（材料学专业论文）混杂纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究.pdf

摘要单一碳纤维加固混凝土结构的特点是：碳纤维的抗拉强度较高，但延伸率较低，加固成本较高；单一玻璃纤维加固混凝土结构的特点是：延伸率较高，加固成本低，但抗拉强度较低。针对两种加固材料的特点，本文提出用混杂纤维( 由碳纤维和玻璃纤维组成) 加固混凝土结构技术的方法。试验方案为：浇注1 0 根( 2 组、不同配筋) 钢筋混凝土梁，在梁底粘贴不同种类和不同数量的加固材料。通过试验得出梁的屈服荷载，极限荷载、跨中挠度、钢筋和加固材料的荷载应变曲线、破坏形态以及截面沿梁高的应变分布。并对试验结果进行了比较分析。通过分析可知：加固后的粱，其平均应变的分布符合平截面假定：使用加固材料( 碳纤维、混杂纤维) 来提高混凝土受弯构件承载力的补强加固方法是有效的：构件受弯承载力随加固材料用量的增加而提高：纵筋配筋率、加固材料混杂比例及混杂方式、加固材料用量均对受弯承载力有一定的影响；层内混杂纤维的抗弯性能、延伸性能以及经济性均优于单一纤维和层间混杂纤维。利用简化计算方法对梁的抗弯极限承载力进行了计算，并对试验结果与计算结果进行了对比分析，结果试验值与计算值吻合较好。最后对影响加固效果的各种因素进行了充分的讨论。关键词：混杂纤维；碳纤维；玻璃纤维；加固；混凝土粱；抗弯性能：比较a b s t r a c tt h ec h a r a c t e ro fs o l ec a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e si st h a tc a r b o nf i b e rh a sg o o di n t e n s i o n ，l o we x t e n s i o na n dh i g hp r i c e ；t h ec h a r a c t e ro fs o l eg l a s sf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t es 仃u c 骱e si st h a tg l a s sf i b e rh a sg o o de x t e n s i o n ，l o wp r i c ea n dl o wi n t e n s i o n i nt e r m so ft h ec h a r a c t e r so fc a r b o nf i b e ra n dg l a s sf i b e r , ap l a no fs t r e n g t h e n i n gc o n c r e t es t r u c t u r e s 、v i t l lh y b r i df i b e r ( c o m p o s e do fc a r b o nf i b e ra n dg l a s sf i b e r ) w a sp r o p o s e di nt h i sa r t i c l e t h ep r o j e c to fe x p e r i m e n ti st op r o d u c et e nr cb e a m sa n dt oa f f i xr e i n f o r c e dm a t e r i a l so f d i f f e r e n tk i n d sa n dd i f f e r e n ta m o u n tt ot h eb o r o mo f b e a r n s w ec a nd r a wac o n c l u s i o ni n c l u d ey i e l d i n gl o a d ，l i m i tl o a d ，m i d d l ed i s p l a c e m e n t ，l o a d s t r a i nc u r v e so fr e i n f o r c i n gs t e e lb a ra n dr e i n f o r c e dm a t e r i a l s ，d e s t r o yc o n f i g u r a t i o na n ds t r a i nd i s t r i b u t i n go fs e c t i o ni nb e a ms i d e c o m p a r i s o na n da n a l y s ea r em a d ei nt e r m so fe x p e r i m e n tr e s u l t s i ti ss h o w nt h a tb e a m so fr e i n f o r c e da v e r a g es t l 锄nd i s t r i b u t i n ga c c o r dw i t l lf l a ts e c t i o na s s b l l e ；t h em e t h o do fs t r e n g t h e n i n gi n t e n s i o no fc o n c r e t es t r u c t u r ew i mr e i n f o r c e dm a t e r i a l s ( c a r b o nf i b e r , h y b r i df i b e r ) i