FRP 約束再生混凝土柱的研究綜述

楊和賢 馮家誠

（廣東工業大學土木與交通工程學院）

隨著我國城市化的發展，老齡化的建筑也逐漸被拆除，所產生的建筑垃圾也日益增加，大多數的建筑垃圾處理方式就是隨意填埋，而肆意雜亂填埋對環境破壞影響極其嚴重，造成破壞生態系統、影響土質、污染地下水等問題。近幾年來環保問題引起眾多土木領域研究人員的關注，肖建莊等學者對再生混凝土進行詳細的研究，發現隨著再生粗骨料取代率越高，抗壓強度相比天然混凝土的抗壓強度就越來越低，可能是由于新舊混凝土交界面的粘結較弱所導致，同時再生混凝土用水量比較大和再生粗骨料孔隙率高，容易形成應力集中現象[1]。纖維增強復合材料是一種高性能材料，由一種或多種纖維材料和一定比例的樹脂基基質材料根據一定的工藝制成。它具有重量輕、強度高、耐腐蝕、各向異性和設計性強的等特點[2]?，F階段有很多學者研究發現可以將再生混凝土和FRP 組合成新型構件，利用纖維極強的抗拉強度優點對再生混凝土進行側向約束，來降低再生混凝土不利的影響，進而起到建筑廢物高效利用的作用。

1 FRP 約束再生混凝土柱的軸壓力學性能研究

相對再生混凝土柱本身而言，FRP 約束再生混凝土柱具有更高的承載強度、較高的延性?，F今，眾多學者已對FRP 約束再生混凝土進行軸壓試驗力學性能方面的研究。多數研究表明FRP 能提高再生混凝土的軸壓各項力學性能。

ChangGao[3]通過研究不同FRP 類型（GFRP 和CFRP）在不同含磚骨料取代率作用下，發現隨著含磚骨料取代率的增加，承壓試樣的抗壓強度減小，但其軸向變形保持近似恒定。且再生骨料取代率在70%以上時，其抗壓強度基本沒有什么變化；CFRP 約束相對于GFRP 約束表現出較低的極限軸向應變和較高的抗壓強度；在軸向應力-應變曲線第一階段的斜率相似，第二階段的斜率會隨著再生粗骨料取代率增加呈現擺線趨勢；FRP 約束再生混凝土的膨脹率明顯高于約束天然混凝土,同時再生粗骨料取代率增加也會導致膨脹率下降。

TianyuXie[4]通過研究圓形柱和方形柱在類似的有效約束水平下，發現方形柱的抗壓強度比圓形柱要更低、而極限軸向應變更高，這是由于方形柱在棱角處容易發生應力集中，在還未到達極限時，FRP 管就已經失去對混凝土的約束，導致整體組合柱的承載能力降低。而且，圓形和方形碳纖維增強塑料的抗壓強度差異會隨再生混凝土含量的增加而增大。而在給定構件的約束比下，CFRP 管約束與BFRP 管約束相比，有著更高的抗壓強度和更低的極限軸向應變，這也是由于CFRP 材料本身具有較強的抗拉強度所導致的。進而通過數據分析，也可以發現，與帶BFRP 管的再生混凝土柱相比，帶CFRP 管的再生混凝土柱的第二分支軸向應力-應變曲線斜率隨再生粗骨料取代率的增加而減小，CFRP 管約束的環向應變也比BFRP 管約束的要低。同時也發現在其他條件不變的情況下，隨著再生粗骨料取代率的增加，其構件的環向應變卻在降低。

G.M.Chen[5]通過研究發現GFRP 約束再生混凝土和CFRP 約束天然混凝土力學性能相似，軸壓混凝土的抗壓強度隨著再生粗骨料取代率的增加而線性下降。還可以看出，這些曲線的斜率是相似的，意味著從FRP 約束中獲得的混凝土強度增強幾乎不受再生粗骨料取代率的影響。

