FRP約束RPC軸壓圓柱受力性能試驗研究

黃偉軍

摘要：本文在RPC受力性能研究基礎上，又進行16組32根FR，P包裹RPC短柱軸壓試驗，采集了各級荷載下試件的應變、位移和極限承載力等實驗數據，探討了不同類型FRP布包裹、FRP布的不同包裹方式對RPC極限承載力和變形能力的影響。

關鍵詞：RPC；FRP；極限承載力：變形能力

引言

纖維布（簡稱FRP）以其強度高（約為高強預應力鋼筋的2倍）、重量輕（約為鋼材的1/5）、體積小和免銹蝕等優異性能，外包約束活性粉末混凝土（簡稱RPC）改善其脆性是一種完全新的途徑。采用FRP包裹RPC能改善其延性小、變形差的缺點?；炷两Y構是土木工程中應用最為廣泛的一種結構形式。然而，隨著時間的增長，由于自然作用和一些偶然作用的影響，結構混凝土時常受到損壞。對于受損害的混凝土構件工程中經常會用FRP對其進行加固，并且前人研究中關于CFRP加固混凝土的研究較為充分。近幾年來。以天然玄武巖礦石為原料，高溫熔融拉制而成的連續玄武巖纖維逐漸走入結構加固領域，這不光由于其強度高、無污染、性能穩定，同時同碳纖維相比，其還具有價格低廉的優點。目前，國內外對FRP約束普通混凝土和高強混凝土研究較少，而用FRP約束RPC在國內研究仍屬空白。

1.FRP約束RPC短柱試件設計

為了確定RPC混凝土柱的軸壓力學性能，所選擇的構件長度必須恰當，過長的試件將出現彎曲變形，試驗測得的抗力不能代表真實的抗壓強度；試件過短，則端部效應的影響不能忽略。文獻[3]在分析了大量試驗結果的基礎上，建議標準試件的長徑比（L/D）應取為3—3，5。故本文試驗的RPC柱試件采用鋼模澆筑而成。鋼模的長徑比（L/D）為3。高度取為400mm，直徑為133mm，見圖1-1

2.RPC柱體制作

RPC短柱制作過程如下：

（1）把鋼模拆開，在內表面均勻涂上一層凡士林，合上鋼模上緊螺栓后，放上震動臺，

（2）往鋼模倒人適量的拌制好的RPC。

（3）將攪拌好的拌合物分三次投放，每投一次料，需使用震動臺和震動棒同時振搗約1，5分鐘，最后一次要投放到滿溢出鋼模20mm-30mm為止，再刮平柱的項面，然后用濕布覆蓋防止表面混凝土因干縮開裂。

（4）由于混凝土的干縮會使柱的頂面不平整，而柱面不平整會影響混凝土抗壓試驗的調平和增大偶然偏心距，所以需在柱體拆模后，混凝土具有一定強度時，把頂面打磨平整。

3.FRP材料選用

3.1碳纖維布（CFRP布）

本次試驗采用廣州市實為建材有限公司的碳纖維布（cFRP布），該材料與配套膠粘劑共同使用，可構成完整的性能卓越的碳纖維布材增強體系。碳纖維布具有優異的物理力學性能，抗拉強度高于普通鋼材的10～15倍，彈性模量與鋼材接近，極適合約束混凝土，

3.2玻璃纖維布（CFRP布）

本次試驗采用余姚市經緯玻纖的玻璃纖維布。該材料與上述實為建材的膠粘劑配合使用，可構成完整的玻璃纖維布增強體系。玻璃纖維布的抗拉強度不夠碳纖維布強度高，但極限延伸率卻比碳纖維高，對改善延性防止脆性破壞有重大貢獻。

4.FRP約束RPC短柱軸壓試驗方法

4.1試件設計

本試驗共制作了32根RPC短柱試件，核心RPC的配合比取水泥：硅灰：磨細石英粉：細砂=1：0.3：0.32：1.1。水膠比為0.20，高效減水劑摻量為2.5%。試件經1天成型后拆模，4天室內常溫養護，放入高溫高壓蒸壓釜養護8小時，蒸汽養護后，將其置于室內常溫養護至28天齡期，打磨端部。試件情況見表3-1。試件編號中，英文字母CW系列為碳纖維布包裹系列，GW系列為玻璃纖維布包裹系列，HW系列為混雜纖維布包裹系列。

