混凝土结构在恶劣环境长期服役后，经常因钢筋锈蚀导致许多建筑物、桥梁提前破坏，造成巨大的经济损失。玄武岩纤维增强复材(BFRP)筋是我国具有完全自主知识产权的一种新型高性能纤维增强复合材料，具有抗拉强度高、质量小、抗腐蚀性能和抗疲劳性能好等优点。然而FRP筋的弹性模量较低及线弹性的特点导致构件的裂缝宽度和挠度变形较大以及破坏为脆性破坏，限制了其在混凝土结构中的应用[1-4]。
工程用水泥基复合材料(ECC)是一种由水泥、砂、矿物掺料与外加剂组成的新型高性能水泥基复合材料，具有良好的变形能力，且抗冲击、抗爆性能好，抗弯、抗剪承载力高。利用ECC替换受拉区的部分混凝土，可有效降低FRP筋混凝土构件的裂缝、挠度，改善构件延性和耗能性能[5-8]。
现有建筑物经常发生功能改变或者使用荷载增大的情况，导致原结构承载能力不足，使用受拉性能优异的碳纤维布(CFS)贴于梁底加固原有结构是现阶段常用的手段之一[9-11]。
候敏等对矩形截面钢筋混凝土梁的静力受弯试验表明，碳纤维布可明显提高梁的极限承载力，改变加固梁的破坏形态，限制裂缝延伸开展，改善裂缝的整体分布，提高梁的整体刚度[12]。在FRP筋混凝土梁底粘贴碳纤维布，可以与FRP筋共同受拉来提高复合梁的极限承载力[13-15]。吴刚等的研究表明利用CFS加固混凝土梁，能够提高混凝土梁的极限荷载，且由于碳纤维布的约束能力，使得裂缝开展及宽度的变化较之未加固梁要小，提高了梁的整体刚度[16]。
目前，国内外的研究主要集中在对CFS加固钢筋或FRP筋混凝土构件的受弯/剪性能。本文对CFS加固ECC-混凝土复合梁开展试验研究，研究经不同CFS粘贴层数加固BFRP筋ECC-混凝土复合梁的抗弯承载力、挠度、截面应变以及裂缝开展的变化规律。
1 试验概况
1.1 试验材料
1.1.1 CFS
采用C200-10型。CFS编织方向为单向；单层的厚度为0.111 mm。抗拉强度为3 625.3 MPa，受拉弹性模量为250 GPa，极限拉应变为1.5%，质量为198.5 g/m2。
1.1.2 ECC和混凝土
试验采用普通硅酸盐水泥，石英砂，超细SiO2粉和Ⅰ级粉煤灰。纤维采用聚乙烯醇，纤维长度为12 mm，直径为40 μm，弹性模量为41 GPa，伸长率为6.5%。
ECC材料拉伸开裂强度为2.0 MPa，起裂应变为0.023%，极限抗拉强度为2.4 MPa，极限拉应变2.5%。峰值抗压强度为31.4 MPa，峰值压应变为0.36%。
混凝土采用C35细石混凝土，实测的混凝土立方体抗压强度为47.0 MPa。
1.1.3 BFRP筋或钢筋
架立筋采用直径为12 mm的 HRB400级钢筋；箍筋采用直径为8 mm HRB400钢筋，HRB400级钢筋屈服强度为408 MPa，极限强度为503 MPa，弹性模量为195 GPa。BFRP筋直径为8 mm，极限强度为1 260 MPa，极限拉应变为2.6%，弹性模量为47 GPa。
1.2 试件设计
试验构件设计尺寸为b× h× l=100 mm × 150 mm × 1 000 mm，设计并制作了ECC替代高度率(截面ECC高度he与截面有效高度h0的比值，rh=he /h0)为0、0.58和1.15三组FRP筋ECC-混凝土复合梁，即混凝土梁、ECC-混凝土复合梁和ECC梁，每组CFS粘贴层数不同，试件分组详见表1，其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别代表梁底粘贴纤维布层数n为1层、2层和3层，且梁底CFS尺寸为100 mm×800 mm，受拉纵筋为2根直径为8 mm的BFRP筋，箍筋间距为50 mm，试件配筋见图1，加固示意如图2所示。
表1 试件分组
Table 1 Grouping of specimens
编号rhn编号rhn编号rhnA00B0.580C1.150A-I01B-I0.581C-I1.151A-II02B-II0.582C-II1.152A-Ⅲ03B-Ⅲ0.583C-Ⅲ1.153
图1 梁配筋示意
Fig.1 Schematic diagram of bean reinforcement
