FRP加固對凍融再生混凝土短柱承載性能的影響

何媛媛， 董江峰， 董世海， 王清遠

(1.四川大學 新能源與低碳技術研究院， 四川 成都 610065； 2.四川大學 建筑與環境學院， 四川 成都 610065； 3.四川大學 深地科學與工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610065；4.成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072； 5.成都大學， 四川 成都 610106)

0 引 言

據相關數據分析，城市垃圾中建筑垃圾占比高達40%，其中廢棄混凝土塊占比達60%以上[1-2].目前，對廢棄混凝土的再生利用已成為建筑行業和環保行業的重大關注熱點，但再生混凝土因為孔隙率高、吸水性強、收縮徐變大等特點[3-5],導致其承載能力和耐久性能在凍融循環的環境下明顯降低[6-8]，這嚴重影響了再生混凝土在嚴寒地區的使用.對此，國內外學者對提高再生混凝土的抗凍融性能做了大量探索，相關研究表明：再生骨料替代率對再生混凝土的承載能力和耐久性能有較大影響，適當的再生骨料替代率可以大幅提高再生混凝土的承載能力和抗凍性能，但不同的試驗結果在再生骨料的最佳替代率取值范圍上存在一定的差異，主要集中于35%～60%；高孔隙率使得再生骨料受凍融影響比原生混凝土大；再生混凝土的力學性能同時還受水灰比影響，水灰比越小再生混凝土強度越高，受凍融循環影響越小，在同一水灰比下再生骨料抵抗凍融循環的能力高于原生骨料[9-11].針對再生骨料的多孔性，有研究表明，纖維增強技術橋接內部孔隙可以有效提高承載能力，但力學性能的改善程度隨纖維種類和纖維摻量的不同而變化[6-7].此外，鋼筋再生混凝土結構和外包纖維布加固技術是工程中常用的再生混凝土的結構增強方法.該方法可以將再生混凝土的受力狀態從單向受力變成三軸受力，優化了結構的荷載分布，提高結構承載能力.同時，承載能力的提高程度與配筋率，外包纖維布材質、厚度、種類及加固方式等因素密切相關[12-13].

本研究通過從摻加玄武巖纖維絲、試件截面形式、再生骨料配合比及纖維布加固類型等方面分析在凍融循環下對試件力學性能的影響程度，并提出了優化再生混凝土短柱抗凍融性能的優化方案.

1 試驗概況

1.1 材料與試件

試驗試件為方形短柱和圓形短柱，其中方形短柱尺寸為，100 mm×100 mm×400 mm，圓形短柱尺寸為，直徑100 mm、高400 mm.澆筑所用的原生骨料按《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢測方法》(JCJ53-92)進行篩分處理，取粒徑為2.36～19 mm間的骨料，并按《普通混凝土用沙、石質量標準及檢測方法》測其基本性能指標(見表1).再生骨料來源為四川都江堰災區震后建筑廢棄垃圾，經顎式破碎機機械破碎人工篩分而成，粒徑范圍為4.75～19 mm.細骨料為河沙，表觀密度為1 460 kg/m3，含沙量為1.34%，細度模數為2.8,水為自來水.同時，在混凝土拌合物中摻入了體積摻量為2%的玄武巖纖維絲，纖維絲長度在15～19 mm之間，直徑為13 μm.加固用碳纖維布屈服強度為2 400 MPa，極限應力為4 100 MPa，彈性模量為242 GPa，泊松比為0.02.由于再生骨料吸水率大，拌合澆筑前對再生骨料進行吸水飽和處理，測其吸水率為2.25%.再生粗骨料的相關指標和試驗用混凝土配合比見表1、表2.

表1 粗骨料材料特性

表2 再生混凝土配合比

為測定不同再生骨料替代率下的再生混凝土的力學性能，將配制好的不同替代率下的再生混凝土澆筑成150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊和直徑為114高為200 mm的圓柱體試塊，分別測其抗壓強度和劈裂抗拉強度，結果見表3.

