JFRP約束劍麻纖維混凝土力學(xué)性能研究

何 翔 姜景山 朱兆悅 沈 浪 喬月來 陸欣源 周海玥

南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167

目前，纖維增強(qiáng)復(fù)材（FRP）約束混凝土柱在基礎(chǔ)工程、海上建筑、道路工程和橋梁工程等領(lǐng)域都進(jìn)行了一系列的應(yīng)用[1]。Mirmiran 等[2]于1996年最先提出了FRP管約束鋼筋混凝土的概念，其實施路徑為首先制作FRP管，其次澆筑混凝土于FRP管內(nèi)從而制作成FRP管約束混凝土柱[3]。JFRP管可以作為約束再生混凝土試件的模板，在施工過程中大大提高效率[4]，F(xiàn)RP管約束混凝土芯可顯著增強(qiáng)其在三向受力狀態(tài)下的力學(xué)性能[5]。Davol 等[6]提出了一種新的設(shè)想，即將FRP管約束混凝土作為一種彎曲構(gòu)件應(yīng)用于土木工程，當(dāng)FRP管約束的混凝土柱受力彎曲時，外側(cè)FRP管的局部因承受荷載會受到屈曲破壞，為防止這一缺陷，混凝土柱芯在內(nèi)部對外側(cè)的FRP管進(jìn)行支撐[7]。 除此之外，在受力狀態(tài)下，環(huán)向荷載作用FRP管約束混凝土柱的過程中會產(chǎn)生環(huán)向破壞而導(dǎo)致混凝土柱失效，內(nèi)部混凝土產(chǎn)生脆性破壞，這一破壞形式的缺陷阻礙了它的進(jìn)一步發(fā)展[8]。在實際工程中，混凝土承受荷載發(fā)生破壞時難以察覺，總是突然發(fā)生，這就使得建筑工程的安全性大大降低[9]。大量的試驗得出結(jié)論：摻入適量的纖維能夠增強(qiáng)混凝土的韌性[10]。目前國內(nèi)外的研究熱點是研究FRP增強(qiáng)天然纖維混凝土柱的力學(xué)性能，本試驗探究在JFRP管約束混凝土柱并且在混凝土中摻加劍麻纖維共同作用下的力學(xué)性能的規(guī)律，從而增強(qiáng)JFRP—劍麻纖維混凝土柱體系的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和延性。本試驗采用黃麻纖維布制成的JFRP管與AF，通過對JFRP層數(shù)與AF摻量的組合設(shè)計，研究JFRP約束AF混凝土的力學(xué)性能。

1 試驗介紹

1.1 主要原材料

（1）劍麻纖維。將劍麻成品裁剪成15 mm的短劍麻后，稱量10 g氫氧化鈉放入1 L水配置成氫氧化鈉溶液浸泡，將裁剪好的劍麻纖維在溶液中浸泡30 min，自然晾干。采用氫氧化鈉溶液浸泡，主要是為了除去劍麻纖維表面的果膠和植物脂類等雜質(zhì)，萃取出劍麻纖維中的半纖維素，使得劍麻纖維能夠更好地和水泥基材料黏結(jié)，發(fā)揮劍麻纖維的作用。實驗所選纖維的材料參數(shù)如表1所示。

表1 劍麻纖維的材料參數(shù)

纖維摻量的分類情況：一般而言，纖維摻量分為低摻和高摻[11]。在低摻量范圍下，摻入劍麻纖維可以提高混凝土抗裂性能。在高摻量范圍下，摻入劍麻纖維不僅對混凝土的力學(xué)強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，同時混凝土的工作性質(zhì)也會發(fā)生改變，本文主要是研究AF（劍麻纖維）對素混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的力學(xué)性能研究，因此本試驗在高摻量條件下開展進(jìn)行。本試驗分別采用纖維體積摻量為0%、1%、2%三個不同的纖維摻加量。

不同纖維長度比選：纖維的長徑比對纖維與混凝土砂漿的黏結(jié)程度產(chǎn)生影響，纖維的長度不能太長，也不能太短。過長的纖維會使纖維喪失彈性和吸收能量，同時還會使得混凝土受到荷載后無顯著變形而突然發(fā)生破壞，因此，通過綜合考慮劍麻纖維對混凝土的各種影響因素，最終選擇長度為15 mm的劍麻纖維。

（2）水泥。試驗采用P.O42.5水泥，各項指標(biāo)符合GB 175-2007規(guī)范。

（3）細(xì)集料。細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)2.1，各項指標(biāo)符合施工要求。

（4）粗骨料。采用尺寸規(guī)格為5～20 mm，各級粒徑分配情況良好，各項指標(biāo)滿足施工要求。

1.2 配合比

試驗固定水灰比、粗細(xì)骨料的用量，控制其它條件不變，研究在摻入不同的劍麻纖維狀態(tài)下對混凝土試件的影響。試驗采用的配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比（單位：kg/m3）

