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（2014届）

使用矿物复合材料的混凝土结构的抗剪性能 译文题目

学生姓名 来佳盈 学 号 10134117 院 系 工学院土木工程系 专 业 土木工程 指导教师 姜屏 2008-2-13

完成日期

使用矿物复合材料的混凝土结构的抗剪性能

Shear Strengthening of Concrete Structures with the Use of

Mineral-Based Composites

Thomas Blanksv?rd Bj?rn T?ljsten Anders Carolin Division of Structural Engineering, Lule? University J Journal of composites for construction (2009) 1:25-34

摘 要

修复和加强混凝土结构在过去10至15年已变得更加普遍，部分原因是由于大量库存旧的结构的部分原因是由于混凝土的恶化。也有缺乏了解氯化物攻击的后果影响，需要修复等因素。此外，更多的流动荷载和荷载较重的原因致使混凝土结构需要进行升级。采用纤维增强聚合物FRP和环氧树脂作为粘接剂的外部加固系统已被证明是修复和强化混凝土结构的好办法。然而，使用环氧粘接剂具有以与混凝土不兼容的形式表现出的一些缺点。因此有一样东西，用可以与基础混凝土形成更好的相容性性质的系统替代了环氧树脂，那就是水泥粘结剂。本文介绍了关于使用水泥粘接剂和碳纤维网格来加强钢筋混凝土梁的剪切性，记为矿物复合材料MBC的研究。在这项研究中表明MBC系统使用了环氧树脂粘接剂与碳纤维片材料对加固系统的加强效果。我们已经进行了不同的设计下MBC系统的材料性能测试。我们已进行了使用传统的应变计和应变光度测量来建立大量的监测，以得到钢筋，玻璃钢的应变，还有在加强表面应变场的应变。它已经表明，使用MBC可以降低在钢箍筋和表面裂纹的应变即使是已采取措施的低负载下的钢筋混凝土梁与没有加强的钢筋混凝土梁相比。

关键词：混凝土结构，复合材料，纤维增强聚合物;网格系统，砂浆，剪切阻力。 引言

混凝土是一种在建筑物中广泛使用的建筑材料，在许多不同类型的结构被应用。混凝土是最古老的建筑材料之一，在发展混凝土相当大的进步已经在过去

20年里取得尤其大的进展。尽管如此，建筑行业不是为了名声名望而研究，开发和技术创新，至少比起汽车和航空航天等行业是这样的。然而，大量的开发和创新都正在进行，而建设和社会高度依赖于这些创新。例如，新的制度，流程，或产品，可以降低成本，保养，维修的费用消耗，以及能在同一时间加强并延长结构寿命，可以节省大量的资金。由于钢筋混凝土（RC）的退化，及其在设计或施工阶段和变化，以及结构的错误使用，维修和升级现有的混凝土结构的趋势更加明显。

有一种使用的纤维增强聚合物（ FRP材料）或干纤维粘接到混凝土的方法。最普遍使用的FRP材料是由碳（C）或玻璃（G），可以被设计成层压板，棒，或薄片固定在混凝土表面上或在靠近混凝土保护层表面附近安装。（2007的Oehlers;2003 Nordin; 2003T?ljsten等，2006年的Nodin和T?ljsten ，2003年的Carolin and T?ljsten ） 。虽然使用环氧树脂作为粘接剂来加固在粘结和应用方面取得很好的成效，仍存在一些缺点。这些缺点包括： 1. 规定如何处理的环氧树脂粘接剂基于其组分毒性的风险; 2 .低渗透和扩散密封性其中，可以挑起冻结和解冻的问题; 3 .不良的热兼容的基础混凝土，这可能会导致不利的制约因素;

