BFRP筋增強無機聚合物海砂海水混凝土梁的承載性能分析

吳清華,陳思可,謝 亮,李兆恒

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635;2.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣州 510635)

1 概述

無機聚合物是由法國科學(xué)家Davidovits[1]發(fā)現(xiàn)的一種無機材料，其采用鋁硅質(zhì)工業(yè)廢渣為原材料，通過各種堿激發(fā)劑溶解二氧化硅和氧化鋁并形成鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)的一種新型環(huán)保材料[2]，其制備過程中能耗和碳排放量較低，并且結(jié)構(gòu)致密、耐腐蝕性好，適用于海洋工程的服役環(huán)境[3]。

隨著近年來基礎(chǔ)設(shè)施和土木工程建設(shè)的快速增長，可用于建設(shè)的淡水和河砂資源逐漸變得稀缺，在沿海和海島地區(qū)，淡水和河沙的缺乏更為嚴重。為解決這一問題，沿海省份分別用海水和海砂替代淡水和河砂作為建筑材料[4]。研究表明，海水海砂混凝土(SWSSC)的抗壓強度與淡水和河砂混凝土的抗壓強度沒有顯著差異[5]。但海水和海砂中含有大量氯離子，會引起SWSSC結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕膨脹[6-7]，導(dǎo)致各種耐久性問題，例如混凝土保護層的開裂和脫落，會嚴重降低SWSSC結(jié)構(gòu)的安全性，導(dǎo)致后期維修費用增加[8]。采用纖維增強聚合物(FRP)筋代替鋼筋是解決這類問題的有效途徑，混凝土結(jié)構(gòu)中最常用的FRP筋由玻璃(GFRP)、碳(CFRP)和芳綸(AFRP)制成[9]，但由于材料本身的不足，限制了其在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用。比如GFRP筋的力學(xué)性能不足，而CFRP作為土木工程材料的價格卻非常昂貴[10]。BFRP筋(玄武巖纖維筋)作為一種新型環(huán)保材料，具有比GFRP筋更高的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，并且具有成本低、易于制造、耐高溫、振動和沖擊負荷性能優(yōu)良等優(yōu)點[11]。在堿性條件下，BFRP筋比AFRP筋和GFRP筋具有更好的耐久性[12]。此外，BFRP筋的強度是鋼筋的4倍，密度只有鋼筋的1/4[13]，因此，BFRP筋是SWSSC結(jié)構(gòu)中鋼筋的理想替代品。

研究表明，BFRP筋混凝土梁比相同配筋率的鋼筋混凝土梁具有更高的強度[14-16]，其表現(xiàn)與AFRP和GFRP筋混凝土梁非常相似。Sumajouw等[17]研究了鋼筋無機聚合物混凝土細長柱在軸向荷載和單軸彎曲下的性能，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行標準和規(guī)范中包含的設(shè)計規(guī)定可用于設(shè)計鋼筋粉煤灰基無機聚合物混凝土柱。這些研究表明，鋼筋和無機聚合物混凝土，以及BFRP筋和普通混凝土具有類似的粘結(jié)行為和機械性能。本文創(chuàng)新性的設(shè)計了BFRP筋增強無機聚合物海砂海水混凝土梁構(gòu)件，采用無機聚合物替代硅酸鹽水泥，BFRP筋替代鋼筋，并采用海砂海水來制備構(gòu)件梁，通過研究該梁各方面性能，以期運用到實際，借此解決鋼筋在海洋環(huán)境中容易腐蝕，進而解決結(jié)構(gòu)失效的難題，提高結(jié)構(gòu)的壽命，緩解結(jié)構(gòu)維護給社會、經(jīng)濟、環(huán)境帶來的壓力，不斷推動新型高性能建筑材料的發(fā)展。

2 原材料

2.1 膠凝材料

無機聚合物組分及物理力學(xué)性能見表1和表2。

表1 無機聚合物組分

表2 無機聚合物物理力學(xué)性能

2.2 骨料

細骨料：0.25～2 mm連續(xù)級配，產(chǎn)地為珠江口的中粗海砂；粗骨料：5～31.5 mm連續(xù)級配，花崗巖碎石；摻合料：S95級礦粉、粉煤灰；外加劑：減水劑。