5.FRP約束RPC軸壓柱特征參數探討

從試驗現象可以看出，用纖維布包裹RPC試件時，纖維布的主要作用是對內部RPC起約束作用，纖維布約束RPC是一種被動約束，隨著RPC軸向壓力的增大，橫向膨脹促使纖維布產生環向伸長從而提供側向約束力。約束機制取決于兩個因素：RPC橫向膨脹性能與外包復合材料的環向剛度。FRP約束混凝土應力一應變曲線呈現雙直線模型，過渡區的應力水平約為無約束混凝土強度，若FRP的使用量過小則有可能令強度幾乎沒有提高。

在第一直線階段，應力一應變曲線與非約束混凝土類似，混凝土未開裂，橫向膨脹較小，纖維布環向應變很小。此時纖維布對混凝土的約束作用很小。在第二直線階段。隨著荷載的增大，內部RPC出現裂縫，體積膨脹，激發纖維布的環向變形，纖維布反過來對核心混凝土提供側向約束，RPC的極限應變得以提高，推遲了RPC的開裂。由于內部RPC受到約束作用。當其應力達到峰值應力時，RPC仍可表現出較好的變形性能。此時，纖維中被動產生的拉應力得到充分發展，拉應力不斷增大。當某處的纖維達到材料的允許極限應變時。纖維被拉斷。試件破壞。在這種情況下，RPC的極限應力和FRP的極限應變是同時達到的，已有的FRP約束普通混凝土和高強混凝土圓柱體試件的試驗中，絕大多數都發生這種破壞，但也有一些試驗中因搭接長度不足出現由接頭處的分離而導致的提前破壞，很多既有研究資料假定，纖維布的約束力與箍筋作用原理相似，通過拱作用有效地施加到核心混凝土上，拱作用發生在截面內以及纖維條帶之間的縱向空隙處。若為條帶包裹，在纖維布包裹到的截面內，RPC所受到的約束最大，有效約束區面積最大：在相鄰纖維布條帶的中間截面上，約束作用最弱，有效約束區面積最小。試件的極限承載力取決于最弱的截面，因此，條帶包裹試件的承載力不如全包的增強效果好：條帶間距越大，相鄰纖維布條帶的中間截面上的約束越弱，試件的極限承載力越小。

6.結果討論與分析

6.1玻璃纖維布（GFRP布）全包裹RPC柱的破壞

從強度角度考察，GFRP包裹RPC柱提高的幅度比CFRP要小，但卻消耗了核心混凝土脆性破壞的巨大能量，改善了延性。從變形角度考察，GFRP與RPC能夠變形協調，因此GFRP約RPC柱的豎向位移有較大的增長，變形能力有較大的提高。

6.2碳纖維布（CFRP）全包裹RPC柱的破壞

從強度方面考察，CFRP提高RPC柱的極限承載力幅度比GFRP大，與RPC柱協同工作，使RPC柱的近似彈性工作區段得到了增加，但因CFRP的極限延伸率比GFRP低，對柱塑性的提高不明顯。從變形方面考察，CFRP約束RPC柱豎向位移有增長，但相對GFRP來說效果不夠理想，建議采用復合纖維包裹方式。

6.3碳纖維布條帶包裹RPC柱的破壞

從強度方面考察，分條包裹在相同層數方面強度提高稍有降低，但若按體積使用率算，同樣的CFRP包裹量分條包裹強度提高幅度比全包更大。從變形方面考察，分條包裹的總體延性要比全包裹略低，但分條包裹破壞前有先兆，有清脆的碳纖維布斷裂聲音，建議在碳纖維布包裹RPC時混合使用全包和分條包裹，尤其在RPC柱端部1/3處應多層包裹。

6.4混雜纖維布（HFRP布）全包裹RPC柱的破壞

從強度方面考察，HFRP混合約束RPC比CFRP約束RPC能顯著提高其強度，并且破壞具有一定的先兆，相對CFRP能較清楚聽到纖維斷裂聲音，加載過程中有類似屈服階段的應力一應變曲線。從變形方面考察，HFRP混合約束RPC比GFRP約束RPC能極大地提高其極限應變，這主要是因為試件受碳纖維布約束的彈性工作段得到了大的增加，而玻璃纖維布本身極限延伸率高，故復合使用兩種纖維能獲得理想的效果。