玄武巖纖維布加固混凝土柱軸壓試驗研究

周　安,　蘇小龍,　沈凱凱,　朱　寧

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥　230009; 2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥　230009)

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玄武巖纖維布加固混凝土柱軸壓試驗研究

周安1,2,蘇小龍1,沈凱凱1,朱寧1

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥230009; 2.土木工程結構與材料安徽省重點實驗室,安徽 合肥230009)

文章針對玄武巖纖維布加固鋼筋混凝土柱,進行軸心受壓性能研究,運用正交試驗法,選擇L9(33)正交表,考慮纖維布種類、包裹層數以及箍筋間距3個影響因素,設計制作了9個試件。研究結果表明:玄武巖纖維加固后柱軸心抗壓承載力平均提高20%,是碳纖維布加固效果的80%;加固后柱軸壓極限承載力的提高幅度隨纖維包裹層數增加而上升,但提高幅度與包裹層數不呈線性關系;在加載達到柱極限承載力的70%之前,纖維布對柱的約束作用并不顯著,之后纖維布的約束作用劇增,較大地延緩了柱的破壞。

玄武巖纖維布;鋼筋混凝土柱;軸心受壓;極限承載力;正交試驗

纖維復合材料(fiber-reinforced polymer,FRP)加固混凝土結構是一種新興的加固方法。研究表明,外貼FRP加固混凝土結構能夠較大地提高其承載能力,具有良好的耐腐蝕性和耐久性等優勢[1]。目前碳纖維增強復合材料(carbon-fiber-reinforced polymer,CFRP)由于其具有較高的抗拉強度和彈性模量,應用最為普遍[2-3]。

玄武巖纖維增強復合材料(basalt fiber-reinforced polymer,BFRP)是用玄武巖在熔融后,通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續纖維[4]。相比于其他纖維增強復合材料,BFRP具有抗拉強度高、穩定性好、耐高溫、抗腐蝕良好、價格便宜等優點[5-7]。

然而目前對FRP的研究大多針對于碳纖維布,關于BFRP加固混凝土結構尚處于起步階段[8],僅有少量的研究,且多為單一因素的對比研究。因此關于玄武巖纖維布約束鋼筋混凝土柱軸心受壓力學性能的研究是必要的，且有著一定的工程應用參考價值。

1　試驗概況

1.1試驗材料

(1) 混凝土強度。試件采用的混凝土設計強度等級為C30,試驗柱預留試塊28 d混凝土立方體抗壓強度fcu=34.5 MPa。

(2) 鋼筋力學性能。縱向鋼筋采用HRB400級鋼筋,箍筋采用HPB300級鋼筋,力學性能見表1所列。

(3) 纖維布力學性能。纖維布種類采用玄武巖纖維和碳纖維,主要力學性能見表2所列。

表1　鋼筋力學性能　MPa

表2　纖維布力學性能

2種纖維布材料強度均低于文獻[9]要求,這可能是由于材料本身強度不夠、試驗機數值有誤差等造成的。

1.2試件設計

試驗采用正交試驗設計方法,選擇三因素三水平正交表L9(33),3個因素分別為纖維布種類、包裹層數和箍筋間距。正交試驗構件設計見表3所列。

試驗設計了9根試件,柱的截面尺寸為250 mm×250 mm,柱高1 500 mm。柱棱邊倒角半徑為25 mm。混凝土保護層厚度為20 mm,試件尺寸及配筋情況如圖1所示。箍筋間距分為3種,圖1只畫出其中1種。

表3　構件設計

圖1　試件尺寸及配筋

1.3加載方案

試驗加載采用YES-5000型長柱壓力試驗機,所有試件均為軸心受壓。

試驗中采用單調分級加載方案[10-12],加載速率為0.5 kN/s。正式加載前先進行預加載,然后進行分級加載。每級荷載不超過理論極限荷載的10%,每級加載完畢后須持荷2～3 min。試驗中若在持荷時間完成后試件出現破壞,取該級荷載值作為試件極限承載力;若在加載過程中試件出現破壞,取前一級荷載值作為極限承載力;若在持荷過程中試件發生破壞,則取該級荷載和前一級荷載的平均值作為極限承載力。

2　試驗現象與結果分析

2.1破壞特征

玄武巖纖維布加固的混凝土柱,加載初期在外觀上未發現任何破壞狀況,環向粘貼的纖維布應變片應變值很小;當加載到極限荷載的60% ～ 70%時,可聽見試件發出較小的噼啪開裂聲,隨后響聲逐漸增多,玄武巖纖維布因混凝土的橫向變形出現較明顯的膨脹;繼續加載,試件中下部出現小部分纖維的斷裂,發出較大的聲響,當達到各約束柱的極限承載力時,試件突然發出巨大的爆裂聲,柱下部纖維布瞬時撕裂并與試件剝離開來,同時試件中下部混凝土被壓碎,散落在實驗臺上,如圖2所示。碳纖維加固混凝土柱在加載過程中的試驗現象與玄武巖纖維布約束比較相似,不同的是碳纖維約束試件發生破壞時,發出的聲響更大,破壞也更突然,而且破壞前碳纖維布很少出現明顯的膨脹。碳纖維加固混凝土柱的破壞狀態如圖3所示。

