無機(jī)粘結(jié)膠和有機(jī)粘結(jié)膠應(yīng)用于碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的對(duì)比

1、無機(jī)粘結(jié)膠和有機(jī)粘結(jié)膠應(yīng)用于碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的對(duì)比研究（）    引言眾所周知，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)和修復(fù)存在著廣泛的需求。許多的修補(bǔ)和修復(fù)技術(shù)正在被應(yīng)用。20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的外包粘鋼法加固鋼筋混凝土梁就是其中之一。最近，高強(qiáng)度的碳纖維、玻璃纖維等聚合物材料作為鋼板的替代物正在被發(fā)展和應(yīng)用 ACI440-R-57（“美國”1996）。這些被稱作纖維增強(qiáng)聚合物（FRPs）的系列具有許多重要的優(yōu)點(diǎn)：自重輕、耐腐蝕和應(yīng)用便捷等。自重輕可以減少施工時(shí)間和工程造價(jià)，因?yàn)椴恍枰匦蜋C(jī)械。應(yīng)用時(shí)， FRPs不僅可以一層一層的粘貼使用，還可以以薄板的形式使用

2、。有機(jī)粘結(jié)膠聚合物的一個(gè)缺點(diǎn)是耐火性差。一些聚合物還容易在紫外線下變性老化，導(dǎo)致長期的耐久性問題。由于碳纖維、 玻璃纖維不但能夠堅(jiān)持于正常地暴露于火中，而且能夠忍受紫外線的照射。因此，將這些纖維織物與混凝土粘結(jié)在一起的有機(jī)粘結(jié)膠就成了一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。本文論述的無機(jī)粘結(jié)膠不易燃，而且在紫外線下不會(huì)發(fā)生變性老化。用無機(jī)粘結(jié)膠粘結(jié)碳纖維聚合物做的溫度暴露試驗(yàn)表明：暴露于80中1小時(shí)后，僅僅37%的碳纖維聚合物開始喪失抗彎承載力（Foden et al 1996）。無機(jī)粘結(jié)膠是一種低粘性樹脂，適用于粘結(jié)碳纖維、玻璃纖維等片材或織物。它的預(yù)先配制是混合一種鋁矽酸鹽粉末和一種以水為基礎(chǔ)的催化劑。在室溫情況下

3、，大約可以存放3個(gè)小時(shí)。無機(jī)粘結(jié)膠已經(jīng)被應(yīng)用于粘結(jié)碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁中。下面的部分分別講述了這些內(nèi)容：有關(guān)無機(jī)粘結(jié)膠聚合物的背景資料；有機(jī)粘結(jié)膠加固鋼筋混凝土梁性能的綜述；無機(jī)粘結(jié)膠和碳纖維加固鋼筋混凝土梁的性能；用兩種粘結(jié)膠加固后，梁在強(qiáng)度、剛度、延性、破壞特征和裂縫開展?fàn)顩r等方面的比較。無機(jī)粘結(jié)膠的特性高強(qiáng)度纖維聚合物由無機(jī)粘結(jié)膠混合碳纖維、玻璃纖維和鋼筋纖維或片材制成的聚合板的力學(xué)性能在下面這些參考文獻(xiàn)中已經(jīng)有了論述（國際專利應(yīng)用文摘 PCT/FR91/00177 WO91/13830；Foden et al 1996；Lyon et al 1997；Hammell et al

4、1998；Foden 1999）。聚合板的耐久性以及外包連續(xù)或不連續(xù)纖維織物加固的混凝土棱柱的耐久性也已有研究。主要的結(jié)論如下：l 無機(jī)粘結(jié)膠系列應(yīng)用非常方便，所有用于有機(jī)粘結(jié)膠的技術(shù)也適用于它。l 無機(jī)粘結(jié)膠和碳纖維、玻璃纖維能很好的協(xié)調(diào)工作。以單向纖維的方式，碳纖維聚合物能承受650MPa的拉應(yīng)力、550MP的受彎應(yīng)力和30MPa的剪應(yīng)力。相比而言，有機(jī)粘結(jié)膠辰岬奶枷宋酆銜锏惱廡翟諞歡潭壬弦鴕恍饈怯捎諼藁辰嶠旱拇嘈浴?/P> l 無機(jī)粘結(jié)膠能很好地與木材、混凝土或鋼材粘結(jié)。在外包鋼板之間的受剪承載力為15MPa。l 在無機(jī)粘結(jié)膠加固體系和有機(jī)粘結(jié)膠加固體系中，疲勞性能相當(dāng)。迄今為止，

