（水利工程专业论文）冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究.pdf

中文摘要 本文对冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱的基本性能进行了研究，通过 对常温和冻融循环情况下的对比，研究碳纤维片材加固混凝土柱的耐久性能。 主要的研究成果如下： 1 、通过对2 8 个碳纤维片材试件在常温下、冻融5 0 次、7 5 次、1 0 0 次的 试验，研究冻融循环对碳纤维片材抗拉性能的影响，包括抗拉强度、弹性模量 及延伸率等。 2 、通过对2 0 个碳纤维片材与混凝土试件的正拉粘结强度的试验，研究碳 纤维片材与混凝土之间正拉粘结强度及冻融对正拉粘结强度的影响。 3 、通过对常温、冻融5 0 次、7 5 次、1 0 0 次环境下8 个碳纤维片材与混凝 土侧拉粘结强度试件的试验，研究碳纤维片材与混凝土试件之间的粘结滑移、 抗剪强度等，了解冻融条件对碳纤维片材与混凝土试件侧拉粘结强度的影响。 4 、进行了常温、冻融5 0 次、冻融7 5 次、冻融1 0 0 次环境作用下，共4 0 个碳纤维片材加固混凝土柱试件的试验，碳纤维片材的加固方式包括条带式、 全裹式两种形式，研究冻融环境对碳纤片材加固混凝土柱的影响，包括碳纤维 片材的环向应变、混凝士柱的纵向位移、开裂荷载、极限抗压强度等，提出了 冻融情况下用碳纤维片材加固混凝土柱的有效的加固方式。 本文研究的结果可以为我国碳纤维片材加固混凝土结构提供一定的参考。 关键词：碳纤维；冻融环境；加固方式 a b s t r a c t i ti s v e r yi m p o r t a n t t o s t u d ya f f e c t i n g o nt h ec o n c r e t e s t r u c t u r e ss t r e n g t h e n e db yc f su n d e rt h ef r e e z e t h a wa c t i o n b a s i c c a p a b i l i t yo ft h ec o n c r e t ec o l u m nr e i n f o r c e db yc f sh a sp e r f o r m e d u n d e r e f f e c t so fd i f f e r e n te n v i r o n m e n t s i n c l u d i n g n o r m a l t e m p e r a t u r ea n dc i r c u l a t i o no ft h ef r e e z e - t h a wa c t i o n t h em a i n r e s e a r c hw o r k sa r ea c c o m p l i s h e da sf o l l o w s 1 、t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so n2 8s y n t h e s i z e ds p e c i m e n sw i t h c f sa n dg l u e ，t h ec o m p o s i t em a t e r i a lb e i n ga f f e c t e du n d e rf o u r k i n d so fe n v i r o n m e n t si n v o l v i n gn o r m a lt e m p e r a t u r ea n dt h e5 0 t i m e s 、7 5t i m e sa n d1 0 0t i m e so ft h ef r e e z e - t h a wa c t i o nc y c l e s ， d u r a b i l i t yo ft h ec o m p o s i t em a t e r i a lh a sb e e nr e s e a r c h e du n d e rt h e d i f f e ：r e n te n v i r o n m e n t s e l a s t i cm o d u l u s 、t e n s i l es t r e n g t h l a n d e l o n g a t i o np e r c e n t a g ea n ds o o nh a sb e e nr e s e a r c h e du n d e rt h i s c i r c u m s t a n c e si nt h i sp a p e n 2 、t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so n2 0c o n c r e t es p e c i m e n sw i t h c f sc o m p o s i t em a t e r i a l ，c e m e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e c o n c r e t ea n dt h ec f sw a ss t u d i e d e f i e c