FRP 約束再生混凝土柱的研究綜述

楊和賢 馮家誠

（廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院）

隨著我國城市化的發(fā)展，老齡化的建筑也逐漸被拆除，所產(chǎn)生的建筑垃圾也日益增加，大多數(shù)的建筑垃圾處理方式就是隨意填埋，而肆意雜亂填埋對環(huán)境破壞影響極其嚴(yán)重，造成破壞生態(tài)系統(tǒng)、影響土質(zhì)、污染地下水等問題。近幾年來環(huán)保問題引起眾多土木領(lǐng)域研究人員的關(guān)注，肖建莊等學(xué)者對再生混凝土進(jìn)行詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)隨著再生粗骨料取代率越高，抗壓強(qiáng)度相比天然混凝土的抗壓強(qiáng)度就越來越低，可能是由于新舊混凝土交界面的粘結(jié)較弱所導(dǎo)致，同時(shí)再生混凝土用水量比較大和再生粗骨料孔隙率高，容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象[1]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種高性能材料，由一種或多種纖維材料和一定比例的樹脂基基質(zhì)材料根據(jù)一定的工藝制成。它具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、各向異性和設(shè)計(jì)性強(qiáng)的等特點(diǎn)[2]。現(xiàn)階段有很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)可以將再生混凝土和FRP 組合成新型構(gòu)件，利用纖維極強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度優(yōu)點(diǎn)對再生混凝土進(jìn)行側(cè)向約束，來降低再生混凝土不利的影響，進(jìn)而起到建筑廢物高效利用的作用。

1 FRP 約束再生混凝土柱的軸壓力學(xué)性能研究

相對再生混凝土柱本身而言，F(xiàn)RP 約束再生混凝土柱具有更高的承載強(qiáng)度、較高的延性。現(xiàn)今，眾多學(xué)者已對FRP 約束再生混凝土進(jìn)行軸壓試驗(yàn)力學(xué)性能方面的研究。多數(shù)研究表明FRP 能提高再生混凝土的軸壓各項(xiàng)力學(xué)性能。

ChangGao[3]通過研究不同F(xiàn)RP 類型（GFRP 和CFRP）在不同含磚骨料取代率作用下，發(fā)現(xiàn)隨著含磚骨料取代率的增加，承壓試樣的抗壓強(qiáng)度減小，但其軸向變形保持近似恒定。且再生骨料取代率在70%以上時(shí)，其抗壓強(qiáng)度基本沒有什么變化；CFRP 約束相對于GFRP 約束表現(xiàn)出較低的極限軸向應(yīng)變和較高的抗壓強(qiáng)度；在軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線第一階段的斜率相似，第二階段的斜率會(huì)隨著再生粗骨料取代率增加呈現(xiàn)擺線趨勢；FRP 約束再生混凝土的膨脹率明顯高于約束天然混凝土,同時(shí)再生粗骨料取代率增加也會(huì)導(dǎo)致膨脹率下降。

TianyuXie[4]通過研究圓形柱和方形柱在類似的有效約束水平下，發(fā)現(xiàn)方形柱的抗壓強(qiáng)度比圓形柱要更低、而極限軸向應(yīng)變更高，這是由于方形柱在棱角處容易發(fā)生應(yīng)力集中，在還未到達(dá)極限時(shí)，F(xiàn)RP 管就已經(jīng)失去對混凝土的約束，導(dǎo)致整體組合柱的承載能力降低。而且，圓形和方形碳纖維增強(qiáng)塑料的抗壓強(qiáng)度差異會(huì)隨再生混凝土含量的增加而增大。而在給定構(gòu)件的約束比下，CFRP 管約束與BFRP 管約束相比，有著更高的抗壓強(qiáng)度和更低的極限軸向應(yīng)變，這也是由于CFRP 材料本身具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度所導(dǎo)致的。進(jìn)而通過數(shù)據(jù)分析，也可以發(fā)現(xiàn)，與帶BFRP 管的再生混凝土柱相比，帶CFRP 管的再生混凝土柱的第二分支軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率隨再生粗骨料取代率的增加而減小，CFRP 管約束的環(huán)向應(yīng)變也比BFRP 管約束的要低。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在其他條件不變的情況下，隨著再生粗骨料取代率的增加，其構(gòu)件的環(huán)向應(yīng)變卻在降低。

G.M.Chen[5]通過研究發(fā)現(xiàn)GFRP 約束再生混凝土和CFRP 約束天然混凝土力學(xué)性能相似，軸壓混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著再生粗骨料取代率的增加而線性下降。還可以看出，這些曲線的斜率是相似的，意味著從FRP 約束中獲得的混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)幾乎不受再生粗骨料取代率的影響。