saf e a s i b l ew a y t h es t r e n g t ho fb e a mc a l l _ b ei n c r e a s e dw i t ht h en u m b e ro fr e i n f o r c e m e n tm a t e r i a l sb ea d d e d ；t h es t r e n g t ho fb e a mi sa f f e c t e db yp e r c e n t a g eo ff l e x u r a lr e i n f o r c e m e n ta n dt h ec o m p o u n dp r o p o r t i o na n df a s h i o no fr e i n f o r c e m e n tm a t e r i a l sa n dt h en u m b e ro fr e i n f o r c e m e n tm a t e r i a l s ；t h ec a p a b i l i t yo f b e n da n ds t r e t c ha n dp r i c eo f i n n e rh y b r i df i b e ri sb e t t e rt h a ns o l ef i b e ra n de x t e r i o rh y b r i df i b e rt h eu l t i m a t ef l e x u r a lc a p a c i t yo ft h eb e a mi sc a l c u l a t e db yu s i n gs i m p l i f i e df o r m u l a a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o ni sd o n eb e t w e e nt h ee x p a i l b e n td a t aa n dc a l c u l a t ed a t a , a n dt e s tr e s u l t sa r ea g r e ew i t hc a l c u l a t er e s u l t s a tl a s t ，a l lk i n d so ff a c t o r sa f f e c tr e i n f o r c e di m p a c ta r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：h y b r i df i b e r ；c a r b o nf i b e r ；g l a s sf i b e r ；r e i n f o r c e d ；c o n c r e t eb e a m ；f i e x u r a lc a p a c i t y ；c o m p a r i s o n第一章绪论材料是人类赖以生存和发展的物质基础。2 0 世纪7 0 年代人们把信息、材料、能源作为社会文明的支柱；8 0 年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料与信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料是国民经济建设、国防建设与人民生活所不可须臾缺少的重要组成部分。人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。纵观人类利用材料的历史，可以清楚的看到，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。当前以信息、生命和材料三大学科为基础的世界规模的新技术革命风涌兴起，它将人类的物质文明推向一个新阶段。在新材料研究、开发和应用，在特种性能的充分发挥以及传统材料的改性等诸多方面，材料科学都肩负着重要的历史使命。近3 0 年来，科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出越来越高、越来越严和越来越多的要求。在许多方面，传统的单一材料己不能满足实际需要。这些都促进了人们对材料的研究逐步摆脱过去单纯靠经验的摸索方法，而向着按预定性能设计新材料的研究方向发展。1 1 课题研究背景及课题提出1 1 1 课题研究背景在各种各样的建筑物( 如房屋、桥梁、坝体) 中，钢筋混凝土结构占有很大的比重。钢筋混凝土( r c ) 是耐久性较好的一种材料，但由于设计施工中存在缺陷，结构长期使用过程中的损伤、老化或灾害等原因，引起了混凝土结构的开裂和钢筋的锈蚀，出现抗震性能不良，承载力不足等诸多影响安全和使用功能的问题；再加上近年来车辆逐步大型化，交通量大增，使结构负载量大多超过原有设计标准，钢筋混凝土结构物受损严重f 2 3 】。我国是一个发展中国家，钢筋混凝土结构在建筑中应用最为广泛，如以设计基准推算，四五十年代已建的混凝土结构，目前它们大多数处于需要维修加固改造的高峰。另外，我国以前的结构设计规范中可靠度的取值也偏低。据1 9 9 5 年统计，我国就有3 0 亿平方米民用建筑需要鉴定河海大学硕士学位论文加固改造，其中l o 亿平方米急需维修加固h 】。此外，由于房屋结构使用性能的改变、房屋的加层改造以及由于火灾、施工不当、设计失误等原因也需要加固。