图2 梁底加固示意
Fig.2 Schematic diagram of beam bottom reinforcernent
碳纤维布加固的施工工艺按照CECS 146∶2003《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，采用三次涂胶的粘贴法。碳纤维布加固施工工艺流程见图3。
a—混凝土表面处理； b—找平处理。 c—梁底涂底胶至指触干燥； d—粘贴碳纤维布及养护。
图3 碳纤维布加固施工工艺流程
Fig.3 Carbon fiber sheet reinforcement construction process
2 试验量测内容
在梁两端支座、加载点、跨中位置分别布置位移传感器测量各测点挠度。在梁跨中两侧沿高度方向等间距布置4组千分表，通过各表差值测出构件截面的平均应变。在每根纵筋的跨中位置粘贴两片应变片来测量应变。在千斤顶上用荷载传感器记录数值。由TDS-530数据采集仪采集位移、BFRP筋应变和荷载。使用KON-FK(B)型裂缝宽度监测仪测量，在构件上描绘出裂缝分布情况，并记录每级荷载对应的裂缝宽度。加载示意如图4所示。
3 试验现象
试件A和B加载时在试件的纯弯段受拉区有明显竖向裂缝，随着荷载的增加，裂缝条数逐渐增多，裂缝不断向上延伸，最终试件受压区混凝土被压碎。试件C加载时在试件的纯弯段有明显竖向裂缝，随着荷载的增加，裂缝条数逐渐增多，裂缝不断向上延伸，最终受压区ECC被压碎。
注：
为位移计；
为千分表。
图4 加载示意
Fig.4 Loading diagram
碳纤维布加固试件A-Ⅰ～A-Ⅲ首先在纯弯段出现竖向裂缝，随着荷载的增加，挠度增长不明显，纯弯段裂缝发展明显，且CFS发出持续声响，继续加大荷载，裂缝条数逐渐增加，且延伸高度逐渐提升，最终试件上部混凝土被压碎。CFS加固试件B-Ⅰ、B-Ⅲ、C-ⅠC-Ⅲ首先在纯弯段出现竖向裂缝，随着荷载的增加，挠度增长不明显，纯弯段细密裂缝较多，CFS发出持续声响，继续加大荷载，裂缝条数逐渐增加，且延伸高度逐渐提升，最终试件因受压区ECC被压碎而破坏。试件A-Ⅱ、A-Ⅲ和B-Ⅱ、B-Ⅲ出现了CFS剥落，并且上部混凝土被压碎。试件破坏形态如图5所示。
图5 构件破坏形态
Fig.5 Failure mode of specimens
经CFS加固的试件受拉区由CFS与ECC、BFRP筋共同承担拉力。相比较未加固梁，经CFS加固试件的开裂荷载更大。在开裂后，加固梁较未加固梁裂缝的开展变化较小，且裂缝多为细微裂缝，说明CFS和ECC能够有效延缓裂缝的开展和延伸。
4 试验结果分析
4.1 试件跨中荷载-挠度曲线
从图6可以看出：较未加固梁，CFS加固复合梁开裂后曲线拐点不明显。试验梁开裂后，CFS能承担拉力，限制了裂缝的开展。当CFS部分剥离后，试验梁截面裂缝开展速度加快。上部混凝土或ECC压碎后，试件破坏。BFRP筋无屈服的脆性断裂特征，且CFS能与纵筋共同承受拉力，因此跨中荷载-挠度曲线在CFS部分失效段前后都近似直线变化。
a—A组试件； b—B组试件； c—C组试件。
图6 试件跨中荷载-挠度曲线
Fig.6 Mid-span moment versus deflection curves of specimens
从表2可以看出：混凝土梁试件A-Ⅰ～A-Ⅲ极限荷载值较未加固试件A提高了12.50%、18.75%、26.56%。复合梁试件B-Ⅰ～B-Ⅲ极限荷载值较未加固试件B提高了12.50%、16.63%、19.71%。ECC梁试件C-Ⅰ～C-Ⅲ极限荷载值较未加固试件C提高了2.94%、12.75%、17.65%。经碳纤维布加固，试件开裂荷载和极限荷载较未加固试件均有明显提高。
表2 试件开裂、极限荷载值及破坏形态
Table 2 Cracking, ultimate moments and failure modes of tested specimens
