CFRP約束高強PE-ECC短柱受壓力學性能研究

鄭松彬

（深圳大學土木工程學院 深圳）

1 引言

工程纖維增強水泥基復合材料（EngineeredCementitiousComposite，簡稱ECC）是指基于斷裂力學、微觀物理力學和統計學優化設計，使用短纖維，且纖維摻量不超過復合材料總體積的2.5%，硬化后具有應變硬化特征，在拉伸荷載作用下可產生多條細密裂縫，達到極限拉應變前裂縫寬度能夠有效控制在100μm以下，極限拉應變可穩定達到3%以上的新型工程用水泥基復合材料，因具有高韌性、高延展性以及良好的裂縫控制能力而受到國內外學者廣泛關注和研究[1]。

近20年來，國內外對ECC的研究取得了較大進展，1998年Victor C.Li研究測得了PVA-ECC具有非常好的應變硬化特征及控制裂縫寬度能力，平均裂縫寬度穩定在60μm左右，并通過對ECC和FRC受壓試驗的對比，得出了ECC的抗壓應變能力比FRC提高約50～100%[2]，2004年GaoSong等主要分析了粉煤灰摻量對ECC性能的影響，研究表明合適的粉煤灰摻量能顯著改善ECC材料的延性[3]，2006年王曉剛等研究了不同試驗方法及纖維摻量對ECC斷裂能的影響，ECC與普通混凝土相比具有很高的延性和斷裂能，并且具有明顯應變硬化和多裂縫開展特性[4]，2009年徐世烺等通過對273個試件的軸心受壓試驗，得出ECC的峰值應變明顯大于普通混凝土的峰值應變，基本在0.5%左右[5]，2014年姜海軍等通過對PVA-FRCC棱柱體（150mm×150mm×550mm）試件進行軸心受壓試驗，獲得了PVA-FRCC的應力-應變全曲線，并研究了PVA纖維摻量對峰值應力、峰值應變、彈性模量等參數的影響，根據實測的試驗數據給出了應力-應變曲線模型的表達式[6]，2016年東南大學的朱忠鋒、王文煒對FRP網格增強ECC加固鋼筋混凝土圓柱受壓性能進行了試驗研究。研究表明：FRP網格增強ECC加固層對核心混凝土柱提供了有效的側向約束應力，延緩了縱筋的屈服；加固柱的破壞形態表現為FRP網格斷裂，且隨著網格纏繞層數的增加，加固柱的承載力和變形均有所提高[7]。目前國內外針對使用聚乙烯醇（PVA）纖維及無約束ECC單軸受拉或受壓性能的研究較多，但對聚乙烯（PE）纖維及約束ECC研究較少。未約束ECC的受壓力學性能雖較普通混凝土優異，峰值應變大約為普通混凝土的2倍[5]，但延性仍然較差。本文通過研究單向碳纖維布（CFRP）約束高強PE-ECC，在提高強度的同時也能增強ECC的變形能力，從而提高結構的延性，為在實際工程運用于高強結構中提供參考。

本文將研究棱柱體試塊（100mm×200mm）不同的倒角率ρR（這里定義為2倍倒角半徑R與邊長D的比值ρR=2R/D）、PE纖維體積摻量ρν及CFRP約束層數CFRP對高強PE-ECC受壓力學性能的影響，測出不同工況下的受壓應力應變曲線，提出CFRP約束高強PE-ECC組合結構延性最優組合。

2 試驗概況

2.1 試驗用材

本文配置的ECC材料較傳統ECC材料有所調整，主要使用礦粉、硅灰及碳酸鈣替代了粉煤灰，這有助于提高ECC的早期強度，水泥使用華潤P.O.52.5R標號，具體材料參數如表1所示。

表1 ECC材料參數

2.2 試件設計

ECC短柱試件尺寸采用不同倒角率ρR的截面形狀，見圖1，高度為200mm，ECC的制作方案如表2所示。

圖1 不同倒角率ρR試件

表2 試驗方案

2.3 試件制作

試件制作主要流程見圖2。試件拆模后放入養護室在標況下養護28d，浸漬膠貼好布在常溫下養護7d。

圖2 試件制作流程圖

2.4 加載方案及裝置

試驗所用儀器為深圳大學濱海土木工程耐久性重點試驗室結構大廳放置的3000kN液壓伺服壓力機、采集裝置采用DEWESOFT動態采集系統、DIC數碼采集系統、荷載傳感器采用江蘇溧陽超源儀器廠生產的3000kN力傳感器、豎向位移計固定裝置等，加載裝置見圖3。

圖3 試驗加載裝置

所有試件在3000kN的微機控制電液壓伺服壓力試驗機加載，先采用應力控，加載速率為0.5MPa/s，接著采用位移控，加載速率為0.2mm/min，直至試件破壞。通過DEWESOFT動態采集系統可以采集到力傳感器、豎向位移計讀數從而測得應力及軸向位移；通過DIC數碼采集系統可以測到試件的豎向應變及環向應變。