有专家预测，再过二、三十年，我国土术建筑业将进入以维修加固改造为主的时期。因此，需要种经济有效、耐久性好、施工方便的技术，对急需维修加固的结构物进行加固修补。所谓房屋结构加固技术就是一种使结构或构件大于原有承载力或变形能力，以使建筑物或构筑物能够按要求正常工作的补救方法。建筑物进行加固改造的原则应当是在经济合理的条件下，对原结构进行加固，以满足安全性、适用性和耐久性的要求p l 。目前，工程上常用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有：加大截面加固法加大截面加固法是通过增加原构件的受力钢筋，同时在外侧重新浇注混凝土以增大构件的截面尺寸，来达到提高承载力的目的。可广泛用于般梁、柱、板、墙等混凝土结构的加固。其优点是可以同时增大构件的刚度、承载力和变形能力，部分情况下也可以加强连接的可靠性。缺点是现场湿作业工作量大，养护期较长，对生产和生活有一定影响，同时截面增大对结构外观和房屋净空也有一定影响。外包钢加固法外包钢加固法是用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆或焊接等方法对梁柱外包型钢进行加固。该方法主要是通过约束原构件来提高其承载力和变形能力。适用于使用上不允许增大原构件截面尺寸，却要求大幅度提高截面承载力的混凝土结构加固或砌体结构加固。优点是旌工简便，现场工作量小，受力较为可靠。旌工方式分为湿式和干式两种情况。湿式外包钢加固是采用乳胶水泥粘贴或环氧树脂化学灌浆等方法粘结；干式外包钢加固则是型钢与原构件之间无任何粘结，彼此只能单独受力。预应力加固预应力加固方法是通过预应力钢筋对构件施加体外预应力，以承担粱、屋架和柱所承受的部分荷载，从而提高构件的承载力。其特点是通过预应力手段强迫后加部分( 拉杆或撑杆) 受力，改变原结构内力分布并降低原结构应力水平，致使一般加固结构中所特有的应力应变滞后现象得以完全或部分消除。因此后加部分与原结构能较好的共同工作，结构的总体承载力可显著提高。预应力加固法具有加固、卸荷、改变结构内力的三重效果，可适用于大跨结构加固。根据加固对象的不同，可分为预应力拉杆加固和预应力撑杆加固。2第一章绪论粘钢加固粘钢加固是在混凝土构件表面用特制的建筑结构胶粘结钢板，以提高结构承载能力和变形能力的一种加固方法。其优点是不增加结构自重、简单、快速，施工时对生产活动和居民生活影响较小。适用于建筑、公路桥梁等。玻璃钢加固玻璃钢是一种复合材料，它具有与混凝土的线膨胀系数相近、比强度高、优良的电磁绝缘性等特点，可分别在梁底面和侧面粘贴玻璃钢来增强钢筋混凝土梁的抗弯和抗剪承载力，并改善梁的变形性能。喷射混凝土技术喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气或其它动力，将一定比例配合的拌和料，通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种混凝士。喷射混凝土具有较高的力学性能和良好的耐久性，特别是与混凝土、砖石、钢材有很高的粘结强度，可以在结合面上传递拉应力和剪应力【6 】。碳纤维加固碳纤维补强加固混凝土结构技术是一种新兴的、技术含量高的建筑物补强加固方法。是利用粘结剂将碳纤维片粘贴在混凝土构件表面，使混凝土与碳纤维片形成一体，共同工作的加固修补方式。工程用的碳纤维是以高纯度的聚丙烯晴( p n a ) 为原料经过高温炭化等特殊工艺加工成的极细的纤维丝【”。其强度一般为建筑用钢材的十几倍，弹性模量与建筑钢材在同一水平上并略有提高。目前国外已有上千个利用碳纤维布对梁、柱、板、墙、拱、烟囱及隧道等结构实施维修加固的实例 8 - 1 2 l 。碳纤维片材加固钢筋混凝土结构的新技术自1 9 9 7年引入我国，由于其高强轻质、易于旌工、材料本身耐腐蚀，耐疲劳，且适用面广等优点，受到我国工程界的密切关注一9 1 。概括起来主要有以下三种应用途径：在搅拌混凝士的同时加入短纤维制成碳纤维混凝土：长丝制成束状( 棒材)在现浇混凝土中代替钢筋，主要用于海洋结构及对电磁波有特殊要求的结构；碳纤维片材粘贴到混凝土表面用于结构的补强与加固，是实际工程中应用最多的一种。碳纤维虽然具有以上优点并被广泛应用，但它也具有造价高、延伸率低等缺点。目前，国内外研究的热点仍然集中在碳纤维复合材料加固上，我国冶研院、建研院、清华大学、同济大学、东南大学、天津大学等都先后开展了相关的研究工作，在单一纤维加固方面已经有了许多研究成果，c f r p 在土木工程上的应用也已比较成熟。但是碳纤维片材加固混凝土的缺点是价格相对较高，大面积推广应用受到限制：另一方面，碳纤维的强度相对被加固结构而言较高，其强度受到河海大学硕士学位论文粘结材料( 如树脂等) 和被加固构件强度的制约，在粘结材料或构件破坏时，碳纤维的强度没有得到充分的发挥；第三，碳纤维的延伸率相对较低。基于以上原因，近几年来有人提出混杂纤维( 目h 啦) 加固的设想并进行了一些试验，但至今没有比较成熟的产品在工程中应用。1 1 2 课题提出玻璃纤维和碳纤维是目前常用的两种加固材料1 - 2o 铷】。两种材料具有各自的优缺点：玻璃纤维虽然价格便宜，延伸率相对较大( 约为2 ，扣3 【2 0 】) ，但其抗拉强度和弹性模量比碳纤维低许多；碳纤维虽然抗拉强度和弹性模量较高，但延伸率相对较低( 约为1 - - - 1 4 f 2 0 1 ) ，且价格较高( 约为玻璃纤维的几十倍) 。表i 1 1列出了各种纤维详细拉伸力学性能。