5、所有的研究成果表明，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)修補(bǔ)方面，無機(jī)粘結(jié)膠有著非常巨大的應(yīng)用潛力。有機(jī)粘結(jié)膠和碳纖維片材加固鋼筋混凝土梁的綜述在世界范圍內(nèi)，已經(jīng)有許多研究者對(duì)用FRPs板或片材加固的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了廣泛的研究。梁可以用預(yù)先制作的FRPs板（Ritchie et al 1991；Saadatmanesh and Ehsani 1991a；Sharif et al 1994；Ross et al 1999）加固，也可以柔軟的片材或織物（M'Baszaa et al 196；Nakamura et al 1996；Arduini and Nanni 1997）加固。在所有的這些實(shí)驗(yàn)中，一種二組份的

6、環(huán)氧樹脂被作為粘結(jié)膠使用。在最先的研究報(bào)告（Saadatmanesh and Ehsani 1990）中，玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）板被粘在4根不同的鋼筋混凝土梁上，并且用不同的環(huán)氧樹脂粘結(jié)，這些環(huán)氧樹脂有著從1%到170%的變形能力。由此得出的結(jié)論是，這項(xiàng)加固技術(shù)中最適用的粘結(jié)膠是它必須具有足夠的粘性。因此，在后來的研究（Saadatmanesh and Ehsani 1991a）中，使用的是一種橡膠粘性的環(huán)氧樹脂，它具有超過40%的變形能力。然而，在GFRP板中，記錄的最大變形僅僅只有0.8%。在那次研究（Saadatmanesh and Ehsani 1991a）中，最常見的破壞特征

7、是FRP板的剝離破壞。Ritchie et al（1991）也得出同樣的結(jié)論：最適用于結(jié)構(gòu)修補(bǔ)的粘結(jié)膠是它具有足夠的粘性。他們?cè)u(píng)價(jià)了14根鋼筋混凝土梁的性能，這些梁用一種二組份橡膠粘性的環(huán)氧樹脂粘結(jié)碳纖維、玻璃纖維等聚合物板。在這次研究當(dāng)中，最常見的破壞特征是在鋼筋水平位置發(fā)生混凝土保護(hù)層的受剪破壞。從這些研究中得出的主要結(jié)論如下：l 外包聚合物板的鋼筋混凝土梁的抗彎承載力有明顯提高，并且低配筋率梁的效果更加顯著。l 裂縫的數(shù)量增多但平均裂縫寬度減小。l 由于板材的剝離破壞或鋼筋螺紋水平位置上的混凝土保護(hù)層受剪破壞所引起的失效行為需要進(jìn)一步的試驗(yàn)和分析研究。這些破壞模式的破壞準(zhǔn)則需要建立，以便

8、正確地推測(cè)梁的極限承載力。其它一些論文的作者也得出同樣的結(jié)論。所有這些研究的一個(gè)共同特點(diǎn)是，由于聚合物破裂而引起破壞的情形幾乎沒有。研究程序這次研究的焦點(diǎn)是比較粘結(jié)纖維片材加固鋼筋混凝土梁時(shí)脆性的無機(jī)粘結(jié)膠和柔軟的有機(jī)粘結(jié)膠的性能。要做的主要比較有：l 兩種破壞模式的區(qū)別。l 相對(duì)各自的基準(zhǔn)梁，承載力增加的大小。l 相對(duì)各自的基準(zhǔn)梁，剛度增加的大小。l 撓度和延性。l 裂縫開展特征。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)程序是模仿Sherbrooke大學(xué)，Quebec，Canada（M'Bazaa et al 1996）的試驗(yàn)。因此，在比較無機(jī)粘結(jié)膠和有機(jī)粘結(jié)膠的性能時(shí)減少了試驗(yàn)梁的數(shù)量，僅僅澆灌了4根與Sher

