芳綸纖維布約束混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)與損傷模型研究

郝 偉，徐英國，曾運(yùn)財(cái)，黃命輝，付亞偉

(1.中國航空港建設(shè)第九工程總隊(duì)，四川成都 611430;2.空軍第六空防工程處，湖南衡陽 421000)

既有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物由于環(huán)境惡劣、荷載增加、結(jié)構(gòu)用途變更、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)更新和結(jié)構(gòu)可靠度提高等原因，存在承載力和耐久性不足或使用功能不滿足要求等問題。為了改善這些結(jié)構(gòu)的使用功能，提高承載力，延長使用年限，迫切需要對其進(jìn)行加固修復(fù)。纖維增強(qiáng)聚合物(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)由于其良好的物理、力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用于各種既有混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)和加固。20世紀(jì)開始進(jìn)行FRP補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)的研究，碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維增強(qiáng)塑料［1-5］得到廣泛應(yīng)用。芳綸纖維即芳香酰胺纖維，商品名稱為凱芙拉(Kevler)，不僅具有高強(qiáng)、質(zhì)輕、良好的抗沖擊、耐疲勞性能和耐腐蝕的特性，還具有優(yōu)良的介電性、吸能性和減震性，同時(shí)具有施工工藝簡便、施工質(zhì)量好、綜合費(fèi)用低等突出特點(diǎn)，因而工程中越來越多地采用外粘芳綸布(Kevler Fiber fabric，KFF)來補(bǔ)強(qiáng)加固結(jié)構(gòu)。我國從20世紀(jì)90年代中期也開展了碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)的研究，但對KFF補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)的研究，目前尚處于起步階段［5-7］，積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、工程經(jīng)驗(yàn)還較少，涉及凍融循環(huán)條件下芳綸纖維布約束混凝土(Kevler Fiber Fabric Confined Concrete，KFFCC)的損傷規(guī)律與模型的研究更少。而凍融損傷是導(dǎo)致寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的主要因素，對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性造成巨大的威脅，因此這一問題受到學(xué)術(shù)界和工程界廣泛的重視。

作為斷裂力學(xué)的必要發(fā)展和重要補(bǔ)充，損傷力學(xué)是材料結(jié)構(gòu)變形與破壞理論的重要組成部分，它著重考察的是損傷對材料宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響和材料及結(jié)構(gòu)損傷演化的過程和規(guī)律。這與傳統(tǒng)破壞理論只注重由變形至破壞的起點(diǎn)——終點(diǎn)式的研究截然不同，損傷的研究方法將是使人們對材料的力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識更深刻和更趨于合理的重要途徑，建立混凝土材料的損傷模型可解析其細(xì)觀結(jié)構(gòu)對外部荷載的響應(yīng)。因此，運(yùn)用損傷理論來研究KFFCC材料的凍融損傷規(guī)律是合理可行的。

本文通過對KFFCC進(jìn)行軸心受壓強(qiáng)度和快速凍融循環(huán)試驗(yàn)，對ASC的軸心受壓力學(xué)性能和凍融循環(huán)耐久性進(jìn)行系統(tǒng)研究，并利用損傷力學(xué)和數(shù)學(xué)模擬的方法，結(jié)合凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果建立了ASC凍融損傷模型，為新型高性能混凝土材料的研究應(yīng)用和損傷預(yù)測提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水泥為陜西耀縣秦嶺牌42.5P.O水泥，密度3.10 g/cm3;粗骨料采用級配5～20 mm涇陽石灰?guī)r碎石;細(xì)骨料為灞河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.73;KFF采用北京卡本公司生產(chǎn)的CAS-415型芳綸纖維布及其配套的CFSRA/B型浸漬樹脂膠，KFF厚度為0.276 mm，實(shí)測抗拉極限強(qiáng)度為2 206.1 MPa，彈性模量為130.8 GPa，斷裂延伸率為1.7%，配套樹脂為25℃下可操作時(shí)間＞40 min的樹脂膠。

1.2 試驗(yàn)方法

為了進(jìn)行加固效果的對比，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩種類型的試件:第一類為未粘貼KFF加固的圓柱體，即對比試件;第二類為粘貼KFF加固圓柱體。加固試件的制備步驟為:養(yǎng)護(hù)28 d后，先將圓柱體四周打磨光滑，去掉1～2 mm表面浮層，并將浮灰清除干凈，再用丙酮清洗包裹面，待試件干透后，涂上一層均勻飽滿的環(huán)氧樹脂，最后將浸漬過環(huán)氧樹脂的KFF環(huán)繞包裹圓柱體，使KFF與混凝土表面緊密粘結(jié)，待環(huán)氧樹脂干透進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)規(guī)定K0為對比試件，K1為粘貼1層KFF的加固試件，K2為粘貼2層KFF的加固試件，K3為粘貼3層KFF的加固試件，通過兩類試件的對比試驗(yàn)，考察KFF的粘貼層數(shù)對加固試件強(qiáng)度性能的影響規(guī)律。

