。结果表明：经过湿热环境作用后，施加预应力等级为CFRP极限抗拉强度30%的预应力加固试件的开裂荷载和极限荷载均有不同程度的下降；随着环境温度的提高，加固试件的破坏形态逐渐由弯剪破坏转变为弯曲破坏；湿热环境作用对预应力CFRP加固试件的整体不利影响大于非预应力试件，并且随着预应力增加，不利影响会进一步加剧。
关键词：CFRP；高强混凝土；耐久性；湿热环境；预应力；开裂荷载；极限荷载
中图分类号：TU528文献标志码：A
Durability of High Strength Concrete Strengthened with Prestressed
CFRP Under Wetthermal EnvironmentsHONG Lei， MA Tenglong， WANG Suyan
（State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering， Dalian University of
Technology， Dalian 116024， Liaoning， China）Abstract： The failure patterns and bearing performances of high strength concrete specimens strengthened with prestressed carbon fiber reinforced polymer（CFRP）were studied by experiments under wetthermal environment where the humidity was 98% and the temperatures were 20 ℃， 40 ℃， 60 ℃. The influences of different factors including prestressed degree， temperature and environment action time on durability of strengthened specimens were analyzed. The results show that the cracking loads and ultimate loads of specimens strengthened with prestress being 30% of tensile strength for prestressed CFRP decline in varying degrees after being subjected to wetthermal environments. With rising of the environment temperature， the failure patterns change from bending shear failure to flexural failure. In addition， the overall adverse effects of wetthermal environments on specimens strengthened with prestressed CFRP are greater than those on specimens strengthened without prestressed CFRP， and the adverse effect will be aggravated when prestress rises.
Key words： CFRP； high strength concrete； durability； wetthermal environment； prestress； cracking load； ultimate load
0引言
碳纤维增强复合塑料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）在土木工程混凝土结构加固修复技术领域已经应用得十分广泛[1]。应用于土木工程领域的CFRP通常强度都达到3 000 MPa以上，而其弹性模量相对强度来说却低得多。要发挥较大的强度，CFRP需要相当大的变形[2]。因此，可以对CFRP施加预应力来克服其材性上的缺陷，从而有效地避免CFRP布出现应力滞后的现象[38]。
研究表明，CFRP材料本身拥有良好的稳定性和耐久性。国内外学者对CFRP加固混凝土结构的耐久性進行了大量研究[914]。任慧韬等[15]研究了湿热环境对FRP加固混凝土结构耐久性能的影响。郭春红[16]对纤维增强复合材料加固混凝土结构的力学性能和耐久性评价技术进行了研究。目前对预应力CFRP加固高强混凝土结构在湿热环境下的研究还较少。本文通过试验研究了湿度为98%，温度分别为20 ℃，40 ℃，60 ℃的湿热环境作用下预应力CFRP加固高强混凝土试件的破坏形态和承载性能，分析了预应力等级、温度、环境作用时间等因素对加固试件耐久性的影响。
1试验概况
1.1试验材料
试验采用C60高强混凝土，混凝土配合比见表1。采用P.Ⅱ52.5R普通硅酸盐水泥和Ⅰ级粉煤灰。标准养护28 d，混凝土立方体抗压强度为68.3 MPa。CFRP布力学性能见表2。采用凯华牌JGN型碳纤维建筑结构胶，分为底胶和浸渍胶，黏结性能参数见表3，4。
Fig.1Paste Areas of CFRP Sheets （Unit：mm）的张拉机具施加预应力[17]，如图2所示，将粘贴CFRP布的小梁连同持载器放在电液伺服试验机工作台，安装好各设备后对CFRP布进行张拉，达到设定的预应力水平后停止加载，利用特制扳手将调节螺母旋紧，并卸载。为防止放张预应力时CFRP布端部与混凝土剥离，在CFRP布的端部各粘贴50 mm宽、0.167 mm厚的碳纤维布U型箍进行锚固，如图3（a）所示。待试件底面结构胶完全干燥后，剪断CFRP布，放张，如图3（b）所示。
1.3试验参数
湿热试验在恒温恒湿标准湿热试验箱中进行，试验参照《玻璃纤维增强塑料老化性能试验方法》（GB/T 2573—2008）进行，湿度保持在98%，温度
1.4数据采集装置
