玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋混雜纖維混凝土短柱軸心受壓性能的研究*

肖良麗 紀(jì)勤敏 杜 壯

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,武漢 430065)

鋼筋腐蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境條件下的主要問題。已經(jīng)進(jìn)行了幾項(xiàng)研究來克服鋼腐蝕問題，包括使用新材料代替鋼筋[1]。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)筋作為一種新型材料，因其高強(qiáng)質(zhì)輕、抗腐蝕等主要的材料特性，能夠代替普通鋼筋用于工程結(jié)構(gòu)中[2-3]，從本質(zhì)上解決因鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性降低等工程實(shí)際問題[4-5]。隨著對(duì)混凝土性能不斷研究改進(jìn)的過程，國(guó)內(nèi)外材料學(xué)專家及學(xué)者發(fā)現(xiàn)將纖維摻入水泥基材料中能夠提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，使裂縫的開展得到抑制。纖維混凝土因其能降低混凝土脆性、提高其韌性便應(yīng)運(yùn)而生[6-13]。鋼-聚乙烯醇(PVA)混雜纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土作基材，鋼纖維和PVA纖維增強(qiáng)材料摻入基材中組成的復(fù)合材料。纖維與混凝土在工作中發(fā)揮材料各自的性能。鋼纖維能夠顯著提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和延性，對(duì)阻止混凝土裂縫的擴(kuò)展具有很好的效果[14]。PVA纖維是一種高彈高模纖維，在混凝土中加入一定量的PVA纖維能夠控制混凝土因溫度和塑性收縮產(chǎn)生的裂縫，有效地改善混凝土的抗?jié)B性和抗沖擊性能[15]。

目前已有相關(guān)學(xué)者針對(duì)GFRP筋抗壓性能開展相關(guān)研究，孫麗等在GFRP筋混凝土柱海水環(huán)境軸心受壓試驗(yàn)中，得出海水環(huán)境下GFRP筋在受壓短柱中具有比鋼筋更好的性能優(yōu)勢(shì)和使用價(jià)值[16]。涂建維等設(shè)計(jì)5根配置螺旋箍筋和3根配置普通箍筋方形截面GFRP筋混凝土柱的軸心受壓試驗(yàn)[17]，結(jié)果表明：GFRP縱筋承載力占GFRP筋混凝土柱極限承載力的3%～7%。鄧宗才等進(jìn)行了5個(gè) GFRP筋混雜纖維混凝土(HFRC)柱和1 個(gè)未配筋 HFRC柱的軸壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：提高GFRP縱筋配筋率可以提高短柱的承載力，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出了 GFRP筋HFRC柱峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變以及承載力的計(jì)算式[18]。

GFRP筋可以替代現(xiàn)有鋼筋并發(fā)揮其耐腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)，鋼-聚乙烯醇有提高混凝土強(qiáng)度，抗裂性和延性等優(yōu)點(diǎn)，因此研究GFRP筋與不同摻量鋼纖維和PVA纖維混雜對(duì)混凝土短柱力學(xué)性能的影響，并確定鋼纖維與PVA纖維混雜效應(yīng)時(shí)的最佳摻量，可為工程實(shí)例中類似的短柱提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，按照水泥∶水∶砂∶石子=1.0∶0.54∶1.73∶3.05的配合比，制作C30普通混凝土。鋼纖維和PVA纖維的主要參數(shù)見表1。

表1 纖維主要參數(shù)Table 1 Main parameters of fibers

試驗(yàn)中所采用的鋼筋為表面噴砂帶肋的GFRP筋，直徑為8 mm，桿件肋間距為10 mm，肋高為1 mm，槽寬為4 mm。選擇5根同一批次生產(chǎn)d=8 mm的GFRP筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)得的性能參數(shù)見表2。

表2 GFRP筋性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of GFRP Bars

1.2 短柱設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)制作了6根150 mm×200 mm×600 mm、長(zhǎng)細(xì)比為4的GFRP筋混雜纖維混凝土軸心受壓短柱，其配筋率為0.6%。研究GFRP筋混雜纖維混凝土短柱在不同纖維摻量下的破壞狀態(tài)和規(guī)律。短柱的基本參數(shù)見表3，短柱尺寸及配筋見圖1。