9、brooke相似的鋼筋混凝土梁并且養(yǎng)護(hù)28天。然后，其中三根梁用碳纖維片材和無機(jī)粘結(jié)膠加固。所有4根梁都是簡(jiǎn)支梁。在Sherbrooke大學(xué)的研究中，有機(jī)粘結(jié)膠的拉伸強(qiáng)度是這次研究中無機(jī)粘結(jié)膠的13倍。另外，變形能力是65倍，粘性是1000倍。盡管有這些力學(xué)性能上的重要差異，無機(jī)粘結(jié)膠和有機(jī)粘結(jié)膠加固的梁仍然具有相當(dāng)?shù)某休d力提高和剛度增加，只是延性要低一些。試驗(yàn)步驟如上面提到的，這次試驗(yàn)是模仿M'Bazaa et al（1996）的試驗(yàn)。在那次試驗(yàn)中，一共澆注了8根梁，跨度為3000mm，并在三分點(diǎn)進(jìn)行加載?；镜淖兞渴翘祭w維的長度、端部錨固長度和加固量。梁在受拉區(qū)表面粘貼了三層單向的

10、碳纖維片材，片材寬為166.7mm，長為2900mm（圖1），這根梁對(duì)這次試驗(yàn)來說特別重要，因?yàn)樘祭w維的面積是相當(dāng)?shù)?。面積為0.826cm2。這次澆注的梁與它具有相同的長度、寬度、高度（3000×200×300mm）和保護(hù)層厚度，見圖1。梁分別用2層、3層和5層單向碳纖維片材加固，面積分別為0.285cm2、0.427cm2和0.711cm2?；炷翉?qiáng)度通過實(shí)驗(yàn)室配合比控制，組成原料有ASTM I 水泥、自然砂、最大粒徑為19mm的碎石骨料和自來水。通過直徑為150mm的圓柱體進(jìn)行試驗(yàn)得到抗壓強(qiáng)度為47.3MPa。而Sherbrooke大學(xué)試驗(yàn)中的混凝土抗壓強(qiáng)度為44.3M

11、Pa。Sherbrooke大學(xué)試驗(yàn)中，受彎鋼筋是2根No 10M 的鋼筋，總面積為200mm2，而這次試驗(yàn)中，受彎鋼筋是2根No 4 的鋼筋，總面積為258mm2。取3根鋼筋試件進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)，平均屈服強(qiáng)度為447MPa，極限強(qiáng)度為693MPa。Sherbrooke大學(xué)試驗(yàn)中相應(yīng)的強(qiáng)度分別為439MPa和703MPa。圖1 試驗(yàn)梁尺寸詳圖在兩次試驗(yàn)中，梁的抗剪承載力都是設(shè)計(jì)富余的，因?yàn)?，試?yàn)的目標(biāo)是使梁發(fā)生受彎破壞。Sherbrooke大學(xué)試驗(yàn)中，No 10M 的箍筋，間距為100mm，受剪承載力為281KN；這次試驗(yàn)中，No 3 的箍筋，間距為95mm，受剪承載力為226KN。在一次試驗(yàn)中

12、可能遇到的最大剪力為55.0KN。因此，受剪性能不是影響因素。梁的配筋和碳纖維加固情況詳見表1。表1 試驗(yàn)梁匯總梁的編號(hào)受彎鋼筋碳纖維面積（cm2）粘結(jié)膠類型OC2 #10M無無IC2 #4無無OS2 #10M0.826有機(jī)粘結(jié)膠（環(huán)氧樹脂）IS12 #40.285無機(jī)粘結(jié)膠IS22 #40.427無機(jī)粘結(jié)膠IS32 #40.711無機(jī)粘結(jié)膠加固步驟現(xiàn)在的研究程序貼碳纖維之前，先用磨輪將表面的浮漿皮去掉和將粗糙突出的骨料磨平。然后，對(duì)表面噴砂和用熱水洗，最后晾干。表面用無機(jī)粘結(jié)膠找平，并自然干燥直到它具有粘性（大約1小時(shí)）。同時(shí)，碳纖維用樹脂浸漬，并自然干燥直到具有粘性。再將作為粘結(jié)層的粘結(jié)膠

13、刷在找平層上，然后，立即將浸漬好的碳纖維貼上。碳纖維必須滾壓以去掉多余的粘結(jié)膠。其余各層碳纖維都以同樣的步驟粘貼。碳纖維粘貼好后，修補(bǔ)部位必須包扎以去掉空氣和使樹脂均勻飽滿。修補(bǔ)部位先用Teflon 薄膜包裹，在用致密織物，然后用尼龍薄膜包扎。包裹要密封，并用真空泵抽成大約740mmHg的氣壓。最后，將梁加熱到80養(yǎng)護(hù)24小時(shí)。比較研究（M'Bazaa et al 1996）M'Bazaa et al（1996）的試驗(yàn)中，梁的表面處理大致相同。接著用一種低粘性的二組份環(huán)氧樹脂找平，并在室溫下養(yǎng)護(hù)24小時(shí)。然后，將作為粘結(jié)層的二組份環(huán)氧樹脂刷在找平層上，再立即貼碳纖維片材。然后，

