短切CFRP管增強混凝土抗壓性能試驗研究*

曹 廣,張永權,李 晨,王大永,杜 志,張學杰,鄭慶濤,張 煜,呂 楊

(1.中鐵一局集團有限公司,陜西 西安 712000; 2.天津城建大學土木工程學院,天津 300384; 3.天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室,天津 300384)

0 引言

目前最常用的增強混凝土是纖維增強混凝土(fiber reinforced concrete,FRC),但隨著復合材料(fiber reinforced plastics,FRP)材料越來越多,許多廢棄的FRP仍可以回收利用,為環境能源可持續發展做出貢獻,復合纖維增強混凝土(fiber reinforced plastics reinforced concrete,FRPRC)中將纖維用FRP代替具備應用前景。

在FRPRC方面,國內外目前使用內摻FRP做增強復合纖維的研究較多[1-6]。Mastali等[1]使用摻量0.5%,1%,1.5%和2%的再生CFRP纖維按10,20,30mm的長度摻入自密實混凝土,通過抗壓性能試驗發現CFRP纖維在限制裂紋擴展方面具有很大潛力,可補償孔隙率增加造成的負面影響,且最大可增加60%的抗彎強度;3種纖維長度中,具有1%纖維體積分數的試件具有最高的彎曲韌性指數。Ogi等[2]將回收的不規則CFRP碎片摻入混凝土中進行試驗,試驗表明,混凝土抗壓強度和抗彎斷裂大部分都有提升,CFRP較好地發揮了橋接作用。Zhang等[3]將截面面積0.5mm2左右的BFRP纖維加入混凝土,在抗壓試驗中,混凝土試塊核心區基本保持完整,在彎曲試驗中有明顯的撓度變化,表面變形的纖維在峰值下降后出現二次峰值。

在FRC方面,國內外研究已經比較成熟。Sun等[4]將玄武巖纖維摻量從0.1%逐漸增至0.5%,在摻入的2種纖維長度中,6mm試件的抗壓和劈拉強度均出現先提高后降低現象;12mm試件的抗壓強度低于相同摻量的6mm試件,其抗壓強度隨摻量的增加先增加后降低,而劈拉強度一直降低,最佳摻量為0.2%。Cao[5]開展了BFRC落錘循環沖擊試驗,纖維混凝土延性增強,延展性指數提高了2倍以上。Yao等[6]研究發現碳纖維能提高混凝土的抗壓強度和劈拉強度,而鋼纖維能提高混凝土的彎曲強度和韌性,與單獨的纖維增強混凝土相比,碳纖維和鋼纖維混合混凝土的承載力在達到峰值強度后迅速下降。Choi等[7]研究了玻璃纖維和聚丙烯纖維混凝土的抗壓性能,試驗結果表明混凝土抗壓強度基本沒有增加,但峰值荷載對應的應變顯著增大。鐘晨等[8]完成的鋼纖維混凝土軸心抗壓試驗也得到與Choi類似的結果。潘慧敏等[9]對鋼纖維混凝土進行落錘沖擊試驗,SFRC的延性和韌性明顯提高,在0.8%摻量下,延性比超過15%,1%摻量時,韌性系數是普通混凝土的10倍。佟鈺等[10]研究表明,纖維長度為3mm和5mm的碳纖維,在摻量為0.5%左右時,抗壓強度比和劈拉強度比增幅均達到最大值。侯敏等[11]和杜向琴等[12]試驗表明,混凝土的劈拉強度和抗折強度均隨碳纖維體積摻量的增加先增加后降低。分析可知,混凝土材料最優纖維摻量與纖維類型、尺寸、長度等多種因素相關,針對不同纖維增強混凝土需單獨研究。丁傳海[13-14]分別對玄武巖纖維含量對混凝土強度及破壞規律及高溫后玄武巖纖維混凝土力學性能進行了研究。楊華僑等[15]對不同種類纖維混凝土物理及力學性能進行了對比分析。

本文開展了短切CFRP管增強混凝土抗壓性能試驗研究。首先在CFRP管表面進行黏砂處理以提高纖維管與混凝土之間的黏結性能,然后按15,25和35mm三種長度類型,0.5%,1.5%,2.5%和3.5%的體積分數設計制作了12組36個混凝土圓柱體試件,開展試件抗壓性能試驗,分析試件受壓破壞模式、應力-應變關系,確定最優纖維長度和摻量。

1 試驗設計

采用C40混凝土澆筑圓柱體試件,混凝土配合比為水泥∶石子∶砂∶水=469.38∶1 055∶646.6∶230。試件直徑100mm,高200mm,使用的CFRP管為外徑2mm、內徑1.5mm的圓管,設計3種長度,分別為15,25和35mm,按混凝土體積摻量比計算設計5種摻量,分別為0.5%,1%,1.5%,2.5%,3.5%。對試件進行編號,如表1所示,PC為對照組,代表素混凝土試件;“15-0.5C”代表短切CFRP管長為15mm、體積分數為0.5%試件,每種摻量澆筑3個試件。