2.3 玄武巖纖維筋

玄武巖纖維筋：四川航天拓鑫玄武巖實業(yè)有限公司提供，其力學(xué)性能見表3所示；對照組鋼筋混凝土梁的鋼筋級別為HRB400。

表3 BFRP筋力學(xué)性能

2.4 混凝土配合比

試驗采用的混凝土配合比及28 d抗壓強度見表4。

表4 無機聚合物混凝土配合比及28 d抗壓強度

3 試驗方法

3.1 構(gòu)件設(shè)計和分組

本試驗中無機聚合物海砂海水混凝土梁截面尺寸為100 mm×200 mm，梁長為1 500 mm。縱筋采用φ6 mm和φ8 mm兩種規(guī)格，對應(yīng)受拉側(cè)配筋率分別為0.32%和0.57%，箍筋直徑6 mm，試驗共設(shè)計3種類型梁，分別為WS-8、WBF-6和WBF-8(W表示無機聚合物，S表示鋼筋(Steel)，BF表示玄武巖纖維筋(BFRP)，數(shù)字6、8表示受拉縱筋直徑)，每種試件均為3根，梁的配筋以及綁扎工藝如圖1所示。

圖1 梁配筋示意

3.2 試件制作和加載方案

抗彎構(gòu)件先進行鋼筋和BFRP筋綁扎制作、支模，混凝土澆筑拆模后養(yǎng)護至規(guī)定試驗齡期進行試驗(見圖2)。

圖2 試件制作流程示意

應(yīng)變片布置在每根梁的受拉筋跨中位置以及梁表面上，梁表面應(yīng)變片采用浙江黃巖測試儀器廠的BX120-100AA型號電阻式應(yīng)變片，梁跨中一側(cè)混凝土表面均勻粘貼5個應(yīng)變片，另外每根試驗梁上表面跨中位置對稱布置2個應(yīng)變片，混凝土表面應(yīng)變片共計7個,具體布置情形見圖3。試驗擬采用四點彎曲試驗加載，加載設(shè)備采用電液伺服動靜萬能試驗機(見圖4)。

圖3 應(yīng)變片布置示意(單位：mm)

圖4 抗彎構(gòu)件試驗示意(單位：mm)

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗現(xiàn)象

如圖5和表5所示，對于WS-8梁，第一次開裂發(fā)生在恒定彎矩區(qū)，荷載值為16 kN。隨著荷載的增加，越來越多的裂縫形成，并從跨中向外擴展到剪切跨中。在大約39 kN的載荷下，出現(xiàn)傾斜的剪切裂紋。隨著載荷的進一步增加，這些裂紋向加載點附近的受壓區(qū)擴展。當(dāng)施加在梁上的載荷接近42 kN時，由于中性軸向上移動，裂縫迅速擴展，導(dǎo)致混凝土的壓碎破壞，此時停止加載。

BFRP筋無機聚合物混凝土梁的裂縫現(xiàn)象類似于鋼筋混凝土梁。對于WBF-8梁，當(dāng)施加的載荷達到12 kN時，恒定力矩區(qū)域中出現(xiàn)3條豎向裂縫，裂縫達到最大初始裂縫寬0.3 mm，并延伸至90 mm高度。隨著載荷的增加，現(xiàn)有的裂紋擴展，并且在載荷和支撐之間的區(qū)域形成一些新的彎曲裂紋。隨著外加荷載的進一步增加，大部分彎曲裂縫垂直發(fā)展，之后傾斜裂縫在約36 kN的荷載下開始出現(xiàn)。隨著荷載的進一步增加，傾斜裂縫在長度和寬度方面都朝著施加荷載點向上發(fā)展，并沿著縱向BFRP筋朝著支撐點發(fā)展，受壓區(qū)混凝土截面的有效面積逐漸減小。加載至54 kN時，梁撓度增加至20.83 mm，并在此出現(xiàn)“啪啪”的BFRP筋斷裂聲，此時停止加載。

WS-8

WBF-8

WBF-6

表5 試驗結(jié)果

雖然WS-8梁的開裂荷載高于WBF-8梁的開裂荷載，但WS-8梁在第一次裂縫形成時的撓度為1.0 mm，遠低于WBF-8梁的2.0 mm，此外，WBF-8梁破壞時的裂縫數(shù)量比對WS-8梁多，表明BFRP筋梁比鋼筋梁具有更高的抗斷裂能力，BFRP筋梁在危險情況下起到的預(yù)警作用更加顯著。