表3 試驗用再生混凝土力學參數

1.2 試驗方案設計

本試驗共設計了18根再生混凝土方形短柱試件和6根再生混凝土圓形短柱試件，共分為8組，每組均由再生骨料替代率為0%、50%和100%試件各一根組成，其中：B0組為基礎對照組，用以比較玄武巖纖維絲對再生骨料承載性能的提高程度；B1為對照組，B2為凍融未加固組；B3為凍融后CFRP全包加固組，B4為凍融后兩層CFRP加固，B5為凍融后CFRP和BFRP各一層混合加固；組C1、C2分別同組B1、B2.試件中，B表示方形試件組，C表示圓形試件組.試驗中分別對玄武巖再生混凝土短柱進行凍融循環試驗，凍融循環試驗后進行FRP加固處理.

1.3 加固方案及應變片布置

加固試件采用同種半包加固方式，具體為：粘貼碳纖維布兩層;為保證粘貼強度,截斷處留有1/4周長且內外層纖維布截斷處錯開處理;加固位置分布為，從柱頂至上而下0～10 mm、15～25 mm、30～40 mm處；在加固時，對纖維布粘貼處打磨,擦拭丙酮,自然風干后涂抹底膠,纖維布浸濕后粘貼于加固處.

應變片布置方式為:未加固試件從柱頂至柱底5 mm、20 mm、35 mm處分別布置相互垂直的軸向和周向應變片;加固試件除上述應變片布置外12.5 mm、27.5 mm處均垂直布置的軸向和周向應變片.

試件具體的纖維布加固和應變片布置方式分別如圖1、圖2所示.

圖1試件加固方式

圖2應變片布置

1.4 凍融與加載方案

本試驗的凍融方案嚴格按照《凍融循環試驗規范》進行凍融試驗設計.因前期試驗中發現素混凝土短柱試件在經歷55次凍融循環后已經嚴重破壞,故此次試驗設置凍融循環次數均為40次.每次凍融循環完成時間為4 h，用于融化的時間占1/4.在凍結和融化完成過程中，試件中心溫度分別控制在-18±2 ℃和5±2 ℃范圍內，任意時刻試件中心溫度不高于7 ℃且不低于-20 ℃.具體的凍融溶液和凍融試件的溫度—時間關系如圖3所示.圖中，B為凍融溶液，D為凍融試件.

靜載試驗采用200 T壓力機進行加載，每根試件加載方案相同：加載時，先對試件進行預加載，采用分級加載方式進行，加載速度0.5 kN/S.每級加載5 kN，保持荷載3 min，等儀器數值穩定后，記錄試驗數據.加載過程中為了更加準確地測量處于單軸壓縮試驗試件的變形，分別用3個位移計與上部蓋板的3個角接觸，測量其各個角在加載過程中的豎向位移.

圖3凍融液溫度與試件溫度

2 結果與分析

2.1 試驗現象分析

2.1.1 未加固試件.

試驗發現：對于未加固試件，加載初期試件的荷載—應變曲線呈線性變化，試件表面無明顯裂縫；隨著荷載的繼續增加，試件豎向位移和軸向應變逐漸增大，同時出現周向應變；荷載增大至極限荷載的75%～85%時，試件因為周向變形太大達到混凝土極限拉應變而開始出現微小裂縫，并伴隨著清脆的混凝土劈裂聲；隨著荷載的繼續增大，短柱表面的裂縫寬度迅速增大，裂縫數量逐漸增多，并不斷向兩端擴展；隨后試驗短柱的裂縫寬度、位移急劇增加，各測點應變片值均急劇變化或者溢出，當荷載達到極限荷載時，混凝土裂縫貫穿，荷載繼續增加直至試件破壞.未加固試件的典型破壞形態如圖4(a)所示.

2.1.2 加固試件.

對于加固試件，混凝土短柱在加載試驗中的破壞過程大致分2個階段.

第一階段：加載前期，荷載較小，混凝土短柱產生的橫向變形較小，FRP環向約束基本沒有發揮作用，試件表面無明顯變化，FRP橫向應變發展緩慢，荷載幾乎全部由混凝土承擔，加載的曲線和未加固纖維混凝土短柱的變化情況類似.

