FRP厚度和品種對約束UHPC軸壓性能的影響

鄧宗才

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

?

FRP厚度和品種對約束UHPC軸壓性能的影響

鄧宗才

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

摘要：為了研究不同種類纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)管約束超高性能混凝土(UHPC)的軸壓性能，對27個(gè)約束試件和3個(gè)未約束試件進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，測定了應(yīng)力-應(yīng)變曲線，探討了FRP種類、纖維布層數(shù)(3、5和7層)等對約束效果的影響。結(jié)果表明：試件強(qiáng)度主要與約束比有關(guān)，而極限應(yīng)變與纖維布種類、約束比均有關(guān)；約束比增加，強(qiáng)度和極限應(yīng)變增加；應(yīng)力-應(yīng)變曲線與Lam-Teng模型較為接近。基于試驗(yàn)結(jié)果回歸得到了FRP約束UHPC試件的強(qiáng)度、極限應(yīng)變預(yù)測公式，其預(yù)測精度較高。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)聚合物；超高性能混凝土；約束；抗壓性能

超高性能混凝土(ultrahigh-performance concrete，UHPC)具有很高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性，由于強(qiáng)度很高，脆性明顯。纖維增強(qiáng)聚合物(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)約束是改善UHPC柱變形能力、承載力和抗震性能的有效方法之一。過去對5層以下纖維布約束普通混凝土研究較多，建立了相應(yīng)的本構(gòu)模型[1-3]，但關(guān)于較多層數(shù)纖維布約束UHPC軸壓性能的研究鮮見報(bào)道。本文試驗(yàn)研究了碳纖維布、芳綸纖維布、玻璃纖維布約束UHPC試件的軸壓性能，探討了纖維布層數(shù)對約束效果的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)FRP約束是改善UHPC變形能力的有效方法。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了強(qiáng)度和極限應(yīng)變的預(yù)測公式，分析了3種常見FRP約束混凝土本構(gòu)模型對于FRP約束UHPC的適用性問題。

1原材料及試驗(yàn)方法

1.1試件及材料

共制作30個(gè)圓柱體試件，其中27個(gè)為FRP管約束UHPC試件，3個(gè)為無約束UHPC試件。UHPC圓柱體高度為200 mm，直徑為100 mm。FRP管采用纖維布纏繞加工而成，分別為芳綸纖維 (AFRP)、碳纖維(CFRP)和玻璃纖維布(GFRP)。纖維布厚度及其力學(xué)指標(biāo)列于表1。纖維增強(qiáng)聚合物板軸拉試驗(yàn)測得的力學(xué)指標(biāo)列于表2。FRP管的纖維纏繞層數(shù)分別為3、5、7層，每種纖維布層數(shù)的FRP管約束UHPC 3個(gè)試件。試件編號見表3， 其中第一個(gè)字母為FRP品種，其后數(shù)字為纖維布層數(shù)，如A2代表2層芳綸纖維布管約束試件。

表1纖維布厚度及力學(xué)指標(biāo)

Table 1The tensile mechanical parameters and thickness of fiber sheets

纖維布品種厚度/mm抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa延伸率/%碳纖維0.16736402401.70芳綸纖維0.19320001252.0玻璃纖維0.4361800555.3

表2　纖維增強(qiáng)聚合物板的力學(xué)指標(biāo)

表3　試件編號

UHPC的組份及配合比見表4。其中水泥為PO.42.5硅酸鹽水泥，磨細(xì)高爐礦渣為S95，比表面積408 m2/kg。天然石英砂粒徑40～70目。聚羧酸高效減水劑，固體含量60%。鋼纖維為上海貝爾卡特有限公司生產(chǎn)的微細(xì)高強(qiáng)平直鋼纖維，直徑0.12 mm，長徑比66.7，抗拉強(qiáng)度大于2 850 MPa。

表4　UHPC質(zhì)量配合比

1.2試件制作與養(yǎng)護(hù)