表1 1 1a c l 4 4 0 委员会给出的各种纤维力学性能表阱弹性模量极限强度价格纤维种类断裂应变( g p a )( m p 曲( 元对)普通2 0 0 2 3 5 1 2碳纤维2 2 0高强2 2 0 2 3 53 7 9 0 4 8 2 5 1 4超高强2 2 肚2 3 54 8 2 5 - - 6 2 0 0 1 5高模量3 4 5 5 1 5 3 1 0 0 0 5超高模量5 1 5 6 9 02 4 1 0 0 2e 型6 9 7 218 6 0 2 6 8 5 4 5玻璃纤维7 0s 型8 6 9 03 4 4 5 - , - 4 8 2 5 5 4普通6 9 8 33 4 4 5 4 1 3 5 2 5a r a m i d高性能1 1 0 1 2 43 4 4 5 4 1 3 5 1 6由表中数据可以看出，碳纤维极限强度、弹性模量高而断裂应变( 延伸率)低，玻璃纤维断裂应变( 延伸率) 高而极限强度、弹性模量低。目前碳纤维因为具有高强和高模的特性而被广泛应用于工程加固领域，但我国现行规程碳纤维片材加固混凝土结构技术规程明确规定用碳纤维加固后的受弯承载力的提高幅度不宣超过4 0 ，同时为保证抗震构件的延性，我国规范也规定钢筋的延伸率8妻1 0 。而碳纤维片材的延伸率却远低于钢筋的延伸率。为了保证在应有承载力的前提下，既增加被加固构件的塑性，又提高经济效4第一章绪论益，笔者提出丁以碳纤维和玻璃纤维为原料按照一定的比例进行混杂来加固混凝土构件的思路。混杂纤维复合材料是指由两种或两种以上的纤维混杂组成的复合材料【2 引。混杂效应可使特定需求的混杂复合材料具有单一复合材料无法比拟的特性，表现在某一性能的显著提高与成本的大幅度下降。碳纤维性脆、成本较高，而玻璃纤维性柔、价格便宜，由它们组成的混杂复合材料能有效提高碳纤维复合材料的韧性和显著降低碳纤维复合材料的成本。纤维复合材料领域的研究发现：不同纤维之间混杂后产生的混杂效应可以让纤维之间扬长补短。把两种以上的材料制成复合材料可以克服单一材料的缺点，改进单一材料的性能，并通过各组分的匹配协同作用，还可以出现原来单一材料所没有的新性能，达到材料的综合利用b 6 1 。1 2 国内外研究概况纤维增强复合材料( f r p ) 力d 固混凝土结构的技术最早产生于德国和瑞士，现在日本、美国、欧洲等国家已相当普及，使用范围已深入到土木工程中的众多领域。从加固结构的性能出发，研究成果大致分为三个方面：第一方面是关于f r y加固混凝土梁弯曲性能的研究，s a a d a m a n e s h 和e h s a n i 首先进行了玻璃纤维加固钢筋混凝土梁的试验研究，认为选择合适的粘结剂对提高被加固构件的机械性能尤为重要，还研究了不同材料性能和数量对加固梁强度的影响。相继又研究了碳纤维板加固梁的抗弯、抗剪性能，认为碳纤维布粘贴在腹板和受拉翼缘可以提高梁的强度和刚度，提高数量和破坏形式与纤维方向有关【2 “。t r i a n t a f i l l o u 和p | c v r i s确定和分析了几种破坏机理，如钢筋屈服f r p 断裂，钢筋屈服。混凝土压碎，受压破坏和脱粘。日本茨城大学吴智深对f r p 补强混凝土梁进行了实验研究，着重分析对f r p 补强的混凝土构件的破坏形式起决定作用的三个要素，即混凝土的抗压强度、f r p 的补强量、粘结强度。这三个参数分别发生变化，将左右混凝土梁的破坏形式2 8 1 。第二方面是关于f r p 加固混凝土构件的抗剪研究，a i s u l a i m a n i 和s h a r i f 等做实验研究了玻璃纤维塑板补强钢筋混凝土梁，提出了几种不同的修复和锚固方案f 2 9 j 。m l l e k 和s a a d a t m a n e s h 研究了f r p 加固钢筋混凝土粱的抗剪性能，给出了各种材料的应力和剪力的计算方法1 3 讲。s w a m y 和m u k h o p a d h y a y a 研河海大学硕士学位论文究了外粘板对钢筋混凝土梁性能的影响。第三个方面是关于f r p 加固混凝土柱以及柱状物( 如烟囱等) 的抗压、抗震研究。m i r m i r a n ，s h a h a w y 和s a m a a n 对纤维加固梁柱的强度和延性进行了实验和理论分析口引。最近，碳纤维加匿i 方法又得到进一步的发展，即事先对碳纤维板施加预应力，使碳纤维不仅能应用于非预应力状态，而且也能应用于预应力状态。这类混合系统的性能优良，可以获得较好的强度、刚度和延伸性。碳纤维加固混凝土结构在日本、美国等发达国家已经产业化，并且这些国家都已编制了各自的行业标准与规范1 3 3 1 。我国从9 7 年开始这一领域的研究工作，并于2 0 0 3 年制定了碳纤维片材加固混凝土结构技术规程。目前，已经开发成熟并在土木工程中应用的纤维增强复合材料( f r p ) 主要有以下三种：碳纤维增强复合材料( c f r p ) 、玻璃纤维增强复合材料( o f r p ) 、芳纶纤维增强复合材* 4 ( a f r p ) t 3 4 】，比如深圳海川工程科技有限公司生产的路威屹0 0 8芳纶纤维复合材料。其中在土木工程领域应用最广泛的是c f r p 。意大利o z e l l a 公司研制生产的b e t o n t e 妒增强织物是用碳纤维和高模量纤维( 对位芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维) 构成，在纬向用细的玻璃纤维连接。