14、用襯紙包裹保護(hù)，接著滾壓碳纖維片材以使粘結(jié)膠浸入碳纖維。然后，去掉襯紙，并用橡膠抹刀將額外的環(huán)氧樹脂抹進(jìn)碳纖維片材中。然后，以同樣的步驟粘貼其余各層碳纖維。最后，置于室溫養(yǎng)護(hù)。儀器布置試驗(yàn)梁是簡(jiǎn)支梁，跨度為3000 mm。端部支撐為鋼軸，鋼軸置于混凝土墩上，混凝土墩固定于實(shí)驗(yàn)室反力地板上。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過手控液壓千斤頂加載，千斤頂垂直地安裝于梁頂，并固定于實(shí)驗(yàn)室反力板上。荷載通過一根置于梁上的鋼制分配梁三分點(diǎn)加載（距離每邊支座1000mm）。荷載以每次2.24KN的方式典型施加。荷載通過置于千斤頂和分配梁之間的荷載傳感器測(cè)量。4個(gè)電子電阻應(yīng)變片置于跨中。2個(gè)12mm標(biāo)距長度的應(yīng)變片貼于受彎鋼筋上。

15、1個(gè)應(yīng)變片貼于梁的上表面，1個(gè)應(yīng)變片貼于碳纖維上，標(biāo)距長度都為50mm。將一個(gè)機(jī)械表（百分表）置于跨中并固定于實(shí)驗(yàn)室反力地板上以測(cè)量撓度，它必須垂直地安裝在梁底。每加一次荷載都讀取一個(gè)讀數(shù)。結(jié)果和討論在后面部分討論的主要內(nèi)容是：破壞模式、裂縫特征、荷載撓度關(guān)系、承載力提高和變形。表2列出了結(jié)果的匯總。注意到試驗(yàn)中使用的碳纖維片材具有差異這一點(diǎn)很重要。對(duì)有機(jī)粘結(jié)膠加固體系做的試驗(yàn)，用來加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件的碳纖維經(jīng)過了完善的發(fā)展。碳纖維排列很好，并且有一種特別的襯紙和有機(jī)膠料保護(hù)。有機(jī)粘結(jié)膠也經(jīng)過特別的處理，在粘結(jié)碳纖維時(shí)能夠達(dá)到最佳的效果。這個(gè)體系發(fā)展了很多年，碳纖維排列很好，并且具有盡可能高的強(qiáng)度和

16、剛度。對(duì)無機(jī)粘結(jié)膠加固體系，使用的是商業(yè)上提供的一般紋路的碳纖維。不象有機(jī)粘結(jié)膠加固體系中的碳纖維有一種特別的襯紙保護(hù)，而且，這個(gè)體系使用的碳纖維是從生產(chǎn)交叉紋路玻璃纖維的地方生產(chǎn)的。與有機(jī)粘結(jié)膠體系相比，這種生產(chǎn)程序只能提供劣等排列的碳纖維。另外，在操作時(shí)更容易損壞，因?yàn)橹挥休^少的有機(jī)膠料保護(hù)碳纖維。表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總梁的編號(hào)荷 載（KN）撓 度（mm）最大變形破壞模式鋼筋屈服極限狀態(tài)鋼筋屈服極限狀態(tài)延 性混凝土碳纖維OC45.0663.6110.7788.908.250.00145適筋破壞IC57.8374.5111.0093.988.550.00182適筋破壞OS67.3099.6412

17、.2728.192.300.001290.00693剝離破壞IS173.4080.5112.9520.141.550.000750.00553碳纖維破裂IS275.6291.9012.9023.321.810.001310.00581碳纖維破裂IS384.52110.0913.9724.051.720.001420.00641碳纖維破裂據(jù)作者的所知，這是第一次無機(jī)粘結(jié)膠加固體系的使用。經(jīng)過特別預(yù)先處理進(jìn)一步提純的碳纖維一定能提高其性能。破壞模式和裂縫特征Sherbrooke大學(xué)的試驗(yàn)和這次試驗(yàn)中的基準(zhǔn)梁（設(shè)計(jì)編號(hào)分別為OC和IC）都是標(biāo)準(zhǔn)的適筋梁破壞：鋼筋先屈服，然后混凝土被壓碎。IC梁比OC