將攪拌均勻的UHPC混合料倒入內(nèi)徑100 mm、高200 mm的PVC管中，在常溫下靜置3 d后，然后放入混凝土加速養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)2 d，養(yǎng)護(hù)溫度為80℃。之后用切割機(jī)切掉PVC外殼，并用打磨機(jī)打磨試件的2個(gè)端部，使試件2個(gè)端部平整光滑，便于施加軸心壓力。最后在纖維布上涂刷浸漬膠，將浸漬膠樹脂浸透的纖維布纏繞在混凝土圓柱體表面，纖維布搭接長度160 mm。將FRP管UHPC試件在常溫下放置10 d，然后開始軸壓試驗(yàn)。

1.3 加載裝置與測試設(shè)備

在FRP管表面中部對稱粘貼4個(gè)應(yīng)變片，分別測定環(huán)向和縱向應(yīng)變。在試驗(yàn)機(jī)承壓板上下分別安裝2個(gè)位移計(jì)和1個(gè)力的傳感器，分別量測試件豎向位移和荷載值。觀察加載過程中約束試件的破壞過程與形態(tài)。用3000 kN的電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)加載，加載速率110 kN/min。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試件破壞特征

未約束UHPC試件的破壞過程為：加載初期，試件環(huán)向變形小，UHPC處于彈性階段。當(dāng)加載至0.3Nu(Nu極限荷載)時(shí)，試件表面萌生縱向裂縫，荷載增加，裂縫不斷擴(kuò)展；加載至0.75Nu時(shí)，縱向裂縫延伸至全試件高度，試件中部向外鼓出，環(huán)向變形增大；當(dāng)加載至極限荷載時(shí)，由于鋼纖維橋聯(lián)作用，試件完整性較好，如圖1(a)所示。

約束試件過程為：加載初期，F(xiàn)RP布環(huán)向應(yīng)變很小，約束作用甚小。隨著荷載增加，核心UHPC逐漸向外膨脹，F(xiàn)RP布約束作用逐漸被激活，此時(shí)聽到膠體“啪啪”的響聲。加載至0.9Nu時(shí)，F(xiàn)RP布中部橫向斷裂，并向上下端延伸，試件中部明顯外鼓，此時(shí)聽見較大的FRP管斷裂聲音，碳纖維、芳綸纖維布層數(shù)多時(shí)破壞響聲大。FRP布約束試件的破壞過程比未約束試件緩慢。約束試件破壞形態(tài)如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 強(qiáng)度與極限應(yīng)變

FRP管對UHPC的約束應(yīng)力fr為

fr=2fjtj/D

(1)

式中:fj為FRP環(huán)向抗拉強(qiáng)度，tj為FRP管厚度，D為核心UHPC直徑。

圖1　試件破壞形態(tài)Fig.1　Typical failure mode of specimens

試件層數(shù)fr/MPa縱向應(yīng)變環(huán)向應(yīng)變抗壓強(qiáng)度/MPa約束比約束效率比UHPCN/AN/A0.00280.0006106.57N/AN/AC3336.160.00520.0035174.650.341.64C5560.270.00930.0040217.830.572.04C7784.380.01890.0105285.500.792.68A3325.260.00760.0058127.880.241.20A5542.110.01290.0066179.620.401.69A7758.950.02540.0084266.810.552.50G3323.630.00320.0038117.490.221.10G5539.390.00450.0074167.010.371.57G7755.150.01360.0079256.240.522.40

由表5可見，F(xiàn)RP約束UHPC顯著提高了圓柱體抗壓強(qiáng)度，纖維布層數(shù)越多，提高幅度越大。3、5、7層CFRP布約束試件比未約束試件抗壓強(qiáng)度分別提高63.88%、104.40%和167.90%；3、5、7層AFRP布約束試件抗壓強(qiáng)度分別提高20.0%、68.55%和150.36%；3、5、7層GFRP布約束試件抗壓強(qiáng)度分別提高10.25%、56.71%和140.44%。

