纖維布加固混凝土的軸壓力學(xué)性能研究

陳 瀲

（中鐵三局集團有限公司，山西太原 030001）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前國內(nèi)建筑工業(yè)的主流結(jié)構(gòu)形式，在現(xiàn)代化廠房、住宅等領(lǐng)域具有絕對統(tǒng)治地位，隨著近年來城市建設(shè)的不斷擴大，基礎(chǔ)建筑設(shè)施迎來了巨大發(fā)展機遇[1-2]，在人們生活和工業(yè)應(yīng)用中起著舉足輕重的作用。對于用于某些特定場所的鋼筋混凝土，除了常規(guī)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所必須具備的承載性能和延性外，還會由于其獨特的應(yīng)用特性而要求具有更高的承載力[3]。隨著近年來碳纖維、玻璃纖維等材料的開發(fā)應(yīng)用，將具有質(zhì)量輕、彈性模量高、熱穩(wěn)定性優(yōu)異等特性的纖維材料用于鋼筋混凝土建筑成為了加固混凝土的首選[4]，但是纖維的加入形式以及纖維加入對鋼筋混凝土柱承載性能的研究報道仍然較少[5-7]，本文對比分析了兩種纖維布和兩種組合形式對鋼筋混凝土柱承載性能的影響，結(jié)果有助于纖維布加固混凝土柱的推廣與應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

根據(jù)GB 50010-2010和GB 50367-2013的要求，共設(shè)計了五組纖維布加固混凝土試件，分別為L1、L2、L3、L4和L5，其中，L1為未無纖維布加固混凝土試件，L2為兩層玻璃纖維（GFRP）加固試件，L3為兩層纖維布（CFRP）加固試件，L4為層間組合的CFRP+GFRP加固試件（JFRP），L5為兩層層內(nèi)組合的CFRP+GFRP加固試件（NFRP）。其中，CFRP的厚度為0.16mm、彈性模量為42.48GPa、拉伸強度1067MPa，GFRP的厚度為0.11mm、彈性模量為257GPa、拉伸強度3330MPa。

試驗所選取的混凝土為C25混凝土，鋼筋為HRB335鋼筋，所有構(gòu)件中都設(shè)置有4根縱向受力鋼筋。估計選取8mm的HPB300鋼筋，圖1為纖維布加固混凝土柱的配筋圖，其中，箍筋間距為100mm、柱子兩側(cè)配置有10mm厚鋼板。纖維布加固混凝土柱中應(yīng)變片的選取需要根據(jù)所安裝的位置來確定，箍筋處的應(yīng)變片為電阻110Ω、規(guī)格為3mm×4mm，而混凝土處的應(yīng)變片為電阻110Ω、規(guī)格為5mm×25mm，纖維布加固混凝土柱中應(yīng)變片的位置示意圖如圖2和圖3所示。

圖1 纖維布加固混凝土柱的配筋圖Fig.1 Reinforcement diagram of concrete column strengthened with f iber sheet

圖2 纖維布加固混凝土柱中箍筋處的應(yīng)變片布置圖Fig. 2 Strain gauge layout of stirrup in concrete column strengthened with fiber sheet

圖3 纖維布加固混凝土柱中混凝土處的應(yīng)變片布置圖Fig.3 Strain gauge layout of concrete in concrete column strengthened with fiber sheet

根據(jù)JGJ 55-2011制備纖維布加固混凝土，水泥為PI42.5硅酸鹽水泥，混凝土的用水量為196kg/m3、水泥用量為275kg/m3；在制備過程中首先制備鋼筋籠，尺寸為250mm×250mm×1000mm，然后按照鋼筋籠規(guī)格進行模板澆筑。待混凝土凝固后將表面不平整處打磨刮平，按照GB 50367-2013將混凝土柱進行刷膠[8]，然后將纖維布和玻璃纖維布剪裁后進行粘貼，粘貼完成后采用滾筒抹平，室溫養(yǎng)護72h，得到纖維布加固混凝土試件。

按照GB/T 50152對纖維布加固混凝土柱進行軸壓試驗，所用設(shè)備為1000T液壓試驗機，CFRP、GFRP、JFRP和NFRP的極限承載力預(yù)估分別為2190kN、1635kN、1900kN和2060kN；試驗過程中預(yù)加載0.2倍的極限載荷，然后卸載并反復(fù)3次，之后采用分級加載的方式對混凝土柱進行加載試驗，試件屈服前每級加載0.1倍極限載荷，屈服后每級加載0.05倍載荷，在破壞后采用位移加載方式進行直至完全破壞[9]。

