CFRP約束高強(qiáng)PE-ECC短柱受壓力學(xué)性能研究

鄭松彬

（深圳大學(xué)土木工程學(xué)院 深圳）

1 引言

工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（EngineeredCementitiousComposite，簡(jiǎn)稱(chēng)ECC）是指基于斷裂力學(xué)、微觀物理力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用短纖維，且纖維摻量不超過(guò)復(fù)合材料總體積的2.5%，硬化后具有應(yīng)變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，達(dá)到極限拉應(yīng)變前裂縫寬度能夠有效控制在100μm以下，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定達(dá)到3%以上的新型工程用水泥基復(fù)合材料，因具有高韌性、高延展性以及良好的裂縫控制能力而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注和研究[1]。

近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)ECC的研究取得了較大進(jìn)展，1998年Victor C.Li研究測(cè)得了PVA-ECC具有非常好的應(yīng)變硬化特征及控制裂縫寬度能力，平均裂縫寬度穩(wěn)定在60μm左右，并通過(guò)對(duì)ECC和FRC受壓試驗(yàn)的對(duì)比，得出了ECC的抗壓應(yīng)變能力比FRC提高約50～100%[2]，2004年GaoSong等主要分析了粉煤灰摻量對(duì)ECC性能的影響，研究表明合適的粉煤灰摻量能顯著改善ECC材料的延性[3]，2006年王曉剛等研究了不同試驗(yàn)方法及纖維摻量對(duì)ECC斷裂能的影響，ECC與普通混凝土相比具有很高的延性和斷裂能，并且具有明顯應(yīng)變硬化和多裂縫開(kāi)展特性[4]，2009年徐世烺等通過(guò)對(duì)273個(gè)試件的軸心受壓試驗(yàn)，得出ECC的峰值應(yīng)變明顯大于普通混凝土的峰值應(yīng)變，基本在0.5%左右[5]，2014年姜海軍等通過(guò)對(duì)PVA-FRCC棱柱體（150mm×150mm×550mm）試件進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，獲得了PVA-FRCC的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，并研究了PVA纖維摻量對(duì)峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量等參數(shù)的影響，根據(jù)實(shí)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型的表達(dá)式[6]，2016年?yáng)|南大學(xué)的朱忠鋒、王文煒對(duì)FRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC加固鋼筋混凝土圓柱受壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明：FRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC加固層對(duì)核心混凝土柱提供了有效的側(cè)向約束應(yīng)力，延緩了縱筋的屈服；加固柱的破壞形態(tài)表現(xiàn)為FRP網(wǎng)格斷裂，且隨著網(wǎng)格纏繞層數(shù)的增加，加固柱的承載力和變形均有所提高[7]。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)使用聚乙烯醇（PVA）纖維及無(wú)約束ECC單軸受拉或受壓性能的研究較多，但對(duì)聚乙烯（PE）纖維及約束ECC研究較少。未約束ECC的受壓力學(xué)性能雖較普通混凝土優(yōu)異，峰值應(yīng)變大約為普通混凝土的2倍[5]，但延性仍然較差。本文通過(guò)研究單向碳纖維布（CFRP）約束高強(qiáng)PE-ECC，在提高強(qiáng)度的同時(shí)也能增強(qiáng)ECC的變形能力，從而提高結(jié)構(gòu)的延性，為在實(shí)際工程運(yùn)用于高強(qiáng)結(jié)構(gòu)中提供參考。

本文將研究棱柱體試塊（100mm×200mm）不同的倒角率ρR（這里定義為2倍倒角半徑R與邊長(zhǎng)D的比值ρR=2R/D）、PE纖維體積摻量ρν及CFRP約束層數(shù)CFRP對(duì)高強(qiáng)PE-ECC受壓力學(xué)性能的影響，測(cè)出不同工況下的受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線，提出CFRP約束高強(qiáng)PE-ECC組合結(jié)構(gòu)延性最優(yōu)組合。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)用材

本文配置的ECC材料較傳統(tǒng)ECC材料有所調(diào)整，主要使用礦粉、硅灰及碳酸鈣替代了粉煤灰，這有助于提高ECC的早期強(qiáng)度，水泥使用華潤(rùn)P.O.52.5R標(biāo)號(hào)，具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 ECC材料參數(shù)

2.2 試件設(shè)計(jì)

ECC短柱試件尺寸采用不同倒角率ρR的截面形狀，見(jiàn)圖1，高度為200mm，ECC的制作方案如表2所示。

圖1 不同倒角率ρR試件

表2 試驗(yàn)方案

2.3 試件制作

試件制作主要流程見(jiàn)圖2。試件拆模后放入養(yǎng)護(hù)室在標(biāo)況下養(yǎng)護(hù)28d，浸漬膠貼好布在常溫下養(yǎng)護(hù)7d。