b e t o n t e x增强布的优点是其具有高品质、高孑l 隙率和高尺寸稳定性的力学性能。b e t o n t e x增强布不需使用底材来保持碳纤维整齐排列，按供货状态使用即可。这种布可供1 0 - - 1 0 0 e r a 范围内的任何宽度，可根据施工部位大小准确选定所需增强材料的尺寸。由于该布是由单向纤维组成，因此具有极好的柔顺性和形状适应性，可以折叠和卷取而不发生任何损伤。这种织物专为建筑工业而设计，一般用来增强和修复混凝土结构和砖石结构。但这种产品目前还没有在国内应用的报导。汕头大学曾进行了碳纤维与玻璃纤维混杂加固混凝土结构的相关试验和研究，并就混杂纤维的改性机理及计算方法进行了论述，但其加固方式采用的是碳纤维和玻璃纤维的层间混杂，没有进行层内混杂的加固试验研究，试验具有一定的局限性。因此，对层内混杂纤维加固、层间混杂纤维加固和单一纤维加固三种加固方式的加固效率还有待进一步对比分析。本文主要研究内容是：1 3 本文主要工作第一章绪论l 、收集国内外相关资料，了解本课题的最新研究动态，确定研究方法。2 、从复合材科的制各原理出发，根据复合材料组合结构性能的研究，选用比较合适的混杂材料( 如玻璃纤维、超高分子聚乙烯等) 。3 、根据试验测定的强度值来确定碳纤维和混杂材料的理想混合比例。4 、测定所有试件的开裂荷载、屈服荷载、加固失效前荷载( 即纤维断裂前荷载) 以及应变值等。5 、根据试验得出的有关参数、试验结果，经综合分析，进行如下比较：屈服荷载和极限荷载；钢筋和加固材料的应变；梁跨中截面的应变分布；刚度：加固失效状态；经济性。6 、对混凝土梁进行正截面抗弯计算分析。河海大学硕士学位论文第二章试验研究概况2 1 试验原材料2 1 1 混凝土混凝土强度设计等级为c 2 5 ，每立方配舍比为：水泥：砂：石子：水= l ：1 6 2 ：2 8 8 ：o 5 ，表观密度为2 4 0 0 k g m 3 。水泥采用江苏双龙集团龙潭水泥厂生产的3 2 5级普通硅酸盐水泥，粗细骨料分别为碎石( 最大粒径为2 5 m m ) 和中砂，均满足规范要求。混凝土立方体试块( 两组、尺寸1 0 0 x1 0 0 1 0 0 m m ) 在养护期满后( 养护条件为：温度2 0 3 、相对湿度i 9 0 、养护时间2 8 天) ，用无锡建仪仪器机械有限公司生产的n y l 6 0 0 型压力试验机( 最大量程6 0 0 k n ) 以大约每秒0 1 5 0 2 5 n m m 2 的加载速度加压到破坏，测得的立方体强度数据如表2 1所示。根据实测数据可以看出，混凝土实际立方体强度满足设计要求。因此混凝土的强度设计值和弹性模量可按c 2 5 等级取值具体数据见表2 2 。表2 1混凝土试块实测立方体强度( 单位：n m m 2 )象p 、遗亨123平均值第一组2 3 92 4 42 5 32 4 5第二组2 4 22 5 22 5 62 5 o说明：1 、试块尺寸为1 0 0 x1 0 0 x1 0 0 m m ，乘以换算系数o 9 5 ，表内数据为换算后数据。2 、为节约模板，混凝土粱分两次浇注，所以混凝土试块为两组。表2 2 混凝土强度设计值【3 5 i g , , i i m m 2 )强度种类轴心抗压( f c )轴心抗拉( 妨弹性模量( e 。)数值1 1 9l - 2 72 8 0 0 02 1 2 钢筋钢筋采用安徽马鞍山钢铁厂生产的i 级光圆钢筋，直径分别为珂1 2 、a 8 、a 6三种。钢筋强度设计值和弹性模量见表2 - 3 。第二章试验研究概况表2 3 钢筋强度设计值p 5j ( n m m a )强度种类抗拉强度( f y )抗压强度( s 。)弹性模量( e s )数值2 1 02 1 02 1 0 0 0 02 1 3 加固材料( 碳纤维布、玻璃纤维布、混杂纤维布)根据碳纤维片材加固混凝土结构技术规程，碳纤维片材的主要力学性能指标应满足以下要求：抗拉强度标准值f c m 一3 0 0 0 m p a ；弹性模量e c f 一2 1 1 0 5m p a ；伸长率1 5 【3 司。同时规定单层碳纤维布的单位面积碳纤维质量不宜低于1 5 0 9 m 2 ，且不宜高于4 5 0 9 m 2 1 3 郇。本次试验用碳纤维布采用日本生产的东丽碳纤维布( 规格：u r 7 0 3 0 ) ，其性能指标见表2 4 。表2 4u t 7 0 3 0 碳纤维布的主要性能指标极限抗拉强度弹性模量断后伸长率单位面积质量厚度( m p a )( g p a )( )( g m 2 )r m i n )4 5 9 02 3 41 9 53 0 0o 1 6 7说明：各项指标均为平均值。玻璃纤维布采用南京玻璃纤维研究设计院高强玻璃纤维研究开发中心生产的s w 2 1 0 a 0 9 2 a 平纹高强度玻璃纤维布，其各项性能指标见表2 5 。表2 5s w 2 1 0 a - 9 2 a 平纹高强度玻璃纤维布的主要性能指标经向强力纬向强力单丝强拉伸弹断裂单位面积厚度( n 2 5 m m )( n 2 5 r a m )度( m e a )性模量伸长率质量( r a m )( m p a )c )( z m 2 )1 6 0 01 3 5 04 0 2 08 2 9 0 05 32 1 0o 2 1混杂纤维布分为两种，第一种为碳纤维与高强玻璃纤维混杂，第二种为高强玻璃纤维与超高分子聚乙烯混杂。碳纤维与高强玻璃纤维混杂布由宣兴市新维碳纤维织造有限公司按要求加工。所用碳纤维为东丽碳纤维、玻璃纤维为南京玻璃纤维研究设计院高强玻璃纤维研究开发中心生产的高强玻璃纤维，混杂比例为1 ：l ( 体积比) 。