玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)材約束的玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能*

劉曉峰 張 穎 閻述韜 榮 輝

(1.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院, 天津 300384； 2.天津城建大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300384；3.天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300384)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)約束混凝土結(jié)構(gòu)目前已廣泛應(yīng)用于樁基、海上結(jié)構(gòu)、公路架空標(biāo)志結(jié)構(gòu)和橋梁構(gòu)件等領(lǐng)域[1]。1996年，Mirmiran等首先提出了FRP管約束鋼筋混凝土的概念[2]，在預(yù)制的FRP管內(nèi)澆筑混凝土即形成FRP管約束混凝土柱[3]。FRP管既可以作為結(jié)構(gòu)模板，簡(jiǎn)化施工工藝，加快施工過(guò)程[4]，還可以對(duì)混凝土芯提供均勻的側(cè)向約束，使混凝土在抗壓時(shí)處于三向受力狀態(tài)，有效地提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[5]。Davol等提出了FRP約束混凝土在土建結(jié)構(gòu)應(yīng)用中作為彎曲構(gòu)件的概念[6]，當(dāng)FRP約束混凝土受彎時(shí)，混凝土芯體給外側(cè)FRP管提供內(nèi)部支撐，防止了FRP管的局部屈曲破壞[7]。

基于國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP增強(qiáng)混凝土和短切纖維增韌混凝土的研究，本課題提出探究在混凝土柱外部包裹FRP管與在混凝土中摻加短切纖維協(xié)同作用的可能性，以同時(shí)提高FRP-短切纖維混凝土體系的抗壓強(qiáng)度、彎曲抗力和斷裂韌性。本課題采用玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物(BFRP)管與短切玄武巖纖維(BF)，通過(guò)對(duì)BFRP層數(shù)與BF摻量的組合設(shè)計(jì)，研究BFRP約束B(niǎo)F混凝土的壓縮性能和彎曲性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

本課題采用面密度為300 g/m2的平紋編織玄武巖纖維布(海寧安捷復(fù)合材料)制備BFRP管，所采用型號(hào)為RIMR035C的環(huán)氧樹(shù)脂和型號(hào)為RIHM037的固化劑(瀚森Hexion，美國(guó))按照比例3∶1混合而成。環(huán)氧樹(shù)脂和BF的材料參數(shù)如表1所示。所用水泥為祥潤(rùn)牌P·O 42.5水泥；砂為普通河沙，細(xì)度模數(shù)2.8，Ⅱ區(qū)中砂；石子為普通碎石，粒徑5～30 mm。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂和BF的材料性能Table 1 Material properties of epoxy resin and BF

1.2 試件制備

制備BFRP管時(shí)，將充分浸潤(rùn)環(huán)氧樹(shù)脂的纖維布(2層或4層)緊密包裹在鋪有隔離膜的亞克力管上，24 h后脫模，在室溫下靜置1周進(jìn)行充分固化，圖1為BFRP管。同時(shí)，參照美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D3039分別制備包含2層或4層纖維布的BFRP矩形標(biāo)準(zhǔn)件(250 mm×25 mm)。

圖1 制好的BFRP管Fig.1 Finished BFRP tubes

混凝土基料配合比為水∶水泥∶砂∶石∶減水劑=475∶660∶1075∶195∶6。BF的體積摻量分別為0%、0.05%、0.1%、0.2%和0.5%?？紤]到混凝土流動(dòng)性的變化，在基料配合比基礎(chǔ)上，纖維體積每增加0.1%，相應(yīng)增加水2 kg[13]。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。壓縮試驗(yàn)試件尺寸為直徑d=100 mm，高h(yuǎn)=200 mm，彎曲試驗(yàn)試件尺寸為直徑d=100 mm，高h(yuǎn)=520 mm。

對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，如表2所示，其中，末尾編號(hào)C表示用于壓縮試驗(yàn)的試件、B表示用于彎曲試驗(yàn)的試件，即“2L-0.1B-C”代表混凝土柱外部包裹2層BFRP、內(nèi)部摻有0.1% BF的用于壓縮試驗(yàn)的試件。每組包含3個(gè)試件，用于重復(fù)試驗(yàn)。

表2 試件編號(hào)Table 2 Specimen labels

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

參照ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)，以電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(島津AGS-X 100 kN)對(duì)含有不同層數(shù)纖維布的BFRP標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得的BFRP的拉伸性能數(shù)據(jù)如表3所示。