18、梁有更高的開裂剛度、屈服荷載和極限荷載。兩根梁的荷載撓度關(guān)系見圖2。圖2 基準(zhǔn)梁的荷載撓度曲線Sherbrooke大學(xué)試驗(yàn)中的加固梁編號(hào)為OS，這次試驗(yàn)中的加固梁編號(hào)為IS1，IS2，IS3。OS梁是碳纖維片材的剝離破壞，而IS1，IS2，IS3梁是碳纖維的破裂破壞。這是一個(gè)重要的結(jié)論，因?yàn)榫酆衔锇宀牡钠屏言谖墨I(xiàn)中幾乎沒有報(bào)道，而片材的分層破壞已經(jīng)有比較普遍的報(bào)道了。已經(jīng)有了論述的是：OS梁的裂縫特征是它的裂縫間距比基準(zhǔn)梁的要小，而且裂縫分兩個(gè)階段開展。在第一階段出現(xiàn)的是垂直的受彎裂縫，而在鋼筋屈服后的第二階段出現(xiàn)的是斜裂縫；并且斜裂縫延伸不及梁高的1/6。為了作裂縫特征的對(duì)比，采用了Ritc

19、hie et al（1991）的結(jié)果。因?yàn)榱旱目缍?、高度和配筋量是相同的，并且Ritchie et al提供了更加詳細(xì)的描述。使用的粘結(jié)膠是一種橡膠粘性的環(huán)氧樹脂。典型的Ritchie et al（1991）的裂縫特征見圖3。對(duì)兩根基準(zhǔn)梁，裂縫特征是典型的適筋梁破壞，見圖3。基準(zhǔn)梁底部Ritchie et al（1991）有21條裂縫，見圖3(a)，而這次研究的IC梁底部有19條裂縫, 見圖3(c)。加固后的OS梁底部有52條裂縫, 見圖3(b)；而IS3梁底部僅僅有25條裂縫，見圖3(d)。因此，裂縫數(shù)量的增加對(duì)有機(jī)粘結(jié)膠加固體系和無機(jī)粘結(jié)膠加固體系分別為148%和32%。裂縫的這些參數(shù)表明

20、，有機(jī)粘結(jié)膠體系比無機(jī)粘結(jié)膠體系產(chǎn)生了更多的裂縫。作者認(rèn)為，這是因?yàn)闊o機(jī)粘結(jié)膠在裂縫的位置沒有足夠的粘性保持碳纖維和混凝土的粘結(jié)，抑制了應(yīng)力向鄰近的混凝土傳遞，而這一點(diǎn)是產(chǎn)生更多裂縫的必要條件。另外，混凝土中的裂縫貫穿了碳纖維聚合物，這又促使應(yīng)力向碳纖維傳遞。相比而言，粘性的有機(jī)粘結(jié)膠能保持碳纖維和混凝土在每條裂縫附近的粘結(jié)，致使應(yīng)力向鄰近的混凝土傳遞，這樣就產(chǎn)生了更多的裂縫。圖3 極限荷載時(shí)裂縫的比較：（a）有機(jī)粘結(jié)膠基準(zhǔn)梁（Ritchie et al 1991）；（b）有機(jī)粘結(jié)膠加固梁（Ritchie et al 1991）；（c）無機(jī)粘結(jié)膠基準(zhǔn)梁（IC）；（d）無機(jī)粘結(jié)膠加固梁（IS3）

21、。延性和荷載撓度關(guān)系有機(jī)粘結(jié)膠加固梁的荷載撓度曲線見圖4。正如所料，增加碳纖維面積導(dǎo)致了開裂剛度、屈服剛度和極限荷載的提高。為了和以前研究的荷載撓度曲線作比較，并考慮到基準(zhǔn)梁的差異，將荷載撓度曲線作標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化即是將IC、IS1、IS2、IS3梁的荷載乘以一個(gè)系數(shù)：OC梁的屈服荷載 / IC梁的屈服荷載大量的撓度點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)整以保證曲線的連續(xù)。所有梁的標(biāo)準(zhǔn)化荷載撓度曲線見圖5。從圖5中可以看出，無機(jī)粘結(jié)膠加固的梁和有機(jī)粘結(jié)膠加固的梁的荷載撓度曲線的特征相似。用大致相同的碳纖維面積加固的IS3梁和OS梁具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、剛度和延性。圖4 有機(jī)粘結(jié)膠加固梁的荷載撓度曲線 圖5 所有梁的標(biāo)準(zhǔn)化荷載撓度