高强玻璃纤维与超高分子聚乙烯混杂布由南京玻璃纤维研究设计院高强玻璃纤维研究开发中心提供，混杂比例为l ：1 ( 体积比) 。加固材料见图2 1 ( a 、卜，2 1 ( d ) 所示。9河海大学钡i 学位论文图2 1 0 ) 碳纤维布图2 1 混杂纤维布图2 1 9 ( c ) 玻璃纤维布图2 1 ( d ) 混杂纤维布2 1 4 配套树脂( 底胶、找平胶、面胶)粘结剂足将连续纤维状的碳纤维结合在一起，同时又与混凝土表面粘合的系列粘结材料。它的性能将直接关系到结构( 构件) 的加固效果。国际上对碳纤维增强塑料加固修复土木建筑结构粘贴树脂，通常是选用环氧基的，这主要是因为该类树脂力学性能指标可以满足使用要求，耐久性好、长期受力性能优良、易于施工以及经济方面的因素【3 7 】。目前使用的树脂体系包括底层树脂体系( p r i m e r ) 、找平材料( p u 咐) 和浸渍树脂体系( s a t u r 商n gr s i n ) 【3 8 圳1 。根据碳纤维片材加固混凝土结构技术规程，配套树脂类粘结材料的主要性能应满足表2 6 、表2 7 和表2 8 的要求1 3 “。表2 6 底层树脂的性能指标性能项目性能指标试验方法i 正拉粘结强度 1 2 5 m p a 且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值k附录a袭2 7 找平材料的性能指标性能项目性能指标试验方法i 正拉粘结强度 2 5 m p a 且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值缸附录a表2 8 粘结树脂的性能指标性能项目性能指标试验方法 拉伸剪切强度1 0 m p ag b 7 1 2 4 1 9 8 6第二荦试验研究概况拉伸强度3 0 四ag b t 2 5 6 8 - 1 9 9 5压缩强度7 0 m p ag b t 2 5 6 9 1 9 9 5弯曲强度4 0 m p ag b t 2 5 7 0 19 9 52 5 m p a正拉粘结强度附录a且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值氏弹性模量1 5 0 0 口ag b 厂】1 5 6 8 19 9 5伸长率1 5 g b ，r 2 5 6 8 1 9 9 5本次试验底胶和面胶采用华东理工大学华昌高聚物有限公司生产的h c t 碳纤维胶粘剂底胶和碳纤维胶粘剂面胶。底胶的正拉粘结强度为1 4 2 m p a ，面胶的主要指标见表2 9 。找平胶采用南京德谦科技有限责任公司生产的l i c a 型碳纤维建筑结构胶，其各项主要指标见表2 1 0 。表2 9 碳纤维胶粘剂面胶主要性能指标( 单位：m p a )剪切强度对接头拉伸强度拉伸强度弯曲强度1 8 23 0 34 1 24 8 7表2 1 0l i c a 型碳纤维建筑结构胶主要性能指标( 单位：m p a )拉伸剪切拉伸强度弯曲强度压缩强度弹性模量正拉粘结伸长率强度强度2 4 _ 2 94 0 1 27 2 9 57 3 6 22 6 0 64 52 4 52 1 5 应变片本次试验所用应变片为浙江黄岩双立工程传感器厂生产的双立牌应变片。规格有两种，一种用于测量钢筋的应变，另一种用于测量混凝土和加固材料的应变，应变片具体规格指标见表2 1 l 。表2 1 1 应变片主要性能指标使用部位型号栅长栅宽( m m )电阻( q )灵敏系数k钢筋b x l 2 0 1 0 a a5 x 31 2 02 0 6混凝土梁b x l 2 0 10 0 a a1 0 0 x 31 2 02 0 6加固材料2 1 6 其它原材料实验用其它原材料为浇注混凝土梁用的木模板、用于清洗梁表面的丙酮、粘河海大学硕士学位论文贴应变片用的5 0 2 胶等材料。2 2 试验研究方案2 2 1 混凝土粱试件设计与制作试验梁为矩形截面简支梁，分为两组，每组5 根。混凝土设计强度为c 2 5 。梁截面设计尺寸为b h = 1 3 5 m m 2 0 0 m m ，跨度l = 2 0 0 0 m m ，净跨l o = 1 8 0 0 m m 。第1 组梁：受拉钢筋为2 0 1 2 ，架立筋为2 0 8 ，箍筋为0 6 2 0 0 ( 沿梁通长配置) ，设计配筋率( 配筋率p 2 去，其中a s 为受拉钢筋截面面积，b 为梁截面宽度，h o 为梁截面有效高度) 为1 0 l ；第1 i 组梁：受拉钢筋为2 0 8 ，架立筋为2 0 1 2 ，箍筋为0 6 2 0 0 ( 沿梁通长配置) ，设计配筋率为0 4 5 。梁配筋及加载情况如图2 2 所示。3 鳗3 0 l 。2 m8! ! q ，1 8 q q上! q q i第1 组梁第组梁图2 2 试验梁配筋及加载示意2 2 2 粱的加固和编号参照碳纤维片材加固混凝土结构技术规程 3 6 1 的工艺，对梁进行加固。根 f d 。njj第二章试验研究概况据加固情况将梁分为两组并编号，详见表2 1 2 。