試件的壓縮試驗(yàn)參照ASTM C39-10與ASTMtf、df、ff、Ef、和εf分別為BFRP的厚度、密度、拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率。

表3 BFRP拉伸性能Table 3 Tensile properties of BFRP

C469-14標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。為了防止試件出現(xiàn)偏壓，預(yù)先在試件頂部用高強(qiáng)石膏找平。每個(gè)試件布置4個(gè)應(yīng)變片，2個(gè)沿試件軸向布置在試件高度中心位置用于測(cè)量軸向應(yīng)變，另外2個(gè)與軸向應(yīng)變片垂直布置用于測(cè)量環(huán)向應(yīng)變，如圖2a所示。在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(東測(cè)YAW-3000 3000 kN)兩個(gè)加載面之間布置兩個(gè)線性可變差動(dòng)位移計(jì)(LVDT)。采用位移控制加載，設(shè)置預(yù)載為6 kN，然后按照恒定速率0.3 mm/min加載至試件破壞。荷載、應(yīng)變和位移由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(威懇德WKD3811A)同步采集并保存到計(jì)算機(jī)中。

溝張村位于中牟縣刁家鄉(xiāng)西部，北距縣城22 km，東距鄉(xiāng)政府1.5 km。全村共367戶，人口1 652人。主要以種植業(yè)為主，其中耕地面積160 hm2，主要種植大蒜、小麥、玉米、花生等，其他經(jīng)濟(jì)作物有紅蘿卜、包菜、西瓜。

試件的彎曲試驗(yàn)參照ASTM C78-15標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在彎曲試驗(yàn)中，將3個(gè)應(yīng)變片沿縱向布置在試件的跨中，用于測(cè)量試件的縱向應(yīng)變，另外3個(gè)應(yīng)變片與縱向應(yīng)變片垂直布置，用于測(cè)量橫向應(yīng)變。在試件跨中底部放置1個(gè)LVDT，用于測(cè)量試件撓度變化，如圖2b所示。采用位移控制加載，按照恒定速率0.3 mm/min加載至破壞。采用與壓縮試驗(yàn)相同的采集系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)。

a—壓縮試驗(yàn)示意； b—彎曲試驗(yàn)示意。圖2 力學(xué)性能試驗(yàn)示意 mmFig.2 Schematic diagrams of mechanical tests

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

2.1.1壓縮性能

圖3為試件在軸向壓縮荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，大體可分為三個(gè)階段，即線性階段、力維持階段和破壞階段。在第一階段，無(wú)論是否摻加BF，BFRP管約束試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀與相應(yīng)的無(wú)約束試件相似，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加幾乎線性增加，直線的斜率與BFRP層數(shù)有關(guān)，層數(shù)越多斜率越大。對(duì)于不摻加BF的無(wú)約束試件，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到混凝土的極限壓應(yīng)變時(shí)，應(yīng)力迅速下降，試件很快壓潰。對(duì)于約束試件，由于BFRP的作用，試件抗壓強(qiáng)度大幅提高，當(dāng)BFRP管的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到BFRP的極限拉伸強(qiáng)度時(shí)，BFRP開(kāi)始出現(xiàn)破壞，但試件仍保持完整性，曲線進(jìn)入力維持階段。在此階段，不摻加BF的2層BFRP約束試件的應(yīng)變發(fā)展較少，而4層BFRP約束試件在應(yīng)力幾乎不變的情況下，可以發(fā)生較大變形，這可能是由于進(jìn)入力維持階段后，雖然4層BFRP約束試件外部的BFRP也會(huì)發(fā)生部分破壞，但不同層的破壞可能不是同時(shí)發(fā)生，相對(duì)更多層數(shù)的BFRP可以在更長(zhǎng)時(shí)間或更大軸向應(yīng)變范圍內(nèi)維持軸壓強(qiáng)度基本不變。在摻加BF后，無(wú)論是否有BFRP約束以及BFRP層數(shù)多少，都出現(xiàn)明顯的力維持階段，區(qū)別只在于該階段應(yīng)力的下降程度及應(yīng)變的大小，表明摻入BF提高了混凝土的韌性。在BFRP斷裂后，曲線進(jìn)入第三階段，試件主要由混凝土柱承載，其承載能力迅速下降，當(dāng)混凝土被壓潰后，應(yīng)力急劇下降，試件失效。當(dāng)摻加BF后，試件的極限壓應(yīng)變提高，尤其是無(wú)約束及2層BFRP約束的試件。