WBF-6梁的裂縫發(fā)展與WBF-8梁的一致，但WBF-6梁的初裂荷載、初裂撓度、極限荷載均低于WBF-8梁，極限撓度與WBF-8梁的相差不大。

4.2 混凝土梁荷載—撓度曲線

從圖6a大致可以看出鋼筋梁具有明顯的屈服平臺，表現(xiàn)出良好的延性，實驗結(jié)果與理論分析吻合較好；相比而言，玄武巖纖維筋梁在混凝土開裂后，撓度增長較快，直至梁破壞，曲線依然表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，沒有屈服平臺，梁最終破壞形式為脆性破壞，這跟BFRP筋的脆性性質(zhì)是直接相關(guān)的，由于BFRP筋抗拉強度較大，所以BFRP筋梁的極限荷載要更大。根據(jù)圖6b得出，BFRP筋直徑越大，梁承載能力越大。

a 鋼筋梁與玄武巖纖維筋梁

b 不同配筋率的玄武巖纖維筋梁

為了更直觀的反映梁的荷載撓度特性，在此對曲線進行簡化，只取關(guān)鍵節(jié)點(如圖7所示)。從圖7曲線看出，在相同配筋率的情況下，WS-8的初裂荷載要比WBF-8大，這是因為鋼筋的彈性模量遠大于BFRP筋，在混凝土梁的彈性體階段(開裂前)，其等效截面面積較大，即WS-8梁的初裂承載力要大。而兩者的極限承載力相較而言BFRP筋梁的要明顯更大，這是由于構(gòu)件破壞時受拉筋拉斷，極限承載力主要取決于受拉筋強度。根據(jù)實測結(jié)果，BFRP筋抗拉強度要明顯大于鋼筋的抗拉強度。并且BFRP筋梁的配筋率越大，構(gòu)件的極限承載力越大，撓度發(fā)展相對較慢，剛度較大。

4.3 梁受拉筋荷載—應(yīng)變曲線

受拉筋應(yīng)變隨荷載的變化遵循兩階段過程：短暫的線性上升和逐漸增加。在第1階段，梁中沒有出現(xiàn)裂縫，受拉鋼筋處于彈性階段；隨著荷載的增加，受拉區(qū)域的混凝土應(yīng)力增加，并隨后達到混凝土的抗拉強度，這逐漸導(dǎo)致受拉區(qū)域邊緣的開裂和該區(qū)域的應(yīng)力重新分布。在第2階段，受拉區(qū)域中的混凝土裂縫進一步增長，鋼筋開始單獨承受拉力，這導(dǎo)致鋼筋的應(yīng)變逐漸線性增加，達到極限荷載時，鋼筋的最大應(yīng)變超過6 000 μm。BFRP筋應(yīng)變?yōu)榫€彈性變化，不具備屈服點，當(dāng)荷載加至接近15 kN時BFRP筋表面裹膠破裂導(dǎo)致應(yīng)變片破損，故測出應(yīng)變數(shù)值偏小(如圖8所示)。

圖8 受拉筋荷載—應(yīng)變曲線示意

4.4 荷載—混凝土應(yīng)變關(guān)系曲線

如圖9所示，鋼筋梁和BFRP筋梁在各自開裂荷載之前，荷載與混凝土壓應(yīng)變均成良好的線性關(guān)系變化，開裂荷載之后，混凝土梁受壓區(qū)應(yīng)變同樣呈現(xiàn)出線性變化，并在達到各自極限荷載時混凝土受壓區(qū)均未被破壞，仍處于良好的受力狀態(tài)。其中，鋼筋梁在開裂荷載后混凝土壓應(yīng)變增長變快，且處于良好的彈性變化階段，鋼筋梁破壞時受壓區(qū)混凝土沒有壓碎破壞。BFRP筋梁達到開裂荷載后混凝土壓應(yīng)變增長也變快，且開裂前后應(yīng)變均為彈性變化，BFRP筋梁破壞時受壓區(qū)混凝土也未破壞。大直徑的BFRP筋梁比小直徑的BFRP筋梁混凝土極限承載力要大，即適當(dāng)提高梁的配筋率，對提高梁的混凝土承載能力有利。

圖9 荷載—混凝土應(yīng)變曲線示意

4.5 試驗承載力分析

如圖10a所示，在相同的截面尺寸、混凝土強度和試驗條件下，BFRP筋的配筋率越大，梁的初裂承載力越大；并且相同配筋率條件下，鋼筋混凝土梁的初裂承載力優(yōu)于BFRP筋梁，其初裂荷載系數(shù)比(BFRP筋梁與鋼筋梁初裂承載力之比)為0.75。

a

b

5 結(jié)語

1) BFRP筋梁荷載撓度曲線顯示，加載過程并未表現(xiàn)明顯屈服平臺，破壞形式為脆性破壞，在相同配筋率下，BFRP筋梁破壞時的極限撓度要大于鋼筋梁，實際破壞前，預(yù)兆還是非常明顯。

2) 由于BFRP筋的高強特性，同等配筋下，BFRP筋梁極限承載力要大于鋼筋梁，比值約為1.3；但BFRP筋梁開裂荷載較低，開裂荷載約為鋼筋的0.75倍。