表3 短柱基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of specimens

a—立面；b—1—1截面。圖1 短柱尺寸、配筋 mmFig.1 Sizes and rebars of specimens

在綁扎鋼筋籠時(shí)，扎絲采用十字交叉綁法，遇到變形箍筋不能綁扎太緊，防止GFRP筋彎曲變形影響試驗(yàn)結(jié)果。在粘貼應(yīng)變片前，將筋體打磨平整，使用502膠將應(yīng)變片貼于打磨處，焊錫接線，為了防止應(yīng)變片損壞或短路，用AB膠覆蓋住整個(gè)應(yīng)變片，再用膠帶將電線固定于鋼筋籠上面。澆筑模板時(shí)采用立式澆筑且振搗密實(shí)，待養(yǎng)護(hù)完成后刷上膩?zhàn)臃鄄⒂糜浱?hào)筆在上面畫上50 mm×50 mm的網(wǎng)格線以便后期觀測(cè)裂縫的發(fā)展。其中每組類型短柱澆筑6個(gè)混凝土試塊,尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。短柱澆筑完24 h后拆模，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

同類型澆筑的6個(gè)混凝土立方體試塊，其中抗壓和抗劈裂試驗(yàn)各3個(gè)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)，混凝土立方體試塊力學(xué)性能測(cè)得參數(shù)結(jié)果如表4所示。

表4 試塊力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of mechanical properties of test blocks

可以看出：?jiǎn)螕絇VA纖維體積為2%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度最低，并且其抗拉強(qiáng)度也較?。粏螕戒摾w維體積為2%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均最高。從混雜摻量中對(duì)比可以看出，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度隨著鋼纖維的增多而提高。觀察拉壓比一列中可以看出，摻入纖維的各個(gè)立方體試塊的拉壓比比不摻纖維的試塊的均有所提高，表明纖維的摻入一定程度上提高了混凝土試塊的延性，且隨著纖維總摻量的提高拉壓比也隨之提高，較好地改善了混凝土試塊的脆性破壞。

1.3 試驗(yàn)加載方案

為了研究GFRP筋混凝土軸心受壓柱加載過程中應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，在短柱中部位置的筋材處粘貼了應(yīng)變片，如圖2所示。短柱采用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。加載初始保持值為20 kN,待油壓穩(wěn)定后，按照預(yù)算極限荷載的10%進(jìn)行預(yù)加載，并按估算破壞荷載的5%進(jìn)行分級(jí)加載，加載速度為0.5 kN/s;當(dāng)短柱超過極限荷載的80%時(shí)，按估算破壞荷載的2%進(jìn)行分級(jí)加載，加載速度為0.1 kN/s。每級(jí)加載完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和裂縫的觀測(cè)并記錄。試驗(yàn)對(duì)GFRP筋應(yīng)變和混凝土短柱應(yīng)變分別進(jìn)行了測(cè)量，其極限承載力由壓力試驗(yàn)機(jī)讀取，當(dāng)數(shù)值超過極限荷載并下降到85%時(shí)，壓力試驗(yàn)機(jī)判定短柱破壞，此時(shí)加載試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置 mmFig.2 Arrangements of measurment points

1.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

GFRP筋混凝土短柱及普通鋼筋混凝土短柱的受壓破壞結(jié)果見表5?？梢钥闯觯憾讨跏剂芽p出現(xiàn)在邊角處，內(nèi)部筋體基本都被壓斷，短柱破壞特征為混凝土壓碎破壞，混凝土先于GFRP筋發(fā)生破壞，可見混凝土對(duì)GFRP筋起到一定的保護(hù)和約束作用[19]。摻入纖維的GFRP筋混凝土短柱的開裂荷載要高于普通鋼筋混凝土短柱，不摻纖維和單摻一種纖維的GFRP筋混凝土短柱的極限荷載低于普通鋼筋混凝土短柱，摻入兩種混雜纖維的GFRP筋混凝土短柱的極限荷載要高于普通鋼筋混凝土短柱，短柱破壞形態(tài)見圖3。

表5 短柱的受壓破壞結(jié)果Table 5 Compressive failure results of specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞形式分析

所有短柱加載時(shí)首先從邊角處出現(xiàn)裂縫，并隨著荷載增加緩慢向柱中部延伸。HC-1鋼筋混凝土短柱與GC-1 GFRP筋混凝土短柱相比，GFRP筋混凝土短柱出現(xiàn)的裂縫短小密集，短柱整體性破壞嚴(yán)重，承載力沒有普通鋼筋混凝土短柱高，表明GFRP筋與混凝土的黏結(jié)效果不如鋼筋與混凝土之間的好。但是，在GFRP筋混凝土中摻入一些纖維后承載力瞬時(shí)提高，短柱破壞后與普通鋼筋混凝土短柱相比，完整性較好，表明纖維的加入有很好的阻裂性能，在混凝土沒開裂前由混凝土承擔(dān)拉力，混凝土開裂后由纖維承擔(dān)拉力。纖維可以有效抑制微裂縫的擴(kuò)展，從而增大混凝土的延性，其中短柱GP1S8-1與短柱GP20-1 增大混凝土延性效果最佳，PVA纖維能有效提高短柱的延性。

a—短柱HC-1破壞后形態(tài)；b—短柱GC-1裂縫形態(tài)；c—短柱GC-1破壞形態(tài) d—短柱GP1S8-1破壞后形態(tài)；e—短柱GP1S14-1破壞后形態(tài)；f—短柱GP20-1破壞后形態(tài)；g—短柱GS20-1破壞后形態(tài)。圖3 短柱破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of specimens