圖3　CFRP加固柱的破壞

玄武巖纖維布約束混凝土柱的破壞具有爆炸性,破壞基本上發生在試件的下部,在破壞時,包裹的纖維布都會被拉斷、撕裂,說明纖維布很好地約束了混凝土柱的膨脹,發揮了加固的效果。另外,試件破壞看似是脆性破壞,但是相對于未包裹柱的破壞,玄武巖纖維布約束柱在破壞前經歷了很大的橫向變形,所以應該將其看作是具有一定延性的破壞。當BFRP包裹層數較少時,剝離的混凝土顆粒比較大,當包裹層數較多時,剝離的混凝土顆粒很小。這說明包裹層數越多,試件破壞時混凝土的破碎越嚴重。

2.2纖維布應變

在試驗過程中,根據東華DH3816N靜態應變測試系統采集的應變數據,繪制出6根混凝土包裹纖維布的荷載-應變關系曲線,如圖4所示。

由圖4可知,在試驗加載過程中,玄武巖纖維布的應變發展可以分為2個階段。第1階段,從開始到加載值達到試件極限承載力的70%左右時,玄武巖纖維布應變大致呈線性增加且發展比較緩慢,說明在該階段,纖維布所起到的約束作用比較小;第2階段,從試件承載力達到其極限承載力的70%左右開始直至試件破壞,纖維布應變發展非常迅速,并且荷載-應變曲線斜率急劇減小,最后大致呈水平狀,說明在該階段,纖維布對混凝土柱的約束作用非常大。

圖4　2種纖維布荷載-應變曲線

碳纖維布的荷載-應變曲線發展過程與玄武巖纖維比較類似,但也有所區別,主要表現為:在試件加載值達到其極限承載力的70%以后,碳纖維布的應變值相對于玄武巖纖維布發展緩慢,這是由于碳纖維布的彈性模量較大導致的。

2.3承載力影響因素分析

試驗研究的主要指標為試件的極限承載力,根據正交試驗極差分析法[13]對9根試件進行分析計算,得到的K、k、R值見表4所列。

由計算結果可知,纖維布種類的R值最大,包裹層數次之,箍筋間距最小。因此按照極差的大小,影響試件極限承載力的主次順序為:纖維布種類>包裹層數>箍筋間距。

通過正交試驗,可以得到因素各水平變化時,試件極限承載力的變化。試驗3個因素對承載力影響趨勢如圖5所示。

(1) 由纖維布種類影響情況分析可得,包裹纖維布的鋼筋混凝土柱比未加固的柱極限承載力有較大程度的提高,其中玄武巖纖維布的提高幅度大約為20.8%。這說明包裹纖維布可以提高柱的極限承載力,增強構件的承載能力。

(2) 由纖維布包裹層數影響情況分析可得,纖維布加固層數越多,對鋼筋混凝土柱的極限承載力提高越大,但是并非呈線性關系,而且隨著纖維布層數的增多,提高的幅度越來越小。這說明隨著層數的增加,纖維布的強度利用率隨之減少。

表4　極差分析計算結果

圖5　極限承載力變化圖

(3) 由箍筋間距影響情況分析可得,箍筋間距越小,鋼筋混凝土柱的極限承載能力越大。

3　結　　論

(1) 由纖維布荷載-應變曲線可知,在加載達到柱極限荷載的70%之前,纖維布發揮的約束作用并不大;隨后纖維布約束作用劇增,較大地延緩了柱的破壞。

(2) 相對于未加固柱,玄武巖纖維布加固后柱的極限承載力提高幅度平均為20.8%,是碳纖維布加固效果的80%。

(3) 隨粘貼纖維布層數的增加,加固后的極限承載力也在提高,但增加幅度逐漸減小,纖維布抗拉強度利用率逐漸降低。

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[13]李云雁,胡傳榮.試驗設計與數據處理[M].北京:化學工業出版社,2008:124-161.

(責任編輯張淑艷)

Experimental research on reinforced concrete columns strengthened with BFRP under axial compression

ZHOU An1,2,SU Xiaolong1,SHEN Kaikai1,ZHU Ning1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

The experimental research on the reinforced concrete columns strengthened with basalt fiber-reinforced polymer(BFRP) under axial compression was carried out. Nine specimens were designed and made by using the orthogonal experiment method with choosing the orthogonal table of L9(33) and taking into account three influencing factors, namely the types of the FRP, the layer number of FRP and the stirrup spacing. The research result shows that the bearing capacity of reinforced concrete columns strengthened with BFRP averagely improves 20%, which is equivalent to 80% of that of carbon fiber-reinforced polymer(CFRP). The ultimate bearing capacity of the columns strengthened with FRP increases with the increase of FRP layers, but there is no linear relationship between them. Before reaching 70% of the ultimate bearing capacity of the columns, the constraint effect of fiber cloth on the columns is not significant. After this, the constraint effect of fiber cloth increases, delaying the columns failure greatly.

basalt fiber-reinforced polymer(BFRP); reinforced concrete column; axial compression; ultimate bearing capacity; orthogonal experiment

2015-03-23；

2015-10-11

安徽省自然科學基金資助項目(1408085MKL14)

周安(1964-),男,安徽績溪人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.015

TU599；TU375.3

A

1003-5060(2016)08-1080-04