2 試驗結(jié)果與分析

圖4為纖維布加固混凝土柱的破壞宏觀形貌。在軸壓試驗過程中，L1試件在峰值荷載80%左右時發(fā)生霹靂吧啦的聲音，同時柱體出現(xiàn)微裂縫，隨著載荷繼續(xù)增大，裂紋逐漸擴展，柱體產(chǎn)生鼓脹和斜裂縫，峰值載荷后柱體破壞較快。對于L2試件，在加載過程中，當(dāng)載荷加載至70%峰值載荷時即有纖維布撕裂的聲音，在加載至90%峰值載荷時纖維布持續(xù)撕裂并造成柱體中部區(qū)域纖維布崩斷，隨后承載力緩慢下降，在繼續(xù)增大載荷時，混凝土柱逐漸發(fā)生破壞，但是柱體表面裂縫數(shù)量較少，一定程度上反映出纖維布有助于提升混凝土柱的軸壓性能。對于L3試件，在加載至峰值載荷的80%時，混凝土柱中部區(qū)域發(fā)生鼓脹現(xiàn)象；在達到90%峰值荷載時，出現(xiàn)纖維布撕裂的聲音，并持續(xù)至峰值荷載，且到達峰值載荷后纖維布突然崩斷并伴隨著嘶吼的聲音，混凝土碎塊有向外迸濺的態(tài)勢，但是纖維布的斷口較為平整且與混凝土完全分離，這說明在加載過程中纖維布與混凝土發(fā)生了良性協(xié)同作用[10]，而脆性破壞特征仍然較為明顯。對于L4試件，在加載至峰值載荷80%時，混凝土柱表面纖維布開始出現(xiàn)泛白的現(xiàn)象并伴隨有噼里啪啦的聲音，可見此時的纖維布已經(jīng)處于受力狀態(tài)；當(dāng)載荷到達峰值載荷時，纖維布發(fā)生崩斷而后承載力發(fā)生降低，在峰值載荷90%時出現(xiàn)混凝土柱的鼓脹，外表面纖維布發(fā)生撕裂，內(nèi)部混凝土發(fā)生壓碎現(xiàn)象。對于L5試件，在加載至峰值載荷85%時，混凝土柱表面纖維布開始發(fā)生噼里啪啦的聲音，繼續(xù)加載至峰值載荷時，纖維布逐漸發(fā)生崩斷，承載力下降且中部混凝土發(fā)生鼓脹和破壞，纖維布的缺口也逐漸擴展，混凝土柱整體呈現(xiàn)出彈塑性破壞特征[11]。

圖4 纖維布加固混凝土柱破壞宏觀形貌Fig.4 Macroscopic failure morphology of concrete columns strengthened with fiber sheet

表1為纖維布加固混凝土柱的峰值應(yīng)力和應(yīng)變統(tǒng)計結(jié)果。可見，纖維布加固混凝土柱的峰值應(yīng)力、橫向最大拉應(yīng)變和縱向最大壓應(yīng)變都要大于未采用纖維布加固的混凝土柱，且L4和L5試件具有相對較大的峰值應(yīng)力、橫向最大拉應(yīng)變和縱向最大壓應(yīng)變。

表1 纖維布加固混凝土柱的峰值應(yīng)力和應(yīng)變Table 1 Peak stress and strain of concrete columns strengthened with f iber sheet

表2為纖維布加固混凝土柱的峰值應(yīng)變統(tǒng)計結(jié)果。可見，纖維布加固混凝土柱的縱筋最大應(yīng)變都遠大于未進行纖維布加固的混凝土柱，且相應(yīng)地箍筋最大應(yīng)變也都高于未進行纖維布加固的混凝土柱，這也說明對混凝土柱進行纖維布加固可以更好地發(fā)揮混凝土中縱筋和箍筋的作用，使得在軸壓過程中縱筋和箍筋可以更好地起到協(xié)調(diào)變形的作用而提升整體混凝土柱的抗震性能[12]。

表2 纖維布加固混凝土柱中鋼筋的峰值應(yīng)變Table 2 Peak strain of steel bars in concrete columns strengthened with f iber sheet

圖5和圖6分別為纖維布加固混凝土柱的縱向荷載-位移曲線和橫向荷載-位移曲線。由縱向荷載-位移曲線和橫向荷載-位移曲線可見，在軸壓性能測試開始階段，荷載隨著位移呈現(xiàn)快速增長的趨勢，曲線走勢較為陡峭，此時纖維布加固混凝土處于彈性變形階段[13]，纖維布未體現(xiàn)出對混凝土的約束作用；隨著荷載的持續(xù)加大，纖維布加固混凝土柱逐漸進入彈塑性變形階段，但是相較而言，纖維布加固混凝土柱L3的位移荷載曲線的變化趨勢與L1較為相似，這表明在加載過程中纖維布單獨加固并沒有起到預(yù)期的效果；相較而言，GFRP、JFRP和NFRP混凝土柱的曲線相對更加平緩，表明這幾種方式可以較好地提升混凝土柱的延性，整個加載階段體現(xiàn)出了良好的彈塑性變形形態(tài)，一定程度上體現(xiàn)出纖維布對混凝土柱的良好約束作用[14]。

圖5 纖維布加固混凝土柱的縱向荷載-位移曲線Fig.5 Longitudinal load displacement curve of concrete column strengthened with fiber sheet

圖6 纖維布加固混凝土柱的橫向荷載-位移曲線Fig.6 Transverse load displacement curve of concrete column strengthened with fiber sheet

3 結(jié)論

（1）纖維布加固混凝土柱的峰值應(yīng)力、橫向最大拉應(yīng)變和縱向最大壓應(yīng)變都要大于未采用纖維布加固的混凝土柱，且L4和L5試件具有相對較大的峰值應(yīng)力、橫向最大拉應(yīng)變和縱向最大壓應(yīng)變。

（2）纖維布加固混凝土柱的縱筋最大應(yīng)變都遠大于未進行纖維布加固的混凝土柱，且相應(yīng)地箍筋最大應(yīng)變也都高于未進行纖維布加固的混凝土柱。

（3）JFRP和NFRP試件相較未采用纖維布加固的混凝土柱的承載力分別提升了34%和43%，最大壓應(yīng)變分別提升了196%和178%，縱向鋼筋的最大應(yīng)變分別提升652%和552%；相較于CFRP試件，JFRP和NFRP試件的最大承載力也提升了約85%左右，表明組合方式更加有利于提升纖維布加固混凝土的承載力和延性。