编号Mcr/(kN·m)Mu/(kN·m)破坏形态A0.909.60混凝土压碎A-Ⅰ2.3510.80CFS剥离,上部混凝土压碎A-Ⅱ2.7011.40CFS剥离,上部混凝土压碎A-Ⅲ3.1512.15CFS剥离,上部混凝土压碎B1.5010.40上部混凝土压碎B-Ⅰ3.0011.70CFS剥离,上部混凝土压碎B-Ⅱ3.6012.13CFS剥离,上部混凝土压碎B-Ⅲ3.7512.45CFS剥离,上部混凝土压碎C1.2010.20上部ECC压碎C-Ⅰ3.1510.50CFS剥离,上部ECC压碎C-Ⅱ3.1511.50CFS剥离,上部ECC压碎C-Ⅲ3.3012.00CFS剥离,上部ECC压碎
4.2 跨中纵筋荷载-应变曲线
由图7可得：CFS具有优异的抗拉性能，在梁底进行CFS加固，可以使其承担BFRP筋的部分拉力，减小BFRP筋的变形。从试验开始到CFS部分剥离或拉断前，应变增长较缓慢，CFS部分失效后，BFRP筋的应变增长明显加快。相同荷载作用下，随着CFS梁底加固层数的增加，BFRP筋应变减小。
4.3 混凝土或ECC截面沿高度方向的平均应变曲线
由图8可看出：加固后试件的混凝土和ECC截面平均应变沿截面高度分布基本符合平截面假定。
4.4 裂 缝
4.4.1 裂缝宽度分析
CFS加固复合梁荷载-最大裂缝宽度曲线如图9所示。图中M为弯矩；ws,max为试件在短期荷载下的最大裂缝宽度；wmax,lim为长期荷载作用下最大裂缝宽度限值；τl为长期荷载作用下裂缝宽度放大系数，wmax,lim /τl=0.5/1.55。
从图9可看出：较未加固梁，加固梁的开裂裂缝宽度很小。裂缝宽度增长近似线性增长，直至构件破坏。CFS加固的复合梁较未加固梁的荷载-裂缝宽度曲线斜率大，且梁最终的裂缝宽度较小。
a—A组试件； b—B组试件； c—C组试件。
图7 试件跨中荷载-FRP筋应变曲线
Fig.7 Mid-span moment-versus strain curves of FRP specimens
a—A； b—A-Ⅲ； c—B; d—B-Ⅲ; e—C; f—C-Ⅲ。
图8 混凝土和ECC平均应变沿截面高度变化曲线
Fig.8 Average ECC/concrete strain distribution curves along the height of cross-section
a—A组试件； b—B组试件； c—C组试件。
图9 试件短期荷载-最大裂缝宽度曲线
Fig.9 Maximum crack widths of specimens under short-term load
各试件极限弯矩与裂缝宽度的比较见表3，可以看出：CFS加固试件A-Ⅰ～A-Ⅲ较未加固试件A裂缝宽度明显减小，其中A-Ⅰ效果最好，为试件A裂缝宽度值3%；CFS加固试件B-Ⅰ～B-Ⅲ较未加固试件B裂缝宽度明显减小，其中B-Ⅰ效果最好，为试件B裂缝宽度值3%。由此可见，BFRP筋混凝土梁及BFRP筋ECC-混凝土梁在CFS粘贴层数为1层是效果最优。CFS加固试件C-Ⅰ～C-Ⅲ随着CFS层数的增加，裂缝宽度依次减小，其值为试件C的74%、31%、13%。由此可见，BFRP筋ECC梁CFS粘贴层数越多，对裂缝宽度的抑制作用明显；试件随着ECC替代高度率的增加，裂缝宽度依次减小。由此可见，ECC可以提高构件抵抗变形的能力，减小裂缝宽度。
4.4.2 裂缝条数与间距
试验测得的试验临近破坏时的裂缝平均间距和裂缝条数如图10、图11所示，其中n为裂缝数量；lcr为裂缝平均间距。
表3 极限弯矩与裂缝宽度的比较
Table 3 Comparisons of ultimate moment and crack width
编号Mu/(kN·m)Mu,i/Mu,eMq,e/(kN·m)wq/mmwq,i/ωq,eA9.601.006.142.231.00A-Ⅰ10.801.136.140.060.03A-Ⅱ11.401.196.140.230.10A-Ⅲ12.151.276.140.120.05B10.401.006.662.151.00B-Ⅰ11.701.136.660.060.03B-Ⅱ12.131.176.660.140.07B-Ⅲ12.451.206.660.170.08C10.201.006.531.971.00C-Ⅰ10.501.036.531.450.74C-Ⅱ11.501.136.530.610.31C-Ⅲ12.001.186.530.260.13