t so ft h ee n v i r o n m e n to n t h ep o s i t i v ed i r e c t i o nt e n s i l es t r e n g t hw e r ev e r yi m p o r t a n tt ot h e c o n c r e t es t r u c t u r er e i n f o r c e db yc f s 3 、t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so n8c o n c r e t es p e c i m e n sw i t hc f s u n d e rt h ed i f f e r e n te n v i r o n m e n t s ( a ss h o w ni nt h es e c o n dp a r a g r a p h ) ， t h eb o n d i n gs l i p p a g ea n dt h es h e a rs t r e n g t hb e t w e e nt h ec o n c r e t e a n dt h ec f sh a v eb e e ns t u d i e d u n d e rt h e s ee n v i r o n m e n t st h ee f f e c t s o na r c h i t e c t u r es t r u c t u r er e i n f o r c e db yc f sh a sb e e ns t u d i e di nt h i s p a p e r 4 、t h ee f f e c t so nt h ed i f f e r e n tr e i n f o r c e dm a n n e r so fc f so nt h e c o n c r e t ec o l u m n w h i c hh a su n d e r g o e dt h ed i 骶r e n te n v i r o n m e n t so f n o r m a lt e m p e r a t u r ea n dc i r c u l a t i o ni n c l u d i n g5 0t i m e s 、7 5t i m e sa n d 1 0 0t i m e so ft h ef r e e z e t h a wa c t i o n ，h a v ep e r f o r m e d b a s e do nt h e t e s tr e s e a r c ho ft h e4 0s t r e n g t h e n e dc o n c r e t ec o l u m ns p e c i m e n sb y c f s ，u l t i m a t es t r a i no fc f s 、l e n g t h w i s ed i s p l a c e m e n to ft h ec o l u m n a n du l t i m a t ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n ds oo nh a sb e e ns t u d i e di nt h i s p a p e r w h a t i st h e b e t t e rm a n n e ro ft h ec o n c r e t ec o l u m n s t r e n g t h e n e db yc f su n d e rt h es p e c i a l c o n d i t i o nh a sb e e np u t f o r w a r d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nr e p o r t e di n t h i s p a p e r c a n p r o v i d e u s e f u lr e f e r e n c ef o r c o m p i l i n gt h e t e c h n i c a l r e g u l a t i o nf o rc f s c o n c r e t e k e y w o r d s ：c f s ；e n v i r o n m e n t so ff r e e z e t h a wc y c l e ；r e i n f o r c e d m a n n e r s 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、 抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的 一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者c ：刮嗡旋 够缉哆f 习p k l 郑卅i 大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 第一章前言 摘要：本章简述了碳纤维布加固混凝土结构的现状，以及混凝土试件及碳纤维布等材料的 基本性能，提出了本文的主要研究内容及研究方法。 