4 .基础混凝土表面必须干燥，在使用的时候温度通常不能低于10 摄氏度。

使用矿物复合材料的土木结构的升级换代提供了一个更兼容的修复或加固其系统的机会。本文基于矿物复合体（MBC）用以与FRP材料和水泥聚合物性质的升级。因此，使用的聚合物改性砂浆应避免与有机树脂产生一些像环氧树脂类似的缺点。不过，也有关于将砂浆作为粘接剂的一些不确定因素： 1.低温和高温下电阻和性能都在一定程度上未知的;

2.基础混凝土和FRP之间的键在过渡区没有被很好地研究，特别因为基础混凝土和砂浆之间的粘结会被干燥收缩影响; 3.关于疲劳耐久性尚未被测试。

在水泥粘结剂组合中使用纤维，可以有设计不同的方法。迄今为止，一些最常用的纤维是单向的干纤维（Wiberg 2003），以机织，针织或在不同方向上的无纺纤维粗纱的网格形式的纺织品。（1998的Peled ; 2003的Peled and Bentur; 2006的Triantafillou 和 Papanicolaou; 2006的 Brückner等），在FRP材料中纤维被分配为两个正交方向上的一个网格。（2007的Blanksv?rd; 2007的T?ljsten

和Blanksv?rd;和2003的Becker）。与纤维被嵌入到基体中的干纤维FRB（玻璃钢）格栅相比，和纺织网格的可成形性的可能性较高。另一方面，粗砂纤维聚合物（2006的Dilthey，2006的Raupach等）。

矿物复合材料

在本研究中所用的MBC的系统基本上由三个材料部分组成：水泥粘合剂，碳纤维复合材料格栅和混凝土表面底漆。通常，需要将基础混凝土的表面进行粗糙化来除去水泥浮浆，以达到基础混凝土和砂浆之间的良好粘结。表面粗糙化技术的示例是喷沙或喷水。在实验室环境或更小的环境，表面手工铺叠的方法可明确地应用于MBC 。该方法包括预湿的基础混凝土与水，其中时间取决于当地具体的条件和气候条件。这已经被Carlsw?rd在2006年中进一步讨论。当基础混凝土刚刚从干饱和面变干时会得到最佳的粘结效果。 Courard 在2005年指出的在过渡区80-90％的相对湿度（RH）会得到最好的粘结效果。过湿的表面会导致在粘合界面局部的高水灰比比值导致基础混凝土过于干燥会吸收过多的砂浆中的水分。安装之前， MBC系统中基础混凝土表面必须有底漆，以减少从湿润的砂浆基混到基础混凝土的水汽输送。手工铺叠技术主要包括以下内容：第一，一层砂浆应立即被用于底漆的表面;然后碳纤维格栅放在第一层砂浆之后，再然后添加适用于碳纤维网格砂浆层。手工铺叠MBC方法的图形表示，喷沙后，如图1.所示该系统还可以用喷的方法来使用。

图1. MBC加强系统概述

实验程序 方法

手工铺叠法被用于所有的20℃和60％相对湿度的实验室条件下，以喷沙作为表面粗糙化的技术，加强了与MBC系统的评估试样。这项研究的结果出来之前，一般做法是使对更好地了解在MBC的系统中使用合适的材料的措施。在这项研究中，我们决定通过使用MBC系统来调查在剪切的加强效果。因此， 混凝土梁在制造中抗剪方面加固的范围，包括未加固和加固的混凝土梁标本。各种参数为：不同的灰浆性能，二维（2D）碳纤维网格的不同设计，基础混凝土的各种机械性能，不同距离时的钢筋的抗剪性能，以及不同厚度的水泥粘合剂。样本之间的辨别在分类方案已经取得的基础上，研究了参数（参见图2）所有梁试样中除一个（C40s0 -M2- G2- t2），其厚度为20毫米。为了对比出原因，一根没有碳纤维而用砂浆加固的梁，以及两根分别用环氧树脂粘和接碳纤维片材加固的梁。环氧树脂粘结片在纵向和横向沿着梁粘贴。