注：Mu为极限荷载；Mu,i/Mu,e表示各构件的极限弯矩相对于对比构件的比值；Mq,e表示构件在荷载效应是准永久组合下的弯矩值；wq表示各构件承担Mq,e时所对应的裂缝宽度；ωq,i/ωl,e表示各构件承担Mq,e时对应的裂缝宽度与相应对比构件的比值。
图10 裂缝平均间距柱状图
Fig.10 Histogram of average crack spacing
图11 裂缝条数柱状图
Fig.11 Histogram of crack number
由图10可以看出：随着ECC替代高度率的增大，裂缝平均间距减小，裂缝的发展所受的控制越来越大。在梁底粘贴CFS能够控制裂缝的发展分布，有效地减小了梁的变形。由图11可以看出：利用ECC替代混凝土，复合梁裂缝的发展能得到有效控制。CFS加固可以有效延缓复合梁裂缝的发展。
5 结束语
通过对不同层数CFS加固的BFRP筋ECC-混凝土复合梁进行静力受弯性能试验研究，得到以下结论：
1)经CFS加固后的构件的极限承载力均大于未加固构件，且极限荷载的提高随粘贴层数的增加而增大，但增大趋势变缓，粘贴CFS可有效提高复合梁的承载能力。
2)在同级荷载作用下，CFS加固梁的挠度、裂缝宽度较小，说明CFS加固能够有效提高构件抵抗裂缝和变形的能力。
3)碳纤维布加固后ECC与混凝土、BFRP筋与ECC和混凝土有良好的协同变形能力，能够共同工作。
4)ECC在开裂后能继续承担拉力，且裂缝细而密，能与FRP筋共同承担拉力，减少裂缝宽度，提高梁变形能力。相同荷载下，复合梁和ECC梁试件的变形和裂缝宽度均小于混凝土梁试件，ECC可有效提高受弯构件抵抗变形和裂缝的能力。
[1]钱洋. 预应力AFRP筋混凝土梁抗弯性能试验研究[D].南京: 东南大学, 2004.
[2]王晓璐, 査晓雄. 高温下GFRP筋力学性能的试验研究[J].华南理工大学学报(自然科学版), 2011, 39(9): 75-81.
[3]阮积敏, 王柏生, 张奕薇. FRP筋的特点及其在混凝土结构中的应用[J]. 公路, 2003(3): 96-99.
[4]程涛. 纤维增强塑料筋力学特性研究[J]. 安徽建筑, 2016,23(2): 197-199.
[5]郑军兴. ECC材料的发展现状及性能分析[J].四川建材,2013,39(3): 15-16.
[6]陈威. FRP筋增强PP ECC柱的力学性能研究[D]. 沈阳: 沈阳建筑大学, 2012.
[7]冯肖, 葛文杰, 陈坦, 等. FRP筋混凝土梁研究现状[J]. 新型建筑材料, 2015,42(12): 48-51.
[8]葛文杰,冯肖,季翔,等.纤维增强复材筋增强工程用水泥基复合材料-混凝土复合梁受弯性能试验研究[J].工业建筑,2017,47(11): 23-27, 94.
[9]刘胜军. 粘贴碳纤维布技术在桥梁工程加固中的应用探析[J]. 中国科技纵横, 2014(2): 134-135.
[10]霍正东, 葛文杰, 季翔, 等. 碳纤维布加固FRP筋ECC-混凝土复合受弯梁[J]. 苏州科技大学学报(工程技术版), 2017, 30(11): 166-169.
[11]汤东婴, 张永胜. 用碳纤维布CFRP加固大跨度混凝土梁[J]. 建筑结构, 2001(7): 70-72.
[12]侯敏，王清远，董江峰.碳纤维布加固混凝土梁弯曲性能的试验研究[J]. 中国测试, 2012, 38(2): 21-25.
[13]张岩俊. 碳纤维布加固混凝土受弯构件正截面承载力分析[D]. 成都: 西南交通大学, 2002.
[14]王雪莲. 建筑工程中粘布碳纤维布在加固梁中的应用[J]. 消费导刊, 2016(7): 394-396.
[15]范茂松. 碳纤维布加固钢筋混凝土框架梁荷载试验研究[J]. 价值工程, 2015, 34(35): 104-105.
[16]吴刚，安琳，吕志涛. 碳纤维布用于钢筋混凝土梁抗弯加固的试验研究[J]. 建筑结构, 2000(7): 3-6,10.