由表4可知：相對(duì)0L-0-C，2L-0-C和4L-0-C的抗壓強(qiáng)度分別提高了88%和108%，極限壓應(yīng)變分別增加了24%和79%。相對(duì)0L-0.1B-C，2L-0.1B-C和4L-0.1B-C的抗壓強(qiáng)度分別提高了71%和92%，極限壓應(yīng)變分別增加了52%和74%。可見(jiàn)，隨著B(niǎo)FRP層數(shù)增加，試件的抗壓強(qiáng)度明顯提高，極限壓應(yīng)變也明顯增加。

表4 壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Compression test results

fcc、εcu分別是試件的極限抗壓強(qiáng)度和軸向極限壓應(yīng)變。

圖4為摻入不同量BF的試件的抗壓強(qiáng)度。對(duì)于無(wú)約束試件，摻加BF后，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)摻量為0.1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高最多，相對(duì)0L-0-C提高了18%，當(dāng)BF摻量繼續(xù)增加時(shí)，抗壓強(qiáng)度反而下降。2層BFRP約束的試件表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，當(dāng)BF摻量為0.1%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度最高，比2L-0-C的抗壓強(qiáng)度提高8%。

圖5為壓縮試件的破壞情況。對(duì)于無(wú)約束試件，0L-0-C破壞后裂開(kāi)成兩部分，失去結(jié)構(gòu)完整性，摻加BF后試件在壓縮后的完整性得以保持。其中，0L-0.1B-C試件上只有幾條較窄的裂縫(圖5b)，主要是BF的橋接作用阻止了裂縫的擴(kuò)展。對(duì)于BFRP約束試件，除去BFRP管后，觀察混凝土芯體的破壞情況，發(fā)現(xiàn)2L-0-C的芯體明顯斷裂成兩部分，4L-0-C芯體也出現(xiàn)明顯的破碎，而2L-0.1B-C與4L-0.1B-C的芯體雖出現(xiàn)裂紋但未發(fā)生明顯破碎，只出現(xiàn)幾條裂縫，可見(jiàn)摻加BF可以限制試件裂縫的發(fā)展，在一定程度上抑制脆性破壞。對(duì)于摻加BF的試件，摻入0.1%的BF，不僅試件強(qiáng)度最高，而且阻裂效果最好。

—0層BFRP； —2層BFRP。圖4 摻入不同量BF的試件的抗壓強(qiáng)度Fig.4 Compressive strength of specimens with different BF contents

a—0L-0-C； b—0L-0.1B-C； c—2L-0-C； d—4L-0-C； e—2L-0-C芯體； f—2L-0.1B-C芯體； g—4L-0-C芯體； h—4L-0.1B-C芯體。圖5 壓縮試驗(yàn)試件破壞情況Fig.5 Failure modes of specimens under compression

2.1.2彎曲性能

圖6為試件彎曲試驗(yàn)的力-位移曲線，其中，BFRP約束混凝土試件的力-位移曲線出現(xiàn)多次突然波動(dòng)(力值突然下降),主要是由加載過(guò)程中混凝土芯體的斷裂以及混凝土芯體與BFRP管之間的滑移導(dǎo)致。結(jié)合表5可知：與0L-0-B相比，2L-0-B和4L-0-B的最大彎曲抗力分別提高了1.5倍和4.5倍，最大撓度分別提高了7.4倍和8.6倍。對(duì)于摻入BF的試件，2L-0.1B-B和4L-0.1B-B與0L-0.1B-B相比，最大彎曲抗力分別提高了1倍和2.5倍，最大撓度提高了5倍和6.3倍；而與0L-0-B相比，2L-0.1B-B和4L-0.1B-B的最大彎曲抗力則分別提高了2.6倍和5.3倍，最大撓度提高了7.9倍和9.9倍?？梢?jiàn)，BFRP的約束可以提高混凝土試件的最大彎曲抗力和最大撓度，且這種影響對(duì)未摻加BF的試件更加明顯；同時(shí)進(jìn)行BFRP約束和摻加BF則可進(jìn)一步極大地提高混凝土試件的抗彎承載能力和抗變形力。

圖7為摻入不同量BF的試件的最大彎曲抗力。相對(duì)于無(wú)約束試件，摻加BF顯著提高了試件的最大彎曲抗力，當(dāng)BF摻量為0.05%、0.10%、0.20%和0.50%時(shí)，相對(duì)未摻加BF的試件，最大彎Fpeak、w分別為最大彎曲抗力、最大撓度。

a—不摻加纖維；b—摻加0.1%BF。圖6 彎曲試驗(yàn)力-位移曲線Fig.6 Force-displacement curves of specimens under four-point bending

