纖維布約束超高性能混凝土短柱軸壓性能*

安凱旋， 王旭月， 劉中憲,2， 李慧瑋， 王海良

(1 天津城建大學(xué)，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；2 天津市地震工程研究所， 天津 300384)

0 引言

近年來(lái)，纖維布(fiber reinforced polymer,FRP)對(duì)混凝土約束效果已被廣泛研究，發(fā)現(xiàn)FRP約束可以顯著提高混凝土構(gòu)件的承載能力及延性[1-2]。陳世欣等[3]、顧祥林等[4]和Cui等[5]研究發(fā)現(xiàn)FRP的提高效果與核心混凝土強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)。賈明英等[6]通過(guò)不同F(xiàn)RP對(duì)普通混凝土約束效果研究發(fā)現(xiàn)：試件外包碳纖維、玻璃纖維及芳綸纖維布，軸心抗壓承載力分別平均提高127%，76%和166%。蔣小青等[7]、Toutanji等[8]和李靜等[9]分別研究了不同種類纖維布對(duì)于混凝土的約束效果和應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點(diǎn)的影響。Rochette等[10]和趙彤等[11]研究了FRP層數(shù)對(duì)混凝土短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響。除此之外另有學(xué)者從不同角度分析了FRP對(duì)于混凝土的增強(qiáng)作用[12-14]。

但眾多研究中，核心混凝土的強(qiáng)度多為普通混凝土(normal strength concrete, NSC)和高強(qiáng)混凝土(high strength concrete, HSC)。近年來(lái)，超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)作為一種新興且極具潛力的水泥復(fù)合材料，具有超高強(qiáng)度、超高韌性、低滲透性、更好的耐磨性以及耐久性等優(yōu)點(diǎn)[15]。但是FRP約束UHPC短柱的研究較少[16-21]，且參數(shù)分析不夠系統(tǒng)、全面。外層FRP的制作多為機(jī)器纏繞或者預(yù)制FRP管，對(duì)于更貼近于工程后期加固的手糊粘貼方式則研究較少。

為得到FRP約束UHPC短柱單軸的抗壓性能，本試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置NSC和HSC短柱來(lái)對(duì)比其性能及不同F(xiàn)RP的種類和層數(shù)對(duì)UHPC的增強(qiáng)效率，所有試件的FRP均為手糊粘貼。本文從應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型、極限強(qiáng)度提高率、極限應(yīng)變和約束比幾個(gè)方面分析了FRP對(duì)于UHPC短柱的增強(qiáng)作用，以及相對(duì)于NSC及HSC在破壞形態(tài)和力學(xué)性能等方面區(qū)別。

1 短柱壓縮試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及性能

本試驗(yàn)核心混凝土分別為UHPC，HSC和NSC，其配合比如表1～3所示，立方體抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，UHPC, HSC, NSC極限抗壓強(qiáng)度分別為150, 80, 40MPa。FRP采用了碳纖維布(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)和玻璃纖維布(glass fiber reinforced polymer, GFRP)，F(xiàn)RP屬性見表4。

圖1 短柱中填充的三種混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 試驗(yàn)分組

本試驗(yàn)制作試件與《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50608—2010)[20]要求一致，試件直徑150mm,高300mm。試件兩端用25mm碳纖維布條進(jìn)行環(huán)箍加固，避免端部應(yīng)力集中試件提前破壞。加固方式采用規(guī)范要求連續(xù)滿包方式粘貼纖維布，纖維方向與構(gòu)件垂直，最外圈搭接1/4周長(zhǎng)，如圖2所示。采取高強(qiáng)石膏對(duì)兩底面找平，以減少因短柱底面不平整及兩底面與短柱母線不垂直產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差。本次試驗(yàn)共設(shè)置3組18個(gè)試件，短柱試件參數(shù)如表5所示。

