玄武巖纖維布加固混凝土柱軸壓試驗(yàn)研究

周　安,　蘇小龍,　沈凱凱,　朱　寧

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥　230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥　230009)

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玄武巖纖維布加固混凝土柱軸壓試驗(yàn)研究

周安1,2,蘇小龍1,沈凱凱1,朱寧1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥230009; 2.土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥230009)

文章針對(duì)玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土柱,進(jìn)行軸心受壓性能研究,運(yùn)用正交試驗(yàn)法,選擇L9(33)正交表,考慮纖維布種類、包裹層數(shù)以及箍筋間距3個(gè)影響因素,設(shè)計(jì)制作了9個(gè)試件。研究結(jié)果表明:玄武巖纖維加固后柱軸心抗壓承載力平均提高20%,是碳纖維布加固效果的80%;加固后柱軸壓極限承載力的提高幅度隨纖維包裹層數(shù)增加而上升,但提高幅度與包裹層數(shù)不呈線性關(guān)系;在加載達(dá)到柱極限承載力的70%之前,纖維布對(duì)柱的約束作用并不顯著,之后纖維布的約束作用劇增,較大地延緩了柱的破壞。

玄武巖纖維布;鋼筋混凝土柱;軸心受壓;極限承載力;正交試驗(yàn)

纖維復(fù)合材料(fiber-reinforced polymer,FRP)加固混凝土結(jié)構(gòu)是一種新興的加固方法。研究表明,外貼FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)能夠較大地提高其承載能力,具有良好的耐腐蝕性和耐久性等優(yōu)勢(shì)[1]。目前碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon-fiber-reinforced polymer,CFRP)由于其具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量,應(yīng)用最為普遍[2-3]。

玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(basalt fiber-reinforced polymer,BFRP)是用玄武巖在熔融后,通過(guò)鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維[4]。相比于其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,BFRP具有抗拉強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐高溫、抗腐蝕良好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。

然而目前對(duì)FRP的研究大多針對(duì)于碳纖維布,關(guān)于BFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)尚處于起步階段[8],僅有少量的研究,且多為單一因素的對(duì)比研究。因此關(guān)于玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土柱軸心受壓力學(xué)性能的研究是必要的，且有著一定的工程應(yīng)用參考價(jià)值。

1　試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)材料

(1) 混凝土強(qiáng)度。試件采用的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30,試驗(yàn)柱預(yù)留試塊28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu=34.5 MPa。

(2) 鋼筋力學(xué)性能?？v向鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋,箍筋采用HPB300級(jí)鋼筋,力學(xué)性能見(jiàn)表1所列。

(3) 纖維布力學(xué)性能。纖維布種類采用玄武巖纖維和碳纖維,主要力學(xué)性能見(jiàn)表2所列。

表1　鋼筋力學(xué)性能　MPa

表2　纖維布力學(xué)性能

2種纖維布材料強(qiáng)度均低于文獻(xiàn)[9]要求,這可能是由于材料本身強(qiáng)度不夠、試驗(yàn)機(jī)數(shù)值有誤差等造成的。

1.2試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,選擇三因素三水平正交表L9(33),3個(gè)因素分別為纖維布種類、包裹層數(shù)和箍筋間距。正交試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)見(jiàn)表3所列。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了9根試件,柱的截面尺寸為250 mm×250 mm,柱高1 500 mm。柱棱邊倒角半徑為25 mm?；炷帘Ｗo(hù)層厚度為20 mm,試件尺寸及配筋情況如圖1所示。箍筋間距分為3種,圖1只畫(huà)出其中1種。

表3　構(gòu)件設(shè)計(jì)