关键字：碳纤维布；研究内容；研究方法；现状 第一节国内外碳纤维布加固应用的状况 在2 0 世纪8 0 年代，航空界出现了一个令人瞩目的重大进展在飞机结 构中使用复合材料代替金属材料。一般来说复合材料可以定义为两种( 或两种以 上) 性质显然不同的材料组成的一种材料。复合材料具有重量轻、高强度、高模 量、低膨胀系数和良好的耐疲劳性能，这是该类材料在航天领域获得日益广泛应 用的主要原因。 碳纤维布( c a r b o nf i b e rs h e e t ，简写为c f s ) 力n 固混凝土结构是纤维增强塑 料( f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称f r p ) 应用技术中一种目前使用较普遍、性能 较好的混凝土结构外部加固修复新技术。从2 0 世纪9 0 年代后期引入我国以来， 在土木建筑结构中的应用，尤其混凝土结构的加固修复中得到了飞速发展，由于 碳纤维布柔软、适用性好，对几何外形复杂的结构构件可迅速便捷的粘贴加固， 故适用面广，可广泛应用于各种结构类型、各种外观形状构件的加固修复。目前 碳纤维材料在工程中的应用主要集中在基础设施建设，例如在海上油气田和沿海 工程建设和维护中，应用复合材料已成为国际上研究的热点和发展方向，将成为 复合材料在民用领域应用的第二大市场。 碳纤维材料用于混凝土结构修补技术已经基本成熟，在美、日、欧洲等国和 地区有大量的工程应用，如瑞士卢塞恩市的依巴赫桥，其中有一跨度为3 9 m 的 箱梁因意外事故而遭到损坏，若用钢板来加固，则要把重1 7 5 k g 的钢板搬到有一 定高度的施工场所，而用碳纤维塑料薄板只有6 2 k g ，而且强度高、耐久性好。 现在碳纤维材料不仅用在混凝土结构修补方面，而且还用在新建建筑中。在新建 建筑应用上，碳纤维材料代替传统钢筋，不仅用于非预应力状况，而且在预应力 状况的研究、开发活动也正呈积极活跃态势，现已取得重大进展。 国内第一例采用c f r p 加固修复混凝土结构是在1 9 9 8 年上半年完成的，当 第一章前言 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固棍撮土柱性能研究 时，国内的绝大多数土建工程师还不知道采用c f r p 可以对已有土木工程结构进 行加固修复，并有优异的效果，甚至不知道c f r p 为何物。两年后的今天，通过 从事该项技术研究开发人士的大力推广和实际工程应用以及有关期刊等媒体的 积极宣传，该项技术已经从多年前的基本不为人知，发展到现在的广为人知，并 在从事土木建筑结构诊治技术领域和高科技纤维材料领域形成了一个热点和新 的经济增长点，也促进了土木建筑结构诊治技术的发展，提高了高性能纤维材料 研究、生产及应用单位的积极性。 第二节问题的提出 混凝土是土木工程的主导材料，北方地区冻害对混凝土结构有严重的影响， 新建土木工程尤其是混凝土结构的耐久性，在近几年已经引起了人们的高度重 视。另一方面改造和加固工程在建筑业中的地位越来越重要。 上个世纪末兴起的外贴f r p 加固方法，由于材料本身线膨胀系数与混凝土 接近、轻质高强、施工方便、对原结构影响小和造价较低等诸多优点，大有逐步 取代传统的加大截面法、外包钢套法以及粘钢法等的趋势。但是，在采用这种新 颖的加固方法的同时，必须注意这种加固方法本身也存在耐久性问题。值得指出， 在复合材料加固混凝土结构耐久性问题中主要包括复合材料基体( 树脂) 、复合材 料增强纤维( 如玻璃纤维和碳纤维) 以及混凝土基层的耐久性。本文将尝试对复合 材料加固混凝土结构的耐久性展开分析，并首先就复合材料自身的耐久性问题进 行模拟冻融循环下的耐久性试验研究。 在设计承受冻融循环的混凝土结构中，混凝土材料和加固材料的力学性能， 如抗压、抗拉和抗剪强度以及弹性模量、泊松比和剪切模量，是非常重要和必需 的，对于大量应用于外露结构，如桥梁和海上结构，对其冻融循环下的力学性能 也需要进行研究。冻融循环对材料的力学性能影响比较复杂，研究的资料比较少。 冻融循环的温度变化对钢筋与普通混凝土之间的粘结性能的影响、碳纤维与普通 混凝土结构之间的粘结性能影响等，都对加固工程有着重要的作用。本文研究了 冻融循环对普通混凝土结构及碳纤维片材的力学性能f 抗压、抗拉及抗剪强度、 弹性模量、延伸率等) 的影响。本次实验研究的试件分别承受5 0 、7 5 及1 0 0 次冻 融循坏。通过试验研究了混凝土结构及碳纤维布加固的混凝土结构在承受不同冻 第一章前言 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加周混凝柱性能研究 融循环后性能的变化，以及各种构件破坏的典型现象和各材料结构性能之间的关 系。以及碳纤维布加固材料在冻融条件下的工作性能，及其对结构受力性能的影 响。 第三节本文主要的研究内容 为了进一步了解碳纤维加固混凝土结构的耐久性能，本文进行了以下的试验 研究和理论分析： 1 、冻融条件下碳纤维片材抗拉性能； 通过2 8 个碳纤维片材试件在常温下、冻融5 0 次、冻融7 5 次、冻融1 0 0 次 的试验，研究冻融环境对碳纤维片材自身基本性能的影响，包括抗拉强度、弹性 模量、及延性等。 