刚度提高的比较
每根梁在开裂阶段和屈服阶段的抗弯刚度（EI）都用下式计算：
（2）
其中P=总荷载（KN），等于两点荷载的和；
△=跨中挠度（m），用荷载P和跨度（m）表示。
方程（2）是基于所有的材料是弹性，并且EI是常量的假设。由于挠度随位置的改变而改变，抗弯刚度应该考虑为有效刚度的平均值。
对于开裂刚度，先在荷载—挠度曲线上找出开裂点和屈服点，然后在它们之间拟合一条二次退化曲线，这样来确定（P/△）项。对于屈服刚度，先在荷载—挠度曲线上的屈服段找出直线部分，然后在这些点之间拟合一条的曲线，这样来确定（P/△）项。
刚度的提高通过加固梁的抗弯刚度减去基准梁的抗弯刚度来量化。与承载力的提高一样，考虑碳纤维面积的影响，用单位碳纤维面积上刚度的增加来计算：
单位碳纤维面积上刚度的增加=△EI / Acar（3）
其中△EI表示相对基准梁刚度的增加（KN-m2）；
Acar表示碳纤维的面积（m2）。
对这些结果进行仔细观察得到下面的结论：
l IS梁和OS梁开裂刚度的增加相当。在单位碳纤维面积上开裂刚度的增加，无机粘结胶加固的3根梁中有1根梁的比OS梁大，但是，所有的差异都非常小。
l至于单位碳纤维面积上屈服刚度的增加，IS梁都比OS梁的大。这一点特别有意义，因为无机粘结胶聚合物本身的刚度比有机粘结胶聚合物小。无机粘结胶聚合物只有200GPa的拉伸模量（Foden 1999），而有机粘结胶聚合物有240GPa的拉伸模量（厂家提供的资料，作者注）。有机粘结胶加固梁屈服刚度较小可以这样解释，在高变形下混凝土和粘结胶之间有较软的交接面。这一点可以由OS梁的挠度—荷载曲线比IS梁的更具有非线性而得到进一步的证实。
应力和应变的比较
试验中，梁OS、IS1、IS2和IS3的碳纤维的极限应变分别为0.00693、0.00553、0.00581和0.00641.假定OS梁中聚合物的拉伸模量为240GPa（Forca 1996，作者注），IS梁中聚合物的拉伸模量为200GPa（Foden 1996）。碳纤维的极限应力计算见表5.在此，OS梁在碳纤维应力大约为1663MPa时发生剥离破坏；而IS梁在碳纤维平均应力大约为1184MPa时发生破裂破坏。注意到下面这一点：在无机粘结胶加固体系中，当粘结胶出现裂缝时关键的应力出现在碳纤维中，而在无机粘结胶加固体系中，碳纤维板和粘结胶像一块聚合物板一样工作；这是因为粘性的有机粘结胶有比无机粘结胶更高的变形能力。
对于给出的力学性能的差异，无机粘结胶的平均极限剪应力至少是有机粘结胶的70%这一点非常有意义。无机粘结胶的剪力承载力足够使碳纤维破裂这一点也很重要。
其它的结果
所有的IS梁都是因为碳纤维的破裂而失效。从IS3梁上剥下的碳纤维片材的图片见图6.多数的碳纤维片材都粘有混凝土碎片。在恒弯区段，碳纤维片材不能被剥下。
图6无机粘结胶体系—碳纤维破裂图7有机粘结胶体系—碳纤维剥离
作为比较，图7显示了用一种粘性的环氧树脂和碳纤维加固钢筋混凝土梁时碳纤维发生剥离破坏的情况（作者在一个相关研究中做的试验）。这个加固体系与OS梁很相似，都包括环氧树脂找平层、环氧树脂粘结胶和碳纤维片材。其中的碳纤维和Sherbrooke大学试验用的一样；环氧树脂也一样，变形能力为2.0%，拉伸强度为45MPa，拉伸模量为3GPa.图6中的剥离是断断续续，而图7中是连续均匀的。图7中，粘在粘结胶上的砂粒也具有一致的现象，没有局部失效的迹象，而局部失效的迹象意味着有粘结滑移。图7中也没有裸露的碳纤维，这表明碳纤维和混凝土之间的粘结没有破坏。拍摄图片之前，碳纤维上也有一层疏松的骨料，这意味着剥离破坏是由于集合体从混凝土浆中脱出。
传力机理的比较
如前面叙述的，有机粘结胶的粘性比无机粘结胶大1000倍；变形能力大65倍；尽管存在这些力学性能上的差异，无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系的性能仍然是相当。这些令人惊讶的结果意味着在传力机理上存在着重要的差异。
为了阐明传力机理上的差异，一个关于混凝土块粘结碳纤维片材然后受拉的示意图见图8.初，混凝土和碳纤维片材粘在一起没有受拉，见图8（a）。为了比较无机粘结胶和有机粘结胶，对粘在一起的混凝土和碳纤维片材施加拉力，分别见图8（b）和图8（c）。