采用絕對體積法進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計(jì)，共確定5個(gè)強(qiáng)度等級的基準(zhǔn)混凝土(C20，C30，C35，C45，C50)配合比，其中C35的配比成型4組(每組3根)φ150 mm×300 mm的圓柱體試件，其余4個(gè)配比分別成型2組同樣的試件。試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(結(jié)果取3根試件的平均值)。根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)對5個(gè)配比的粘貼1層KFFCC試件利用TDR-16V型微機(jī)控制混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。試件采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，以6個(gè)為1組，共30個(gè)試塊。在規(guī)定試驗(yàn)齡期前4 d將試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出，放進(jìn)15℃ ～20℃的水中浸泡4 d。到試驗(yàn)齡期時(shí)，從水中取出試件，擦除表面水分，進(jìn)行外觀檢查，稱重并測量其橫向基頻的初始值，以后每凍融循環(huán)25次對試件重量和動(dòng)彈模量測量1次，計(jì)算質(zhì)量損失和相對動(dòng)彈性模量，然后將試件調(diào)頭重新裝入試件盒，繼續(xù)試驗(yàn)。每次凍融循環(huán)應(yīng)在2～4 h內(nèi)完成，融化時(shí)間不得小于整個(gè)凍融時(shí)間的1/4，凍結(jié)和融化溫度應(yīng)分別控制在(－17±2)℃和(8±2)℃。當(dāng)遇到以下3種情況之一即可停止試驗(yàn):①已達(dá)到300次凍融循環(huán);②相對動(dòng)彈性模量下降至初始值的60%以下;③質(zhì)量損失率達(dá)5%。

相對動(dòng)彈性模量按下式計(jì)算

式中，Pn為n次凍融循環(huán)后試件相對動(dòng)彈性模量;f0為試件凍融循環(huán)前的自振頻率，Hz;fn為試件凍融n次循環(huán)后的自振頻率，Hz。

質(zhì)量損失率按下式計(jì)算

式中，Wn為n次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量損失率;G0為凍融前的試件質(zhì)量，g;Gn為n次凍融循環(huán)后的試件質(zhì)量，g。

混凝土的抗凍耐久性以混凝土所能經(jīng)受的最大快速凍融循環(huán)次數(shù)表示，所能經(jīng)受的快速凍融循環(huán)次數(shù)應(yīng)以同時(shí)滿足相對動(dòng)彈性模量不小于60%和質(zhì)量損失率不超過5%時(shí)的最大循環(huán)次數(shù)表示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 KFFCC的軸心受壓性能

5個(gè)配合比的混凝土軸心受壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 混凝土軸心受壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表1中的強(qiáng)度比(表征KFF對基準(zhǔn)混凝土的增強(qiáng)幅度)計(jì)算公式為

式中，R為強(qiáng)度比;fn為粘貼n層KFF的試件強(qiáng)度，MPa;f0為未粘貼KFF的試件強(qiáng)度，MPa。

由表1可知，在外粘1層KFF的情況下，KFF對混凝土軸心受壓承載力提高的幅度在19.0%～54.8% 范圍內(nèi)。同時(shí)由表1中不同強(qiáng)度等級的K0和K1試件試驗(yàn)結(jié)果可知，在KFF粘貼層數(shù)相同的情況下，混凝土的強(qiáng)度等級越高，強(qiáng)度提高的幅度越小，即強(qiáng)度比越小，這說明KFF對混凝土抗壓構(gòu)件的加強(qiáng)效果與混凝土自身的強(qiáng)度有關(guān)?；炷恋目箟浩茐氖撬闹艿呐蛎浧茐?，變形較大，且混凝土的強(qiáng)度越高，其破壞時(shí)的變形越大，強(qiáng)度很高的混凝土還會(huì)出現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象，即沒有明顯的塑性應(yīng)變。

表1中C35等級的混凝土共成型了4組試件，分別為粘貼0，1，2，3層KFF的圓柱體，由試驗(yàn)結(jié)果可知，K1，K2，K3分別比 K0的強(qiáng)度提高了 38.3%、51.9%和73.5%，其中K3比K1和K2分別提高了25.4%和14.2%，K2比K1提高了9.8%，這說明隨著KFF粘貼層數(shù)的增加，混凝土的強(qiáng)度比，即KFF對混凝土的軸心受壓強(qiáng)度增強(qiáng)幅度越來越大，這是由于粘貼層數(shù)增加，KFF對混凝土的約束作用更強(qiáng)，從而大大提高了混凝土的軸心受壓強(qiáng)度。