2 、冻融条件下碳纤维片材与混凝土正拉粘结强度试验研究； 通过2 0 个试件在常温、冻融5 0 次、冻融7 5 次、冻融1 0 0 次的试验，研究 混凝土与碳纤维片材之间承受法向拉力的能力及冻融对混凝土与碳纤维片材之 间正拉粘结强度的影响。 3 、冻融条件下碳纤维片材与混凝土侧拉粘结性能研究： 通过8 个试件在常温、冻融5 0 次、7 5 次、1 0 0 次的试验，研究冻融条件下 碳纤维片材与混凝土的粘结滑移、抗剪强度等，了解冻融条件下碳纤维片材的加 固效果。 4 、冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱的抗压性能研究。 这是本次试验研究的重点，通过常温、冻融5 0 次、冻融7 5 次、冻融1 0 0 次总共4 0 个试件的试验，其中包括不加固的素混凝土柱、加固方式为条带的素 混凝土柱、加固方式为全裹的素混凝土柱等，研究冻融对碳纤维布加固柱的影响， 试验量测了碳纤维的环向应变、混凝土柱的纵向位移、开裂荷载、极限抗压强 度、了解在冻融条件下各种加固方式的工作性能，进而研究冻融情况下碳纤维加 固混凝土结构的耐久性能。 第一章前言 郑、i 1 大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 第四节试验材料、方法及试验过程 1 4 1 、混凝土的配合比及其基本性能 本实验采用的是4 2 5 级普通硅酸盐水泥、粒径为5 - 2 0 m m 的粗骨料、细度 模数为2 7 2 的中砂，并掺入引气剂、萘系高效减水剂。混凝土设计强度等级为 c 3 0 其配合比如下表1 1 。 表1 1 混凝土的配合比 混凝土设计水泥水砂石子高效减水剂引气剂 强度等级 ( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 ) c 3 02 3 54 7 06 6 11 0 3 4o 60 0 l 按照正常施工要求严格施工以确保混凝土浇筑良好，2 4 小时后将浇筑好的 试件拆模、编号，在标准养护室养护，养护到2 8 天，进行抗压测试。 1 4 2 、碳纤维片材基本性能及本次试验的设计与制作 本次试验采用上海同砼碳纤维布有限公司提供的碳纤维布和粘结剂，其主 要性能指标见表1 2 、1 3 、1 4 ( c f s 2 3 5 5 2 2 0 0 1 2 测试报告由中国上海测试中心 玻璃钢复合材料行业测试点提供) 表1 2 碳纤维布基本性能指标 抗拉强度弹性模量名义厚度公称宽度 单位面积重量 产品型号 衅ag p am mm m g ，m 2 c f s 2 3 5 5 - 2 2 0 0 1 2 1 0 03 5 5 02 2 0o 1 21 0 02 2 0 说明：l 、c f s 表示碳纤维布；2 、2 为纺织系列：3 、3 5 5 表示抗拉强度3 5 5 0 m p a ； 4 、2 2 0 表示弹性模量2 2 0 g p a ；5 、0 1 2 表示名义厚度o 1 2 m m ；6 、1 0 0 表示公称宽度为1 0 0 m m 。 表1 3 碳纤维布的基本性能指标 测试结果汇总 序号测试项目名称 单位 技术要求测试结果单项判定 1 拉伸强度( 平均值) 伊a4 0 7 1 2 拉伸强度( 标准值) m p a ) 3 0 0 0 3 4 8 9 符合 3 拉伸模量 g p a) 2 1 02 1 8 符合 4 延伸率 1 51 8 7 符合 第一章前言 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 表1 4 胶结剂i i ( 上海) 测试报告 t i c j 碳纤维胶粘接剂面胶 测试项目名称单位测试结果 拉伸强度 口a4 9 5 3 拉伸模量 g p a2 2 3 延伸率 4 9 7 弯曲强度 ，伊a9 0 _ 3 压缩强度 i p a7 36 拉伸剪切强度咿a 2 1 8 正拉粘接强度 咿a3 0 9 h c j 碳纤维胶粘接剂底胶 正拉粘接强度 口a2 2 3 、 说明：表1 2 为上海同砼碳纤维布厂家提供的该批碳纤维布的基本性能；表13 、表1 4 为该品种碳纤维布及胶接材料出厂时，厂家提供的中国上海测试中心玻璃钢复合材料行业 测试点测定的该品种材料的各项力学性能指标。 表1 5 胶结剂i ( 南京) 测试报告 样品名称 l i c a 型碳纤维建筑结构胶 2 0 0 4 0 样品编号 2 0 0 4 a 4 6 报告日期 4 1 5 序项目检测 性能 检测结果 号名称条件指标结果评定 1 拉伸剪切强度( m p a )2 3 2 0 c ，钢片钢片1 0 2 4 2 9 合格 2 胶体拉伸强度( m p a ) 2 3 2 0 c3 04 0 1 2 合格 3 胶体弯曲强度( m p a ) 2 3 2 。c4 07 2 9 5 合格 4 胶体压缩强度( m p a ) 2 3 2 n c7 0 7 3 6 2 合格 5 胶体弹性模量( m p a ) 2 3 2 。c1 5 0 02 6 0 5 7合格 6 正拉粘结强度( m p a )2 3 2 “c ，钢砼2 5 砼4 4 4 砼拉坏合格 7 伸长率( ) 2 3 2 。c1 5 合格 说明：胶结剂i ( 南京) 测试报告( 表1 5 ) 由国家化工建筑材料测试中心测试、提供。 根据碳纤维布加固混凝土结构施工规范碳纤维片材加固混凝土结构技术规 程知碳纤维布及胶接剂的性能满足施工要求。 