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of four-point bending

曲抗力分別提高了40%、80%、60%和40%。BF摻量為0.10%時(shí)，最大彎曲抗力提升幅度最大。2層BFRP約束的試件表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，當(dāng)BF摻量為0.10%時(shí)，試件的最大彎曲抗力比未摻加BF的試件提高了46%。由表5可知：對(duì)于無(wú)約束試件，當(dāng)BF摻量為0.05%、0.10%、0.20%和0.50%時(shí)，相對(duì)未摻加BF的試件，最大撓度分別提高了19%、49%、37%和31%；對(duì)于2層BFRP約束的試件，摻入0.10%的BF，最大撓度提高了6%?？梢?jiàn)，當(dāng)考慮試件的抗彎性能時(shí)，0.10%是BF的最佳摻量。

—0層BFRP； —2層BFRP。圖7 摻入不同量BF的試件的最大彎曲抗力Fig.7 Flexural resistance of specimens with different BF contents

圖8為試件受彎破壞情況。其中，無(wú)約束混凝土試件的破壞發(fā)生在純彎區(qū)域，試件突然斷裂成兩部分；BFRP約束試件的破壞均是因彎區(qū)混凝土底部的BFRP管被拉斷所引起，裂縫開(kāi)始出現(xiàn)在BFRP管的底部，然后垂直向上部延伸，最終導(dǎo)致試件破壞。所有試件都是純彎曲破壞，在集中加載點(diǎn)未觀察到壓縮破壞。如圖8a所示，無(wú)約束且未摻加BF的試件在彎曲抗力達(dá)到峰值后突然斷裂為兩部分，承載力和變形都極小。摻加BF的試件(圖8b、8f)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗彎變形能力，這主要是由于BF散布在混凝土中可以起到橋接作用，阻止裂紋擴(kuò)展，提高試件的抗變形能力，大幅提高試件的彎曲性能。圖8d和8f為2L-0-B與2L-0.1B-B破壞后混凝土芯體破壞情況，對(duì)比觀察斷裂處可以看出，摻加BF后試件裂縫發(fā)展方向變得更加曲折?？赡艿脑蛟谟冢簱郊覤F后，BF在混凝土中呈無(wú)規(guī)則分布而且可以承受一定的拉應(yīng)力，從而改變了裂縫的延伸路徑，試件撓度增加，抵抗彎曲變形的能力增強(qiáng)。

2.2 BF增強(qiáng)與增韌機(jī)理分析

a—0L-0-B； b—0L-0.1B-B； c—2L-0-B； d—2L-0-B芯體； e—4L-0-B； f—2L-0.1B-B芯體。圖8 彎曲試驗(yàn)試件破壞情況Fig.8 Failure modes of bending test specimens

a—0.05%； b—0.10%； c—0.50%。圖9 試件斷裂面的超景深顯微照片F(xiàn)ig.9 Digital microscopic images of fracture surfaces for specimens

使用超景深顯微鏡(基恩士KEYENCE，VHX-600 s)對(duì)不同BF摻量試件的斷裂面進(jìn)行觀察。如圖9所示，BF在混凝土中呈無(wú)規(guī)則分布，摻量為0.05%的試件的纖維數(shù)量較少，摻量為0.10%的試件中纖維分布相對(duì)更加均勻，當(dāng)摻量為0.50%時(shí)纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重。當(dāng)BF摻量適當(dāng)時(shí)(如0.1%)，由于BF與混凝土的主要成分都是硅酸鹽材料，具有良好的相融性，攪拌時(shí)易于結(jié)合，得到的混凝土和易性能良好、體積穩(wěn)定，同時(shí)由于BF經(jīng)水泥漿包裹與骨料緊密結(jié)合，可以與混凝土協(xié)同受力，提高混凝土的壓縮與彎曲性能；而當(dāng)纖維摻量較高時(shí)(如0.50%)，部分纖維結(jié)團(tuán)，不能保證單根纖維均被水泥漿充分包裹，從而影響纖維與水泥基材料的結(jié)合，不利于形成內(nèi)部嵌入構(gòu)造，反而使混凝土內(nèi)部缺陷增加，降低了試件的密實(shí)度，進(jìn)而限制了混凝土的壓縮和彎曲性能的進(jìn)一步提高。因此，混凝土的力學(xué)性能不隨纖維摻量增加而持續(xù)提高，而是存在最佳摻量。此外，BF在混凝土中同時(shí)起到增韌作用。增韌效果主要體現(xiàn)為對(duì)混凝土初期裂縫開(kāi)展的抑制及在試件破壞時(shí)所表現(xiàn)出的韌性破壞特點(diǎn)。在混凝土中摻加纖維后，纖維連接裂縫兩端，相當(dāng)于在裂縫處施加了一個(gè)反向的應(yīng)力，與外力產(chǎn)生的應(yīng)力疊加后，使外力產(chǎn)生的應(yīng)力得以降低，緩解了裂縫處的應(yīng)力集中，使裂縫的發(fā)展減緩[14]，從而使混凝土的韌性得到提高。