通过线性可变差动变压器（LVDT）测量试件的跨中挠度，试件的左右两端各一个，将所测得的数据取平均值；通过粘贴在试件底面CFRP布上的应变片对CFRP布上各部分的应变进行测量，应变片粘贴在CFRP布中间一条带上，粘贴位置如图4所示。
2.1试验过程与破坏形态
图6为试件破坏形态。从试验结果可以看出，试件的破坏模式为CFRP混凝土保护层的界面剥离破坏，破坏形态主要分为弯剪裂缝引起的界面剥离破坏和弯曲裂缝引起的界面剥离破坏。随着预应力水平和湿热环境温度的提高，试件的破坏形态发生了比较明显的变化。
由T20系列试件可以看出，随着预应力水平的提高，试件破坏后表面的裂缝逐渐减少，见图6（a），（b），（c）。
T20系列与T40系列试件的破坏形态均为弯剪破坏。破坏后，CFRP布上黏结的混凝土粗骨料较多，如图6（d）所示。
当温度为60 ℃时，T60系列试件的破坏形态均为弯曲破坏。破坏后，CFRP布胶层与混凝土2个界面比较平整，树脂表面几乎没有黏结混凝土，如图6（e）所示。与图6（d）相比，T20系列与T40系列试件的破坏多发生在混凝土部分，而T60系列试件的破坏基本发生在胶层，表明60 ℃的湿热环境作用下胶层成为预应力加固试件的薄弱环节。这是由于60 ℃的高温达到了树脂胶工作的极限温度，使树脂图6试件破坏形态
Fig.6Failure Patterns of Specimens胶出现塑化；水物质向树脂胶的扩散会引起树脂质量的增加，高温使得水分子运动更加活跃，扩散速率加快，从而水分更容易渗入到微裂缝，树脂力学性能衰减更加明显，造成胶层的劣化。如图6（f），（g）所示，与T40系列试件相比，T60系列试件破坏时，CFRP布从开裂位置开始剥离，然后迅速剥离至锚固端。CFRP布与混凝土之间的剥离区域长度基本贯通整个试件。这是由于60 ℃时，CFRP胶层与混凝土之间的黏结性受高温湿热的劣化影响比较大，树脂胶已经开始出现软化，造成CFRP布周围胶体变少。
相同条件下，随着环境作用时间的增加，试件的破坏形态基本保持不变。
2.2加固试件受力性能分析
2.2.1开裂荷载与极限荷载
由表5可见，未施加预应力的加固试件其开裂荷载和极限荷载随着环境温度的升高以及环境作用时间的增加变化不明显。
当温度为20 ℃和40 ℃时，施加预应力等级为15%的预应力加固试件其开裂荷载和极限荷载随着环境作用时间的增加并无明显变化，并且荷载值的大小基本相同。当温度为60 ℃时，虽然其开裂荷载和极限荷载随着环境作用时间的增加无明显变化，但与20 ℃和40 ℃时相比，开裂荷载降低了约13%，极限荷载降低了约20%。这是因为预应力等级为15%时，在环境温度为60 ℃的条件下，CFRP布与混凝土黏结层发生了一定程度的劣化。
在环境作用时间为500 h时，施加预应力等级为30%的预应力加固试件其开裂荷载和极限荷载随着环境温度的提高均有不同程度的下降。与20℃时相比，40 ℃和60 ℃时的开裂荷载分别下降了约11%和32%，极限荷载分别下降了约17%和35%。随着作用时间的增加，2种参数进一步下降：与20℃时相比，40 ℃和60 ℃时的开裂荷载分别下降了約14%和38%，极限荷载分别下降了约22%和41%。这说明预应力等级为30%时，CFRP布与混凝土黏结层之间的劣化随着环境温度的提高，劣化程度越明显，并且随着作用时间的增加，劣化程度进一步加剧。
2.2.2抗弯刚度对比
Fig.7Loadmidspan Deflection Curves of Specimens升段曲线均大致呈线性增长趋势，这是因为试件开裂之前，CFRP布与混凝土黏结良好，处于弹性工作状态；当温度为40 ℃和60 ℃时，曲线的波动段要比20 ℃时的短，这是由于40 ℃和60 ℃高温下CFRP布与混凝土之间的黏结层发生了一定程度的劣化。
图7（b）为施加预应力等级为15%的预应力时湿热环境作用下试件的荷载跨中挠度曲线。从图7（b）可以看出，当该系列试件的开裂荷载大于同样条件下未施加预应力的试件而温度为60 ℃时，曲线形态发生了变化，相比于20 ℃和40 ℃，曲线整体向下偏移，且几乎没有波动段，这是由于对试件施加一定预应力后，在温度为60 ℃的湿热环境作用下，CFRP布与混凝土之间的黏结层劣化程度比较显著。
图7（c）为施加预应力等级为30%的预应力时湿热环境作用下试件的荷载跨中挠度曲线。从图7（c）可以看出，随着温度的提高，加固试件的开裂荷载逐渐下降，表明湿热环境对预应力CFRP加固试件有退化作用。
由图7还可见，不同温度下对应的曲线间隔逐渐增大，表明随着预应力水平的提高，湿热环境作用下温度的提高导致加固试件的刚度差异逐渐显著，湿热环境作用对预应力试件的整体不利影响要大于非预应力试件，并且随着预应力的增加，这种不利影响会进一步加剧。
图8为60 ℃下试件荷载跨中挠度曲线。由图8可见，温度为60 ℃时，随着环境作用时间的增加，未施加预应力和预应力等级为15%的加固试件其荷载跨中挠度曲线基本重叠，试件的刚度变化不大，而预应力等级为30%的加固试件刚度却逐渐减小。这是由于60 ℃高温下，湿热环境对高预应力水平加固试件胶层的劣化影响比较严重，随着作用时间的增加，劣化程度进一步加剧，使得表面的胶体出现了一定程度的软化，加固试件的整体刚度下降。
3结语
（1）在施加预应力水平相同的条件下，随着环境温度的提高，加固试件的破坏形态由弯剪破坏逐渐转变为弯曲破坏，而环境作用时间对破坏形态的影响不大。
（2）经过湿热环境作用后，预应力等级为30%时，加固试件的开裂荷载和极限荷载均有不同程度的下降。当温度达到60 ℃高温时，下降幅度比较明显，而且随着环境作用时间的增加，下降幅度进一步加大。
（3）随着预应力水平的提高，湿热环境作用下温度的增加导致加固试件的刚度差异逐渐显著。湿热环境作用对预应力CFRP加固高强混凝土试件的整体不利影响大于非预应力试件，并且随着预应力增加，不利影响会进一步加剧。
（4）60 ℃高温下，湿热环境对预应力加固试件胶层的劣化影响比较严重。对于预应力等级为30%的加固试件，随着作用时间的增加，黏结表面的胶体出现了一定程度的软化，加固试件的整体刚度下降。建议增大试件的尺寸，进一步研究湿热环境对预应力CFRP加固混凝土的影响。参考文献：
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