1 4 3 碳纤维布加固混凝土结构主要的施工工艺及试验方法 1 主要的施工工艺： 4 , 7 1 第一章前言 5 郑卅i 大学硕上学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 碳纤维加固与修复混凝土结构的施工方法基本采用三步施工法，即在基底处 理的基础上，先后涂刷性质、作用不同的底层树脂、找平材料和浸渍树脂将碳纤 维布粘贴在混凝土的表面，待树脂固化后起到提高构件承载能力、改善受力形态、 改善使用性能或防腐的目的。基于这种施工方法，各种材料的粘结界面性能是至 关重要的，碳纤维布加固混凝土结构的耐久性主要取决于碳纤布材料的耐久性及 其与混凝土粘结界面的耐久性。 试验之前，先将混凝土表面进行打磨、平整，去掉l 2 m m 的表面浮浆及疏 松层，并将浮灰清除干净。在正式粘贴碳纤维布之前，用丙酮擦洗表面混凝土， 随后在混凝土的表面均匀涂抹一层均匀饱满的粘结剂，将已经裁好的碳纤维布粘 贴上去，并沿碳纤维布受力方向施压赶出气泡，使碳纤维布与混凝土表面粘贴密 实。粘贴第二层时重复上述过程。然后再将碳纤维布的表面涂抹一层粘接剂，保 证浸渍树脂充分浸入到碳纤维布中。订1 在结构加固修复中，粘贴树脂的重要性不言而喻，国际上，对c f r p 加固修 复土木建筑结构粘贴树脂通常是选用环氧基的，这主要是由于该类树脂力学性能 指标可满足使用要求、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。工程中粘贴所用树脂性能指标，应主要在以下方面进行研究与检验：“1 ( 1 ) 施工性能指标。主要包括拉伸强度、压缩强度、拉伸剪切强度、正拉 粘结强度。 表1 6 粘结强度施工工艺指标( 2 3 。c ) 注：按g b1 7 2 8 涂膜干燥时间测定法进行干燥时间的测定：按g b7 1 2 3 胶粘剂适用期 的测定方法进行适用期测定 ( 2 ) 力学性能指标。 第一章前言 郑州大学硕上学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 表1 7 粘结树脂物理力学性能指标( 2 3 。c ) m p a 注：按g b t1 0 4 0 进行拉伸强度的测定；按g b t 1 0 4 1 进行压缩强度的测定：按 g b7 1 2 4 进行粘结剂拉伸剪切强度的测定：按g b t1 2 9 5 4 进行正拉粘结强度的测定。 2 冻融环境：瓯6 1 冻融试验参照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法( g b j 8 2 8 5 ) 中 抗冻性能试验的快冻融法进行，采用的是标准冻融装置，每次的冻融循环时间是 三个小时，控制试件的中心温度分别在( ，1 7 2 ) oc 和( 8 2 ) o c ，已有相关 的实验表明普通的混凝土冻融循环超过1 5 0 次以上时，强度有可能全部损失，因 此本次冻融试验分别采用冻融5 0 次、7 5 次和1 0 0 次的冻融试验。 3 主要的数据采集方法： 在该批试件进行片材抗拉、轴心抗压等试验之前，在所要进行测试部位严格 按照相关的工艺粘贴应变片，应变片规格为5 x 3 纸基，并在粘贴完毕后涂刷7 0 3 胶，防止应变片受潮影响应变片的阻值而使试验结果出现偏差。 在侧拉粘结性能试验中，粘结力通过荷载传感器输出，纤维布的应变通过应 变片输出，纤维布与混凝土试块的粘结滑移通过干分表人工读数，其他的所有的 数据都通过计算机自动采集系统采集。 第一章前言 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 第二章冻融条件下碳纤维片材 拉伸性能 摘要：通过2 8 个碳纤维片材的试验，研究碳纤维片材在冻融环境条件下的性能，包括抗拉 强度、弹性模量、延伸率等碳纤维的性能。 关键词：碳纤维片材；胶接剂；冻融环境；抗拉强度；弹性模量 引言 碳纤维增强塑料( 简称c f r p ) 具有重量轻、高强度、高模量、低膨胀系数 和良好的耐疲劳性能，这是该类材料在土木工程领域获得日益广泛应用的主要原 因。怎样正确评价c f r p 复合材料的力学性能成了能否合理使用它们的关键因素 之一。碳纤维布与树脂的复合材料( 碳纤维片材) 自身的耐久性能在加固混凝土 结构的效果上起着至关重要的作用。本章对碳纤维片材在冻融环境条件下的基本 性能做了初步的研究。 第一节试件的设计和制作 将碳纤维布裁成1 5 m m 宽、3 3 0 m m 长的细条，在该批碳纤维布 c f s 2 3 5 5 2 2 0 0 1 2 3 0 0 ( 该碳纤维布的基本性能见第一章) 的两面均匀地涂刷配 套的粘接剂( 碳纤维胶接剂面胶) ，保证浸渍树脂充分浸入到碳纤维布中，并在 两端分别粘结与片材同样宽度，长度分别为1 0 0 m m 、9 0 m m 、8 0 m m 三层加强片， 从下向上依次粘贴，保证片材在实验的过程中加载端不出现的滑移并且尽量避免 应力集中。保证中间1 0 0 m m 的工作段，这是本次实验研究的重要观察位置。c f r p 片材具体尺寸位置如图1 所示。 