1.3 試件制備

1.3.1 劍麻纖維混凝土的制備

（1）首先利用干拌法進(jìn)行干拌。根據(jù)表2所述的配合比稱量原料，將稱量好的原料中的水泥、細(xì)骨料、再生粗骨料混合干拌3 min至充分均勻拌和，得到干拌物。

（2）將稱量好的原料中的劍麻纖維用配置好的濃度為1%的氫氧化鈉溶液進(jìn)行預(yù)處理，并加入到步驟（1）中的干拌物中，繼續(xù)干拌3 min，得到攪拌物。

（3）將少量水兌入減水劑溶和均勻后加入到步驟（2）得到的攪拌物中。

（4）重復(fù)步驟（3）2～3次直至裝減水劑的容器無刺激性氣味；生成預(yù)混合物。

（5）在預(yù)混合物中倒入剩余的全部水，持續(xù)濕拌3～5 min，得到拌合物。

（6）將步驟（5）得到的拌合物注入模具試件中，將模具試件進(jìn)行振搗，使得試件變得密實，減少混凝土試件內(nèi)的孔隙，同時將其表面刮抹均勻。在自然環(huán)境下靜置12 h，脫模后，放在水中養(yǎng)護(hù)28天。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后取出混凝土試件，準(zhǔn)備進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度試驗。1.3.2 JFRP管的制備

JFRP管可以作為約束再生混凝土試件的模板，可以開展對纖維混凝土材料試件的抗壓強(qiáng)度、環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變等試驗數(shù)據(jù)的量測。在建筑工程應(yīng)用中，黃麻纖維是直接提取的自然纖維，具有可再生、價格低、自重小等特點，應(yīng)用這種再生環(huán)保廉價的自然纖維材料替代CFRP和GFRP等運(yùn)用于土木工程具有廣闊的應(yīng)用前景，因其耐腐蝕還可以作為補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)材料。黃麻纖維具有密度較小、拉伸性能好、不刺激、不損害設(shè)備、能耗低、可再生和價格低等優(yōu)點，可以降低后期的保養(yǎng)及維修費(fèi)用。

本試驗采用編織密度為80×80的黃麻纖維布制備JFRP管，由自內(nèi)向外依次包裹的多個黃麻纖維布單元層構(gòu)成。環(huán)氧樹脂是主劑A和固化劑B按2：1比例配制攪拌。環(huán)氧樹脂的材料參數(shù)如表3所示。

表3 環(huán)氧樹脂的材料參數(shù)

JFRP管包括主管體和端部加固層，所述主管體的上、下兩端各設(shè)有一端部加固層，與主管體之間通過膠黏接。制作流程是，首先裁剪大小為1.325 m2的外包加固黃麻纖維布和0.064 m2的端部加強(qiáng)黃麻纖維布，同時選用外徑為150 mm，高度為450 mm的有機(jī)玻璃管，在外壁面包裹3層錫箔紙，再將裁剪好的外包加固黃麻纖維布和端部加強(qiáng)黃麻纖維布裹在有錫箔紙的有機(jī)玻璃管上，接口處重疊部分的長度為有機(jī)玻璃管周長的1/4，再將調(diào)配好的環(huán)氧樹脂膠刷涂在JFRP管上，使其充分浸漬，最后將其自然晾干3至7天，脫模即可制成JFRP管。因此，JFRP管可以通過工業(yè)化批量生產(chǎn)，工期快。制作完成的JFRP管如圖1所示。

圖1 制作完成的JFRP管

1.4 試驗方案

本試驗共設(shè)置8組混凝土材料試件（試件參數(shù)如表4所示），均選用高度為450 mm，直徑為150 mm的JFRP管（高徑比為3:1），同時在JFRP管內(nèi)澆筑C30再生混凝土材料試件。通過改變JFRP管的外包層數(shù)、纖維布的布置方向角度以及劍麻纖維的體積摻量，開展對C30再生混凝土材料試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、環(huán)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變等試驗數(shù)據(jù)的量測。研究不同狀態(tài)下JFRP管約束試件與未約束試件強(qiáng)度和延性的影響變化規(guī)律。

表4 試件參數(shù)

2 試驗成果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度試驗

本次試驗研究在摻入不同的劍麻纖維量的狀態(tài)下，同一纖維長度為15 mm的天然纖維（AF）試件進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等試驗數(shù)據(jù)的量測，試驗結(jié)果如表5所示。可以看出，在高摻量范圍下，摻入劍麻纖維對試件的抗壓強(qiáng)度的幅度有明顯增強(qiáng)。圖2為不同纖維摻量（Vc）的混凝土抗壓強(qiáng)度曲線，可以看出，本試驗配合比條件下，纖維體積摻量為1%（14.5 kg/m3）時，混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)值將達(dá)到一個峰值，超過該體積摻量時，對試件的抗壓影響效果幅度會變小。