图2.梁试样命名

测试设置

测试设置选用的所有标本是四点加载。该实验装置，几何形状和加固方案都列于图3中 。为了避免局部的缺陷，确保面内加载，所有的四支装点是用石膏作为混凝土梁试件和支撑装载点之间的中间层浇注。混凝土梁在这样一种方式下剪切，剪切破坏被引导到梁跨的二分之一，即这个跨度的强度是过度增强。这对

在底部用12根直径为16的钢筋和顶部用2根直径为16在钢筋作为拉伸压缩钢筋的混凝土梁是很普遍的。抗剪钢筋由直径为10的与在支撑处相距50毫米钢筋和直径为12的与重钢筋剪跨相距100毫米的钢筋组成。材料数据在下一部分会给出。剪切钢筋在支座的致密性确保了纵向钢筋的锚固。

另外，加强了剪跨的梁试样的有三种不同的抗剪钢筋设计，可归类为无抗剪钢筋，相距箍筋s = 350毫米，相距箍筋s = 250毫米。第一类主要区别于水泥粘接剂和MBC的系统的加强效果。另外两个主要评定于钢材抗剪钢筋和MBC加强系统之间的相互作用的影响。需要注意的是四种梁标本也在表面附近安装（ NSMR ）钢筋来使其抗弯能力得到加强。这是必要的，因为剪切能力非常高梁的可以避免弯曲破坏。在这项研究中2个CFRP被粘合成混凝土保护层锯槽（在梁拉伸侧）。为了解NSMR加强系统的进一步信息，读者可参考Nordin （2003）, T?ljstenetal. （2003）, Nordin 和T?ljsten (2006), 还有 Blanksv?rd (2007) 。

图 3. 四点弯曲梁测试设置，几何和加固方案

用于测试的材料

所用的引物是一种水泥做为基底和增强材料粉末与水混合的聚合物。在本研究中对总共市场上三种不同的砂浆进行了评价。所有灰浆有基底水泥这一种成分。他们的区别主要是有不等量的聚合物和增强纤维。表1给出了在实验室中测试的所有评估砂浆的概述，包括材料和机械性能，混合比例，以及晶粒尺寸。混合比例都以砂浆和水在重量上的比值的方式给出 。砂浆的拉伸强度被视为根据DIN EN 196-1 DIN EN （2005）弯曲拉伸强度，即制造商提供的值。抗压和抗拉强度，在进行28天试验时间后为准。砂浆1是一种快速硬化和细晶粒的砂浆。

砂浆2和3是改性聚合物及增强的聚丙烯纤维。砂浆最低厚度为3.0毫米（在砂浆1和2中）6.0毫米（在砂浆3中） 。在MBC系统中三种不同的二维碳纤维网格中使用时的反应用于评估。

表一. 砂浆的材料和力学性能评估

所有不同的网格在不同的长度和宽度方向的有不同的机械性能这是常见的。每个碳纤维网格的设计示于图.4。网格的符号取为网格S，网格M和L。网格S代表一排之间的距离较小，L有丝束之间的最大距离;和M的网格距离在S和L之间。所有网格是市场上买的和制造商提供的，机械和几何性能列于表2中。它几何表示，长度方向和交叉方向的区分是很重要的。由于网格分离地轧制，在长度方向被定义为方向。如图4在长度方向垂直放置，并对于所有的网格横向水平。CFRP网格可以在长度方向无限长铺设，但由于制造限制，横方向的长度被限制为1到2米。网格S在不同的方格内总碳纤维密度为66克每平方米，网格是M159克每平方米，和网格L 98克每平方米的。用碳纤维材料环氧树脂粘合剂的梁样本被加以50MPa的拉伸强度和为2GPa的弹性模量。所用的碳纤维材料的3500兆帕的抗拉强度和234 GPA的弹性模量。从而得出，碳纤维量为200克每平方米。