圖2 試件制作流程圖

2.4 加載方案及裝置

試驗(yàn)所用儀器為深圳大學(xué)濱海土木工程耐久性重點(diǎn)試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)大廳放置的3000kN液壓伺服壓力機(jī)、采集裝置采用DEWESOFT動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)、DIC數(shù)碼采集系統(tǒng)、荷載傳感器采用江蘇溧陽(yáng)超源儀器廠生產(chǎn)的3000kN力傳感器、豎向位移計(jì)固定裝置等，加載裝置見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

所有試件在3000kN的微機(jī)控制電液壓伺服壓力試驗(yàn)機(jī)加載，先采用應(yīng)力控，加載速率為0.5MPa/s，接著采用位移控，加載速率為0.2mm/min，直至試件破壞。通過(guò)DEWESOFT動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)可以采集到力傳感器、豎向位移計(jì)讀數(shù)從而測(cè)得應(yīng)力及軸向位移；通過(guò)DIC數(shù)碼采集系統(tǒng)可以測(cè)到試件的豎向應(yīng)變及環(huán)向應(yīng)變。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件破壞模式

從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，未約束的ECC塊的破壞一般發(fā)生于加載端頭位置，端頭角部位置先出現(xiàn)多條細(xì)裂縫，隨著裂縫的開(kāi)展，試件隨之破壞。約束的ECC試塊破壞形式主要表現(xiàn)為當(dāng)中部橫向應(yīng)變達(dá)到CFRP斷裂應(yīng)變時(shí)，隨著一聲斷裂巨響，CFRP被拉斷，承載力急劇下降，試件退出工作。倒角率ρR=0.4，ρR=0.6，ρR=1.0及3層CFRP約束下的ECC試塊出現(xiàn)明顯脆性破壞特征，倒角率ρR=0.2試塊出現(xiàn)梯度破壞形式。倒角率ρR=0.2，ρR=0.4，ρR=0.6的試件斷裂主要發(fā)生在倒角位置，這主要由于倒角位置出現(xiàn)集中應(yīng)力，破壞后ECC主要出現(xiàn)一條大的貫穿裂縫，主要破壞形式見(jiàn)圖 4（a）～（c）。

3.2 強(qiáng)度變化曲線及結(jié)果分析

強(qiáng)度變化曲線如圖 5（a）～（c）所示。

（1）從圖 5（a）可知，對(duì)于 2%纖維摻量，倒角率 ρR=0.2，ρR=1.0 的 ECC短柱，隨著CFRP層數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度都不斷增大。倒角率越大增加的幅度越大，約束效果越加顯著。對(duì)于倒角率ρR=0.2的ECC短柱，一層CFRP平均強(qiáng)度提高8%，約束效果不是很顯著，但在二層及三層FRP的約束下，平均強(qiáng)度分別提高了20%，25%，約束效果顯著。對(duì)于倒角率ρR=1.0的ECC短柱，在一層、二層及三層CFRP的約束下，平均強(qiáng)度分別提高了28%、42%、54%，約束效果非常顯著。這說(shuō)明隨著約束剛度的增大，倒角率的增大，約束PE-ECC試塊強(qiáng)度提高更加明顯。

（2）從圖 5（b）可知，在 2 層 CFRP 約束下，倒角率 ρR=0.2，ρR=1.0 的ECC短柱，隨著纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度減小，減小幅度不大。對(duì)于倒角率ρR=0.2的ECC短柱，纖維摻量1.5%、2%的平均強(qiáng)度比纖維摻量1%分別減小1%、8%。對(duì)于倒角率ρR=1.0的ECC短柱，纖維摻量1.5%、2%的平均強(qiáng)度比纖維摻量1%分別減小3%、5%。

（3）從圖5（c）可知，對(duì)于2%纖維摻量，在2層CFRP約束下，隨著倒角率的增大，平均抗壓強(qiáng)度增大。倒角率ρR=0.4，ρR=0.6，ρR=1.0的平均抗壓強(qiáng)度比倒角率ρR=0.2的分別提高了8%、11%、24%。