22、曲線對(duì)有機(jī)粘結(jié)膠加固體系和無機(jī)粘結(jié)膠加固體系，加固梁與基準(zhǔn)梁相比，延性都有降低。對(duì)前者，撓度延性從8.25減到2.30；對(duì)后者，撓度延性從8.55減到1.55和1.81之間。比較用相同碳纖維面積加固的IS3梁和OS梁，IS3梁的延性僅有OS梁的75%。承載力提高的比較承載力的提高通過加固梁和基準(zhǔn)梁最大彎矩的差值來量化。為了考慮碳纖維用量的差異，用單位碳纖維面積上彎矩的增加來計(jì)算，如下方程：?jiǎn)挝惶祭w維面積上彎矩的增加 = M / Acar （1）其中 M表示相對(duì)基準(zhǔn)梁彎矩的增加（KN-m）； Acar 表示碳纖維的面積（m2）。表3 承載力提高的比較梁的編號(hào)極限彎矩（KN-M）彎矩的增加（KN-

23、M）單位碳纖維面積上彎矩的增加OC31.805IC37.255OS49.82018.015218.2IS140.2253.000105.4IS245.9508.695203.9IS355.04517.790250.2承載力提高的比較見表3。對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)觀察得到下面的結(jié)論：l 無機(jī)粘結(jié)膠加固體系和有機(jī)粘結(jié)膠加固體系提供了相當(dāng)?shù)募庸绦Ч?。單位碳纖維面積上彎矩的增加，IS2梁和OS梁非常接近，IS3梁比OS梁高，而IS1梁比OS梁低。l 無機(jī)粘結(jié)膠加固體系，單位碳纖維面積上彎矩的增加隨著碳纖維面積的增加而增加，這意味著使用更厚的碳纖維板將達(dá)到更佳的加固效率。在以前，這種趨勢(shì)還沒有被觀察到，這一

24、定程度上是因?yàn)榧庸堂娣e引起的效率問題還沒有被系統(tǒng)的研究。剛度提高的比較每根梁在開裂階段和屈服階段的抗彎剛度（EI）都用下式計(jì)算：（2）其中 P=總荷載（KN），等于兩點(diǎn)荷載的和；=跨中撓度（m），用荷載P和跨度 （m）表示。方程（2）是基于所有的材料是彈性，并且EI是常量的假設(shè)。由于撓度隨位置的改變而改變，抗彎剛度應(yīng)該考慮為有效剛度的平均值。對(duì)于開裂剛度，先在荷載撓度曲線上找出開裂點(diǎn)和屈服點(diǎn)，然后在它們之間擬合一條二次退化曲線，這樣來確定（P/）項(xiàng)。對(duì)于屈服剛度，先在荷載撓度曲線上的屈服段找出直線部分，然后在這些點(diǎn)之間擬合一條最佳的曲線，這樣來確定（P/）項(xiàng)。剛度的提高通過加固梁的抗彎剛度減去

25、基準(zhǔn)梁的抗彎剛度來量化。與承載力的提高一樣，考慮碳纖維面積的影響，用單位碳纖維面積上剛度的增加來計(jì)算：?jiǎn)挝惶祭w維面積上剛度的增加 = EI / Acar （3）其中 EI 表示相對(duì)基準(zhǔn)梁剛度的增加（KN-m2）；Acar 表示碳纖維的面積（m2）。剛度提高的比較見表4。表4 剛度提高的比較梁的編號(hào)開裂階段屈服階段抗彎剛度（KN-m2）抗彎剛度的增加（KN-m2）單位碳纖維面積抗彎剛度的增加抗彎剛度（KN-m2）抗彎剛度的增加（KN-m2）單位碳纖維面積抗彎剛度的增加OC2310276IC3544261OS38891579191212015173921058IS13972428150441093

26、83229244IS24379835195781449118827855IS348641320185652322206128987對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)觀察得到下面的結(jié)論：l IS梁和OS梁開裂剛度的增加相當(dāng)。在單位碳纖維面積上開裂剛度的增加，無機(jī)粘結(jié)膠加固的3根梁中有1根梁的比OS梁大，但是，所有的差異都非常小。l 至于單位碳纖維面積上屈服剛度的增加，IS梁都比OS梁的大。這一點(diǎn)特別有意義，因?yàn)闊o機(jī)粘結(jié)膠聚合物本身的剛度比有機(jī)粘結(jié)膠聚合物小。無機(jī)粘結(jié)膠聚合物只有200GPa的拉伸模量（Foden 1999），而有機(jī)粘結(jié)膠聚合物有240GPa的拉伸模量（廠家提供的資料，作者注）。有機(jī)粘結(jié)膠加固梁屈