（b）部分地基于作者在另一个相关试验研究上得出的结论，那个试验是使用同样的有机粘结胶。当有机粘结胶加固体系受拉，可以观察到极细的裂缝出现在交接面上，但基本上不连续延伸。这些极细的裂缝出现的原因有下面几点：
l有机粘结胶的粘性要比波特兰水泥浆大得多。因此，混凝土破裂所需的能量比粘结胶和骨料交接面之间破裂所需的能量要少。所以，尽管在高应变下粘结胶和骨料之间的粘结也不会破坏。
l典型水泥浆的受拉变形能力大约是0.0003mm/mm，在OS梁中，碳纤维的这个值要超过它20倍以上。
因此，为了变形的协调，在很强的粘结胶—骨料交接面和较低变形能力的水泥浆之间必须产生交接裂缝。假如将骨料看作刚性体并且粘结是完好的，那么交接裂缝达到骨料尺寸的大小将导致水泥浆和骨料粘结的瓦解。
从图8（c）中可以发现，当使用无机粘结胶时没有产生微小的交接裂缝。原因有下面几点：
l有机粘结胶的粘性和水泥浆的相当。它不足以保持和骨料的粘结，而这一点是水泥浆和骨料之间产生交接裂缝的必要条件。因此，在高应变下是粘结胶失效而不是水泥浆。
l在粘结胶裂缝变形为0.0007 mm/mm时，混凝土出现裂缝并且贯穿粘结胶聚合物，这导致了碳纤维应力的增加和聚合物刚度的减少。
在传力机理上的主要差异是，粘性的有机粘结胶使水泥浆和骨料的粘结瓦解，而脆性的无机粘结胶导致不连续的粘结失效和碳纤维上应力的局部集中。
图8荷载传力机制的比较：（a）碳纤维粘在混凝土上；
（b）粘性粘结胶粘结的碳纤维受拉；（c）脆性粘结胶粘结的碳纤维受拉；
脆性无机粘结胶的性能与混凝土中钢筋的粘结行为相似。图9中阐明了众所周知的混凝土中的钢筋螺纹的粘结行为。表明了在钢筋上施加拉力和达到平衡的裂缝间距后环带的滑移是它的粘结特征。在高应变的情况下，钢筋在裂缝附近的粘结实际上已经失效。
图9钢筋：（a）钢筋在混凝土中；（b）受拉后荷载的传递
总之，作者认为无机粘结胶在高应变的情形下通过局部剥离来保持和碳纤维的粘结。碳纤维仅仅在不连续的间隔上保持和混凝土的粘结。这个机理使混凝土交接面没有承受很高的拉伸应变。因此，混凝土保持着较高的受剪承载力，能够承担所受的剪应力而不发生失效。而粘性的粘结胶不允许有局部的粘结失效。为了保持碳纤维和交接面上变形的协调，混凝土承受了很高的拉伸变形，而很高的拉伸变形使骨料和水泥浆之间的粘结变得松散，从而降低交接面的受剪承载力。
结论
基于本文提供的试验结果和与其它文献中试验结果的比较，得出下面的结论：
l无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系在提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力方面相当。
l对无机粘结胶加固体系，单位碳纤维面积上梁承载力的提高随碳纤维层数的增多而更加显著。
l在无机粘结胶加固体系和有机粘结胶加固体系中，梁开裂刚度的增加相等。而且发现，单位碳纤维面积上梁开裂刚度的增加也大致相等。
l无机粘结胶加固体系中梁屈服刚度的增加要比有机粘结胶加固体系中梁屈服刚度的增加要显著。而且发现，单位碳纤维面积上无机粘结胶加固体系中梁屈服刚度的增加也要多一些。
l无机粘结胶加固体系中梁破坏时的挠度比有机粘结胶加固体系中梁破坏时的挠度要少25%.
l无机粘结胶加固体系中梁都以碳纤维的破裂破坏而失效。相比而言，有机粘结胶加固体系中梁都以碳纤维的剥离破坏而失效。这一点是由于聚合物和混凝土母体之间的传力机理不同而引起的。
l作者认为无机粘结胶加固体系中粘结胶的粘结行为和混凝土中的粘结行为相似。裂缝附近的粘结失效使碳纤维中的粘结发生局部滑移，从而粘结是间断的。这个机理降低了在混凝土中交接面的拉伸变形。当应变不是很高时，完全的剥离是不会出现的，这是因为交接面上的受剪承载力很强。这个观念值得进一步的观察研究，因为它对外包加固混凝土梁中粘结失效行为的进一步研究具有重要的意义。
致谢
作者非常感谢国家科学基金（CMS 9909830；Vijaya Gopu，Program Manager）的大力支持。还要感谢熟练的施工人员和Geopolymer的Dr， Joseph Davidovits与the FFA技术中心的Dr. Richard Lyon of提供的技术建议。
来源:考试大-建筑工程类考试
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