c 0 1n 口 日n 1 郑卅大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 表2 1 试验的试件设计 i 碳纤维布 胶的环境碳纤维试件试件的 种类 种类种类布层数 尺寸( m m )总数量( 个) a1 ( 南京) 413 3 0 x 1 5 3 x 1 22 8 说明：a 表示碳纤维布c f s 2 3 5 5 2 2 0 0 1 2 - 3 0 0 ，( 参见第一章说明) 环境种类4 表示常温、冻融5 0 次、7 5 次、1 0 0 次 冻融试验参照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法( g b j 8 2 8 5 ) 中 抗冻性能试验的快速冻融法进行，采用标准冻融装置，每次的冻融循环时间是三 个小时，控制试件的中心温度分别在( 1 7 2 ) 。c 和( 8 2 ) o c 。 试验采用郑州大学水利与环境结构实验室的液压式万能实验机。本试验中采 集的数据有荷载、c f r p 片材的应变、拉断荷载、最大延伸量等。 荷载通过传感器输出，受力过程碳纤维的应变通过应变片输出，碳纤维片材 的延伸量通过百分表输出，所有的数据都通过计算机自动采集系统采集，试验的 数据采集如图2 。( 基本的试验方法参照第 一章的第四节) 图2 片材拉伸试验 说明：图2 为片材拉伸试验数据采集方法，右图为碳纤维片材破坏形态示意图，其数据采集 采用左图的片材拉伸实验方法。 第二章冻融条件下碳纤维片材拉伸性能 9 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 第二节试验的结果及分析 2 2 1 常温下的试验结果分析h 1 表2 2 常温下片材的实验结果 截面最大拉极限拉 试件弹性模量抗拉强度延伸率破坏 面积伸力 应变 编号 g p a ( 口a ) 情况 m m ( k n )( 1 a ) c f r p 1 1 8 33 5 2 85 6 3 0 6 01 8 6 8 2 8 7 有效 c f r p - 21 8 33 1 2 85 83 1 6 91 8 89 7 0 6 有效 c f r p 31 8 33 4 2 2 6 6 1 5 3 3 3 31 6 99 5 4 7 有效 c f r p 41 8 32 9 8564 3 4 9 7 1 6 51 0 5 8 8 无效 c f r p 51 8 33 3 2 1 75 63 0 6 01 7 48 9 3 0 无效 c f r p 61 8 33 2 35 0 22 7 4 31 8 98 6 7 0 有效 c f r p 71 8 33 3 5 6 35 5 5 3 0 3 32 2 79 7 4 9 ：无效 平均值 1 _ 8 33 3 2 6 15 6 3 3 0 7 31 8 1 29 0 2 8有效 说明( 包括表2 2 、2 3 、2 4 、2 5 ) ： 平均截面面积是平均厚度0 1 2 m m x 平均宽度1 5 3 m m = 1 8 3 m m 2 破坏情况，主要考虑是否在工作段之内破坏，有效表示破坏情况很好，且在工作 段之内；无效表示在工作段之外破坏，该组数据可以参考使用。 表示数据异常( 利用3o 法判别) p _ e 图3 常温碳纤维片材的应力应变关系 第二章冻融条件下碳纤维片材拉伸性能 l o 0 0 0 0 0 o 0 0 渤 渤 m 猢 啪 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 常温下碳纤维片材拉伸性能的试验结果见表2 2 ，碳纤维片材的拉伸应力与 应变关系见图3 。由表2 2 和图3 可见： ( 1 ) 该批碳纤维布的质量满足要求，性能稳定，有比较均匀的抗拉强度、 弹性模量、延伸率等基本性能。 ( 2 ) 碳纤维应力一应变关系几乎是一条直线，这说明碳纤维片材破坏之前保 持着良好的线弹性关系，即c f r p 的弹性模量比较稳定。 ( 3 ) 胶结剂对于充分发挥碳纤维材料的作用起着至关重要的作用，并可改 善碳纤维布的不均匀性，在胶结剂的充分渗透下能构成一个良好的整体，共同发 挥作用。 2 2 2 冻融5 0 次试验结果及分析 表2 3 冻融5 0 次的实验结果 弹性最大拉极限拉 截面面抗拉强度 延伸率 破坏 试件编号模量伸力应变 积i l l m 2( ) 情况 g p a( k n ) ( ue ) c f r p 5 0 11 8 33 4 4 2 73 9 52 1 5 81 7 】6 2 3 0 无设 c f r p 5 0 2 1 8 32 5 8623 3 8 82 6 1 2 2 3 6有效 c f r p 5 0 3 1 8 32 5 4 6 4542 9 5 12 5 51 1 7 3 2 有效 c f r p 5 0 41 8 33 1 1 9 75 42 9 5 12 4 71 0 5 0 1 有效 c f r p 5 0 51 8 3 3 3 4 0 35 2 52 8 6 9 2 4 29 7 2 0 有效 c f r p 5 0 61 8 32 8 4 6 45 42 9 5 l1 6 81 0 7 8 0 有效 c f r p 5 0 一71 8 3 2 3 3 5 3 58 3 1 6 9 2 5 41 3 6 6 3 有效 平均值 1 _ 8 32 7 9 4 75 5 83 0 4 6 52 3 7 71 1 4 3 8 7 有效 第二章冻融条件下碳纤维片材拉伸性能 郑、i l 大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 1 t e 图4 冻融5 0 次应力一应变关系 冻融5 0 次碳纤维片材的拉伸性能的试验结果见表2 - 3 ，其应力- 应变关系见 图4 。