27、服剛度較小可以這樣解釋，在高變形下混凝土和粘結(jié)膠之間有較軟的交接面。這一點(diǎn)可以由OS梁的撓度荷載曲線比IS梁的更具有非線性而得到進(jìn)一步的證實(shí)。應(yīng)力和應(yīng)變的比較試驗(yàn)中，梁OS、IS1、IS2和IS3的碳纖維的極限應(yīng)變分別為0.00693、0.00553、0.00581和0.00641。假定OS梁中聚合物的拉伸模量為240GPa（Forca 1996，作者注），IS梁中聚合物的拉伸模量為200GPa（Foden 1996）。碳纖維的極限應(yīng)力計(jì)算見表5。在此，OS梁在碳纖維應(yīng)力大約為1663MPa時(shí)發(fā)生剝離破壞；而IS梁在碳纖維平均應(yīng)力大約為1184MPa時(shí)發(fā)生破裂破壞。注意到下面這一點(diǎn)：在無機(jī)粘結(jié)

28、膠加固體系中，當(dāng)粘結(jié)膠出現(xiàn)裂縫時(shí)關(guān)鍵的應(yīng)力出現(xiàn)在碳纖維中，而在無機(jī)粘結(jié)膠加固體系中，碳纖維板和粘結(jié)膠像一塊聚合物板一樣工作；這是因?yàn)檎承缘挠袡C(jī)粘結(jié)膠有比無機(jī)粘結(jié)膠更高的變形能力。表5 碳纖維和交接面中最大的應(yīng)力梁的編號(hào)碳纖維交接面極限應(yīng)力（MPa）承載力提高百分比（%）極限荷載（KN）極限平均剪應(yīng)力（MPa）OS166339137.33867.2*IS11107*7931.49217.5IS21161*8349.52342.0IS31283*9291.22630.1注：* 表示破壞表5計(jì)算出了在極限荷載時(shí)碳纖維和混凝土交接面上的平均剪應(yīng)力。計(jì)算方法是用碳纖維承受的最大力除以剪跨范圍內(nèi)的粘結(jié)面積

29、。根據(jù)這個(gè)計(jì)算，OS梁中平均極限剪應(yīng)力為867MPa。作為比較，Ritchie et al（1991）推測(cè)平均極限剪應(yīng)力在758MPa和827MPa之間。但是，IS梁的平均極限剪應(yīng)力卻不能估計(jì)出，因?yàn)樘祭w維沒有發(fā)生剝離破壞。然而，IS3梁承受了630MPa的平均剪應(yīng)力還沒有發(fā)生分層破壞，意味著平均極限剪應(yīng)力至少為630MPa。對(duì)于給出的力學(xué)性能的差異，無機(jī)粘結(jié)膠的平均極限剪應(yīng)力至少是有機(jī)粘結(jié)膠的70%這一點(diǎn)非常有意義。無機(jī)粘結(jié)膠的剪力承載力足夠使碳纖維破裂這一點(diǎn)也很重要。其它的結(jié)果所有的IS梁都是因?yàn)樘祭w維的破裂而失效。 從IS3梁上剝下的碳纖維片材的圖片見圖6。多數(shù)的碳纖維片材都粘有混凝土碎

30、片。在恒彎區(qū)段，碳纖維片材不能被剝下。圖6 無機(jī)粘結(jié)膠體系碳纖維破裂 圖7 有機(jī)粘結(jié)膠體系碳纖維剝離作為比較，圖7顯示了用一種粘性的環(huán)氧樹脂和碳纖維加固鋼筋混凝土梁時(shí)碳纖維發(fā)生剝離破壞的情況（作者在一個(gè)相關(guān)研究中做的試驗(yàn)）。這個(gè)加固體系與OS梁很相似，都包括環(huán)氧樹脂找平層、環(huán)氧樹脂粘結(jié)膠和碳纖維片材。其中的碳纖維和Sherbrooke大學(xué)試驗(yàn)用的一樣；環(huán)氧樹脂也一樣，變形能力為2.0%，拉伸強(qiáng)度為45MPa，拉伸模量為3GPa。圖6中的剝離是斷斷續(xù)續(xù)，而圖7中是連續(xù)均勻的。圖7中，粘在粘結(jié)膠上的砂粒也具有一致的現(xiàn)象，沒有局部失效的跡象，而局部失效的跡象意味著有粘結(jié)滑移。圖7中也沒有裸露的碳纖維

