條帶CFRP圓鋼管鋰渣混凝土短柱軸壓性能研究

劉如來 梁炯豐 王劉浩翔

摘 要：為實現建筑業的可持續發展，解決工業廢料堆積及污染問題，以鋰渣取代率、碳纖維增強塑料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）包裹間距和包裹層數為影響因素，將鋰渣廢料作為膠凝材料部分取代水泥，共設計9根試驗柱進行力學試驗，探究條帶CFRP約束圓鋼管鋰渣混凝土短柱的軸壓性能。通過觀察試驗現象和破壞形態，采集試驗數據繪制力學曲線圖，對條帶CFRP圓鋼管鋰渣混凝土柱的極限強度、剛度和延性等多個力學參數進行分析研究。結果表明：鋰渣摻量在0 ～ 20%時，隨著鋰渣摻量的提高，試件極限強度和初始剛度均增大，但延性下降約13.9%；將試件的包裹間距從25 mm增至40 mm，試件極限強度、剛度和延性均降低約5.0%，包裹間距為40 mm的條帶圍壓方案在節省物料的同時還有較好的結構性能；將試件CFRP包裹層數從1層提高至3層，試件抗壓強度、剛度和延性均提升18.0% ～ 26.0%，可見包裹層數對柱性能影響較大。

關鍵詞：碳纖維增強塑料（CFRP）；鋰渣；圓鋼管混凝土柱；極限強度；剛度；延性

中圖分類號：TU375.302 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.01.005

0 引言

“十四五”規劃以來，建筑業向內涵集約式方向發展，建筑技術不斷革新。傳統混凝土材料不能滿足各類工程環境的要求，研究者對新型混凝土材料的研究逐漸深入[1-2]。研究發現將鋰渣廢料作為新型綠色混凝土添加骨料再利用[3-4]，既能改良混凝土性能，提高混凝土的抗斷裂及變形能力，又實現綠色再利用，解決環境污染問題。同時現代化建筑施工要求建材能較好地滿足施工效率和工廠量產，此時鋼-混凝土結構逐漸取代傳統鋼筋混凝土結構，成為一種全新、主流的建筑結構形式。碳纖維增強塑料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）是最常用的施工修復加固材料，具有修復建筑材料老化、延緩結構破壞的功能，在港口工程、水利水電等建筑工程領域得到廣泛的應用。采用CFRP材料加固鋼-混組合構件[5-6]能夠有效提高抗震變形能力，延緩結構開裂和局部屈曲，具有良好的工程實用價值。

目前，已有許多研究者對鋰渣混凝土和CFRP約束鋼管混凝土柱的力學性能展開了研究。陳潔靜等[7-10]研究發現摻入20%左右鋰渣粉末可以有效提高混凝土的力學性能。Wang等[11]在鋰渣混凝土研究的基礎上對圓鋼管鋰渣再生混凝土軸壓性能展開研究，發現適量的鋰渣可以提高柱的極限強度和剛度。Sheikh等[12-14]通過對CFRP約束方鋼管混凝土短柱的約束效應的研究，分析了CFRP與鋼管的協同變形能力。王東鋒等[15-16]對CFRP圓鋼管混凝土短柱軸壓性能展開研究，發現CFRP層數對承載力和變形能力影響較大，但對試件的初始剛度影響較小，試件荷載-軸向變形曲線表現為第二線性段起點處屈服。歐佳靈等[17-19]在前人研究的基礎上，通過分析設計參數和試驗結果推導了CFRP全包裹約束混凝土柱的極限承載力的預測模型。