YingwuZhou[6]通過收集FRP 約束再生混凝土數據庫的分析表明，FRP 能有效提高再生混凝土組合柱的極限強度與極限應變；在不同再生粗骨料取代率情況下，再生混凝土呈現相似的強度。FRP 約束再生混凝土的力學性能主要取決于約束比，而不是FRP 類型，并且再生骨料的取代率對FRP 約束再生混凝土的性能影響很小。

何艷紅[7]通過研究再生混凝土圓柱體（直徑150mm高300mm）在不同厚度CFRP 約束下的影響，得出CFRP包裹層越多，約束剛度越大，極限應力越大，且對應于極限應力的軸向應變更大。對于未約束的混凝土而言，再生粗骨料在0%取代率與100%取代率相比抗壓強度相差1.35 倍，在約束情況下，則相差1.1 倍，進而可以說明在CRFP 的約束下，再生混凝土與天然混凝土之間強度差距減小。約束試件的取代率在0%、25%、50%、75%、100%時，相比其對應未約束試件極限軸向應變是5.97、6.75、9.52、8.21 和9.03 倍。說明，CFRP 的約束作用明顯提高了再生混凝土的延性，改善了再生混凝土的變形能力。且隨著再生骨料取代率的增加,應力應變曲線的轉折區(約束混凝土應力應變曲線第一段和第二段的連接區)曲率變小，轉折區范圍變大。而相比于CFRP 約束普通混凝土，CFRP 約束再生混凝土的側向膨脹變小，約束效果更好。

張曦文[8]研究CFRP 約束再生玻璃骨料混凝土軸壓試驗發現，玻璃再生粗骨料取代率小于50%時，其構件的性能與天然混凝土的抗壓強度差距不大，但玻璃粗骨料取代率大于50%時，會隨著取代率的提升而增加。而在玻璃粗骨料一定時，玻璃細骨料對其構件的抗壓強度影響不大。在齡期方面，發現隨著齡期的增加，再生混凝土試件變得更加密實，抗壓強度增加，極限軸向應變減少。

J.L.Zhao[9]發現與天然混凝土相比，替代率為100%的無約束再生混凝土強度要低得多，且有較大的分散；然而，當再生混凝土受到約束時，測試結果中的散射可以大大減少；Teng 等人(2009)的模型和Jiang 和Teng(2007) 的模型都對FRP 約束再生混凝土柱的極限軸向應力提供了非常準確的預測，但對其應變還是高估，模型還需要修正。

陳劉欣[10]研究PFRP 約束含磚骨料再生混凝土在軸壓荷載下的尺寸效應，發現約束下的核心混凝土柱破壞模式為錐形破壞；PFRP 管的破壞模式分為兩類：高徑比較低時，FRP 管上下呈現貫通撕裂破壞；高徑比較高時，FRP 管則是局部撕裂破壞。小尺寸試件的抗壓強度提高系數遠大于其余尺寸試件，其證明PFRP 約束再生混凝土柱能夠減弱未約束再生混凝土柱的邊界效應。在抗震方面，引入斷裂能系數分析，約束構件的斷裂能都遠大于相應未約束試件的斷裂能，進而證明PFRP 能較大程度地提高再生混凝土的耗能能力，具有很好的抗震性能。

顧光明[11]研究JFRP 管約束含燒結磚骨料再生混凝土，發現JFRP 管約束含燒結磚骨料再生混凝土柱相比約束天然混凝土的應力-應變關系，在過渡階段更長更慢，且第三階段變化線接近水平線而不是上升趨勢。再生混凝土中摻加劍麻纖維能夠提升其約束構件的延性，但其強度有一點的降低，且劍麻纖維摻量占質量分數的3%范圍內降低幅度不超10%時，對應力-應變曲線的峰值應變有一定的延遲作用。隨著核心混凝土強度的提升，泊松比的快速提升階段被延遲。隨著JFRP 管纖維角度增大，泊松比的快速增長階段提前，泊松比的峰值增大。在混凝土中摻入劍麻纖維對泊松比影響不大。在高應力狀態下，受壓試件橫向變形明顯。還發現混凝土強度越低，JFRP 管纖維角度越大，摻入劍麻纖維的混凝土端部應變滯后效應更加明顯。

