内埋碳纤维砂浆调节混凝土梁承载能力的试验研究

内埋碳纤维砂浆调节混凝土梁承载能力的试验研究 FRP /CM　2005. No. 4 收稿日期 : 2004206225 基金项目 : 国家自然科学基金重点项目 (50238040) 作者简介 : 刘小艳 (19752) , 女 , 博士研究生 , 从事智能混凝土的研究。 内埋碳纤维砂浆调节混凝土梁承载能力的试验研究 刘小艳 , 姚　武 , 伍建平 , 吴科如 (同济大学混凝土材料研究重点实验室 , 上海　 200092) 摘要 : 基于碳纤维水泥基材料的电热效应 ,通过内埋碳纤维砂浆块对普通混凝土梁进行变形调节 ,获得了相应的温度 2变形规律。 在此基础上实施了对混凝土梁预加反向变形 ,使混凝土梁内部产生预应力 ,从而提高了混凝土梁达到相同挠度时的承载能力。 关键词 : 碳纤维 ; 电热效应 ; 变形调节 ; 预应力 ; 混凝土梁 中图分类号 : TU5281572　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1003 - 0999 (2005) 04 - 0006 - 03 1　引　言 混凝土是使用量最大的建筑结构材料 ,但传统 的混凝土材料具有功能单一、技术含量低、抗拉强度 低、易开裂等缺点 ,严重制约了混凝土材料的发 展 [ 1 ]。随着信息技术和材料科学的发展 ,混凝土材 料的多功能化、智能化已成为可能 ,同时也适应了土 木工程智能化的发展需要。 智能混凝土是在混凝土原有的组分基础上复合 智能型成分 ,使混凝土材料具有自感知、自适应、自 修复特性的多功能材料 [ 2 ]。调整特殊功能组分的 种类和掺量 ,满足其不同的功能要求。由于碳纤维 自身良好的导电性能 ,调整碳纤维的掺量 ,普通的水 泥基材料的电阻率大大降低 ,使碳纤维水泥基材料 具有电热效应等特殊功能 [ 3 ]。将具有电热效应的 碳纤维水泥基材料埋置于普通的混凝土梁中 ,利用 碳纤维水泥基材料通电后温升引起的体积膨胀 ,实 现对混凝土梁的变形调节 ,等同于在混凝土梁受荷 载作用之前预加一个反向的预应力 ,从而提高混凝 土梁达到相同的跨中挠度时的承载能力。本文首先 对碳纤维水泥基材料的电热效应进行了试验研究 , 得到了碳纤维水泥基材料不同直流电压作用时间下 的发热温升规律。通过对不同温升情况下的混凝土 梁跨中挠度的分析 ,得到其温度 2变形规律 ,并研究 了不同反向变形对混凝土梁承载能力的调节 作用。　 2　试　验 211　原材料及试件制备 水泥为 P·O 42. 5普通硅酸盐水泥 ;硅粉为 SICON硅粉 ;细集料为河砂 ,细度模数为 2. 6;粗集料 为 5～25mm连续级配花岗岩碎石 ;外加剂为花王 150高效减水剂 ;纤维为碳纤维 ,长度 5mm,其物理 性能见表 1。 表 1　碳纤维物理力学性能 Table 1 Properties of carbon fiber D iameter /μm Density /g·cm - 3 Tensile strength /GPa Youngpis modulus /GPa Elongation at break /% Carbon content(mass) /% Electric resistivity /Ω·cm - 1 7. 0 ±0. 2 1. 78 > 3. 0 220～240 1. 25～1. 60 > 95 10 - 2 ～10 - 3 　　在普通混凝土梁的上部埋置碳纤维水泥砂浆 块。预埋砂浆块和混凝土梁的尺寸由图 1所示。 碳纤维水泥砂浆配合比见表 2。试验采用的混 凝土配合比见表 3。 表 2　碳纤维水泥砂浆配合比 Table 2 M ixture of CFRM Cement W ater Sand Silica fume Carbon fiber 1000 400 1000 150 80 图 1　试件 (尺寸单位 /mm) Fig. 1 Samp le 6 2005年 7月 玻 璃 钢 /复 合 材 料 FRP /CM　2005. No. 4 表 3　混凝土配合比 Table 3 M ixture of concrete ( kg/m3 ) Cement W ater Sand Gravel Super p lasticizer 475 170 615 1140 0. 145 　　试件制作时 ,首先制备碳纤维水泥砂浆块。在 碳纤维水泥砂浆块达到一定龄期及其电阻率趋于稳 定后再制作混凝土梁。在振动成型时碳纤维水泥砂 浆块埋入混凝土梁中上部 ,并使其上表面与混凝土 梁上表面位于同一平面内。室温养护 24h后脱模 , 置于标准养护室 ,直至 28d龄期后取出进行试验。 212　测试装置及方法 本试验采用直流可调稳压电源用于碳纤维水泥 基材料通电加热 , Fluke189型数字万用电表测量电 流、电压 ,热电偶测量碳纤维水泥砂浆块温度。混凝 土梁三点弯曲试验加载设备为 Instron8501型电液 伺服万能试验机 ,可以同时记录荷载及跨中挠度。 