图4. 三种具有不同的间距的网格的每个方向的含碳量

表二. 制造商提供的碳纤维网格的几何和力学性能

应变计测量

两种不同的类型（SGs）用于测定CFRP网格和钢筋的应变。（ KFW- 5 -120- C1- 11L3M2R ）用5毫米的标距长度来测量钢筋的应变。在测定CFRP网格的应变情况下，纤维是相当窄和，在使用（ KFWS -2N- 120 -C1- 11L3M3R）时必须使用2毫米的标距长度。所有的SGs是用防水涂料做的箔式应变片。对于钢筋，SGs在缠SG和螺纹钢的过程进一步得到以保护中以免受损坏。在所有情况下， SG线被插入塑料软管以尽量减少嵌入混凝土或砂浆的影响。所有梁试样在梁的中部的压缩和拉伸纵向钢筋有应变读数是常见的。六个SGs是在最接近剪切钢筋的削弱或加强剪跨的梁试样两个箍筋的荷载附近设立。在加载过程中和后来的分析中，通过将应变计在这些关键点是可能在钢筋开始屈服显示。这些读数可对应裂纹图案。在图3中设为SG评估报告。

还有在碳纤维网格安装SGs的的不同方法样用于C40s0-M2-b，（见表3）。这个SG设置在图5有体现，应变片上施加30°的假定剪切裂缝。对SGs已施加在两垂直（交叉）和纵向（长度）碳纤维复合材料上。可以光度测量应变对这些测量结果进行比较。

表3. 破坏荷载和破坏模式的测试

图5. 梁试件C40s0-M2-G2a的SG设置

结果与讨论

在表3中所有的测试的梁标本，包括型粘接剂类型，增强的系统的类型和破坏载荷都被反映了。剪切载荷取为破坏载荷，之后总的荷载一分为二。确定用于混凝土剪切破坏故障模式（S），（SR）用于在混凝土梁的顶部，由于压缩破坏剪切破坏碳纤维复合材料和剥离，以及（C）碳纤维破裂， （SD）的剪切破坏到高产的受拉钢筋的。基础混凝土和水泥粘接剂之间没有分离在这个实验方案被注意到了。在本文中，作者把实验结果中视为最重要的部分。这包括设计碳纤维网格和砂浆与无钢抗剪钢筋和MBC加强系统和钢抗剪钢筋之间的相互作用标本的影响。一个更全面和详细的介绍详见Blanksv?rd （2007） 。标本C35s0 ， C40s0和C55s0已基本完成作为参考梁时，只使用不使用抗剪钢筋的混凝土，以评估抗剪切性能。与这些标本相似，更大的剪切裂缝产生在最终的剪切载荷之前。失败是一个典型的剪切裂缝在30-37度左右。通过使用仅砂浆2增加了样本15％的抗剪承载力的相对于非加强参考样本。

在MBC加强试件荷载跨度的中心形成的觉剪切裂纹在第一视觉下大于以及之前的极限荷载下的参考梁。检查出网格的几何形状似乎是对裂纹形成的影响小。然而，使用具有较小的纤维束的距离的网格（网格S）由于更好的裂缝再分配似乎产生更高的初裂载荷。第一个小看得出的剪切裂缝出现在161-162千牛的载荷范围内在使用M和L与砂浆2一起用的网格时。当使用网格S和砂浆2时看得出的剪切裂缝出现上面171千牛的载荷时。在MBC加强系统中使用具有最低的机械性能的砂浆（砂浆1）导致过早形成了裂纹和降低了破坏荷载。混凝土质量为C40的梁的荷载和唯一报告如表6所示。是常见的对应于C40的混凝土质量的用MBC加强系统所有梁，由于垂直CFRP丝断裂是破坏模式， [见破裂图7（a）]。MBC的强化系统提供了这样一个良好的纵向的CFRP丝的强度得到了充分利用的例子。

