GFRP管約束海砂再生混凝土軸壓性能試驗(yàn)研究

李明盛 黃一杰

(1.山東信達(dá)建設(shè)工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101; 2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致我國(guó)東部沿海地區(qū)河砂、碎/卵石資源匱乏，因此須采用綠色新型的建筑材料。而在沿海地區(qū)海砂資源豐富，且有較多的廢棄混凝土等建筑垃圾。為此，可將其充分利用制成海砂再生混凝土[1,2]，以替代普通混凝土在工程中的應(yīng)用。但由于海砂中的Cl-影響混凝土水化硬化，使得材料性能發(fā)生變化[3-5]，Cl-含量過(guò)多也會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕、性能退化。此外，再生粗骨料易引發(fā)混凝土耐久性能下降[6,7]，這些都限制了海砂再生混凝土的推廣與應(yīng)用。

而采用GFRP管約束海砂再生混凝土是一種良好改進(jìn)方式。GFRP管的約束作用不僅改善了海砂再生混凝土力學(xué)性能，且提高了其耐久性能[8]。但現(xiàn)階段關(guān)于此方面研究還很少。為此，本文對(duì)GFRP管約束海砂再生混凝土進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，為其推廣提供相應(yīng)的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料

試驗(yàn)用細(xì)骨料有河砂與海砂兩種。其中海砂來(lái)自青島附近海域。粗骨料有再生粗骨料與碎石。再生骨料來(lái)自某廢棄道路的混凝土。水泥采用42.5R普通硅酸鹽水泥。混凝土配合比為，水泥∶砂∶粗骨料∶水=14.70∶10.5∶24.5∶4.4。

表1 粗骨料材料性質(zhì)

試驗(yàn)用粗骨料的密度、吸水率與壓碎指標(biāo)如表1所示。細(xì)骨料性能如表2所示，同時(shí)采用硝酸銀滴定法測(cè)試海砂中氯離子的含量(φ)。

表2 細(xì)骨料材料性質(zhì)

試驗(yàn)管材為GFRP管(玻璃纖維纏繞管)。GFRP管的外徑、壁厚分別為：210 mm,5 mm。試件長(zhǎng)徑比采用2.5。GFRP管環(huán)向抗拉強(qiáng)度為600 MPa。

1.2 試件概述

GFRP管約束海砂再生混凝土考慮的主要試驗(yàn)參數(shù)為：再生粗骨料取代率(γ：0%與100%)和海砂氯離子含量(φ：0%與0.148 8%)。試驗(yàn)共計(jì)四組，每組兩個(gè)試件，具體情況如表3所示。

表3 主要試驗(yàn)結(jié)果

表3中試件編號(hào)含義為：FCSSRC代表GFRP約束海砂再生混凝土柱；后面第一個(gè)數(shù)字為再生骨料取代率：0,1分別表示0%,100%取代率；第二個(gè)數(shù)字代表海砂氯離子含量，0,1分別代表0%,0.148 8%含量。

1.3 試件加工與養(yǎng)護(hù)

制作試件時(shí)，將拌制好的混凝土分三次從GFRP管頂部灌入，并逐層振搗密實(shí)。待混凝土干縮變形穩(wěn)定后，采用水泥砂漿抹平試件表面。對(duì)GFRP管約束海砂再生混凝土試件，自然養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 加載量測(cè)裝置與測(cè)試方法

采用5 000 kN電液伺服長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件加載。在GFRP管上下兩端各設(shè)置2個(gè)應(yīng)變片、中部設(shè)置8個(gè)應(yīng)變片，量測(cè)試件的變形情況。此外，在試件中部設(shè)置有兩個(gè)YWD-100型位移計(jì)。加載采用力位移混合加載方式。具體現(xiàn)場(chǎng)加載如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞過(guò)程及破壞模式