表2 1 2 试验粱编号及加固情况组别梁编号加固情况备注li 1未加固( 控制梁)li 2粘贴一层1 0 0t o n i 宽的碳纤维布受拉钢筋为2 0 1 2ili 3粘贴一层1 0 0r a i n 宽的碳纤维布架立筋为2 0 8和一层1 0 0m l i l 宽的玻璃纤维布粘贴一层1 0 0i r l r r l 宽的碳纤维布箍筋为0 6 2 0 0li 4和两层1 0 0t o n i 宽的玻璃纤维布li 5粘贴一层10 0m m 宽的碳纤玻纤混杂砸l i i 1末加固( 控制梁)l i i 2粘贴一层1 0 0r r l l i l 宽的碳纤维布受拉钢筋为2 0 8l i i 一3粘贴一层1 0 0l l h n 宽的碳纤维布架立筋为2 0 1 2和一层1 0 0m l l l 宽的玻璃纤维布l i i 4粘贴一层1 0 0m m 宽的碳纤维布箍筋为0 6 2 0 0和两层1 0 0l l l m 宽的玻璃纤维布粘贴一层1 0 0 m i l l 宽的l i i 5玻纤超高分子聚乙烯混杂布说明：1 、纤维布加固长度均为1 6 0 0 m m ，宽度为1 0 0 m m 。2 、在纤维布的两端各加两道u 型箍，间距为2 0 0 m m ( 中中) ，宽度为1 0 0 m m 。2 2 3 试验加载及数据采集为了着重研究梁正截面受力和变形的变化规律，采用两点加载方式，试验梁的布置如图2 2 所示。这样在两个对称集中荷载间的区段形成纯弯段，可以基本上排除剪力的影响( 忽略自重) 。试验加载采用江苏省建筑科学研究院结构检测中心的压力机一分配梁加载装置( 压力机为长春试验机厂生产，最大量程为2 0 0 0 k n ) 。试验前在粱跨中附近的每根受拉钢筋上贴钢筋应变片，用以1 钡4 量钢筋的应变；在加固材料上贴两片应变片，用以测量加固材料的应变；在“纯弯段”内混凝土梁侧面贴五片应变片，用以测量混凝土的应变( 应变片沿梁截面高度布置情况如图2 1 3 所示) ；在梁跨中安装百分表，用以测量梁中部的位移；用目测河海大学硕士学位论文观察梁上裂缝的分布和开展情况。卜一 可r _ 【。1 1 1 。+ 。1 一- 。导一i! = ii图2 3 应变片沿梁截面高度布置情况2 2 4 需要得出的试验结果l 、所有试件的开裂荷载、屈服荷载、加固失效前荷载( 即纤维断裂前荷载)以及应变值。2 、荷载一位移曲线3 、荷载一应变曲线2 2 5 拟讨论问题1 、受弯承载力( 屈服荷载、极限荷载) ；2 、加固失效状态( 破坏形式) ；3 、钢筋、加固材料应变；4 、梁跨中挠度( 抗弯刚度) ；5 、混杂方式、混杂比例：6 、经济性。2 2 6 拟得出结论通过试验得出合适( 既经济又满足承载力) 的碳纤维一玻璃纤维混杂材料配合比并对试验结果和计算结果进行对比分析。2 3 试验相关准备工作在试验测试前，主要进行了以下几方面的相关准备工作：原材料的准各工作；试验梁的浇注、养护；应变片的粘贴( 钢筋、梁、加固材料) ；加固材料的粘贴、1 4养护等。2 3 1 试验粱的浇注、养护考虑到节省模板，混凝土梁( 共l o 根) 分两次浇注，每次浇注5 根，拆模后再浇注另外5 根。在浇注前，首先用砂纸为钢筋除锈，然后用电子卡尺测钢筋直径，每根钢筋测3 个点，具体测量数值见表2 1 3 。在每根受拉钢筋的中部用胶带固定u 型小木块，尺寸为：3 0 2 5 2 4 m m ( 长高宽) ，以便拆模后粘贴应变片。对木模板首先用水进行涨模处理，浇注时及时用振捣棒振捣混凝土，使混凝土密实。浇注时室内温度为3 1 o c ，湿度为6 2 r h 。因浇注时温度较高，所以在梁表面覆盖草袋，每天洒水养护。表2 1 3 实测梁受拉钢筋直径( 单位：m m )组次粱编号主筋直径1直径2直径3平均值li 1an 8 21 1 8 su 8 51 1 8 4第r 组b1 1 8 71 1 8 81 1 7 81 1 8 4li 2a1 1 8 l1 1 8 01 1 8 31 1 8 1受拉钢b1 l _ 8 61 1 7 81 1 8 21 1 - 8 2筋：0 1 2li 3a1 1 8 21 1 8 11 1 8 11 1 8 1b1 1 8 31 i 8 11 1 8 41 1 8 3li 4a1 1 8 01 1 8 51 1 8 71 1 8 4b1 1 8 41 1 8 91 1 8 71 1 8 7li 5a1 1 9 21 1 9 71 1 8 61 1 9 2b1 1 8 21 1 8 81 1 8 71 1 8 6l 1a7 9 07 9 07 9 27 9 l第组b7 8 67 8 47 8 87 8 6l i i 2a7 8 67 8 57 8 27 8 4受拉钢7 8 37 8 47 8 3b7 8 2筋：a 8l i i 3a7 8 37 8 47 8 57 8 4b7 8 37 8 47 8 67 8 4l i i 4a7 8 97 - 3 47 8 47 8 6b7 8 37 8 27 8 27 8 2l i i 5a7 8 57 8 37 8 37 8 4b7 8 27 8 97 8 87 8 6说明：l 、测量钢筋直径尺寸工具为电子卡尺。2 、测量尺寸为钢筋除锈后尺寸。3 、每一组3 个数值为同一点测3 次所得。2 3 2 应变片的粘贴在混凝土养护好以后，准备粘贴应交片。首先目测电阻应变片有无折痕、断河海大学硕士学位论文丝等缺陷，用万用表测量每个应变片的电阻值，看其与规定阻值是否相符，然后用电烙铁将应变片线头与导线连接( 导线规格为o 2m 1 2 ) 。2 3 2 1 钢筋应变片的粘贴工艺如下( 详见图2 4 ) ：l 、用铁砂纸打磨钢筋表面除锈；2 、用纱布蘸丙酮反复檫洗打磨好的钢筋表面，使其表面保持充分干燥；3 、用5 0 2 强力胶粘贴应交片( 戴橡胶手套，用蜡纸轻轻按住应变片) ；4 、待应变片固定后用7 0 4 硅橡胶密封应变片；5 、用结构胶填平缺口，使其与梁底面齐平。