目前，國內外對CFRP全包裹約束混凝土柱的力學性能的研究較多，而對CFRP條帶包裹鋼管混凝土柱的研究則較為缺乏。梁炯豐等[20-21]對全包裹的鋼管混凝土柱的圍壓效應進行研究發現，雖然混凝土膨脹碎裂，鋼管屈曲失穩，但是已破壞的CFRP全包裹試件并未完全撕裂。這表明全包裹的方式無法有效平衡CFRP與混凝土柱的接觸受力，不能充分利用CFRP材料的強度。與全包裹約束混凝土柱相比，采用條帶CFRP包裹約束混凝土柱能更加充分利用CFRP材料的性能，減少材料浪費，還能有效協調混凝土-鋼管-CFRP受力形態，是當前經濟、有前途的圍壓方案。本文旨在對鋰渣混凝土柱的條帶約束CFRP圍壓方案進行研究，觀察條帶CFRP約束圓鋼管鋰渣混凝土柱的破壞形態，分析鋰渣取代率、CFRP包裹間距和包裹層數與柱極限強度、剛度和延性的關系，并總結其影響規律，對相關的工程應用提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本次試驗共制作了9根柱，設計參數為鋰渣粉末取代率、CFRP包裹層數和包裹間距。許開成等[22]研究發現，鋰渣摻量在0 ～ 40%時，混凝土性能有明顯改善，在20% ～ 25%內改善效果最顯著。故本試驗采用梯度為0、10%、20%等3種鋰渣摻量。由于試驗采用的碳纖維布寬度為50 mm，經計算，采用1層、2層2種包裹層數和25 mm和40 mm 2種包裹間距的碳纖維布，可避免裁剪碳纖維布的情況，減少材料性能損傷和材料浪費。試件編號的第一組數字表示包裹間距，第二組數字表示包裹層數，第三組數字表示鋰渣取代率。如B40-1-10表示CFRP包裹間距為40 mm、層數為1層、鋰渣粉末取代率為10%的短柱。所有試件設計如圖1所示。同時制備一組未摻鋰渣且不包裹CFRP的圓鋼管混凝土柱B0作為對照。各試驗的試件工況設計如表1所示。

1.2 材料的力學性能

本試驗采用工業廢棄鋰渣部分取代水泥，按照我國《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）[23]進行配合，攪拌并澆筑試件。同時每種試件分別制作3個立方體試塊，養護24 h后用脫模機脫模，28 d后進行力學性能試驗。如表2所示，測得鋰渣取代率0、10%、20%的C30立方體抗壓強度平均值分別為32.1 MPa、34.0 MPa、35.6 MPa。試驗設計圓鋼管長度為500 mm、直徑為114 mm、壁厚為2 mm，圓鋼管兩端截面打磨平整，便于試驗的加載。同批次的Q235鋼材制成拉拔試件測試其力學性能，得到鋼材性能如表3所示。本次試驗使用的CFRP材料是根據我國《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》（GB 50728—2011）[24]要求進行檢測，材料性能如表4所示。

1.3 試驗設備和加載制度

圖2為軸壓試驗使用的300 t電液伺服壓力試驗機。試驗采用荷載和位移聯合控制的加載方式，首先采用荷載控制，加載至約為極限荷載的95%時轉為位移控制，當加載荷載下降段至峰值荷載的80%時結束試驗，當試件接近破壞時，采用緩慢的連續加載速率。在試驗過程中記錄試驗現象。

2 試驗結果與荷載-位移曲線

2.1 破壞形態

未包裹碳纖維布的圓鋼管混凝土柱的破壞形態如圖3所示，表現為鋼管表面的鐵銹呈片狀，出現脫落，混凝土膨脹碎裂，鋼管中上部出現圓圈狀撓曲環，中部膨脹鼓曲加劇，試件彎曲變形嚴重，呈現“C”型屈曲。圖4為條帶CFRP圓鋼管混凝土柱破壞形態。如圖4所示，CFRP約束柱的試驗現象大致相同：試件中上半部鋼管屈曲明顯，核心混凝土膨脹，鋼管發生膨脹鼓曲，碳纖維布垂直貫穿斷裂，中部未包裹混凝土處形成腰鼓狀鼓曲，上下端逐漸形成管帽，鋼管近似為兩端膨脹的“C”字括弧型。條帶CFRP試驗柱軸心受壓現象如下。

1）彈性階段：加載初期無明顯現象，鋼管和樹脂發出吱吱聲，表面鐵銹開始脫落，隨著荷載的增大，CFRP條帶逐漸繃緊，表面紋理線條逐漸模糊，頂部CFRP條件開始撕裂。

2）屈服階段：隨著加載進行，頂部包裹間距處出現微小鼓起，上半部CFRP斷裂，當加載至極限荷載的80%時，上部間距處撓曲明顯，出現橫向鼓包，中間鋼管鼓曲發育，中部CFRP斷裂，各部分均出現不同程度的彎曲變形。

3）破壞階段：到達極限荷載后，CFRP“砰”的撕裂，鋼管橫向屈曲明顯增加，鋼管形成半圓圈腰鼓狀鼓曲。

2.2 荷載-位移曲線

試件的荷載-位移曲線可劃分為：彈性階段、屈服階段及破壞階段。加載初期試件處于彈性階段，荷載與位移呈線性變化；隨著荷載增加，試件進入屈服階段，變形增加較快，此時除了產生彈性變形外，還產生部分塑性變形；繼續加載，試件進入破壞階段，發生失穩破壞，荷載逐步減小，荷載-位移曲線變得平緩。