2.2 縱筋應(yīng)變分析

HC-1;GC-1;GP1S8-1;GP1S14-1;GP20-1;GS20-1。圖4 不同纖維摻量下軸心受壓短柱荷載-GFRP筋應(yīng)變曲線Fig.4 Curves between axially compressive loads on stubs and strain of GFRP bars in different fiber proportions of PVA

圖4為不同纖維摻量下軸心受壓短柱荷載-GFRP筋應(yīng)變曲線。

可以看出：荷載-GFRP筋應(yīng)變曲線前期呈線性關(guān)系，隨著荷載增加慢慢呈非線性關(guān)系。相同應(yīng)變下，GP1S8-1短柱所能承受荷載最大，GC-1短柱所能承受荷載最小，表明鋼纖維與PVA纖維的摻入提升了GFRP筋短柱承受的荷載，在應(yīng)變?yōu)?.0×10-3之前，短柱GP1S14-1與HC-1承受的荷載曲線基本一致，當(dāng)應(yīng)變達(dá)1.0×10-3之后，前者承載力明顯大于后者，這是由于GP1S14-1中纖維發(fā)揮作用的影響。GC-1斜率變化基本呈線性狀態(tài)，與普通鋼筋相比呈脆性破壞，而其他加入纖維的GFRP筋短柱均有明顯的塑性階段，較好地提升了其延性，所有短柱中GP1S8-1的極限承載力最高，表明GFRP筋混雜纖維混凝土中PVA纖維摻量為0.1%、鋼纖維摻量為0.8%的比例最好。

2.3 混凝土壓應(yīng)變分析

圖5為不同纖維摻量下軸心受壓短柱荷載-混凝土壓應(yīng)變曲線。

HC-1;GC-1;GP1S8-1;GP1S14-1;GP20-1;GS20-1。圖5 不同纖維摻量下軸心受壓短柱荷載-混凝土壓應(yīng)變曲線Fig.5 Curves between axially compressive loads on stubs and strain of concrete in different fiber proportions

在荷載作用下前期應(yīng)變變化都不大，在加載初期基本呈線性關(guān)系；隨著荷載增加，裂縫出現(xiàn)后，應(yīng)變變化速度開始加快，短柱破壞速度也隨之加快，圖5中GP1S8-1混凝土極限應(yīng)變?yōu)?.810×10-3，這是由于應(yīng)變片提前破損導(dǎo)致的。其中短柱HC-1、GC-1、GP20-1均超過了混凝土的極限壓應(yīng)變3.3×10-3，而其余短柱壓應(yīng)變均小于混凝土極限壓應(yīng)變。鋼纖維的加入使混凝土的彈性模量減小，而PVA則使混凝土彈性模量有所增加。

2.4 極限荷載值分析

荷載；荷載變化率。圖6 不同纖維摻量軸心受壓短柱的極限荷載Fig.6 Ultimate loads of axial compression stubs with different fiber proportions

圖6為不同纖維摻量軸心受壓短柱的極限荷載曲線?？梢姡核蠫FRP筋混凝土短柱的極限荷載與普通鋼筋混凝土短柱的相對(duì)比，只有短柱GP1S8-1與短柱GP1S14-1的極限承載力有所提高，分別提高了18.1%與13.6%，表明鋼纖維與PVA纖維的摻入對(duì)GFRP筋混凝土短柱極限承載力的提高有很大幫助，其中鋼纖維摻入提升了短柱的承載力，PVA纖維的摻入提升了短柱的延性。

3 結(jié)束語

基于對(duì)6根不同纖維摻量下的軸心受壓混凝土短柱的試驗(yàn)，研究分析了其破壞形式、縱筋應(yīng)變、混凝土壓應(yīng)變、荷載極限值，主要得出以下結(jié)論：

1)摻入纖維的GFRP筋混凝土短柱具有良好的阻裂效果且破壞后整體性良好。

2)未摻纖維的GFRP筋混凝土短柱呈脆性破壞，摻入纖維的GFRP筋混凝土短柱延性得到提升，且GFRP筋混雜纖維混凝土中PVA纖維摻量為0.1%、鋼纖維摻量為0.8%比例時(shí)最好。

3)鋼纖維的加入使混凝土的彈性模量減小，而PVA纖維則使混凝土彈性模量有所增加。

4)混雜纖維能有效提高短柱極限承載力，鋼纖維摻入提升了短柱的承載力，PVA纖維的摻入提升了短柱的延性。