图6. C40梁试样荷载与其对应的中点挠度

图7.最终剪切破坏： （a）CFRP纵向断裂

（b）最终剪切裂缝和SGs

（c）在加强剪跨的K30s3-M2-G2梁试样形成的裂纹

在加强抗剪能力的钢筋的梁试件在剪力加强处弯曲失败（受拉钢筋屈服）和混凝土破碎。因此，这些梁组合被评估为分级加载之前压缩失败试件。需要注意的是以300毫米布置的抗剪钢筋的没有用MBC加强的梁试件在剪切时箍筋的屈服和箍筋之一标本C55s3破裂。

对于没有加强剪跨的梁试件箍筋失效模式是相似的，除了标本C55s2。第一次小弯曲裂缝开始在较低的分级荷载下，第一个可见的剪切裂缝出现在C35s3的185千牛时，C55s3的150千牛时，C55s2的167千牛时和C55s2r的200千牛时。随着加载的进行剪切裂纹的数目和尺寸增加。注意，对试件C55s2r在受压区混凝土压碎的剪切破坏模式，与用NSMR加强挠曲的C55s2r试件剪切破坏模式的改变。

所有MBC的失效模式标本加强与钢抗剪钢筋的强化剪跨是与破碎的混凝土受压区的最终失效模式类似。钢筋混凝土梁与对应于C55的品质混凝土具有较高的故障的负载相比，类似的光束具有对应于C35混凝土质量（见表3）。 MBC的加强系统和使用钢抗剪钢筋之间的相互作用是最好的应变测量使用来自传统的SG和从光度测量（DSP）的结果可视化。

结论

用MBC系统加强的具体结构更加有利相比于现有的外部强化系统，例如环氧树脂粘结CFRP。 MBC系统被认为是环保，与基础混凝土具有高度相容性的系统。此外，它可以在潮湿的表面应用并开放地扩散。

具有较小的纤维束距离CFRP网格的使用生成用于在更高的荷载下产生第一条裂纹。该碳纤维复合材料网格中的纤维量增加时，极限剪切破坏负荷增大。使用弹性模量低的矿物粘接剂（砂浆）会导致的MBC加强系统过早的开裂相较于使用具有较高的刚度的砂浆。

从垂直箍筋应变仪的读数显示沿箍筋应变分布的抛物线形状走向的趋势。与没有MBC系统的梁试件相比，在使用的MBC时一定荷载下箍筋的应变减小。对于垂直CFRP丝应变不清晰显示出沿纵向CFRP丝的应变分布成一个抛物线的

形状。这些应变片的趋势是靠近裂缝附近时形成局部高应变，说明了CFRP网和砂浆之间有良好的高粘结性。

对主应变的研究清晰的说明，用MBC加强的比没有用MBC加强的梁试件在低荷载下的主应变减小。这是在设计极限状态的优势。在高荷载下MBC系统仍然减少了主拉应力。在低荷载下使用较薄的层粘接剂与使用较厚的相比没有显著差异。

从建议的分析模型来估计剪切阻力给出合理相关性的实验值。还应当注意的是，在多级加载下垂直的CFRP束测得的应变不具有接近极限荷载的抛物线形状。在较高的多级加载后，该应变在局部形成的剪切裂缝附近增大。该模型是相当透明的，但有效高度和不同的几何形状（比矩形截面等）的重要性有待进一步研究。估计承载能力时，要解决的另一个重要问题是CFRP网格的应变发展及其对加强系统的极限承载力的影响。

在这个特殊的研究中，只对材料或几何性质的微小的变化进行了研究。更加优化的系统可以在其它结构得到发展是很有可能的。具有较高的断裂韧性，并且多种纤维或更高的刚性的纤维网格的砂浆的应用和发展很可能增强MBC系统的性能。当使用MBC加强系统和碳纤维网格时主应力减小，这在生产预制混凝土构件的裂缝加强区或在新建筑结构有潜力。

在本文中，这已经过比较详细的研究，需要CFRP和粘结材料在MBC和基础混凝土之间的接触界面之间有良好的粘结性的唯一具有剪切荷载承载能力的矩形梁试件。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i62p.html