2.2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

未約束UHPC試件變形曲線如圖2示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值荷載之前幾乎呈直線上升，達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度后，試件迅速喪失承載力，曲線下降很陡，呈脆性破壞。

圖2　未約束UHPC試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2　Average stress-strain cures for unconfined specimens

圖3為3種纖維布約束試件的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢姂?yīng)力-應(yīng)變曲線具有雙線性的特征，可分為3個(gè)變形階段：加載初期，變形曲線與未約束試件相似，UHPC橫向膨脹變形很小, FRP布約束作用未顯現(xiàn)出來；荷載再增大，核心區(qū)UHPC開始產(chǎn)生許多縱向裂縫，膨脹變形增大，F(xiàn)RP被逐漸激活；最后一個(gè)階段是破壞階段，F(xiàn)RP被完全激活，變形呈線性關(guān)系。文獻(xiàn)[4]研究了FRP管約束高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和變形，發(fā)現(xiàn)FRP管對于高強(qiáng)混凝土極限變形改善作用不大。而FRP管約束UHPC對強(qiáng)度和變形均有明顯改善作用，這是由于鋼纖維增強(qiáng)UHPC具有明顯的橫向變形能力，使FRP管約束作用完全發(fā)揮出來。

3FRP約束混凝土本構(gòu)模型

3.1 FRP約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

目前常用的約束混凝土本構(gòu)模型有：Graybeal、Lam-Teng、Samaan模型等[5-7]。對這些典型模型預(yù)測曲線與試驗(yàn)曲線均進(jìn)行了比較。圖4是部分試件試驗(yàn)曲線與理論曲線的比較。

圖3　不同層數(shù)纖維布約束UHPC應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Average stress-strain curves for specimens confined with different number fiber sheets

圖4　應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線與理論曲線比較Fig.4　Comparison between stress-strain models and test curves

由圖4可見，理論曲線與試驗(yàn)曲線有較大差異。用擬合曲線的相對誤差值反映其預(yù)測精度，各理論模型擬合曲線的相對誤差值列于表6。Lam-Teng、Samaan和Graybeal模型預(yù)測曲線相對誤差依次為8.53%、20.31%和15.01%。Lam-Teng比Samaan、Graybeal模型預(yù)測曲線更接近實(shí)測曲線。已有模型是據(jù)FRP管約束普通混凝土試驗(yàn)結(jié)果建立的，不完全合適于UHPC試件。

表6應(yīng)力-應(yīng)變模型的誤差值

Table 6 The average error of stress-train prediction model%

試件Samaan模型Lam-Teng模型Graybeal模型A316.3711.954.08A514.454.846.52A716.2913.8811.33C328.737.5813.27C521.754.8514.65C715.896.8521.51G318.157.8425.25G520.915.0219.38G730.2813.9219.08平均20.318.5315.01

3.2強(qiáng)度與極限應(yīng)變預(yù)測公式

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后得到抗壓強(qiáng)度的公式為

(2)

已有的FRP約束混凝土極限應(yīng)變模型大多采用以下形式：

(3)

若不分纖維布種類，回歸得到式(3)中的參數(shù)β和n，但預(yù)測精確度較差。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)影響極限應(yīng)變的因素不但與約束應(yīng)力有關(guān)，且與纖維布種類密切相關(guān)，為提高預(yù)測精度，對每種FRP管約束試件分別回歸得到統(tǒng)計(jì)意義的公式見表7。

從表7可見， FRP約束UHPC軸向極限應(yīng)變不但依賴于約束應(yīng)力，還依賴于FRP管的種類；而約束試件的抗壓強(qiáng)度，主要與約束應(yīng)力有關(guān)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：AFRP、GFRP約束試件，當(dāng)約束比大于0.4時(shí)，極限應(yīng)變隨著約束比的提高顯著提高；約束比大于0.6時(shí)，CFRP約束試件極限應(yīng)變隨著約束比的提高明顯提高。

