碳纤维布加固钢筋与混凝土的粘结性能研究

摘要：对碳纤维布加固钢筋与混凝土粘结性能进行拔出试验，钢筋锈蚀采用电化学加速锈蚀方法，钢筋的锈蚀率为0%-13.1%，研究了钢筋锈蚀率和碳纤维布加固对粘结力的影响，试验结果表明：相同钢筋锈蚀率的条件下，碳纤维布显著提高钢筋与混凝土的粘结力，碳纤维布加固试件发生钢筋拔出破坏，而无碳纤维布加固试件发生混凝土劈裂破坏。

关键词：碳纤维布；钢筋锈蚀；粘结强度

Abstract: of the CFRP reinforced steel and concrete binding properties of the pull-out tests, accelerated by electrochemical corrosion of reinforcement corrosion method, the steel corrosion rate is 0% ~ 13.1%, the rate and steel corrosion of carbon fibre reinforced the influence of bond, the experimental results show that: the same rebar corrosion rate, under the condition of carbon fiber cloth significantly improve steel and concrete felt, specimens of carbon fibre reinforced steel pull out the damage happened, and no carbon fibre reinforced concrete specimens happen fracturing.

Keywords: carbon fiber cloth; Corrosion of reinforcement; Bond strength

0引言

钢筋与混凝土的粘结力是其能够共同工作的关键点，但是钢筋混凝土结构在其使用过程中混凝土中钢筋容易发生锈蚀，钢筋锈蚀使得钢筋截面减小，降低了钢筋的力学性能，钢筋表面产生的锈蚀产物，其体积膨胀使得混凝土保护层产生顺筋裂缝，从而降低钢筋混凝土结构的使用性能和寿命，从而各种各样的加固修复技术应用于锈蚀钢筋混凝土结构来提高其承载力，例如加大截面加固法，预应力加固法，粘钢加固法和外包钢加固等，但是这些技术存在施工技术要求较高，钢材易锈蚀、劳动强度大和对结构形成损伤等缺点，加固效果有时难以达到设计要求，但是碳纤维布具有轻质高强、耐腐蚀、易施工和耐疲劳等优点，在钢筋混凝土结构加固和修复中有着广泛的应用。

国内外学者对碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的承载力进行了初步的研究，研究结果表明：碳纤维布加固能够显著提高钢筋混凝土梁的承载力。本文通过10个试件的钢筋拔出试验研究了碳纤维布对钢筋与混凝土粘结性能的影响，探讨了钢筋锈蚀率对碳纤维布加固效果的影响和破坏模式，为目前钢筋混凝土结构的耐久性和评估和鉴定提供依据。

1.试验研究

1.1 试件设计

按照混凝土结构试验方法的标准，设计试件尺寸为100mm×100mm×100mm，钢筋直径为14mm，浇筑于长方体的中心位置，钢筋设计粘结长度为50mm，钢筋无粘结部分均用环氧树脂涂层，在试件的一端位置，采取塑料套管包裹钢筋，试件的具体尺寸如图1所示，采用混凝土材料为42.5级普通硅酸盐水泥、天然中砂和粒径小于16mm的碎石，混凝土配合比为水泥:水:砂:石=1:0.42:1.58:2.18，并预留混凝土立方体试件，标准养护28天后，实测混凝土立方体平均抗压强度为51.5MPa，碳纤维布厚度为0.167mm，抗拉强度为4532MPa，弹性模量

2.5×105MPa，伸长率为1.7%。

图1 试件尺寸（mm）

1.2 钢筋锈蚀

采用电化学加速锈蚀的方法进行钢筋锈蚀，钢筋的理论锈蚀率设定为0%，3%，6%，9%和15%，采用法拉第定律进行计算，如式（1）所示，钢筋在通电锈蚀前，将钢筋混凝土试件放入5%的氯化钠溶液中2天，使得氯化钠溶液能够渗透到钢筋表面，钢筋通电锈蚀过程中，每一组锈蚀率试件进行串联通电，保证相同钢筋锈蚀率，试件加载完成后，将钢筋从试件中取出，按照锈蚀前后钢筋的质量损失率计算钢筋的实际锈蚀率。

（1）

式中，式中：为阳极金属的质量损失（g）；为铁的摩尔质量（）；为锈蚀电流强度（）；为锈蚀持续时间（）；为阳极反应电极化学价（铁为）；为法拉第常数（）。

1.3 碳纤维布加固和加载

当钢筋锈蚀率达到设计值时，将试件取出并进行晾干，对每一组锈蚀率的其中一个试件进行碳纤维布加固，所有碳纤维布加固试件养护完成后，在万能试验机进行加载测试。

2 试验结果和分析

2.1 碳纤维布对粘结力的影响

如表1所示，对于无碳纤维布加固的试件，当钢筋锈蚀率低于2.6%时，钢筋与混凝土的粘结力稍微提高，其原因是钢筋的锈蚀填充了钢筋与混凝土的缝隙，增加了混凝土的对钢筋的摩擦力；而后，随着钢筋锈蚀的增加，粘结力急剧下降；在相近的钢筋锈蚀率下，碳纤维布加固的试件，其粘结力显著提高，主要因为碳纤维布约束了混凝土裂缝的开展，对混凝土周围产生挤压力，提高了其粘结力。

2.2 碳纤维布对破坏状态的影响

对于无碳纤维布加固的试件，试件发生混凝土劈裂破坏，主要原因是在钢筋拔出过程中，变形肋对周围混凝土产生斜向挤压力，斜向挤压力使得混凝土中产生环向拉力，当拉力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土保护层产生劈裂裂缝，其粘结力同样急剧降低。

对于碳纤维布加固的试件，试件发生钢筋拔出破坏，主要原因碳纤维布在钢筋拔出过程中，限制了混凝土的应变，约束了钢筋周围混凝土裂缝的开展和延伸，因此，钢筋从试件中拔出。

表1试验结果

3.结论

（1）对于无碳纤维布加固试件，当钢筋锈蚀率低于2.6%时，其粘结力提高，而后随着钢筋锈蚀的增加，其粘结力显著降低，但是对于碳纤维布加固试件，相同钢筋锈蚀率的条件下，其粘结力显著提高。

（2）碳纤维布加固试件改变了试件破坏状态，碳纤维布加固试件发生钢筋拔出破坏，而无碳纤维布加固试件发生混凝土劈裂破坏。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。