圖2 不同纖維摻量混凝土抗壓強(qiáng)度

表5 不同纖維摻量混凝土抗壓與抗折強(qiáng)度

圖3為不同纖維摻量的混凝土抗折強(qiáng)度曲線。可以看出，在高摻量范圍下，劍麻纖維對試件的抗折強(qiáng)度的幅度有增強(qiáng)，但并不明顯。在本試驗配合比條件下，纖維體積摻量為1%（14.5 kg/m3）時，混凝土抗折強(qiáng)度數(shù)值將達(dá)到一個峰值，超過該體積摻量時，劍麻纖維對試件的抗折影響效果幅度會變小。

圖3 不同纖維摻量混凝土抗折強(qiáng)度

2.2 JFRP管約束劍麻纖維混凝土的力學(xué)性能試驗

本試驗將養(yǎng)護(hù)完成的JFRP管進(jìn)行編號，然后按照設(shè)計的配合比攪拌劍麻纖維混凝土，并進(jìn)行試件澆筑。每個配合比設(shè)計對應(yīng)的劍麻纖維混凝土需要澆筑3個標(biāo)準(zhǔn)的混凝土試件。將混凝土試件澆筑完成后，把所有的混凝土試件和試塊放在相同條件下養(yǎng)護(hù)（本試驗為常溫定時澆水養(yǎng)護(hù)）。待養(yǎng)護(hù)28天后，打磨混凝土試件兩端，保證試件兩端光滑平整，并且清洗打磨的粉塵和澆筑時溢出JFRP管外壁上的混凝土，從而得到實驗所需的最終試件。打磨清洗試件后，在JFRP管外側(cè)壁面進(jìn)行定位并標(biāo)記貼片位置，然后按照標(biāo)定位置粘貼應(yīng)變片，JFRP管應(yīng)變片布置如圖4所示。

圖4 JFRP管應(yīng)變片布置

表6為主要試驗成果?？梢钥闯觯琂FRP管約束試件強(qiáng)度和延性與未約束試件相比顯著提高，強(qiáng)度提高幅度最低達(dá)24%以上，延性提高1.2倍以上；約束試件峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變出現(xiàn)的范圍比較大，峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力接近；隨著JFRP管纖維角度的增加，峰值強(qiáng)度降低，軸向極限應(yīng)變增加，環(huán)向極限應(yīng)變增加；劍麻纖維摻量能有效提高約束試件延性，但卻降低了約束試件的強(qiáng)度。

表6 主要試驗成果

2.3 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖5為混凝土試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。從圖中可以看出，在軸向應(yīng)力作用下，混凝土試件的中部和端部的變化大致相同，但在相同應(yīng)力作用下，端部區(qū)域應(yīng)變比中部區(qū)域應(yīng)變緩慢，這一變化被定義為端部應(yīng)變滯后效應(yīng)，端部應(yīng)變滯后效應(yīng)規(guī)律：與未摻纖維混凝土試件相比，摻入劍麻纖維后，這一效應(yīng)的影響效果就越大。

圖5 混凝土試件應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3 結(jié) 語

采用黃麻纖維布制成的JFRP管約束混凝土柱，同時摻入15 mm長的一定量的AF，試驗研究了混凝土柱的力學(xué)強(qiáng)度，以及JFRP管約束試件強(qiáng)度和延性，比較分析了JFRP層數(shù)與AF摻量的組合設(shè)計對混凝土柱力學(xué)性能的影響，得到的主要結(jié)論如下。

（1）在高摻量范圍下，短切劍麻纖維長度為15 mm時，摻入一定量的劍麻纖維對試件本身的抗壓明顯增強(qiáng)。同時，當(dāng)纖維摻量為14.5 kg/m3時，提升試件的抗壓強(qiáng)度幅度最大，超過該體積摻量時，劍麻纖維對試件的影響將逐漸減小。

（2）從混凝土抗折強(qiáng)度而言，在高摻量范圍下，長度為15 mm，摻入一定量的劍麻纖維可以增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度，但效果并不明顯。同時，纖維體積摻量為1%（14.5 kg/m3）時，混凝土抗折強(qiáng)度數(shù)值將達(dá)到最高點，當(dāng)摻入的纖維體積摻量超過該體積摻量時，混凝土抗折強(qiáng)度將減小。

（3）JFRP約束混凝土柱的同時在混凝土中摻加定量的劍麻纖維，在兩者的共同作用下，不僅可以提高混凝土柱的力學(xué)強(qiáng)度和延展性能，而且可以使得混凝土柱由脆性破壞向塑性變形轉(zhuǎn)變，從而使得結(jié)構(gòu)的安全性能大幅增加。