UHPC配合比 表1

HSC實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)配合比 表2

NSC實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)配合比 表3

FRP種類以及性能參數(shù) 表4

短柱試件參數(shù) 表5

圖2 FRP約束混凝土柱

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)采用YAW-20000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。位移計(jì)均勻布置于試件四周，如圖3所示。加載方式：第一步采用力控制，以1kN/s的速率加載至100kN，保持5s，使試驗(yàn)機(jī)承壓板與試件壓實(shí)；第二步改用位移控制，以0.5mm/min 速率進(jìn)行加載。當(dāng)試件的殘余強(qiáng)度下降到極限強(qiáng)度的30%左右，即停止試驗(yàn)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖及位移計(jì)設(shè)置圖

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)過(guò)程中試件均表現(xiàn)為：隨著施加荷載的增大，短柱有時(shí)會(huì)有較小的混凝土局部碎裂，而在達(dá)到極限承載力之后，伴隨著FRP斷裂試件破壞，核心混凝土失去承載力。主要試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

引入極限強(qiáng)度提高率rσ來(lái)描述對(duì)極限強(qiáng)度的提高效果，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：fu為短柱極限強(qiáng)度；fco為核心混凝土的極限強(qiáng)度。

約束應(yīng)力fr計(jì)算公式為：

(2)

式中：ffrp為FRP極限拉伸強(qiáng)度；tfrp為FRP厚度；D為短柱直徑；n為FRP層數(shù)。

2.1 混凝土類型影響

不同核心混凝土短柱破壞形態(tài)有顯著區(qū)別，具體區(qū)別如下：1)NSC短柱試件破壞時(shí)核心混凝土內(nèi)部裂縫較多，破壞時(shí)粗骨料散落，試件破碎為兩段且大量碎屑完全失去整體性，破壞形態(tài)如圖4(a)，(b)所示；2)HSC短柱試件破壞時(shí)，內(nèi)部裂縫較多，破壞時(shí)核心混凝土壓碎成若干塊，試件失去整體性，如圖4(c)，(d)所示；3)UHPC短柱試件在破壞時(shí)其核心混凝土因延性優(yōu)異，只有一條主裂縫貫穿兩端，試件整體性良好，并未完全失去承載能力，如圖4(e)，(f)所示。

圖4 試件破壞形態(tài)

不同核心混凝土短柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5，6所示，可以得出：1)彈性階段的彈性模量都隨著核心混凝土強(qiáng)度的增大而增大；2)核心混凝土強(qiáng)度越高，其到達(dá)極限強(qiáng)度的應(yīng)變相應(yīng)越小。

圖5 3層CFRP 約束短柱試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

FRP約束UHPC短柱試件單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同于FRP約束NSC試件和FRP約束HSC試件的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，UHPC短柱試件加載過(guò)程中應(yīng)力出現(xiàn)波動(dòng)，表現(xiàn)出突降或突升現(xiàn)象。UHPC短柱試件抗壓強(qiáng)度高，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)致密以及鋼纖維的拉結(jié)作用抑制了混凝土裂縫的延展。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)椋寒?dāng)混凝土裂縫非常小時(shí)，應(yīng)力降低量非常輕微，受FRP約束影響，應(yīng)力降低后可隨后恢復(fù)，應(yīng)力恢復(fù)得益于UHPC短柱試件內(nèi)部鋼纖維能夠有效地限制混凝土裂縫發(fā)展和碎塊的剝落；當(dāng)裂縫足夠大時(shí)，應(yīng)力波動(dòng)量大并且難以恢復(fù)。

主要試驗(yàn)結(jié)果及參數(shù) 表6

2.2 FRP種類影響

當(dāng)FRP種類作為變量時(shí)，其對(duì)照組應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7～10所示?？梢缘贸觯?)無(wú)論何種核心混凝土，均CFRP約束混凝土短柱試件對(duì)短柱極限強(qiáng)度的提高程度較GFRP約束混凝土短柱試件優(yōu)異；2)CFRP約束混凝土短柱試件彈性階段的彈性模量比GFRP約束混凝土短柱試件稍大；3)混凝土強(qiáng)度不變情況下，應(yīng)變硬化現(xiàn)象的出現(xiàn)需要的CFRP層數(shù)閾值小于GFRP的層數(shù)閾值。