圖1　試件尺寸及配筋

1.3加載方案

試驗(yàn)加載采用YES-5000型長(zhǎng)柱壓力試驗(yàn)機(jī),所有試件均為軸心受壓。

試驗(yàn)中采用單調(diào)分級(jí)加載方案[10-12],加載速率為0.5 kN/s。正式加載前先進(jìn)行預(yù)加載,然后進(jìn)行分級(jí)加載。每級(jí)荷載不超過(guò)理論極限荷載的10%,每級(jí)加載完畢后須持荷2～3 min。試驗(yàn)中若在持荷時(shí)間完成后試件出現(xiàn)破壞,取該級(jí)荷載值作為試件極限承載力;若在加載過(guò)程中試件出現(xiàn)破壞,取前一級(jí)荷載值作為極限承載力;若在持荷過(guò)程中試件發(fā)生破壞,則取該級(jí)荷載和前一級(jí)荷載的平均值作為極限承載力。

2　試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1破壞特征

玄武巖纖維布加固的混凝土柱,加載初期在外觀上未發(fā)現(xiàn)任何破壞狀況,環(huán)向粘貼的纖維布應(yīng)變片應(yīng)變值很小;當(dāng)加載到極限荷載的60% ～ 70%時(shí),可聽(tīng)見(jiàn)試件發(fā)出較小的噼啪開(kāi)裂聲,隨后響聲逐漸增多,玄武巖纖維布因混凝土的橫向變形出現(xiàn)較明顯的膨脹;繼續(xù)加載,試件中下部出現(xiàn)小部分纖維的斷裂,發(fā)出較大的聲響,當(dāng)達(dá)到各約束柱的極限承載力時(shí),試件突然發(fā)出巨大的爆裂聲,柱下部纖維布瞬時(shí)撕裂并與試件剝離開(kāi)來(lái),同時(shí)試件中下部混凝土被壓碎,散落在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,如圖2所示。碳纖維加固混凝土柱在加載過(guò)程中的試驗(yàn)現(xiàn)象與玄武巖纖維布約束比較相似,不同的是碳纖維約束試件發(fā)生破壞時(shí),發(fā)出的聲響更大,破壞也更突然,而且破壞前碳纖維布很少出現(xiàn)明顯的膨脹。碳纖維加固混凝土柱的破壞狀態(tài)如圖3所示。

圖3　CFRP加固柱的破壞

玄武巖纖維布約束混凝土柱的破壞具有爆炸性,破壞基本上發(fā)生在試件的下部,在破壞時(shí),包裹的纖維布都會(huì)被拉斷、撕裂,說(shuō)明纖維布很好地約束了混凝土柱的膨脹,發(fā)揮了加固的效果。另外,試件破壞看似是脆性破壞,但是相對(duì)于未包裹柱的破壞,玄武巖纖維布約束柱在破壞前經(jīng)歷了很大的橫向變形,所以應(yīng)該將其看作是具有一定延性的破壞。當(dāng)BFRP包裹層數(shù)較少時(shí),剝離的混凝土顆粒比較大,當(dāng)包裹層數(shù)較多時(shí),剝離的混凝土顆粒很小。這說(shuō)明包裹層數(shù)越多,試件破壞時(shí)混凝土的破碎越嚴(yán)重。

2.2纖維布應(yīng)變

在試驗(yàn)過(guò)程中,根據(jù)東華DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集的應(yīng)變數(shù)據(jù),繪制出6根混凝土包裹纖維布的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線,如圖4所示。

由圖4可知,在試驗(yàn)加載過(guò)程中,玄武巖纖維布的應(yīng)變發(fā)展可以分為2個(gè)階段。第1階段,從開(kāi)始到加載值達(dá)到試件極限承載力的70%左右時(shí),玄武巖纖維布應(yīng)變大致呈線性增加且發(fā)展比較緩慢,說(shuō)明在該階段,纖維布所起到的約束作用比較小;第2階段,從試件承載力達(dá)到其極限承載力的70%左右開(kāi)始直至試件破壞,纖維布應(yīng)變發(fā)展非常迅速,并且荷載-應(yīng)變曲線斜率急劇減小,最后大致呈水平狀,說(shuō)明在該階段,纖維布對(duì)混凝土柱的約束作用非常大。