YingwuZhou[6]通過收集FRP 約束再生混凝土數(shù)據(jù)庫的分析表明，F(xiàn)RP 能有效提高再生混凝土組合柱的極限強(qiáng)度與極限應(yīng)變；在不同再生粗骨料取代率情況下，再生混凝土呈現(xiàn)相似的強(qiáng)度。FRP 約束再生混凝土的力學(xué)性能主要取決于約束比，而不是FRP 類型，并且再生骨料的取代率對FRP 約束再生混凝土的性能影響很小。

何艷紅[7]通過研究再生混凝土圓柱體（直徑150mm高300mm）在不同厚度CFRP 約束下的影響，得出CFRP包裹層越多，約束剛度越大，極限應(yīng)力越大，且對應(yīng)于極限應(yīng)力的軸向應(yīng)變更大。對于未約束的混凝土而言，再生粗骨料在0%取代率與100%取代率相比抗壓強(qiáng)度相差1.35 倍，在約束情況下，則相差1.1 倍，進(jìn)而可以說明在CRFP 的約束下，再生混凝土與天然混凝土之間強(qiáng)度差距減小。約束試件的取代率在0%、25%、50%、75%、100%時(shí)，相比其對應(yīng)未約束試件極限軸向應(yīng)變是5.97、6.75、9.52、8.21 和9.03 倍。說明，CFRP 的約束作用明顯提高了再生混凝土的延性，改善了再生混凝土的變形能力。且隨著再生骨料取代率的增加,應(yīng)力應(yīng)變曲線的轉(zhuǎn)折區(qū)(約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線第一段和第二段的連接區(qū))曲率變小，轉(zhuǎn)折區(qū)范圍變大。而相比于CFRP 約束普通混凝土，CFRP 約束再生混凝土的側(cè)向膨脹變小，約束效果更好。

張曦文[8]研究CFRP 約束再生玻璃骨料混凝土軸壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玻璃再生粗骨料取代率小于50%時(shí)，其構(gòu)件的性能與天然混凝土的抗壓強(qiáng)度差距不大，但玻璃粗骨料取代率大于50%時(shí)，會(huì)隨著取代率的提升而增加。而在玻璃粗骨料一定時(shí)，玻璃細(xì)骨料對其構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度影響不大。在齡期方面，發(fā)現(xiàn)隨著齡期的增加，再生混凝土試件變得更加密實(shí)，抗壓強(qiáng)度增加，極限軸向應(yīng)變減少。

J.L.Zhao[9]發(fā)現(xiàn)與天然混凝土相比，替代率為100%的無約束再生混凝土強(qiáng)度要低得多，且有較大的分散；然而，當(dāng)再生混凝土受到約束時(shí)，測試結(jié)果中的散射可以大大減少；Teng 等人(2009)的模型和Jiang 和Teng(2007) 的模型都對FRP 約束再生混凝土柱的極限軸向應(yīng)力提供了非常準(zhǔn)確的預(yù)測，但對其應(yīng)變還是高估，模型還需要修正。

陳劉欣[10]研究PFRP 約束含磚骨料再生混凝土在軸壓荷載下的尺寸效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)約束下的核心混凝土柱破壞模式為錐形破壞；PFRP 管的破壞模式分為兩類：高徑比較低時(shí)，F(xiàn)RP 管上下呈現(xiàn)貫通撕裂破壞；高徑比較高時(shí)，F(xiàn)RP 管則是局部撕裂破壞。小尺寸試件的抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)遠(yuǎn)大于其余尺寸試件，其證明PFRP 約束再生混凝土柱能夠減弱未約束再生混凝土柱的邊界效應(yīng)。在抗震方面，引入斷裂能系數(shù)分析，約束構(gòu)件的斷裂能都遠(yuǎn)大于相應(yīng)未約束試件的斷裂能，進(jìn)而證明PFRP 能較大程度地提高再生混凝土的耗能能力，具有很好的抗震性能。

顧光明[11]研究JFRP 管約束含燒結(jié)磚骨料再生混凝土，發(fā)現(xiàn)JFRP 管約束含燒結(jié)磚骨料再生混凝土柱相比約束天然混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，在過渡階段更長更慢，且第三階段變化線接近水平線而不是上升趨勢。再生混凝土中摻加劍麻纖維能夠提升其約束構(gòu)件的延性，但其強(qiáng)度有一點(diǎn)的降低，且劍麻纖維摻量占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%范圍內(nèi)降低幅度不超10%時(shí)，對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)變有一定的延遲作用。隨著核心混凝土強(qiáng)度的提升，泊松比的快速提升階段被延遲。隨著JFRP 管纖維角度增大，泊松比的快速增長階段提前，泊松比的峰值增大。在混凝土中摻入劍麻纖維對泊松比影響不大。在高應(yīng)力狀態(tài)下，受壓試件橫向變形明顯。還發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度越低，JFRP 管纖維角度越大，摻入劍麻纖維的混凝土端部應(yīng)變滯后效應(yīng)更加明顯。