2.2 KFFCC的凍融耐久性

5個(gè)配合比的基準(zhǔn)混凝土粘貼1層KFFCC的快速凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果 %

由表2抗凍試驗(yàn)結(jié)果可知:

1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，KFFCC的相對動(dòng)彈模量都緩慢下降(見圖1)，表現(xiàn)出較好的延性，當(dāng)凍融循環(huán)到300次時(shí)，C20～C50的相對動(dòng)彈模量均在87.83% ～90.49%，抗凍融能力最好的是C50，300次凍融循環(huán)時(shí)相對動(dòng)彈模量為90.49%;C20～C50的質(zhì)量損失都很小，300次凍融循環(huán)時(shí)還不到1%，抗凍等級均在F300以上，完全滿足嚴(yán)寒地區(qū)混凝土抗凍要求。

圖1 相對動(dòng)彈模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加變化曲線

2)用質(zhì)量損失作為KFFCC凍融破壞的評價(jià)指標(biāo)不太合適，原因是在凍融過程中5組KFFCC質(zhì)量損失變化并不顯著(見圖2)，無法準(zhǔn)確反映混凝土的破壞程度，因而不適宜于KFFCC的凍融損傷檢測和評估。尤其是C20和C50 2組，凍融循環(huán)200次前質(zhì)量損失一直保持負(fù)值，說明KFFCC尚未產(chǎn)生剝蝕，隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，質(zhì)量損失開始轉(zhuǎn)變?yōu)楹苄〉恼?，即混凝土表面已發(fā)生細(xì)微的剝蝕。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)300次后，試件幾乎看不到表面剝蝕現(xiàn)象，表面凍融損傷層非常小，表觀都很好。

圖2 質(zhì)量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)增加變化曲線

3 KFFCC凍融損傷模型

凍融過程中，KFFCC內(nèi)部遭受周而復(fù)始的凍脹壓試件內(nèi)部產(chǎn)生凍融內(nèi)應(yīng)力，這種應(yīng)力使混凝土內(nèi)部的缺陷逐漸擴(kuò)大、積累，形成新的損傷。隨著循環(huán)的進(jìn)行，凍融應(yīng)力造成的損傷逐漸積累，使混凝土材料的性能逐漸劣化以致破壞，這個(gè)過程可用逾滲理論和損傷理論來解釋，即:無損傷→損傷(形成微裂紋)→宏觀裂紋→破壞。

可定量檢測混凝土結(jié)構(gòu)損傷變量的指標(biāo)與相應(yīng)的耐久壽命衰變模型有很多種［8-9］，其中質(zhì)量衰減模型不適宜于KFFCC凍融評估，前面已論述過;強(qiáng)度衰減模型由于凍融循環(huán)作用下的混凝土強(qiáng)度測試與指標(biāo)還沒有形成規(guī)范，且需要試件較多，檢測時(shí)多有不便;以混凝土斷裂能為指標(biāo)的能量耗散模型具有較高的可信度，但斷裂能的測試過程較復(fù)雜且費(fèi)用相對較高;相對動(dòng)彈模量衰減模型或累積損傷模型直接測試混凝土動(dòng)彈模量，雖然存在劣點(diǎn)問題，但基本能夠反映混凝土結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，且不要求過多試件，能方便地測試損傷過程，因此以相對動(dòng)彈模量為損傷變量的KFFCC凍融損傷模型可有效表征KFFCC凍融循環(huán)受到的損傷程度。

3.1 動(dòng)彈模量衰減模型

設(shè)E0為混凝土損傷前的動(dòng)彈模量，En為混凝土經(jīng)N次凍融循環(huán)后的剩余動(dòng)彈模量，其衰變速率為dE dN，該速率與(0～N)時(shí)間的動(dòng)彈模量E衰減量成正比，根據(jù)文獻(xiàn)［9］的動(dòng)彈模量衰減模型，建立如下指數(shù)方程式中，a，b為擬合系數(shù)。式(5)表明，混凝土結(jié)構(gòu)未破損量是隨原始結(jié)構(gòu)完整量呈自然率規(guī)律衰減。這就是混凝土的理論衰變方程，這個(gè)衰變方程與Isaac Newton的“物質(zhì)冷卻定律”(物質(zhì)冷卻的速度正比于物質(zhì)的溫度與外部溫度的瞬時(shí)差)規(guī)律是一致的。

按照式(4)對表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到KFFCC凍融損傷的相對動(dòng)彈模量衰減模型見圖3。

同時(shí)，按照式(6)冪函數(shù)的形式對表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到KFFCC凍融損傷的相對動(dòng)彈模量衰減模型見圖4。