圖4　2種纖維布荷載-應(yīng)變曲線

碳纖維布的荷載-應(yīng)變曲線發(fā)展過(guò)程與玄武巖纖維比較類似,但也有所區(qū)別,主要表現(xiàn)為:在試件加載值達(dá)到其極限承載力的70%以后,碳纖維布的應(yīng)變值相對(duì)于玄武巖纖維布發(fā)展緩慢,這是由于碳纖維布的彈性模量較大導(dǎo)致的。

2.3承載力影響因素分析

試驗(yàn)研究的主要指標(biāo)為試件的極限承載力,根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析法[13]對(duì)9根試件進(jìn)行分析計(jì)算,得到的K、k、R值見(jiàn)表4所列。

由計(jì)算結(jié)果可知,纖維布種類的R值最大,包裹層數(shù)次之,箍筋間距最小。因此按照極差的大小,影響試件極限承載力的主次順序?yàn)?纖維布種類>包裹層數(shù)>箍筋間距。

通過(guò)正交試驗(yàn),可以得到因素各水平變化時(shí),試件極限承載力的變化。試驗(yàn)3個(gè)因素對(duì)承載力影響趨勢(shì)如圖5所示。

(1) 由纖維布種類影響情況分析可得,包裹纖維布的鋼筋混凝土柱比未加固的柱極限承載力有較大程度的提高,其中玄武巖纖維布的提高幅度大約為20.8%。這說(shuō)明包裹纖維布可以提高柱的極限承載力,增強(qiáng)構(gòu)件的承載能力。

(2) 由纖維布包裹層數(shù)影響情況分析可得,纖維布加固層數(shù)越多,對(duì)鋼筋混凝土柱的極限承載力提高越大,但是并非呈線性關(guān)系,而且隨著纖維布層數(shù)的增多,提高的幅度越來(lái)越小。這說(shuō)明隨著層數(shù)的增加,纖維布的強(qiáng)度利用率隨之減少。

表4　極差分析計(jì)算結(jié)果

圖5　極限承載力變化圖

(3) 由箍筋間距影響情況分析可得,箍筋間距越小,鋼筋混凝土柱的極限承載能力越大。

3　結(jié)　　論

(1) 由纖維布荷載-應(yīng)變曲線可知,在加載達(dá)到柱極限荷載的70%之前,纖維布發(fā)揮的約束作用并不大;隨后纖維布約束作用劇增,較大地延緩了柱的破壞。

(2) 相對(duì)于未加固柱,玄武巖纖維布加固后柱的極限承載力提高幅度平均為20.8%,是碳纖維布加固效果的80%。

(3) 隨粘貼纖維布層數(shù)的增加,加固后的極限承載力也在提高,但增加幅度逐漸減小,纖維布抗拉強(qiáng)度利用率逐漸降低。

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(責(zé)任編輯張淑艷)

Experimental research on reinforced concrete columns strengthened with BFRP under axial compression

ZHOU An1,2,SU Xiaolong1,SHEN Kaikai1,ZHU Ning1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

The experimental research on the reinforced concrete columns strengthened with basalt fiber-reinforced polymer(BFRP) under axial compression was carried out. Nine specimens were designed and made by using the orthogonal experiment method with choosing the orthogonal table of L9(33) and taking into account three influencing factors, namely the types of the FRP, the layer number of FRP and the stirrup spacing. The research result shows that the bearing capacity of reinforced concrete columns strengthened with BFRP averagely improves 20%, which is equivalent to 80% of that of carbon fiber-reinforced polymer(CFRP). The ultimate bearing capacity of the columns strengthened with FRP increases with the increase of FRP layers, but there is no linear relationship between them. Before reaching 70% of the ultimate bearing capacity of the columns, the constraint effect of fiber cloth on the columns is not significant. After this, the constraint effect of fiber cloth increases, delaying the columns failure greatly.

basalt fiber-reinforced polymer(BFRP); reinforced concrete column; axial compression; ultimate bearing capacity; orthogonal experiment

2015-03-23；

2015-10-11

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1408085MKL14)

周安(1964-),男,安徽績(jī)溪人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.015

TU599；TU375.3

A

1003-5060(2016)08-1080-04