在受荷初始，GFRP管約束海砂再生混凝土外觀無(wú)明顯變化，試件處于彈性階段。當(dāng)達(dá)到70%峰值荷載時(shí)(Pu)，玻璃纖維管中部出現(xiàn)輕微泛白，表明試件中部混凝土受到較強(qiáng)約束，試件進(jìn)入彈塑性階段。當(dāng)達(dá)到90%Pu時(shí)，GFRP管中部玻璃纖維大面積斷裂，且纖維斷裂沿斜向發(fā)展。峰值荷載后，裂紋向管材兩側(cè)快速擴(kuò)展，核心混凝土被壓碎，試件喪失承載力，并最終破壞。不同試件的破壞情況如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)測(cè)GFRP管約束海砂再生混凝土軸壓力學(xué)性能如表3所示。由表3可以得出，GFRP管約束海砂再生混凝土的峰值應(yīng)力(fcc)隨再生粗骨料取代率的增加而降低。如FCSSRC20較FCSSRC00低2.4%，F(xiàn)CSSRC21較FCSSRC01下降5.9%。相同再生粗骨料含量下，氯離子含量會(huì)降低FCSSRC的峰值應(yīng)力(式(1))。如FCSSRC01較FCSSRC00下降1%，而FCSSRC21較FCSSRC20減小2.8%。

(1)

此外，再生粗骨料會(huì)改善GFRP管約束海砂再生混凝土的峰值變形。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)CSSRC20與FCSSRC21的峰值應(yīng)變(εcc)分別較FCSSRC00與FCSSRC01提高6.9%與12%。而海砂中氯離子會(huì)降低試件的峰值變形，F(xiàn)CSSRC21峰值應(yīng)變較FCSSRC20降低11.6%。

(2)

不同再生骨料取代率與氯離子含量條件下，由于GFRP管約束所引發(fā)的核心混凝土承載力提高系數(shù)γ值如表3所示。從表中可以得出，γ隨著再生粗骨料含量增加而略有提高。這是因?yàn)椋?dāng)接近峰值荷載時(shí)再生混凝土的開裂與塑性變形略高于普通混凝土，從而導(dǎo)致GFRP管對(duì)混凝土約束作用增強(qiáng)，γ提高。此外，γ隨海砂氯離子的提高而略有下降。這是由于海砂中的氯離子會(huì)降低混凝土孔隙率、材料微觀結(jié)構(gòu)改善[9]，當(dāng)接近峰值荷載時(shí)，海砂混凝土的開裂與塑性變形低于采用河砂的混凝土，從而約束效果減弱，γ降低。

2.3 受力變形曲線

GFRP管約束海砂再生混凝土軸壓應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€如圖3所示。由圖3可知，在加載初期的彈性階段荷載—應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系，曲線斜率的大小隨再生粗骨料含量和海砂氯離子含量的變化而改變。再生骨料含量越高，曲線斜率越小，而海砂氯離子對(duì)其無(wú)明顯影響。

當(dāng)達(dá)到50%峰值應(yīng)力時(shí)，試件進(jìn)入彈塑性階段，應(yīng)力—應(yīng)變曲線為非線性變化，斜率逐步降低。再生粗骨料和海砂氯離子含量對(duì)試件的峰值應(yīng)力與應(yīng)變有所影響。當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值應(yīng)力后，試件迅速破壞并退出工作。

3 結(jié)論與展望

1)GFRP管約束海砂再生混凝土主要破壞模式為核心混凝土被壓碎，外部管材斜向斷裂。其破壞模式與GFRP管約束普通混凝土相一致。

2)隨再生粗骨料取代率增加，GFRP管海砂再生混凝土峰值應(yīng)力降低，而峰值應(yīng)變有所增高。相同再生粗骨料含量下，試件承載力隨著海砂氯離子含量的增大而有降低趨勢(shì)。

3)GFRP管約束對(duì)核心混凝土承載力的提高隨著再生粗骨料含量增加而略有提高，隨海砂氯離子的提高而略有下降。

4)本文對(duì)GFRP管約束海砂再生混凝土軸壓力學(xué)性能進(jìn)行了分析。后期在此基礎(chǔ)上建立峰值應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算公式，并推導(dǎo)受力變形全曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式。為海砂再生混凝土的推廣奠定基礎(chǔ)。