粘贴好的钢筋应变片见图2 5 。一梁底面胶图2 4 钢筋应变片粘贴图2 5 钢筋应变片2 - 3 2 2 混凝土梁侧面应变片的粘贴步骤及技术要求 4 1 1 ：1 、对梁侧面粘贴应变片部位用砂纸进行打磨；2 、定位线：在粘贴应变片的位置划两条十字线，使应变片上的标志在粘贴时与十字线重会；3 、粘贴面清洗：用酒精和丙酮反复擦洗，直至棉球上没有污迹；4 、贴片；5 、固化：6 、贴片质量检查：目测或用放大镜检查应变片是否粘牢，有无气泡、翘起等现象，然后用万用表检查电阻值。正常情况下。阻值与未贴片前的相差无几；7 、焊接操作：从应变片到端子板之间跳线的焊接方向与应变片长的方向平行，引线长度为l o m m 左右。端子板要粘贴在非应变区，跳线要有一定弧度，引线长度相等，焊接后用丙酮擦洗。焊点质量的检查：引线的焊点直径在0 5 0 8 m m ，左右对称呈半弓形凹面；焊点表面光亮平滑，无毛刺、裂纹、针孔第二章试验研究概况和麻点，牢固无松动、无虚焊；8 、应变片保护：用7 0 4 硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。粘贴好的混凝土梁侧面应变片见图2 6 ( 说明：因试验前没有对粘贴好的应变片及时拍照，所以用破坏后的图片代替) 。纤维布表面应变片的粘贴与梁相同。图2 6 混凝土梁侧面应变片2 3 3 加固材料的粘贴及养护2 3 3 1 加固材料( 碳纤维) 粘贴施工工序及养护1 、施工准备：对所使用的碳纤维片材、配套树脂、机具等做好施工前的准各工作。2 、表面处理：清除梁表面的剥落、疏松、蜂窝、腐蚀等劣化混凝土，漏出混凝土结构层，并用修复材料( 结构胶或高强度水泥) 将表面修复平整。对裂缝进行灌浆或封闭处理。用磨光机、钢丝刷和粗砂纸将梁表面打磨平整，除去表层浮浆等杂质，直至完全露出梁结构新面。转角粘贴处进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于2 0 r a m 。用吹风机和打气桶将梁表面灰尘和杂物清理干净，然后用丙酮擦洗梁表面粘贴部位，使其保持干燥，见图2 7 。河海大学硕l 学位论文图27 打磨好的粱图片3 、涂刷底层树脂：按照生产厂家提供的工艺规定配制底层树脂，将主荆和固化剂按规定比例( 1 0 0 ：4 0 ) 用玻璃杯量取后放入容器内拌合均匀，然后用滚筒刷将底层树脂均匀涂抹于梁表面，见图2 8 。在底层树脂表面指触干燥后( 养护6 h ) ，尽快进行下一工序的施工。图2 8 涂刷底层树脂4 、找平处理：按照生产厂家提供的工艺规定配制找平材料，将a 组分和b 组分按规定比例( 3 ：1 ) 用玻璃杯量取后放入容器内拌合均匀，然后用刮刀对梁表面凹陷部位用找平材料填补平整。转角处修理成光滑的圆弧，半径应不小于2 0 m m ，在表面指触干燥后( 养护5 h ) ，尽快进行下一工序的施工。5 、粘贴碳纤维片材：按照一定尺寸裁剪碳纤维布，按照生产厂家提供的工艺规定配制粘贴树脂，将主剂和固化剂按规定比例( 1 0 0 ：4 0 ) 用玻璃杯量取后放入容器内拌合均匀，均匀涂抹于粘贴部位，见图2 9 。将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的部位，用滚筒顺着纤维方向多次滚压，排除气泡，使粘贴树脂充分浸透碳纤维布。多层粘贴时重复上述步骤，并在纤维表面的粘贴树脂指触干燥后尽快进行下一层粘贴。在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹粘贴树脂，贴好的碳纤维布见图2 1 0 。第二章试验研究概况图2 9 涂刷粘贴树脂图2 1 0 粘贴碳纤维布6 、表面防护：在碳纤维布上覆塑料薄膜，用木模板压紧碳纤维布，一周后拆模进行实验。7 、检验及验收：用小锤轻轻敲击或手压碳纤维片材表面，总有效粘结面积应不低于9 5 。2 3 3 2 注意事项l 、施工宜在环境温度为5 c 以上的条件下进行。2 、碳纤维片材为导电材料，施工时要远离电气设备和电源。3 、旌工过程中要避免碳纤维片材弯折。2 3 3 ，3 试验用工具剪刀、腻子刀、滚筒刷、卷尺、拌胶桶、计量器、磨光机、吹风机、搅拌器、手锤、砂纸、钢丝刷等。2 4 本章小结本章首先介绍了混凝土、钢筋、加固材料、配套树脂等试验原材料的主要性能指标，然后对试验方案中的试件设计与加固情况、相关试验设各、需要得出的试验结果、拟讨论的问题以及拟得出的结论进行了详细的说明，最后介绍了本次河海大学硕士学位论文试验相关的准备工作，如试件的浇注和养护、应变片的粘贴步骤及技术要求、加固材料的粘贴步骤及养护等。在粘贴钢筋应变片时，开始考虑先把应变片粘贴在钢筋中部，用硅橡胶密封后浇注混凝土，但考虑到混凝土梁的养护时间较长，无法保证应变片的质量，后来采用在粘贴部位预留孔洞，试验前粘贴的办法。这种方法操作起来比较困难，因为预留孔洞较小( 若孔洞较大将会影响混凝土梁的质量) ，很难准确粘贴应变片。因为电阻应交片贴装方位不准确是造成应变测量误差的主要原因，其误差约占力传感器测量误差的5 0 a r d o t 4 ”。在粘贴加固材料时，有以下两点要特别注意：一是在粘贴u 型箍之前，要把粱的两侧转角进行导角处理并打磨成圆弧状，圆弧半径不应小于2 0 r a m 。有一根梁转角打磨的不好，结果在试验时u 型箍先破坏了：二是在粘贴好最后一道加固后，浸渍树脂要涂刷饱满，这样有利于保证加固材料的粘贴强度。2 0第二二草加同混；疑土粱