冻融环境下玄武岩纤维布与不同强度等级混凝土
目前，越来越多的工程结构由于适用年限的延长、荷载增加、适用功能变更、环境腐蚀等原因，导致承载力不足和安全度降低。因此需要维修或加固。与传统的混凝土材料和钢材相比，FRP材料具有质轻高强、便于施工、对原结构的影响较小等优点，近年来已广泛应用于工程结构的加固、补强等方面。其中以CFRP应用最多，但随着碳纤维需求量的增大，CFRP原材料的缺少，致使采用CFRP加固造价越来越高，因而作为与CFRP具有相似性能、价格便宜的BFRP增强纤维材料成为新的研究焦点
[1]。采用BFRP加固混凝土结构的复杂环境下的耐久性能需要我们去研究。
国内在FRP加固混凝土结构的耐久性研究方面起步比较晚，研究成果还十分缺乏。研究方法有快速老化试验和自然老化试验等
[2]。根据BFRP加固混凝土结构的特点，加固结构的耐久性应与加固结构各部分组成材料的耐久性、粘结界面的耐久性以及被加固结构整体构件耐久性有关
[5]。本文仅对BFRP与不同强度等级混凝土界面在快速冻融环境下的正拉粘结性能进行了研究。
1 试验方案
1.1 试件设计与制作
按照《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146:2003）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，在垂直于粘结截面上施加拉力，主要考察冻融循环次数对正拉粘结强度的影响。
浇筑边长为100mm的立方体试块（混凝土试块在实验室现场搅拌），在标准条件下养护28天后进行后续工作。将碳纤维布剪成边长为40mm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，去除表面的浮灰，用丙酮擦拭干净，按要求的施工工艺施工，涂刷粘结剂粘贴玄武岩纤维布，玄武岩纤维布与混凝土试块的正拉粘结示意图如图1a、图1b所示。在室内养护7天后，分批放入标准的冻融箱进行25次、50次，75次冻融循环测试。试验试件的设计如表1所示。
表1 试验的试件设计
|
玄武岩纤维 |
粘结树脂 |
环境种类 |
玄武岩布层数 |
试件尺寸 |
试件的总数量 |
|
国产玄武岩 |
小西树脂 |
4 |
1 |
100×100×100 |
60 |
1.2材料的力学性能
本文采用的玄武岩材料为国产的玄武岩纤维，基本力学性能如表2所示，树脂为小西树脂（日本产），其基本力学性能如表3所示。混凝土立方体抗压强度标准值如表4所示。
表2玄武岩纤维布基本力学性能指标
|
材料种类 |
厚度(mm) |
抗拉强度(Mpa) |
弹性模量(Gpa) |
极限拉应变(%) |
|
国产玄武岩纤维 |
0.111 |
2232 |
92.12 |
2.42 |
表3树脂的性能指标
|
材料种类 |
抗拉强度(Mpa) |
弹性模量(Gpa) |
伸长率(%) |
|
日本小西树脂 |
43.964 |
2.843 |
1.5 |
表4 混凝土立方体强度标准值（单位：N/mm2）
|
强度等级 |
C15 |
C20 |
C30 |
|
实际抗压强度 |
19.8 |
24.3 |
38.1 |
1.3 试验环境
本试验冻融循环试验在青岛理工大学建材实验室冻融箱中进行，冻融箱如图2所示，冻融循环试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ82-85)
[7]中抗冻性能试验的快冻法进行，每次循环时间是3小时，控制中心温度分别在：-17±2℃和8±2℃。
1.4试验装置
本实验采用SHJ-40型饰面砖及混凝土强度检测仪（北京中美煤矿工程有限公司专利产品），量程40kN，精度0.002kN，通过手动加载，配带的YM-1型数值压力表显示加载数字，加载示意图如图3所示。
1.5正拉粘结性能试验
所有的试件的制作、存放、除冻融循环次数、混凝土强度等级不同外其它试验条件基本一致。
1.5.1试验方法
试验开始前用小型混凝土切割机沿正方形玄武岩纤维布的四条边的外侧切四条缝（保证混凝土正拉区的尺寸），缝的深度在2~3mm之间（如图1b所示）。然后把正拉粘结试件放在平整实验桌上，按检测仪使用说明书将实验装置装配好，调整好测试仪器的量程。加载初始阶段，标准块受力很慢，手柄转动速度要快，等到标准块受力后，速度减慢，这时荷载迅速增加，继续加载，听到“嘭”一声，试件破坏，记录破坏形式和破坏荷载。
1.5.2 破坏形式的确定和粘结强度的计算
不同混凝土强度等级的试件在经历不同的冻融循环次数（0次、25次、50次、75次）作用下，典型的正拉粘结破坏形态可以分为两类：一种是混凝土受拉破坏，表现为试件破坏后，拉掉的BFRP片材上粘有大量的混凝土，混凝土试件破坏处粗骨料外露，其中部分粗骨料被拉断，定义为Af型破坏；另一种是层间破坏，表现为混凝土与粘结剂复合涂层界面破坏，破坏后BFRP片材上只粘有少量的混凝土，定义为Bf型破坏。参照技术规程
