碳纤维在混凝土桥梁加固中的实战应用|基材|柱子|混凝土|环氧树脂|碳纤维|耐久性

湿热条件下粘结临界、外部粘结 CFRP 中碳纤维张开锚的耐久性。

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大家好，我叫 Sophia rup，是德拉瓦大学的硕士生，跟 Yvon tar 教授一起做研究。我也是一家叫 ffp 的公司的工程师。我在德拉瓦大学的研究项目是关注碳纤维喷射锚在粘结关键的外粘碳纤维板（CFRP）下的耐久性，以及水热条件对其的影响。目前已有很多关于环境暴露对 CFRP 混凝土加固构件的影响的研究，从已完成的研究中可以得出结论，水分是加固构件最有害的因素，除此之外，还得出结论，所报告的劣化并不一定是纤维控制性能的劣化，而是环氧树脂控制性能的劣化。

当环氧树脂暴露于水分时，它会失去刚度并变软，因此我们看到了混凝土基材和环氧树脂之间的粘结力和机械咬合的损失，导致剥离。除此之外，环氧树脂对水分的暴露也导致了纤维-基体界面的降低，以及由于粘结失效导致的层间剪切强度的降低，从而导致剥离。为了减轻 FRP 剥离后的脱落，有必要采用一些形式的锚固，例如碳纤维喷射锚。如果你不熟悉碳纤维喷射锚，它由两个主要部分组成，第一个是埋入混凝土中的锚栓，第二个是扇形展开在 CFRP 上的锚，起到锚固作用。既然我们知道我们需要采用一些形式的锚固来减轻这种剥离，例如碳纤维喷射锚，那么就存在一个关于水分暴露对已安装碳纤维锚耐久性影响的知识空白。有鉴于此，我的研究目标之一，至少是开始的一个，是量化水热条件对外粘锚固 CFRP 系统的影响。水热条件是指水分和热量的结合。我的研究的第二个目标是评估所选的加速条件协议对用于梁加固的组分材料的影响。本研究选择的加速条件协议是根据 ACI 4409 R，其中建议将加固的梁浸入恒温 50°C 的水中，持续 3,000 小时。我们将加速条件协议组称为 ACP 组，另外还需要一个在标准实验室条件下保持的未经条件处理的对照组，我们将其称为 SOC 组。SOC 组的混凝土抗压强度为 7200 PSI，而 ACP 组的抗压强度为 9000 PSI，原因是在条件处理混凝土圆柱体后，发现混凝土抗压强度增加了。混凝土配合比由 40% 水泥、60% 矿渣替代和 52% 掺气剂组成。我们加入矿渣是为了减小基材的降解，我们加入掺气剂是为了促进更好的粘结混凝土机械咬合，原因是我们不想观察到粘结层劣化的影响，而只想观察到纯粹的粘结层劣化。