此外，將Lam-Teng[6]極限應(yīng)變預(yù)測式(4)與試驗(yàn)值進(jìn)行了回歸擬合，擬合結(jié)果列于表8。

(4)

表7　極限應(yīng)變統(tǒng)計(jì)回歸公式

表8　Lam-Teng極限應(yīng)變模型的回歸參數(shù)

4結(jié)論

1)FRP管約束UHPC圓柱體軸壓變形曲線，具有雙線性的特點(diǎn)。

2)FRP約束UHPC提高了強(qiáng)度和變形能力，特別是對極限應(yīng)變的改善效果顯著。

3)FRP約束UHPC的極限應(yīng)變受FRP種類影響較大，本文回歸得到了FRP管約束UHPC的極限應(yīng)變計(jì)算公式，其預(yù)測精度較高。

4)與3個(gè)常用FRP約束混凝土本構(gòu)模型進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，Lam-Teng模型與實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線最為接近，但目前已有模型是在FRP約束普通混凝土試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上建立的，不完全適用于UHPC。

參考文獻(xiàn)：

[1]SAAFI M, TOUTANJI H A, LI Zongjin. Behavior of concrete columns confined with fiber reinforced polymer tubes[J]. ACI materials journal, 1999, 96(4): 500-509.

[2]AHMAD S H, SHAH S P. Stress-strain curves of concrete confined by spiral reinforcement[J]. ACI journal, 1982, 79(6): 484-490.

[3]MIRMIRAN A, SHAHAWY M. A new concrete-filled hollow FRP composite column[J]. Composites part B: engineering, 1996, 27(3/4): 263-268.

[4]XIAO Y, WU H. Compressive behavior of concrete confined by carbon fiber composite jackets[J]. Journal of materials in civil engineering, 2000, 12(2): 139-146.

[5]GRAYBEAL B A. Compressive behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete[J]. ACI materials journal, 2007, 104(2): 146-152.

[6]TENG J G, HUANG Y L, LAM L, et al. Theoretical model for fiber reinforced polymer confined concrete[J]. Journal of composites for construction, 2007, 11(2): 201-210.

[7]SAMAAN M, MIRMIRAN A, SHAHAWY M. Model of concrete confined by fiber composites[J]. Journal of structural engineering, 1998, 124(9): 1025-1031.

Effects of thicknesses and types of fiber reinforced polymer tubes on the uniaxial compressive behaviors of confined UHPC specimen

DENG Zongcai

(The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124)

Abstract：In order to study the uniaxial compressive behavior of different types of fiber reinforced polymer(FRP) confined ultrahigh-performance concrete(UHPC)，27 FRP-confined UHPC specimens and 3 un-confined specimens were used for performing the uniaxial compressive tests. The stress-strain curves were obtained from the testes. The effects of FRP types and fiber sheets number on confinement effectiveness were analyzed. The test results show that the compressive strength of FRP-confined specimens mainly depends on the confinement ratios, but the ultimate strain not only depend on the confinement ratio, but also depend on the types of FRP. The compressive strength and ultimate strains increase with the confinement ratio. The Lam-Teng model represented the best fit for the stress-strain curves. Based on the test results, the new models for predicting the compressive strength and ultimate strain were proposed, and those models can more accurately predict the confinement responses of FRP-confined UHPC.

Keywords：fiber reinforced polymer; ultrahigh-performance concrete; confinement; compressive behavior

中圖分類號：TU375.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)02-0218-05

doi:10.11990/jheu.201409037

作者簡介：鄧宗才(1961-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師.通信作者：鄧宗才，E-mail: dengzc@bjut.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378032)；北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(8142005).

收稿日期：2014-8-21.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015-12-15.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151215.1030.002.html