知碳纤维片材在承受冻融循环5 0 次的情况下，抗拉强度、弹性模量、基 本不变，应力应变仍然是线弹性关系。 2 2 3 冻融7 5 和1 0 0 次后碳纤维片材拉伸性能的试验结果及分析见表2 4 和表2 5 。 表2 4 冻融7 5 次的实验结果 截面面最大拉极限应 弹性模量抗拉强度延伸率破坏情 试件编号积伸力变 g p a ( 口a ) 况 m m 。( k n )( u ) c f r p 7 5 11 8 32 5 2 2 34 32 3 5 01 5 49 7 7 0 有效 c f r p 7 5 21 8 32 6 6 ，3 45 83 】6 92 4 51 2 0 0 3无效 c f r p 7 5 - 3 1 8 32 5 6 6 06 23 3 8 81 9 213 6 9 8 无效 c f r p 7 5 41 ，8 32 3 6 4 86 3 53 4 7 01 7 81 4 8 9 9 有效 c f r p 7 5 51 8 32 5 6 4 35 9 83 2 6 81 2 91 2 3 2 5 有效 c f r p 7 5 - 61 8 33 0 9 6 75 8 53 1 9 71 3 21 】6 0 7有效 c f r p 7 5 7 1 8 33 0 6 1 9 5 5 42 9 5 1 2 5 9 + 1 0 5 9 1有效 平均值 1 8 32 7 2 25 5 7 63 0 4 7 21 4 81 1 8 3 8 4 有效 第一二章冻融条件下碳纤维片材拉伸性能 o 0 o o 0 0 0 0 喜| 薹 差暑 枷 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 表2 5 冻融1 0 0 次的实验结果 截面弹性最大拉抗拉极限拉 延伸率破坏 试件编号面积模量伸力强度应变 情况 g p a( k n )( 伊a )( n ) c f r p l 0 0 1 18 32 7 3 4 35 5 53 0 3 3 2 1 1 1 4 6 6 有效 c f r p l 0 0 - 21 8 32 5 1 5 54 82 6 2 31 8 81 2 0 8 9 有效 c f r p l 0 0 31 8 33 0 6 2 4 56 43 4 9 72 8 71 1 2 6 8 有效 c f r p l 0 0 4 1 8 33 5 8 5 35 73 1 1 52 0 89 5 0 3 有效 c f r p l 0 0 - 51 8 32 7 4 _ 3 45 63 0 6 02 0 21 3 3 7 0 有效 ， c f r p l 0 0 61 8 3 3 7 1 6 6 0 3 2 7 9 1 7 41 1 0 9 7有效 c f r p l 0 0 - 71 8 33 1 6 9s 5 83 0 4 92 1 59 2 7 6 有效 平均值 1 8 33 0 7 55 6 63 0 9 32 1 21 1 1 5 2 7 有效 2 2 4 对试验结果的综合分析 从表2 3 、2 4 、2 5 中可以发现，本次试验实测数据离散性不大，说明试件 制作、存放情况比较统一，试验条件比较一致，数据可靠性较高。 表2 6c f r p 的冻融循环状态的实验数据 弹性模量抗拉强度极限拉应变延伸率 材料类型和耐久条件 ( g p 小( m p a )( t t )( ) 常温( 对比试件) 3 3 2 6 l3 0 7 3 09 0 2 8 01 1 8 2 c f r p 冻融 5 0 次冻融循环 2 7 9 4 73 0 4 6 5 1 1 4 3 8 72 3 7 7 循环 7 5 次冻融循环 2 7 2 23 0 4 7 2 1 1 8 3 8 4 1 4 8 0 1 0 0 次冻融循环 3 0 7 53 0 9 3 01 1 1 5 2 721 2 0 第二章冻融条件下碳纤维片材拉伸性能 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 釜 4 0 0 芝3 0 0 塑 z 0 0 掣1 0 0 融 。 常温5 0 次7 5 次1 0 0 次 冻融循环次 藏：r i 基s 0 0 0 b 到 冻融循环，次 图5 片材的基本性能 在常温、5 0 次、7 5 次、1 0 0 次冻融循环下，碳纤维片材弹性模量、抗拉强 度、极限应变及延伸率的比较见表2 6 或者图5 。 通过表2 6 和图5 可以看出，经过冻融循环后c f r p 片材的抗拉强度、极限 应变不但没有降低，反而有相应的增加，这可能是由于环氧树脂后固化引起的， 但弹性模量有所降低，说明有脆化的趋势。碳纤维布在温度变化的情况下仍然有 良好的工作性能，能满足冻融条件下碳纤维布加固混凝土结构的基本要求。结合 国内外的研究成果，可以得出初步结论，碳纤维布与胶结剂的复合材料的抗冻融 性能较好。 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 = 2 0 0 0 罾1 5 0 0 10 0 0 5 0 0 o l0】520 延伸量m m 图6 应力延伸量关系睦线 在常温、5 0 次、7 5 次、1 0 0 次冻融循环下，碳纤维片材的应力与延伸量 关系见图6 。 