第二階段：當荷載達到一定程度時，混凝土的橫向變形逐漸變大，FRP環向應變逐漸增加，FRP材料對混凝土短柱逐漸起到約束作用.由于加固材料及方式的不同使得不同的加固方式下混凝土短柱破壞形態略有差異，具體表現為：

1)CFRP加固試件(B4組試件)，以B41為例.當荷載加載到190 kN，混凝土和FRP界面開始剝離，發出尖銳的響聲，未加固區可以看到明顯的混凝土裂縫；荷載達到235 kN，纖維絲開始出現拉斷現象，混凝土裂縫明顯增多；荷載為270 kN，位移急劇增大，FRP纖維開始大規模拉斷，最終試件破壞.

2)CFRP+BFRP混合加固試件(B5組試件)，以B51試件為例.試件加載初期基本沒有明顯的現象發生；當荷載達到175 kN，試件表面纖維布出現外鼓和褶皺現象，內層纖維絲開始被拉段并伴隨著纖維絲拉斷聲；荷載為200 kN時，外層開始被拉斷，纖維布約束作用減弱，試件位移、混凝土橫向變形急劇增大，最終試件上部纖維絲被全部拉斷失去約束作用而破壞.試件破壞照片如圖4(b)所示.

通過以上試驗可以看出，由于BFRP脆性較大，并且與混凝土粘接性能較好，表現出較好的整體性能，當荷載達到一定程度時，混凝土因被約束而積蓄了很大的能量，最終纖維絲達到極限拉應力時瞬間發生整體斷裂.對于CFRP+BFRP混合加固，其兩層纖維之間的粘接性能較差，會出現剝離現象，里層和外層纖維并不是在同一時間發生斷裂，一般是里層CFRP拉斷后，外層BFRP也會很快因為拉應力太大而發生斷裂.

圖4各試件典型破壞形式

2.2 試件承載力分析

各組試件的極限承載力、極限位移如表4所示.

從表4數據可知，再生混凝土短柱摻加玄武巖纖維絲后承載力可平均提高30%，最高可提高35%.素再生混凝土短柱在經歷凍融循環后極限承載力的影響情況根據截面形式的不同略有不同.方形再生混凝土經歷凍融循環后承載力平均降低了37%，對于再生骨料替代率為100%的試件極限承載力降低最大，最高降低了42%，對于再生骨料替代率為50%的試件極限承載力降低最小，降低了32%.試驗表明：再生骨料抵抗凍融循環的能力比原生骨料差，但合適的再生骨料配合比有利于再生混凝土的結構性能；圓形截面再生混凝土短柱經歷凍融循環后極限承載力平均降低了31%，其中再生骨料替代率為0%的再生混凝土短柱極限承載力降低幅度最小.綜合方形截面試驗結果可知，截面不同引起的再生混凝土試件承載性能的差異與混凝土結構的離散性相關.

表4 試件信息匯總

針對工程中存在的混凝土柱大多以方形截面形式存在，本研究重點探討了凍融循環環境下纖維加固方形再生混凝土柱的優化加固方案.試驗分析了不同的纖維加固材料對再生混凝土承載性能的影響.從組B3與組B2的對比可知，兩層CFRP全包加固可將試件極限承載力平均提高135%，其中對再生骨料替代率為100%的再生混凝土試件極限承載力提高最大，最大提高182%，其次為再生骨料替代率為50%的試件，極限承載力提高126%.試驗表明，纖維布加固措施對再生混凝土短柱的承載性能提高優于原生混凝土短柱.但全包加固在實際工程運用中經濟性能較低，故本試驗探討了不同的半包加固形式對再生混凝土短柱承載性能的影響.對比組B4和組B5試件可知，兩層CFRP加固試件的極限承載力平均比CFRP+BFRP加固提高了16%.各試件組的荷載—位移關系對比如圖5所示.

圖5各試件組荷載—位移曲線

3 結 論

試驗結果表明：摻加玄武巖纖維絲可以提高再生混凝土的承載能力，其承載能力最高可提高35%；截面形狀對再生混凝土短柱的承載能力有較大影響，因方形截面的受力面積大于圓形截面故方形截面的承載能力優于圓形截面，但在經歷凍融循環影響環境下方形截面的承載能力降低幅度大于圓形截面；再生混凝土短柱凍融損傷后全包加固可以大幅度提高試件的極限承載力，最高可提高182%，但經濟性較半包加固差；半包加固中，兩層CFRP加固優于CFRP+BFRP加固.