接下来，我们将重点关注碳纤维喷射锚的耐久性。至于用于加固的材料，我们使用了单向碳纤维和低粘度环氧树脂，用于对混凝土基材进行底涂和浸渍纤维。此外，我们还使用了一种称为 bu 的材料作为混凝土基材的底涂，它用于填充混凝土中的任何空隙，它是低粘度环氧树脂与 5.4% 重量比的硅灰混合而成。加固的梁是小尺寸的混凝土梁，宽 6 英寸，高 6 英寸，支座间跨度为 18 英寸，这些梁在三点弯曲下进行了测试，以评估碳纤维喷射锚的耐久性。环氧树脂和腻子都使用 DSC 测试，以确定它们的玻璃化转变温度，CFRP 试样和环氧树脂狗骨试样都在拉伸下测试了它们的力学性能。混凝土梁和前面提到的组分材料都分为两个主要组，第一个是未经条件处理的组，即 SOC 组，第二个是经过条件处理的组，即 ACP 组。梁还分为粘结梁和非粘结梁，粘结梁是指 CFRP 和混凝土之间有直接粘结，而非粘结梁是指 CFRP 和混凝土之间有粘结破坏剂，这是为了模拟粘结层完全劣化的情况，以评估锚在这种情况下的性能。本研究中还改变了锚的直径，分别为 1/4 英寸、3/8 英寸和 1/2 英寸，我在这些锚直径旁边写的是 AMR，AMR 是指锚材料比，即碳纤维喷射锚的横截面积与它锚固的挠性条的面积之比。我们选择这些锚直径的原因是，因为现有的研究表明，当 AMR 大于或等于 2 时，可以得到条带断裂，所以我们想观察 AMR 小于 2 和大于 2 的情况。为了使混凝土梁准备好加固，需要进行几个步骤，包括首先在梁上钻锚孔，然后倒角锚孔，以减少锚栓和锚片之间接头区域的应力集中。锚片剪切包也被缠绕在梁的侧面，以减轻剪切破坏，因此梁的角也必须倒角。在拉伸面的中心线处引入了一个凹槽，以控制混凝土开裂的起始位置，最后混凝土表面被喷砂，以提高 CFRP 和混凝土的粘结。至于梁的加固，混凝土表面被涂上一层环氧树脂和一层腻子，但这是针对粘结组的，在非粘结组的情况下，这两层底涂被跳过，而是涂上一层粘结破坏剂，本研究中使用的是一张聚四氟乙烯胶带。接下来，碳纤维被环氧树脂浸渍，CFRP 被贴在拉伸面，然后锚被嵌入到它们的锚孔中，锚片被扇形展开在 CFRP 上，最后剪切包被贴在梁的侧面，一个方形的 CFRP 补丁被贴在锚上。现在我们将进入测试的结果，从组分试验中发现，对于 SOC 组和 ACP 组的 CFRP 试样，拉伸模量和延伸率的降低在统计上是不显著的，但是拉伸强度的降低达到了 16%，在统计上是显著的。值得指出的是，这种 16% 的降低与 ACI 44.2 R 建议的环境减少因子是一致的，该减少因子适用于 CFRP 在外部暴露的情况，ACI 建议使用 0.85 的减少因子。另外，ACP 组的环氧树脂狗骨试样表现出了不同的行为，SOC 组的狗骨试样最初表现出近似弹性的行为，但是经过条件处理后，它们表现出了弹塑性的行为，而且拉伸模量也降低了，但是狗骨试样的拉伸强度和延伸率在条件处理后都增加了。至于环氧树脂和腻子样品的 DSC 结果，发现在条件处理后，环氧树脂的玻璃化转变温度增加了 35%，而腻子样品的玻璃化转变温度增加了 20%。这些结果显示了水分引入和热量引入对环氧树脂的竞争作用，当环氧树脂暴露于水分时，它会塑化，失去刚度和变软，但是当它暴露于热量时，热量会进一步固化环氧树脂，并促进聚合物交联，或者换句话说，它会聚合。现在我们来看看梁的试验结果，所以未加固的对照梁在混凝土开裂之前表现出近似弹性的行为，然后试件破坏。当 CFRP 贴在未锚固的加固梁上时，又再次表现出了近似弹性的行为，直到混凝土开裂，但是在混凝土开裂之后，你可以看到这里的一个平台区域，这是剥离进展到极限承载力的表现，然后试件破坏。然后当锚被安装时，你又可以看到和前两个梁一样的行为，但是在混凝土开裂的区域，而不是剥离的起始，你可以看到试件刚度的变化，这是锚开始起作用的标志，直到极限承载力，然后试件破坏。好的，这里展示的橙色梁是 SOC 组的混凝土开裂起始荷载，你可以看到锚固粘结梁的开裂荷载与未锚固的加固梁一致，而非粘结锚固梁的开裂荷载与未加固梁一致，这是因为非粘结梁上的挠性条在锚起作用之前是不起作用的，而这是在混凝土已经开裂之后的事情。紫色的柱子表示 SOC 组的极限承载力，当使用 1/4 英寸的锚时，相对于未锚固的加固梁，极限承载力增加了 60%，而当使用 3/8 英寸和 1/2 英寸的锚时，相对于未锚固的加固梁，极限承载力分别增加了 68% 和 87%。现在，橙色的斜纹柱子表示 ACP 组的混凝土开裂起始荷载，你可以看到有一个轻微的增加对于每个梁，与 SOC 组相比，ACP 组的混凝土开裂起始荷载有所增加，原因是我之前提到过，经过条件处理后，混凝土的抗压强度有所提高，所以才会出现这种情况。最后，紫色的斜纹柱子表示 ACP 组的极限承载力，重要的一点是，1/4 英寸的锚表现出了对水热条件影响的最大敏感性，锚固粘结的 1/4 英寸组在条件处理后的极限承载力降低了 24%，而锚固非粘结的 1/4 英寸组降低了 16%。另外，你也可以看到，锚固粘结的 3/8 英寸组和锚固粘结的 1/2 英寸组在条件处理后没有表现出任何劣化，而锚固非粘结的 3/8 英寸组和锚固非粘结的 1/2 英寸组实际上承载力有所提高，这一点目前还不太清楚，我们还在调查原因。另一种观察 1/4 英寸锚在条件处理后敏感性的方法是通过锚效率，它定义为锚固梁的极限承载力除以未锚固梁的极限承载力，从这里你可以看到，1/4 英寸组在条件处理后的极限承载力效率变低了，而 3/8 英寸组和 1/2 英寸组保持了一致的效率。此外，1/4 英寸锚主要是由锚断裂而失败，而 3/8 英寸和 1/2 英寸组主要是由条带断裂而失败。我们认为，1/4 英寸锚断裂的原因是由于纤维锚和复合层之间的层间剪切强度降低，以及发展条带应力的锚材料比不足。总之，正如我所说，锚固非粘结梁的极限承载力比其相应的锚固粘结梁低大约 30% 到 40%，1/4 英寸锚组表现出了对水热条件影响的最大敏感性，锚固粘结组的极限承载力降低了 24%，锚固非粘结组的极限承载力降低了 16%，此外，锚效率在条件处理后也降低了，最后，3/8 英寸组和 1/2 英寸组没有表现出对水热条件影响的任何敏感性，但它们仍然能够以条带断裂而失败，而 1/4 英寸锚组则以锚断裂而失败。好的，谢谢大家的时间，如果你有任何问题，我可以回答。