圖5為鋰渣取代率對荷載-位移的影響曲線圖。由圖5可見，鋰渣取代率越高的試件，受壓強度也就越大。鋰渣取代率為0的B40-1-0試件極限強度為818.0 kN；取代率為10%的B40-1-10試件極限強度為838.0 kN；取代率為20%的B40-1-20試件極限強度為892.0 kN，極限強度分別提高了2.4%和6.1%。這是因為合理的摻入鋰渣可以提高核心混凝土內部密實程度，改善碎石與水泥膠凝材料之間的黏結強度，提高混凝土水化程度，從而提高試件的抗壓強度。

圖6為CFRP包裹間距對試件荷載-位移的影響曲線圖。圖6（a）—圖6（c）分別為鋰渣取代率和包裹層數均相同、包裹間距不同的試件的荷載-位移曲線圖。由圖6可知，隨著包裹間距增大，強度分別減小4.0%，7.7%和6.8%。且包裹層數越多時，包裹間距對極限強度影響越大，原因為：環向外包的CFRP覆蓋率是影響極限強度的直接影響因素，通過減少CFRP包裹間距，能增大碳纖維布與鋼管表面環向接觸面，從而提高外部環向約束來提升試件的強度。

圖7為CFRP包裹層數對試件荷載-位移的影響曲線圖。圖7（a）—圖7（c）分別為鋰渣取代率和包裹間距均相同、包裹層數不同的試件的荷載-位移曲線圖。由圖7可知，CFRP包裹層數越多的試件，表面覆蓋的碳纖維布越厚，側向約束作用越強，柱的軸向極限強度越大，柱的極限位移越長，變形和承載能力也就越大；B40-1-0極限強度僅為818.0 kN，B25-3-0的極限強度增加至1 032.0 kN?？傮w極限強度增加了20.0% ～ 26.0%。結果表明隨著層數增加，總體極限強度增加幅度較大，可見包裹層數對極限強度影響較大。

3 力學參數分析

為研究條帶CFRP約束圓鋼管鋰渣混凝土柱的力學性能，采用初始剛度（[Ke]）來評價試件的剛度性能，用位移延性系數（[μ]）來評價柱的延性與變形能力，[Ke=NyΔy]，[μ=ΔmΔy]，其中：[Ny]為上升部分峰值荷載的60%所對應的荷載（屈服強度）；[Δm]、[Δy]分別為峰值荷載和屈服荷載所對應的極限位移、屈服位移。各試件的力學參數指標如表5所示。

3.1 初始剛度

剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力，組合結構的剛度反映了各材料之間結構變形協調和結構內力平衡，是非常重要的結構整體穩定性評價指標。

圖8為鋰渣取代率對柱初始剛度的影響曲線圖。由圖8可知，對于CFRP包裹層數為1層，包裹間距為40 mm的鋼管混凝土柱，鋰渣摻量從0提高至10%時，試件的初始剛度提高約10.9%；而鋰渣摻量從10%提高至20%時，試件的初始剛度則提高6.4%左右。因此，合理鋰渣粉末的摻入可以顯著提高柱的初始剛度。根據試塊試驗，測得鋰渣取代率為0、10%、20%的試塊強度分別為32.1 MPa、34.0 MPa、35.6 MPa，適量鋰渣的摻入會提高混凝土強度，從微觀上分析，鋰渣可以細化混凝土孔隙，改善其內部結構，使核心混凝土密實，從而提高結構抗變形能力。由圖8可知，曲線斜率降低，表明隨著鋰渣摻量變化，柱的初始剛度增幅逐漸變小。圖9為CFRP包裹間距對柱初始剛度的影響曲線圖。由圖9可知，CFRP包裹間距的變化對柱初始剛度的影響是有限的，B25-2-10相較于B40-2-10，柱初始剛度降低7.2%；而B25-3-0相較于B40-3-0，柱初始剛度降低了6.3%，說明CFRP包裹間距對柱初始剛度影響較小。圖10為CFRP包裹層數對柱初始剛度的影響曲線圖。由圖10可知，B40-1-0相較于B40-3-0，柱初始剛度提高了18.1%；B40-1-10相較于B40-2-10，柱初始剛度只提高了3.3%；B25-1-0相較于B25-3-0，柱初始剛度提高了11.7%。由于CFRP包裹層數的增加，環向約束力提高，試件自身彈性模量提升，所以試件的初始剛度增強，抵抗彈性變形的能力提高，說明包裹層數對柱初始剛度的影響較大。