圖3 KFFCC凍融循環(huán)動(dòng)彈模量衰減指數(shù)函數(shù)模型

圖4 KFFCC凍融循環(huán)動(dòng)彈模量衰減冪函數(shù)模型

由圖3和圖4和擬合方程式可以看出，KFFCC動(dòng)彈模量衰減指數(shù)函數(shù)模型擬合方程的精度不高，預(yù)測偏差較大，冪函數(shù)模型擬合方程則具有很高的精度。而此前關(guān)于普通水泥混凝土凍融循環(huán)損傷模型大都為指數(shù)形式［8-9］，冪函數(shù)模型在過去的凍融循環(huán)量化模型中很少見到。本文研究結(jié)果表明KFFCC的冪函數(shù)模型具有比指數(shù)函數(shù)更好的精度，相關(guān)性更好。

3.2 凍融循環(huán)累積損傷模型

根據(jù)損傷力學(xué)的基本理論將混凝土凍融循環(huán)后混凝土損傷度D定義為式(7)，即混凝土損傷程度(損傷變量)由其相對動(dòng)彈模量來表征?；炷羶鋈谘h(huán)后相對動(dòng)彈模量愈低，意味著損傷程度愈大

根據(jù)上述定義，混凝土凍融循環(huán)累積損傷的損傷度是凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)，其損傷模型可以分別按照式(8)冪函數(shù)和式(9)指數(shù)函數(shù)的形式建模

按照式(8)和式(9)對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的累積損傷模型見圖5和圖6。

由圖5和圖6及擬合方程可以看出，KFFCC凍融循環(huán)累積損傷的冪函數(shù)模型擬合方程比指數(shù)函數(shù)模型具有較高的精度，但均低于動(dòng)彈模量衰減模型的擬合精度。

4 結(jié)語

1)本試驗(yàn)所用的材料為CAS-415型芳綸纖維布及其配套的CFSRA/B型浸漬樹脂膠，KFF物理、力學(xué)性能良好，柔軟性好，適合于各種形狀的構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)加固，且裁剪、粘貼都非常簡便，配套樹脂的施工性能良好，與混凝土粘結(jié)牢靠。

圖5 KFFCC凍融循環(huán)累積損傷冪函數(shù)模型

圖6 KFFCC凍融循環(huán)累積損傷指數(shù)函數(shù)模型

2)在外粘1、2和3層KFF的情況下，KFFCC較普通混凝土軸心受壓強(qiáng)度提高了19.0% ～54.8%、51.9%和73.5%。KFF的加強(qiáng)效果與混凝土自身的強(qiáng)度和KFF粘貼層數(shù)有關(guān)，在KFF粘貼層數(shù)相同的情況下，混凝土的強(qiáng)度等級越高，強(qiáng)度提高的幅度越小;隨著KFF粘貼層數(shù)的增加，KFF對混凝土的軸心受壓強(qiáng)度增強(qiáng)幅度隨之增大。

3)KFFCC具有優(yōu)異的凍融循環(huán)耐久性，抗凍等級均在F300以上，質(zhì)量損失很小，表觀良好，滿足嚴(yán)寒地區(qū)混凝土抗凍要求。

4)不同于普通水泥混凝土的凍融循環(huán)損傷模型，KFFCC的動(dòng)彈模量衰減模型在擬合精度上優(yōu)于凍融累積損傷模型，且冪函數(shù)模型比指數(shù)函數(shù)模型有更好的擬合精度和相關(guān)性。

5)動(dòng)彈模量衰減模型冪函數(shù)模型能夠較好地反映KFFCC的凍融損傷規(guī)律和程度，可用來評估預(yù)測KFFCC的凍融循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)使用壽命，從而為KFFCC抗凍性的定量化設(shè)計(jì)及對KFFCC在凍融循環(huán)作用下微觀層次上用力學(xué)的方法對其研究奠定了基礎(chǔ)。

6)KFF補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土技術(shù)目前已引起了人們越來越廣泛的關(guān)注，隨著對KFF復(fù)合材料研究的日益深入、產(chǎn)量的增加和成本下降，其在土木工程領(lǐng)域必將有更廣泛的應(yīng)用前景。然而KFF在土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用畢竟為時(shí)不長，本文基于凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果初步建立了KFFCC兩種凍融循環(huán)損傷模型——?jiǎng)訌椥阅Ａ克p模型和凍融循環(huán)累積損傷模型，但由于現(xiàn)在對混凝土凍融損傷變量的選取還存在爭議，建立的模型尚待大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程驗(yàn)算來修正、完善，還需要在材料、結(jié)構(gòu)工程和力學(xué)等交叉領(lǐng)域?qū)FFCC進(jìn)行研究。

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