2 FRP 約束再生混凝土柱的循環(huán)加載力學(xué)性能研究

張文鵬[12]研究FRP 約束回收砌體骨料混凝土圓柱軸壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在單次循環(huán)、三次重復(fù)循環(huán)、部分卸載重復(fù)循環(huán)和部分再加載重復(fù)循環(huán)軸壓作用下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單調(diào)軸壓對照組應(yīng)力-應(yīng)變曲線都基本一致，為雙直線型。砌體粗骨料取代率越高，塑形變形的循環(huán)加載歷史累加效應(yīng)越明顯。Lam 和Teng（2009）分析模型用作分析曲線，以預(yù)測構(gòu)件的循環(huán)軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線，這與測試的實(shí)際包絡(luò)線基本一致。隨著砌體骨料取代率的增加，對循環(huán)加載FRP 約束回收砌體骨料混凝土圓柱的塑形應(yīng)變的預(yù)測從偏低變成了偏高。也就是說再生骨料的取代率越大，模型對塑形應(yīng)變的預(yù)測值就比實(shí)驗(yàn)值高越多。這也證明砌體骨料混凝土在循環(huán)軸向壓力下的延展性優(yōu)于模型預(yù)測的延展性。試驗(yàn)所有循環(huán)點(diǎn)的塑形應(yīng)變-卸載應(yīng)變測試值關(guān)系都展現(xiàn)出近似線性的趨勢。線性擬合結(jié)果為：

εpl=0.658εun,env－0.0018

3 FRP 約束再生混凝土柱的抗震性能

肖建莊[13]等人研究發(fā)現(xiàn)在低周反復(fù)荷載作用下，GFRP 管約束再生混凝土柱的破壞過程和破壞形態(tài)與普通混凝土柱相類似。當(dāng)最終失效破壞時(shí)，構(gòu)件不會(huì)發(fā)生太大的塑形變形，F(xiàn)RP 管環(huán)向開裂，內(nèi)部核心混凝土沒有發(fā)生破碎。試件屈服前，滯回曲線加載和卸載所包圍的范圍大，試件耗能較少；試件屈服后，滯回曲線逐漸偏向水平線，滯回環(huán)包圍的面積逐漸變大，耗能能力增加，證明這種約束素混凝土構(gòu)件的耗能性較差。試件在未配置任何鋼筋情況下的極限位移轉(zhuǎn)角在1/50.3～1/40 之間，表明構(gòu)件仍具有較好的彈塑性變形性能，在大震作用下具有較好的抗倒塌能力。在考慮粘結(jié)滑移對其抗震性能影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的承載力與滯回性能沒有明顯變化。根據(jù)Park 等人的損傷模型進(jìn)行進(jìn)一步分析，在相同條件下，隨著再生骨料取代率的增加，試件的損傷指數(shù)D 略有增加，而GFRP 管約束的再生混凝土柱的損傷演化速度較普通混凝土略高，參考FIB 相關(guān)報(bào)告與歐洲規(guī)范，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出GFRP 管約束再生混凝土柱的抗震試驗(yàn)下，其構(gòu)件極限位移公式結(jié)果為：

4 展望

本文從FRP 約束再生混凝土柱的力學(xué)性能出發(fā)，討論分析了近年來國內(nèi)外的研究成果，在眾多研究結(jié)論基礎(chǔ)上，提出以下幾點(diǎn)的研究方向：

⑴目前國內(nèi)外研究主要集中FRP 約束再生混凝土柱的軸壓、循環(huán)加載、抗震的力學(xué)性能，但在耐久性方面還鮮有研究，應(yīng)豐富和發(fā)展其結(jié)構(gòu)的理論研究和工程應(yīng)用。

⑵可以從FRP 約束再生混凝土柱在破壞后的微觀層面入手研究，為其結(jié)構(gòu)研究提供理論支撐。

⑶加強(qiáng)FRP 與再生混凝土之間的粘結(jié)作用的研究，進(jìn)一步完善FRP 約束再生混凝土柱的力學(xué)性能理論研究。

⑷由于再生混凝土缺陷較多，可以摻入其他纖維材料增強(qiáng)本身材料的性能，進(jìn)而提升FRP 約束再生混凝土構(gòu)件整體性能，也能起到環(huán)保作用。

⑸可通過加入鋼筋籠、型鋼、鋼管等豐富結(jié)構(gòu)類型，探究多種結(jié)構(gòu)下性能優(yōu)劣。