3.2 延性

結構達到屈服至最大承載能力之間，承載力一般并未有下浮趨勢的塑性變形能力稱為延性。延性反映了結構在地震作用下耐變形的能力和消耗地震能量的能力，是結構抗震能力測評的重要參數。

圖11為鋰渣取代率對柱延性的影響曲線圖。由圖11可知，曲線大致呈線性降低的趨勢，B40-1-0分別與B40-1-10和B40-1-20對比，延性系數分別降低了6.7%和13.9%?？梢姄饺脒m量鋰渣粉末，雖然提高混凝土強度，但是會降低核心混凝土彈性模量，從而降低柱的延性變形能力。試件延性系數均大于2.1，表明鋼管混凝土結構具有良好的抗震變形能力。圖12為CFRP包裹間距對柱延性的影響曲線圖。由圖12可知，對比B25-1-0和B40-1-0，包裹間距增大，柱延性下降5.6%；對比B25-2-10和B40-2-10，延性下降了2.8%；而對比B25-3-0和B40-3-0，延性降低14.6%。結果表明隨著CFRP包裹間距變大，柱延性變形能力減弱。圖13為CFRP包裹層數對柱延性的影響曲線圖。由圖13可知，該曲線斜率較大，表明隨著CFRP包裹層數增加，柱的延性顯著提高。根據塑性受力分析，當鋼管膨脹屈曲時，CFRP對試件的環向約束，使試件柱應力重新分布，逐漸從豎向分布慢慢轉化到橫向分布，從而提高試件塑性變形能力。如圖13所示，增加包裹層數能明顯提高試件環向約束，提高延性，且包裹層數對延性影響最大，CFRP約束柱具有優異的塑性變形能力。

4 結論

1）試件的破壞形態主要發生在鋼管中上部，且未包裹CFRP區域破壞更嚴重。表現為碳纖維布垂直貫穿斷裂，鋼管膨脹鼓曲，中部未包裹混凝土處形成腰鼓狀鼓曲，上下端逐漸形成管帽，試件被壓彎呈“C”型。

2）荷載位移曲線主要分為彈性階段、屈服階段以及破壞階段。碳纖維布對鋼管有著側向約束作用，有效地增強了鋼管的抗壓強度，并且有效地降低了混凝土膨脹擠壓的程度，對鋼管的側向變形也起著抑制性的作用。

3）隨著鋰渣摻量的提高，CFRP約束鋰渣混凝土柱極限強度和初始剛度提高，但延性變形能力下降；隨著CFRP包裹間距減小，其極限強度、初始剛度和延性都增大；隨著CFRP包裹層數的增加，其極限強度、初始剛度和延性也都增大，其中CFRP包裹層數的影響最大。

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Axial compression performance of lithium slag concrete short

column with CFRP round steel tube

LIU Rulai， LIANG Jiongfeng*， WANG-LIU Haoxiang

（School of Civil Engineering and Architecture， East China University of Technology， Nanchang 330013， China）

Abstract： The study is done to address the pollution from industrial waste accumulation to realize sustainable development of the construction industry. The axial compression performance of lithium slag concrete short column with CFRP confined round steel tube was investigated experimentally. In the experiment， 9 columns were designed for mechanical tests by partially ?replacing cement with the lithium slag waste， with lithium-slag substitution rate， CFRP wrapping spacing and number of CFRP wrapping layers as influencing factors. Ultimate load capacity， stiffness and ductility were analyzed based on damage patterns， mechanical curves. The results show that the ultimate strength and initial stiffness of the specimen increased with the increase of lithium slag dosing in the 0 ～ 20% range， but the ductility decreased by about 13.9%; the ultimate strength， initial stiffness and ductility of the specimen only decreased by about 5.0% when the wrapping spacing of the specimen increased from 25 mm to 40 mm， which showed that the strip compression solution with 40 mm wrapping spacing had better structural performance while saving material. By increasing the number of CFRP wrapped layers from 1 to 3， the compressive strength， stiffness and ductility of the specimens increased by about 18.0% ～ 26.0%， which showed that the number of wrapped layers had the greatest influence on the column performance.

Key words： carbon fiber reinforced plastics（CFRP）; lithium slag; concrete column with round steel tube; ultimate strength; stiffness; ductility

（責任編輯：羅小芬）