圖4 ECC試塊破壞模式

3.3 應(yīng)力應(yīng)變曲線及結(jié)果分析

應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 6（a）～（e）所示。

3.3.1 CFRP約束PE-ECC應(yīng)力應(yīng)變曲線特點(diǎn)分析

從圖6可知，在彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率基本相同，這主要是由于剛開(kāi)始受壓時(shí)，主要由基體起作用，纖維的增強(qiáng)韌性作用、CFRP的約束作用基本得不到發(fā)揮。隨著荷載的增加，基體中的缺陷開(kāi)始引發(fā)裂縫，并緩慢擴(kuò)展、延伸?；w的界面粘結(jié)力開(kāi)始起作用，CFRP的約束作用開(kāi)始發(fā)揮，由于纖維和基體相互作用不斷出現(xiàn)新的裂縫，逐漸形成微裂區(qū)，導(dǎo)致材料內(nèi)部損傷，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度大于應(yīng)力增長(zhǎng)速度，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系呈曲線變化。①?gòu)膱D6（a）（b）可知，隨著CFRP層數(shù)的增加，約束剛度增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率減小更加緩慢。隨著應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度進(jìn)一步加快，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率急劇減小，此時(shí)由于基體界面粘結(jié)力迅速失去作用，CFRP來(lái)不及承擔(dān)這部分粘結(jié)力，曲線出現(xiàn)急劇下降，應(yīng)變也急劇增大，約束層數(shù)越多的CFRP-ECC試塊將更快速做出反應(yīng)，此階段將主要由CFRP在起作用，試件不再出現(xiàn)新的裂縫，微細(xì)裂縫不斷延伸擴(kuò)展成若干條通縫。PE纖維的阻裂作用開(kāi)始明顯的發(fā)揮。當(dāng)CFRP達(dá)到斷裂應(yīng)變時(shí)，CFRP被拉斷，承載力將急劇下降，約束剛度越大的CFRP-ECC試塊下降幅度更大。②從圖6（c）（d）可知，隨著纖維摻量的減小，基體的粘結(jié)力更大，在相同約束層數(shù)時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率減小更加緩慢。當(dāng)基體界面粘結(jié)力迅速失去作用時(shí)，CFRP來(lái)不及承擔(dān)這部分粘結(jié)力，曲線出現(xiàn)急劇下降，纖維摻量越小，曲線急劇下降幅度更明顯，CFRP將更快速提約束作用。③從圖6（e）可知，隨著倒角率的增大，CFRP發(fā)揮的效果更好，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率減小更加緩慢，當(dāng)基體界面粘結(jié)力迅速失去作用時(shí)，CFRP來(lái)不及承擔(dān)這部分粘結(jié)力，曲線出現(xiàn)急劇下降，應(yīng)變也急劇增大，倒角率越大，CFRP將更快速提約束作用。

圖5 CFRP約束高強(qiáng)PE-ECC短柱強(qiáng)度變化曲線

3.3.2 彈性模量、泊松比

彈性模量是應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段的斜率，它反映了混凝土所受應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。泊松比是指材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對(duì)值的比值，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)，在材料彈性變形階段內(nèi)，ν是一個(gè)常數(shù)。

本文參考美國(guó)ASTMC469標(biāo)準(zhǔn)[8]和我國(guó)相關(guān)混凝土彈性模量試驗(yàn)量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[9]來(lái)計(jì)算彈性模量，即以應(yīng)力-應(yīng)變曲線上兩個(gè)固定點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算得到的PE-ECC的割線模量為PE-ECC的彈性模量。為了消除初始裂縫對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線開(kāi)始階段的影響，本文選擇軸心受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上應(yīng)力1MPa對(duì)應(yīng)點(diǎn)為第一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，記為（σ1，ε1），取軸心受壓峰值荷載的40%對(duì)應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的點(diǎn)為第二個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，記為（σ2，ε2），因此PE-ECC的彈性模量可按以下式eq.（1）求得：

基于3.3.1分析，由未約束的ECC塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線，算得：E=29.4Gpa，ν=0.23。

3.3.3 應(yīng)變分析

（1）從圖 6（a）（b）可知，對(duì)于倒角率 ρR=0.2，ρR=1.0，隨著 CFRP 層數(shù)的增加，峰值應(yīng)變?cè)黾樱醇s束ECC的峰值應(yīng)變?cè)?.35%左右。約束一層CFRP效果不好，約束二層或者三層CFRP，極限壓應(yīng)變是未約束ECC峰值應(yīng)變的三倍左右，最大達(dá)到1.2%左右，且約束兩層的ECC均出現(xiàn)應(yīng)力基本穩(wěn)定不變的狀態(tài)下，應(yīng)變穩(wěn)定增加的平臺(tái)，延性較好。

（2）從圖 6（c）（d）可知，對(duì)于倒角率 ρR=0.2，ρR=1.0，纖維摻量的變化對(duì)峰值應(yīng)變影響不大，纖維摻量在2%時(shí)，均出現(xiàn)應(yīng)力基本穩(wěn)定不變的狀態(tài)下，應(yīng)變穩(wěn)定增加的平臺(tái)，延性較好。

（3）從圖6（e）可知，隨著倒角率的增大，峰值應(yīng)變?cè)黾?，極限應(yīng)變?cè)黾?，ρR=1.0的延性相對(duì)最好。

4 結(jié)論

（1）①相同纖維摻量、倒角率的ECC短柱，隨著CFRP層數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度增大；②相同CFRP層數(shù)、倒角率的ECC短柱，隨著纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度減小，減小幅度不大；③相同纖維摻量、CFRP層數(shù)，隨著倒角率的增大，抗壓強(qiáng)度增大。

（2）未約束的高強(qiáng)PE-ECC短柱，彈性模量E=29.4Gpa，泊松比ν=0.23，峰值應(yīng)變約為0.35%。

（3）在纖維摻量2%，倒角率為1.0，2層CFRP約束下，出現(xiàn)應(yīng)力基本穩(wěn)定不變的狀態(tài)下，應(yīng)變穩(wěn)定增加的平臺(tái)，極限應(yīng)變達(dá)到1.2%左右，延性最好。

圖6 CFRP約束高強(qiáng)PE-ECC短柱應(yīng)力應(yīng)變曲線

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