3 試驗結果及分析

3.1 試件破壞模式

從試驗中發現，未約束的ECC塊的破壞一般發生于加載端頭位置，端頭角部位置先出現多條細裂縫，隨著裂縫的開展，試件隨之破壞。約束的ECC試塊破壞形式主要表現為當中部橫向應變達到CFRP斷裂應變時，隨著一聲斷裂巨響，CFRP被拉斷，承載力急劇下降，試件退出工作。倒角率ρR=0.4，ρR=0.6，ρR=1.0及3層CFRP約束下的ECC試塊出現明顯脆性破壞特征，倒角率ρR=0.2試塊出現梯度破壞形式。倒角率ρR=0.2，ρR=0.4，ρR=0.6的試件斷裂主要發生在倒角位置，這主要由于倒角位置出現集中應力，破壞后ECC主要出現一條大的貫穿裂縫，主要破壞形式見圖 4（a）～（c）。

3.2 強度變化曲線及結果分析

強度變化曲線如圖 5（a）～（c）所示。

（1）從圖 5（a）可知，對于 2%纖維摻量，倒角率 ρR=0.2，ρR=1.0 的 ECC短柱，隨著CFRP層數的增加，抗壓強度都不斷增大。倒角率越大增加的幅度越大，約束效果越加顯著。對于倒角率ρR=0.2的ECC短柱，一層CFRP平均強度提高8%，約束效果不是很顯著，但在二層及三層FRP的約束下，平均強度分別提高了20%，25%，約束效果顯著。對于倒角率ρR=1.0的ECC短柱，在一層、二層及三層CFRP的約束下，平均強度分別提高了28%、42%、54%，約束效果非常顯著。這說明隨著約束剛度的增大，倒角率的增大，約束PE-ECC試塊強度提高更加明顯。

（2）從圖 5（b）可知，在 2 層 CFRP 約束下，倒角率 ρR=0.2，ρR=1.0 的ECC短柱，隨著纖維摻量的增加，抗壓強度減小，減小幅度不大。對于倒角率ρR=0.2的ECC短柱，纖維摻量1.5%、2%的平均強度比纖維摻量1%分別減小1%、8%。對于倒角率ρR=1.0的ECC短柱，纖維摻量1.5%、2%的平均強度比纖維摻量1%分別減小3%、5%。

（3）從圖5（c）可知，對于2%纖維摻量，在2層CFRP約束下，隨著倒角率的增大，平均抗壓強度增大。倒角率ρR=0.4，ρR=0.6，ρR=1.0的平均抗壓強度比倒角率ρR=0.2的分別提高了8%、11%、24%。

圖4 ECC試塊破壞模式

3.3 應力應變曲線及結果分析

應力應變曲線如圖 6（a）～（e）所示。

3.3.1 CFRP約束PE-ECC應力應變曲線特點分析

從圖6可知，在彈性階段，應力應變曲線的斜率基本相同，這主要是由于剛開始受壓時，主要由基體起作用，纖維的增強韌性作用、CFRP的約束作用基本得不到發揮。隨著荷載的增加，基體中的缺陷開始引發裂縫，并緩慢擴展、延伸。基體的界面粘結力開始起作用，CFRP的約束作用開始發揮，由于纖維和基體相互作用不斷出現新的裂縫，逐漸形成微裂區，導致材料內部損傷，應變增長速度大于應力增長速度，應力－應變關系呈曲線變化。①從圖6（a）（b）可知，隨著CFRP層數的增加，約束剛度增加，應力應變曲線斜率減小更加緩慢。隨著應變增長速度進一步加快，應力-應變曲線的斜率急劇減小，此時由于基體界面粘結力迅速失去作用，CFRP來不及承擔這部分粘結力，曲線出現急劇下降，應變也急劇增大，約束層數越多的CFRP-ECC試塊將更快速做出反應，此階段將主要由CFRP在起作用，試件不再出現新的裂縫，微細裂縫不斷延伸擴展成若干條通縫。PE纖維的阻裂作用開始明顯的發揮。當CFRP達到斷裂應變時，CFRP被拉斷，承載力將急劇下降，約束剛度越大的CFRP-ECC試塊下降幅度更大。②從圖6（c）（d）可知，隨著纖維摻量的減小，基體的粘結力更大，在相同約束層數時，應力應變曲線斜率減小更加緩慢。當基體界面粘結力迅速失去作用時，CFRP來不及承擔這部分粘結力，曲線出現急劇下降，纖維摻量越小，曲線急劇下降幅度更明顯，CFRP將更快速提約束作用。③從圖6（e）可知，隨著倒角率的增大，CFRP發揮的效果更好，應力應變曲線斜率減小更加緩慢，當基體界面粘結力迅速失去作用時，CFRP來不及承擔這部分粘結力，曲線出現急劇下降，應變也急劇增大，倒角率越大，CFRP將更快速提約束作用。