[2]，两类粘结破坏类型均满足粘结强度试验要求。
试验过程中数字压力表显示荷载的变化并保留峰值。记录其破坏荷载，粘结强度按下式进行计算。
式中：
f－为正拉粘结强度，MPa；P－为试验时的破坏荷载值，N；A－为钢标准块的粘结面积，mm
2。
2试验结果及分析
2.1 试验结果
经过标准化处理后试验结果如表5所示。
表5 正拉粘结试验破坏结果总表
|
冻融次数 |
试件编号 |
/MPa |
破坏形态 |
|
相对值比较 |
|
0次 |
C15D0 |
2.631 |
5Af |
0.591 |
0% |
|
C20D0 |
3.352 |
4Af+Bf |
0.680 |
0% |
|
C30D0 |
3.877 |
5Af |
0.628 |
0% |
|
25次 |
C15D25 |
2.255 |
5Af |
0.507 |
-14.3% |
|
C20D25 |
2.613 |
5Af |
0.530 |
-22.0% |
|
C30D25 |
3.815 |
3Af+2Bf |
0.618 |
-1.6% |
|
50次 |
C15D50 |
1.935 |
4Af+Bf |
0.435 |
-26.5% |
|
C20D50 |
2.062 |
5Af |
0.418 |
-38.5% |
|
C30D50 |
3.489 |
4Af+Bf |
0.565 |
-10.0% |
|
75次 |
C15D75 |
1.150 |
5Af |
0.258 |
-56.3% |
|
C20D75 |
1.295 |
4Af+Bf |
0.263 |
-61.4% |
|
C30D75 |
3.033 |
3Af+2Bf |
0.491 |
-21.8% |
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注：C后面数字表示混凝土的等级；D后面的数字0，25，50，75表示冻融循环的次数。
2.2 破坏形式显示
表5第（5）列显示了每组试件的粘结破坏形式，结果显示，强度等级C15、C20混凝土试件的正拉粘结破坏形式大部分出现Af破坏，强度等级C30的混凝土试件的正拉粘结破坏形式除出现Af破坏形式外，出现Bf破坏形式频率也较高。可能原因分析：强度等级为C30的混凝土试件经过冻融循环作用后，玄武岩-树脂界面的粘结强度下降幅度高于混凝土抗拉强度下降幅度，导致玄武岩-树脂界面的粘结强度小于混凝土的抗拉强度，试件发生Bf破坏。
2.3 正拉粘结应力分析
将所有试验环境下的试验结果的平均值汇总到表5，并对正拉粘结强度进行了标准化的处理，即将正拉粘结强度平均值除以未受冻融环境作用的混凝土抗压强度的平方根，这样可以消除浇筑混凝土强度不同的影响。之所以除以混凝土抗压强度的平方根，是因为正拉粘结强度与混凝土的抗压强度的平方根基本成线性关系，且相关性很好
[6]。表5第6列是标准化受处理后受环境作用试件的相对值与室温下相对值的比较。冻融环境作用后试件相对值的变化曲线如图4所示。图4显示：经历25次冻融循环作用后，强度等级为C15、C20的混凝土试件的正拉粘结强度下降比较明显，下降幅度最大为22.0%，强度等级为C30的混凝土试件的正拉粘结强度没有明显变化。当冻融循环75次后，强度等级为C15、C20的混凝土试件的正拉粘结强度下降曲线斜率更大，下降幅度最大为61.4%。强度等级为C30的混凝土试件的正拉粘结强度也有明显的下降趋势，历经75次循环后，正拉粘结强度下降幅度为21.8%。
图4标准化处理后的正拉粘结强度变化曲线
3.总结
冻融循环对玄武岩纤维与混凝土间的正拉粘结性能有不利的影响，混凝土强度等级越低，经过冻融循环后，正拉粘结强度降低幅度越大，这与低强度混凝土经过冻融循环后，抗拉强度降低有关。
因而，采用BFRP复合材料体系用于加固承受冻融作用的混凝土结构时，需要考虑耐久性问题，可以考虑对树脂进行改性以提高FRP这两种复合材料的体系的抗水耐冻能力。
参考文献
[1]岳清瑞,彭福明,杨勇新,郝际平,才鹏.碳纤维布加固钢结构有效粘结长度的试验研究.工业建筑增刊.2004
[2] 任慧韬.纤维增强复合材料加固混凝土结构基本力学性能和长期受力性能研究：[博士学位论文]：大连：大连理工大学，2003
[3]高丹盈，B. Brahim.纤维聚合物与混凝土粘结性能的影响因素。工业建筑，2001，31(2)：9-24
[4] 中国工程建设标准化协会. 《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》 (CECS 146:2003)[S]. 北京：中国计划出版社，2003
[5]《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82-85）
[6] 杨勇新，叶列平，岳清瑞. 碳纤维布与混凝土的粘结强度指标[J]. 工业建筑，2003，33（2）：5-8