圖6 5層GFRP 約束短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 3層纖維布約束NSC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 5層纖維布約束HSC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 3層纖維布UHPC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖10 5層纖維布UHPC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 約束比影響

使用約束比f(wàn)r/fco來(lái)直觀描述FRP對(duì)于核心混凝土的約束效果。CFRP約束混凝土短柱試件和GFRP約束混凝土短柱試件的約束比如圖11,12所示。由圖11，12可知，1層和3層CFRP約束以及3層和5層GFRP約束，其約束比均表現(xiàn)為NSC>HSC>UHPC；圖中曲線的斜率隨著FRP層數(shù)增加而減小。

圖11 約束比隨CFRP層數(shù)的變化曲線

不同種類FRP對(duì)約束比影響如圖13所示，由圖可知，控制其他變量不變時(shí)，NSC和UHPC分別在同樣3層FRP情況下，CFRP的約束比分別相對(duì)于GFRP提高了0.013和0.033。同樣5層FRP約束HSC與UHPC，CFRP的約束比分別比GFRP提高了0.041和0.018。

圖13 FRP對(duì)約束比影響

綜上所述：1)CFRP和GFRP約束混凝土短柱的約束比均隨著核心混凝土強(qiáng)度增大而減??；2)約束比隨著纖維布層數(shù)的增加而增大，但是約束比的增大速度略有減緩；3)同種情況下，CFRP約束短柱的約束比均高于GFRP約束短柱的約束比。

2.4 FRP層數(shù)影響

2.4.1 CFRP約束混凝土短柱

圖12 約束比隨GFRP層數(shù)的變化曲線

不同層數(shù)CFRP約束NSC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖14所示，由圖可知對(duì)于NSC短柱，不同層數(shù)CFRP的約束都使其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征。不同層數(shù)CFRP約束HSC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖15所示。由圖可知，HSC短柱在1層CFRP約束下未出現(xiàn)應(yīng)變硬化；當(dāng)CFRP為3層、5層時(shí)曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。不同層數(shù)CFRP約束UHPC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖16所示，由圖可知核心混凝土為UHPC時(shí)，不多于3層CFRP約束短柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均未現(xiàn)應(yīng)變硬化階段，5層CFRP時(shí)曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化。

圖14 不同層數(shù)CFRP約束NSC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖15 不同層數(shù)CFRP約束HSC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖16 不同層數(shù)CFRP約束UHPC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

綜上所述，同種核心混凝土短柱的極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變隨CFRP層數(shù)的增加而增大；隨著混凝土強(qiáng)度的提高，應(yīng)變硬化現(xiàn)象的出現(xiàn)需要的CFRP層數(shù)閾值增大。

2.4.2 GFRP約束混凝土短柱

不同層數(shù)GFRP約束NSC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖17所示，對(duì)于NSC短柱試件，不同層數(shù)GFRP的約束都使試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化的特征。不同層數(shù)GFRP約束UHPC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖18所示，核心混凝土為UHPC時(shí)，5層及以內(nèi)GFRP約束的短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)應(yīng)變硬化，9層GFRP時(shí)曲線表現(xiàn)出應(yīng)變硬化。

圖17 不同層數(shù)GFRP約束NSC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖18 不同層數(shù)GFRP約束UHPC短柱應(yīng)力-應(yīng)變曲線

綜上所述，核心混凝土不變情況下，GFRP約束短柱的極限強(qiáng)度和應(yīng)變都隨著GFRP層數(shù)的增加而增大；隨著混凝土強(qiáng)度的提高，應(yīng)變硬化現(xiàn)象的出現(xiàn)需要的GFRP層數(shù)閾值增大。