在不通电的情况下 ,对内埋碳纤维水泥基材料 的混凝土梁进行了三点弯曲试验 ,测定并记录梁跨 中挠度达到 60 ×10 - 4 mm时的荷载挠度曲线。然后 在 40V的直流电压作用下 ,对碳纤维水泥砂浆通电 发热 ,引起混凝土梁向上的弯曲变形。当混凝土梁 底面跨中向上弯曲至不同变形值 (6组 )时 ,调整外 加电场 ,使碳纤维水泥基材料保持恒定的温度 ,对混 凝土梁进行三点弯曲试验。混凝土梁在外加荷载作 用下 ,首先抵消原来的向上弯曲变形 ,然后逐渐产生 向下的挠曲变形 ,当跨中挠度再次达到 60 ×10 - 4 mm时 ,考察对应的外加荷载变化情况。 3　结果与讨论 试验结果见表 4。混凝土梁跨中向上弯曲变形 为负 ,向下的弯曲变形为正。 表 4　试验结果 Table 4 Test results 试验 编号 温升 /℃ 梁跨中变形 / ×10 - 4mm 跨中挠度为 60 ×10 - 4mm时 对应荷载 / kN A 0 0 2. 7 B 1. 3 - 20 3. 3 C 2. 2 - 40 3. 9 D 3. 5 - 60 4. 7 E 5. 3 - 80 5. 0 F 7. 4 - 100 5. 3 G 9. 5 - 120 5. 8 　　随碳纤维水泥基材料温度的升高 ,碳纤维水泥基 材料体积膨胀引起混凝土梁底面跨中弯曲向上的变 形值增大。从表 4可以看出 ,碳纤维砂浆通电升高 9. 5°C时可以引起混凝土梁底面跨中 - 120 ×10 - 4mm的 挠度。可见 ,碳纤维砂浆块通电升温可有效地调节 混凝土梁的变形。 向上的弯曲变形对于受三点弯曲荷载作用的混 凝土梁来说 ,相当于在梁中和轴以下预加了一定的 压应力。梁承受向下的荷载作用时 ,外加的荷载首 先必须克服该预应力的作用 ,然后才会使混凝土梁 逐渐产生向下的挠曲变形。因此温度越高 ,产生的 混凝土梁向上弯曲变形越大 ,混凝土梁底部的预压 应力越大 ,要克服该预压应力使混凝土梁达到相同 的向下跨中挠度所需施加的荷载值就越大。图 2为 混凝土梁底部跨中挠度与外加荷载的关系。 图 2　荷载 2挠度关系 Fig. 2 Relationship between app lied loads and deflections 图 2中从右下方至左上方分别为试验 A～G的 荷载 2挠度关系曲线 ,其中直线为根据试验点拟和得 到。从图 2可以看出 ,随预加荷载变形值的增大 ,达 到 60 ×10 - 4 mm跨中挠度所需荷载也越大 ,即意味 着碳纤维水泥基材料温度升高得越多 ,混凝土梁受 到的预应力越大。因此 ,对应于相同的跨中挠度 ,混 凝土梁可以承受更多的外加荷载。从图 2还可以看 出 ,随着预加变形值的增大 ,荷载 2挠度曲线的斜率 呈降低的趋势。可见 ,随预加变形值的增大 ,对承载 能力提高的难度增大。承载能力的提高并不随预加 变形值单调线性增加。 4　结　论 通过上述试验结果和分析 ,可得到以下结论 : (1)通过对埋置于混凝土梁中的碳纤维水泥基 材料通电加热 ,可以有效地调节混凝土梁的变形 ,从 而起到给混凝土梁施加预应力的作用 ; 72005年第 4期 内埋碳纤维砂浆调节混凝土梁承载能力的试验研究 FRP /CM　2005. No. 4 (2)随着碳纤维水泥基材料温度的升高 ,混凝 土梁产生向上的弯曲变形增大 ,混凝土梁底部受到 的预压应力增大 ,达到相同跨中挠度的混凝土梁承 载能力得到提高 ; (3)随着预加变形值的增大 ,荷载 2挠度曲线的 斜率呈降低的趋势 ,表明混凝土梁反向变形的增大 与承载能力的提高并不呈线性关系。 参考文献 [ 1 ]姚武. 高性能机敏混凝土的研究 [A ]. 高性能混凝土研究与应用 学术会议论文集 [ C ] ,上海 :同济大学出版社 , 2002. 21228. [ 2 ]姚武 ,吴科如. 智能混凝土的研究现状及其发展趋势 [ J ]. 新型建 筑材料 , 2000, (10) ∶22224. [ 3 ]孙明清 ,李卓球 ,毛起炤. CFRC电热特性的研究 [ J ]. 武汉工业大 学学报 , 1997, (6) ∶72274. EXPER IM ENTAL STUDY O N AB IL ITY O F EM BEDD ED CARBO N F IBER RE INFO RCED MO RTAR TO AD JUST LOAD CAPAC ITY O F CO NCRETE BEAM L IU Xiao2yan, YAO W u, WU J ian2p ing, WU Ke2ru ( Key Lab of Concrete Material Research, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract: Based on the electrothermal effect of carbon fiber reinforced cement based materials, the deflections of normal