2.3 協(xié)同效應(yīng)分析

對(duì)于2層BFRP約束的摻入0.1%BF的混凝土試件(2L-0.1B-C)，其抗壓強(qiáng)度比無(wú)約束且未摻BF的試件(0L-0-C)提高107%，而無(wú)約束試件(0L-0.1B-C)和未摻BF試件(2L-0-C)相對(duì)0L-0-C的抗壓強(qiáng)度分別提高了18%和88%；對(duì)于彎曲試驗(yàn)，2L-0.1B-B、0L-0.1B-B和2L-0-B相對(duì)0L-0-B的最大彎曲抗力提高了260%、80%和147%。對(duì)于4層BFRP約束的摻入0.1%BF的混凝土試件(4L-0.1B-C)，其抗壓強(qiáng)度比無(wú)約束且未摻BF的試件(0L-0-C)提高127%，而無(wú)約束試件(0L-0.1B-C)和未摻BF試件(4L-0-C)相對(duì)0L-0-C的抗壓強(qiáng)度分別提高了18%和108%；對(duì)于彎曲試驗(yàn)，4L-0.1B-B、0L-0.1B-B和4L-0-B相對(duì)0L-0-B的最大彎曲抗力分別提高了533%、80%和447%。以上結(jié)果表明:BFRP約束摻入BF的混凝土表現(xiàn)出比單獨(dú)BFRP約束或單獨(dú)摻加BF的混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和最大彎曲抗力，且混凝土具有更高的韌性。

BFRP約束混凝土的抗壓強(qiáng)度、最大彎曲抗力與未約束試件相比提升明顯，但BFRP并沒(méi)有改善混凝土的自身性能，所以在達(dá)到峰值載荷后，試件仍會(huì)發(fā)生脆性破壞。在混凝土中摻加BF可以明顯改善混凝土的韌性，摻加的BF在混凝土試件受力過(guò)程中，對(duì)變形起到了約束作用。BF的加入使試件的破壞模式由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變。

因此，在以BFRP約束混凝土的同時(shí)向混凝土中摻入BF不僅可以改善試件的壓縮性能和彎曲性能，而且改變了試件的破壞形式，使其向塑性破壞轉(zhuǎn)變，具有更大的能量吸收能力，有利于同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

以BFRP制備的圓管包裹混凝土柱進(jìn)行外部約束，同時(shí)在混凝土制備原料中摻加BF改善混凝土的性能，試驗(yàn)研究了試件的壓縮性能和彎曲性能，比較分析了BFRP中纖維布的層數(shù)、BF的摻量對(duì)性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下。

1)BFRP約束混凝土能顯著提高試件的極限抗壓強(qiáng)度和極限壓應(yīng)變，且兩者均隨BFRP層數(shù)的增加而增加。摻加BF后，試件抗壓強(qiáng)度提高，當(dāng)BF體積摻量為0.10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，BF顯著影響試件的破壞情況，減輕試件的破壞程度。

2)BFRP約束混凝土試件的最大彎曲抗力和撓度明顯提高，且隨BFRP層數(shù)增加而增大。摻加BF的試件的彎曲和變形性能均明顯提升，且當(dāng)BF的體積摻量為0.10%時(shí)，試件的彎曲性能最優(yōu)。

3)顯微鏡成像表明BF在混凝土中呈三維隨機(jī)分布。BF在混凝土中起到了橋接作用，限制裂縫的發(fā)展，同時(shí)使混凝土的破壞形式由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，對(duì)混凝土同時(shí)起到增強(qiáng)和增韌的作用。

4)對(duì)混凝土柱同時(shí)進(jìn)行BFRP約束與摻加BF，兩者的協(xié)同作用不僅可以改善試件的壓縮和彎曲性能，而且可以使試件的破壞形式由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，提高結(jié)構(gòu)的安全性。