由图6 知，在试件的破坏之前，碳纤维片材的延伸量，随着荷载的增加呈 线性增长的趋势。并且延伸量并没有随着冻融循环次数的增加而减少。 第二章冻融条件下碳纤维片材拉伸性能 1 4 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 应力延伸量曲线的部分阶段不符合碳纤维片材线性延伸的规律，主要是 因为胶结剂的浸渍使该碳纤维布的浸渍程度达不到要求，出现碳纤维丝与丝之间 以及股与股之间不能充分协调的工作，导致测试延伸率的百分表出现横向位移引 起延伸量的偏差。 第三节结论 ( 1 ) 试验表明碳纤维片材的应力一应变曲线都近似一条直线，该直线的斜率 即为该碳纤维片材的弹性模量，这说明碳纤维布在破坏之前有很好的线弹性。 ( 2 ) 胶结剂对碳纤维布的充分发挥作用有着很大的影晌，在实际工程中可 以选用性能较为优良的胶结剂，胶结剂的浸渍程度也对二者的共同工作起着重要 作用，要保证碳纤维布的充分浸渍。 ( 3 ) 实验结果表明碳纤维片材有较好抗冻融循环能力。在不同的冻融条件 下，碳纤维片材的抗拉强度、极限应变等并没有减少，能满足工程加固的基本要 求。 ( 4 ) 在冻融循环的作用下，弹性模量有减少的趋势，工程应用中要注意在 温度变化条件下，材料的延性降低，材料性能变脆产生工程结构的脆性破坏。 ( 5 ) 碳纤维片材加固混凝土结构存在的耐久性能问题不仅与加固采用的材 料性能有关，而且还与设计、施工和维护管理等有关，需要引起工程技术人员的 高度重视。 ( 6 ) 碳纤维片材在经冻融循环作用后弹性模量有所降低，但抗拉强度、极 限应变、延伸率数值没有降低，说明碳纤维片材有较强的抗冻融能力。 第二章冻融条件下碳纤维片材拉伸性能 郑卅大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 第三章冻融条件下碳纤维片材与混凝土 正拉粘结性能 摘要：通过2 0 个碳纤维片材与混凝土的正拉粘结强度实验，研究冻融循环条件下，碳纤维 片材与混凝土之间的正拉粘结强度，并与常温下的试件进行对比。 关键词；碳纤维；胶结剂；冻融环境；正拉粘结强度 第一节试件设计与制作 本试验按照碳纤维片材加固混凝土结构技术规程( c e c s1 4 6 ：2 0 0 3 ) 关 于碳纤维片材配套树脂类粘结材料与混凝土的正拉粘结测试方法，在垂直于粘结 界面上施加拉力，主要考察冻融循环次数对正拉粘结强度的影响。 浇注边长为1 0 0 m m 的立方体试块，在标准条件下 养护2 8 天后进行后续工作。将碳纤维布剪成边长为 4 0 m m 的方块，在预留好的混凝土试块的位置上，用 砂纸打磨光滑、平整，用丙酮擦拭干净，去除表面的 浮灰，按要求的施工工艺施工，涂刷胶结荆粘贴该碳 纤维布( 如图1 所示) ，在室内养护七天后，分批放入标 准的冻融箱中，进行5 0 次、7 5 次、1 0 0 次冻融循环试 验。 表3 1 试验的试件设计 图1 混凝土试件尺寸( 单位m m ) 碳纤胶的环境碳纤维试件尺寸试件的 维布种类种类布层数 ( m m )总数量( 个) a ( 上海)i ( 南京) 41 1 0 0 x 1 0 0 x 1 0 0 2 0 说明：碳纤维布由上海同砼碳纤维布厂生产，详见第一章 第二节试验的结果分析 32 1 、试验结果及分析 正拉粘结强度的试验方法见图2 ，试验中主要测量正拉破坏荷载。常温以及 冻融5 0 次、7 5 次、1 0 0 次后，正拉试验结果见表3 2 表3 5 。 第三章冻融条件下碳纤维片材正拉粘结性能 郑卅大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 图2 正拉粘结强度的试验方法 表3 2 常温下的数据 名称正拉破坏荷载( k n )破坏形式分析结果 p c i 1 4 1 0 8a f 有效 p c i 21 - 1 9 6b f 无效 p c i 3 5 5 4 8a f 有效 p c i 44 9 4 8a f 有效 p c i 56 0 6 0a f有效 平均值 5 1 6 6 表3 3 冻融5 0 次的试验数据 名称正拉破坏荷载( k n )破坏形式 分析结果 p c i5 0 14 1 2a f 有效 p c i5 0 25 0 0 4 a f 有效 p c i5 0 3 4 6 2 4a f 有效 p c i5 0 44 5a f 有效 p c i5 0 - 53 9a f 有效 平均值4 4 3 0 第三章冻融条件下碳纤维片材正拉粘结性能 郑州大学硕士学位论文冻融条件下碳纤维片材加固混凝土柱性能研究 表3 4 冻融7 5 次的试验数据 名称正拉破坏荷载( 1 斟)破坏形式 分析结果 p c i7 5 11 5 4a f 有效 p c i7 5 2 1 4 6 4a f 无效 p c i7 5 33 0 1 2 a f 无效 p c i7 5 41 7 7 2a f 有效 p c i7 5 52 4 5 6a f 有效 平均值 2 0 4 9 表3 , 5 冻融1 0 0 次的试验数据 名称正拉破坏荷载( k n )破坏形式分析结果 p c i l 0 0 10 8 8 0b f 无效 p c i1 0 0 22 1 0 8a f 有效 p c i l 0 0 32 4 6 4a f 有效 p