圖5 CFRP約束高強PE-ECC短柱強度變化曲線

3.3.2 彈性模量、泊松比

彈性模量是應力-應變曲線彈性段的斜率，它反映了混凝土所受應力與應變之間的關系。泊松比是指材料在單向受拉或受壓時，橫向正應變與軸向正應變的絕對值的比值，它是反映材料橫向變形的彈性常數，在材料彈性變形階段內，ν是一個常數。

本文參考美國ASTMC469標準[8]和我國相關混凝土彈性模量試驗量測標準[9]來計算彈性模量，即以應力-應變曲線上兩個固定點為基準計算得到的PE-ECC的割線模量為PE-ECC的彈性模量。為了消除初始裂縫對應力-應變曲線開始階段的影響，本文選擇軸心受壓應力-應變曲線上應力1MPa對應點為第一個基準點，記為（σ1，ε1），取軸心受壓峰值荷載的40%對應應力-應變曲線上的點為第二個基準點，記為（σ2，ε2），因此PE-ECC的彈性模量可按以下式eq.（1）求得：

基于3.3.1分析，由未約束的ECC塊的應力應變曲線，算得：E=29.4Gpa，ν=0.23。

3.3.3 應變分析

（1）從圖 6（a）（b）可知，對于倒角率 ρR=0.2，ρR=1.0，隨著 CFRP 層數的增加，峰值應變增加，未約束ECC的峰值應變在0.35%左右。約束一層CFRP效果不好，約束二層或者三層CFRP，極限壓應變是未約束ECC峰值應變的三倍左右，最大達到1.2%左右，且約束兩層的ECC均出現應力基本穩定不變的狀態下，應變穩定增加的平臺，延性較好。

（2）從圖 6（c）（d）可知，對于倒角率 ρR=0.2，ρR=1.0，纖維摻量的變化對峰值應變影響不大，纖維摻量在2%時，均出現應力基本穩定不變的狀態下，應變穩定增加的平臺，延性較好。

（3）從圖6（e）可知，隨著倒角率的增大，峰值應變增加，極限應變增加，ρR=1.0的延性相對最好。

4 結論

（1）①相同纖維摻量、倒角率的ECC短柱，隨著CFRP層數的增加，抗壓強度增大；②相同CFRP層數、倒角率的ECC短柱，隨著纖維摻量的增加，抗壓強度減小，減小幅度不大；③相同纖維摻量、CFRP層數，隨著倒角率的增大，抗壓強度增大。

（2）未約束的高強PE-ECC短柱，彈性模量E=29.4Gpa，泊松比ν=0.23，峰值應變約為0.35%。

（3）在纖維摻量2%，倒角率為1.0，2層CFRP約束下，出現應力基本穩定不變的狀態下，應變穩定增加的平臺，極限應變達到1.2%左右，延性最好。

圖6 CFRP約束高強PE-ECC短柱應力應變曲線

[1]韓建平，柴巧利．高延性纖維增強水泥基復合材料研究應用新進展[J]．土木工程與管理學報，2011，28（3）：18～23.

[2]LIVC．Engineeredcementitiouscomposites-tailoredcompositesthrough micromechanicalmodeling[C].BANTHIAN，BENTURA，MUFtiA．FiberRein forcedConcrete：PresentandtheFuture．Monuueal：CanadianSocietyfor CivilEngineering，1998：64～97.

[3]SONGG，eta1.TailoringECCforcommercialapplication[-c].Proceedings ofBEFIB．Varenna，LakeComo，Italy，2004，9，1391～1400．

[4]王曉剛，Folker.H.Wittmann，趙鐵軍.優化設計水泥基復合材料應變硬化性能研究[J].混凝土與水泥制品，2006，149（3）：46～49.

[5]徐世烺，蔡向榮，張英華.超高韌性水泥基復合材料單軸受壓應力-應變全曲線試驗測定與分析[J].土木工程學報，2009，42（11）：79～85.

[6]姜海軍，劉曙光，閆長旺，張菊.PVA纖維水泥基復合材料單軸受壓試驗研究[J].混凝土，2014，06：81～83.

[7]朱忠鋒，王文煒.FRP編織網/ECC復合加固鋼筋混凝土圓柱力學性能的試驗研究[J].南京：東南大學學報，2016，46（5）：1082～1087.

[8]OluokunFA，BurdetteEGandDeatherageJH.ElasticModulus，Poisson′sRatio，andcompressiveStrengthRelationshipsatEarlyAges.ACImaterial journal，1991，88（1）：3～10.

[9]中華人民共和國國家標準（GB81-85）.普通混凝土力學性能試驗方法，1985.