2 FRP 約束再生混凝土柱的循環加載力學性能研究

張文鵬[12]研究FRP 約束回收砌體骨料混凝土圓柱軸壓試驗，發現在單次循環、三次重復循環、部分卸載重復循環和部分再加載重復循環軸壓作用下，其應力-應變曲線與單調軸壓對照組應力-應變曲線都基本一致，為雙直線型。砌體粗骨料取代率越高，塑形變形的循環加載歷史累加效應越明顯。Lam 和Teng（2009）分析模型用作分析曲線，以預測構件的循環軸向應力-應變曲線，這與測試的實際包絡線基本一致。隨著砌體骨料取代率的增加，對循環加載FRP 約束回收砌體骨料混凝土圓柱的塑形應變的預測從偏低變成了偏高。也就是說再生骨料的取代率越大，模型對塑形應變的預測值就比實驗值高越多。這也證明砌體骨料混凝土在循環軸向壓力下的延展性優于模型預測的延展性。試驗所有循環點的塑形應變-卸載應變測試值關系都展現出近似線性的趨勢。線性擬合結果為：

εpl=0.658εun,env－0.0018

3 FRP 約束再生混凝土柱的抗震性能

肖建莊[13]等人研究發現在低周反復荷載作用下，GFRP 管約束再生混凝土柱的破壞過程和破壞形態與普通混凝土柱相類似。當最終失效破壞時，構件不會發生太大的塑形變形，FRP 管環向開裂，內部核心混凝土沒有發生破碎。試件屈服前，滯回曲線加載和卸載所包圍的范圍大，試件耗能較少；試件屈服后，滯回曲線逐漸偏向水平線，滯回環包圍的面積逐漸變大，耗能能力增加，證明這種約束素混凝土構件的耗能性較差。試件在未配置任何鋼筋情況下的極限位移轉角在1/50.3～1/40 之間，表明構件仍具有較好的彈塑性變形性能，在大震作用下具有較好的抗倒塌能力。在考慮粘結滑移對其抗震性能影響時，發現構件的承載力與滯回性能沒有明顯變化。根據Park 等人的損傷模型進行進一步分析，在相同條件下，隨著再生骨料取代率的增加，試件的損傷指數D 略有增加，而GFRP 管約束的再生混凝土柱的損傷演化速度較普通混凝土略高，參考FIB 相關報告與歐洲規范，結合實際試驗數據擬合出GFRP 管約束再生混凝土柱的抗震試驗下，其構件極限位移公式結果為：

4 展望

本文從FRP 約束再生混凝土柱的力學性能出發，討論分析了近年來國內外的研究成果，在眾多研究結論基礎上，提出以下幾點的研究方向：

⑴目前國內外研究主要集中FRP 約束再生混凝土柱的軸壓、循環加載、抗震的力學性能，但在耐久性方面還鮮有研究，應豐富和發展其結構的理論研究和工程應用。

⑵可以從FRP 約束再生混凝土柱在破壞后的微觀層面入手研究，為其結構研究提供理論支撐。

⑶加強FRP 與再生混凝土之間的粘結作用的研究，進一步完善FRP 約束再生混凝土柱的力學性能理論研究。

⑷由于再生混凝土缺陷較多，可以摻入其他纖維材料增強本身材料的性能，進而提升FRP 約束再生混凝土構件整體性能，也能起到環保作用。

⑸可通過加入鋼筋籠、型鋼、鋼管等豐富結構類型，探究多種結構下性能優劣。