31、，這表明碳纖維和混凝土之間的粘結(jié)沒有破壞。拍攝圖片之前，碳纖維上也有一層疏松的骨料，這意味著剝離破壞是由于集合體從混凝土漿中脫出。傳力機(jī)理的比較如前面敘述的，有機(jī)粘結(jié)膠的粘性比無機(jī)粘結(jié)膠大1000倍；變形能力大65倍；盡管存在這些力學(xué)性能上的差異，無機(jī)粘結(jié)膠加固體系和有機(jī)粘結(jié)膠加固體系的性能仍然是相當(dāng)。這些令人驚訝的結(jié)果意味著在傳力機(jī)理上存在著重要的差異。為了闡明傳力機(jī)理上的差異， 一個(gè)關(guān)于混凝土塊粘結(jié)碳纖維片材然后受拉的示意圖見圖8。最初，混凝土和碳纖維片材粘在一起沒有受拉，見圖8（a）。為了比較無機(jī)粘結(jié)膠和有機(jī)粘結(jié)膠，對(duì)粘在一起的混凝土和碳纖維片材施加拉力，分別見圖8（b）和圖8（c）。圖

32、8（b）部分地基于作者在另一個(gè)相關(guān)試驗(yàn)研究上得出的結(jié)論，那個(gè)試驗(yàn)是使用同樣的有機(jī)粘結(jié)膠。當(dāng)有機(jī)粘結(jié)膠加固體系受拉，可以觀察到極細(xì)的裂縫出現(xiàn)在交接面上，但基本上不連續(xù)延伸。這些極細(xì)的裂縫出現(xiàn)的原因有下面幾點(diǎn) ：l 有機(jī)粘結(jié)膠的粘性要比波特蘭水泥漿大得多。因此，混凝土破裂所需的能量比粘結(jié)膠和骨料交接面之間破裂所需的能量要少。所以，盡管在高應(yīng)變下粘結(jié)膠和骨料之間的粘結(jié)也不會(huì)破壞。l 典型水泥漿的受拉變形能力大約是0.0003mm/mm，在OS梁中，碳纖維的這個(gè)值要超過它20倍以上。因此，為了變形的協(xié)調(diào)，在很強(qiáng)的粘結(jié)膠骨料交接面和較低變形能力的水泥漿之間必須產(chǎn)生交接裂縫。假如將骨料看作剛性體并且粘結(jié)是

33、完好的，那么交接裂縫達(dá)到骨料尺寸的大小將導(dǎo)致水泥漿和骨料粘結(jié)的瓦解。從圖8（c）中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用無機(jī)粘結(jié)膠時(shí)沒有產(chǎn)生微小的交接裂縫。原因有下面幾點(diǎn) ：l 有機(jī)粘結(jié)膠的粘性和水泥漿的相當(dāng)。它不足以保持和骨料的粘結(jié)，而這一點(diǎn)是水泥漿和骨料之間產(chǎn)生交接裂縫的必要條件。因此，在高應(yīng)變下是粘結(jié)膠失效而不是水泥漿。l 在粘結(jié)膠裂縫變形為0.0007 mm/mm時(shí)，混凝土出現(xiàn)裂縫并且貫穿粘結(jié)膠聚合物，這導(dǎo)致了碳纖維應(yīng)力的增加和聚合物剛度的減少。在傳力機(jī)理上的主要差異是，粘性的有機(jī)粘結(jié)膠使水泥漿和骨料的粘結(jié)瓦解，而脆性的無機(jī)粘結(jié)膠導(dǎo)致不連續(xù)的粘結(jié)失效和碳纖維上應(yīng)力的局部集中。圖8 荷載傳力機(jī)制的比較：（a）碳纖維粘在混凝土上；（b）粘性粘結(jié)膠粘結(jié)的碳纖維受拉；（c）脆性粘結(jié)膠粘結(jié)的碳纖維受拉；脆性無機(jī)粘結(jié)膠的性能與混凝土中鋼筋的粘結(jié)行為相似。圖9中闡明了眾所周知的混凝土中的鋼筋螺紋的粘結(jié)行為