concrete beam s were adjusted by the embedded carbon fiber reinforced mortar and the relation between temperature and deflection was also obtained. By using the relation, different reversal deflections were added to the concrete beam before load app lied on it, which led to inner p re2stress in the concrete beam. Thus, the load capacity of concrete beam was imp roved when the same deflection was reached. Key words: carbon fiber; electrothermal effect; deflection adjustment; p re2stress; concrete beam (上接第 22页 ) 参考文献 [ 1 ] 朱绍文 ,贾志杰. 碳纳米管及其应用的研究现状 [ J ]. 功能材料 , 2000, 31 (2) ∶122. [ 2 ] 李贺 ,刘白玲 ,高利珍等. 高聚物 /碳纳米管复合材料研究进展 [ J ]1合成化学 , 2002, 10 (03) ∶1972199. [ 3 ] Q ian. D and D ickey. E. C1Load transfer and deformation mechanism s in carbon nanotube2polystyrene composites[ J ]1Ap llied Physics Let2 ters, 2002, 20∶286822870. [ 4 ] Fisher FT, B radshaw RD and B rinson LC1Effects of nanotube wavi2 ness on the modulus of nanotube2reinforced polymer [ J ] 1 App lied Phisics Letters, 2002, 24∶4647246491[ 5 ] L iao Kin and L i Sean1 Interficial characteristics of a carbon nanotube2polystyrene composite system [ J ]1 App lied Phisics Letters, 2001, 25∶422524227.[ 6 ] Cui S, Canet R, Derre A and CouziM1Characterization of multiwallcarbon nanotube and influence of surfactant in the nanocompositep rocessing[ J ]1Carbon, 2003, 41∶7972809.[ 7 ] B iercuk MJ, L laguno MC and Radosavljevic M1Carbon nanotubecomposites for thermal management [ J ] 1App lied Phisics Letters,2002, 15∶276722769. EFFECTS O F NANO TUBE D ISPERS IO N O N STRENGTH O F NANO TUBE /EPO XY COM PO S ITE L I Zhen, DUAN Yue2xin, L IANG Zhi2yong (Beijing University of Aeronautics and A stronautics, Beijing 100083, China) Abstract: For the nanotube / epoxy composite, the effects of nanotube and dispersant on bending strength and heat resistant p roperty of nanotube reinforced epoxy are investigated. The research results show that the effect of nanotube dispersion on the bending strength of the nanotube reinforced composite is great and heat resistance of the composite is much imp roved . Key words: composites; nanotube; epoxy; bending strength 8 2005年 7月