綜合第2.4.1節(jié)和第2.4.2節(jié)討論可以得出：核心混凝土不變情況下，CFRP，GFRP約束短柱的極限強(qiáng)度和應(yīng)變都隨著GFRP層數(shù)的增加而增大；隨著混凝土強(qiáng)度的提高，應(yīng)變硬化現(xiàn)象的出現(xiàn)需要的CFRP和GFRP層數(shù)閾值增大；同種混凝土情況下CFRP層數(shù)閾值要低于GFRP。與眾多學(xué)者研究[16-19]不同的是：1)在FRP層數(shù)較少時(shí)，UHPC短柱的應(yīng)變硬化階段沒有出現(xiàn)或者不明顯；2)當(dāng)FRP層數(shù)達(dá)到閾值，其曲線均出現(xiàn)應(yīng)變硬化。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)椋菏趾迟N質(zhì)量與機(jī)器纏繞或預(yù)制FRP管有較大差距，但是工程加固中手糊粘貼FRP方法應(yīng)用廣泛，研究具有必要性。

2.5 FRP對(duì)極限強(qiáng)度的提高率影響

通過(guò)極限強(qiáng)度提高率rσ描述FRP對(duì)于混凝土的約束效果。CFRP約束混凝土短柱和GFRP約束混凝土短柱的rσ變化曲線如圖19，20所示，由圖得知，兩種同層數(shù)纖維布約束的rσ均為隨著核心混凝土強(qiáng)度提高而降低，rσ隨著纖維布層數(shù)的增加而增大，并且呈現(xiàn)出較強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系；由于CFRP比GFRP具有更高的抗拉強(qiáng)度和更低的變形能力，變量只為FRP種類時(shí)，CFRP在3層和5層時(shí)均比GFRP的rσ大。這和鄧宗才[18]所得到的結(jié)論一致：與未約束試件相比，3，5，7 層CFRP約束試件抗壓強(qiáng)度分別提高63.88%，104.40%和167.90%；3，5，7 層GFRP約束試件抗壓強(qiáng)度分別提高10.25%，56.71%和140.44%。CFRP約束混凝土短柱下應(yīng)變變化曲線如圖21所示，由圖可知，極限應(yīng)變隨著核心混凝土強(qiáng)度提高而降低。GFRP約束混凝土短柱下應(yīng)變變化曲線如圖22所示，由圖可知，極限應(yīng)變隨著FRP層數(shù)增加而增加。

圖19 CFRP約束混凝土短柱rσ變化曲線

圖20 GFRP約束混凝土短柱rσ變化曲線

圖21 CFRP約束混凝土短柱應(yīng)變變化曲線

圖22 GFRP約束混凝土短柱應(yīng)變變化曲線

綜上所述：1)CFRP和GFRP約束的試件rσ均為隨著核心混凝土強(qiáng)度提高而降低；2)rσ和極限應(yīng)變都隨著核心混凝土強(qiáng)度提高而降低；3)rσ和極限應(yīng)變隨著纖維布層數(shù)的增加而增大。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)UHPC短柱FRP層數(shù)達(dá)到閾值前，試件達(dá)到極限強(qiáng)度后，承載力迅速下降，表現(xiàn)出明顯的脆性特征；當(dāng)FRP層數(shù)達(dá)到閾值后，發(fā)生破壞后仍能保持良好整體性。

(2)CFRP比GFRP能更好地提高混凝土短柱的極限強(qiáng)度,而且應(yīng)變硬化現(xiàn)象的出現(xiàn)需要的CFRP層數(shù)閾值小于GFRP層數(shù)閾值，具有更好的約束效果。

(3)約束比隨著FRP層數(shù)增加而增大，CFRP的約束比大于GFRP，F(xiàn)RP可有效提高混凝土短柱極限強(qiáng)度，并隨著FRP層數(shù)的增加而提高。

(4)隨著核心混凝土強(qiáng)度的提高，應(yīng)變硬化現(xiàn)象需要的FRP層數(shù)閾值越來(lái)越大，即需要的約束比越來(lái)越大。

(5)極限強(qiáng)度提高率和極限應(yīng)變均與核心混凝土強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，且都隨著FRP層數(shù)的增加而增大。同樣層數(shù)下CFRP能比GFRP具有更大的極限強(qiáng)度提高率。

(6)為了使極限強(qiáng)度得到大幅提高以及能更好地保證應(yīng)變硬化階段的出現(xiàn)，手糊式FRP約束UHPC短柱需要較高的側(cè)向約束。