表1 試驗構件設計Table 1 Configuration of the test specimens

為增加混凝土與CFRP管的黏結性能,在試件澆筑前,需對CFRP管表面進行黏砂預處理。首先在CFRP管表面涂抹1層EL2環氧樹脂,待環氧樹脂流動性降低時,將其在鋪滿0.5～1mm石英砂的隔離膜上滾動黏砂,并置于室內環境晾曬,直至環氧樹脂充分固化,最后將黏砂后的CFRP管切割成試驗所需長度。CFRP管黏砂預處理過程及切割后的CFRP如圖1～2所示。

圖1 CFRP管黏砂過程Fig.1 Sand bonded process of CFRP pipes

圖2 短切黏砂CFRP管Fig.2 Short CFRP pipes with sand bonded

混凝土澆筑過程中,先干拌石子和砂子,放入水泥后加水攪拌均勻,最后分多次將短切CFRP管撒入攪拌機中,攪拌均勻后加入剩余的短切CFRP管,防止一次性加入集聚成團,整個澆筑過程中發現短切CFRP管的加入不會對混凝土流動性造成明顯影響,CFRP管不具備較強的吸水性,不需改變水灰比,澆筑成型后放在標準條件下養護28d后進行試驗(見圖3)。

圖3 試件制備過程Fig.3 Casting of the specimens

圓柱體混凝土抗壓試驗參照ASTMC39-18與GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。如圖4所示,在壓力機2個加載面之間布置2個量程為25mm的線性位移計(LVDT)測量混凝土軸向變形。采用位移控制加載,正式加載前,預載20kN并維持10s,使試驗機壓板與試件完全接觸壓實,然后按0.3mm/min的恒定速率加載至試件破壞,得到試件的應力-應變曲線。

圖4 抗壓試驗布置Fig.4 Layout of the compressive test

2 試驗結果分析

2.1 破壞模式

圖5為不同長度和摻量下短切CFRP管增強混凝土的破壞情況。素混凝土和短切CFRP管摻量為0.5%的試件在加載過程中逐漸出現貫通整個試件內部的主斜裂紋,試件發生明顯的側向膨脹,混凝土塊逐漸從四周掉落,裂縫出現至試件被壓潰的過程很短,具有明顯的脆性破壞特征,破壞后形成錐形的破壞面。從破壞面很少看到有短切CFRP管分布于混凝土內,此時CFRP管因摻量較少,對混凝土的增強作用不明顯。

圖5 抗壓破壞模式Fig.5 Failure modes of the specimens

與短切CFRP管摻量為0.5%的增強混凝土試件相比,摻量為1%試件裂紋擴展時間較長,15mm長的CFRP管試件裂縫形式為貫通斜裂縫;而25,35mm長的試件壓碎過程減緩,有拉斷的CFRP管嵌在破壞面上。

短切CFRP管摻量為1.5%的增強混凝土裂紋擴展時間更長,其中35mm長試件裂紋的擴展時間最長。試件破壞后,裂紋破碎處的混凝土塊由CFRP管橋連在一起。所有脫落露出的CFRP管表面石英砂全部脫落,摻加的CFRP管長度越長,破壞后保持的完整性越高。

短切CFRP管長度為35mm,摻量為2.5%和3.5%的試件能看到更多較深的縱向裂紋,裂紋路徑增多但不貫通,僅外表混凝土破裂,表現出裂而不碎的現象,破壞后試件的完整性最高。

2.2 應力-應變曲線

試驗配制的普通C40混凝土圓柱體28d抗壓強度σc為40.71MPa,峰值應變εc為0.218%,表2列出了短切CFRP管增強混凝土的抗壓強度σcc和峰值應變εcc。

表2 短切CFRP管增強混凝土力學特性Table 2 Mechanical properties of the CFRP reinforced concrete

圖6為相同長度不同體積摻量CFRP管的增強混凝土應力-應變曲線,在達到峰值應力的40%前認為試件處于彈性階段,此時混凝土應力-應變曲線線性上升,內部無裂紋擴張,短切CFRP管長度相同時,摻量越大曲線斜率越小,材料彈性模量隨摻量增加呈下降趨勢。

圖6 應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain relationship

當達到峰值應力的40%～85%時,由于混凝土原始缺陷的存在,空隙開始擴展成微小的裂紋并伴有聲響。在短切CFRP管摻量少、長度小的試件中,裂縫延伸及試件軸向壓縮受短切CFRP管的影響較小,具體表現為曲線波動小,而隨著短切CFRP管摻量和長度的增加,試件受壓后裂縫的擴展受到CFRP管約束的影響,應力-應變曲線呈小波動上升狀態。

峰值應力達到85%后,應力增加速率逐漸變緩,摻CFRP管的試件峰值應變均有不同程度的增大,這表示混凝土在達到峰值應力時有更大的軸向壓縮變形,所有試件的抗壓強度均有不同程度的下降。在應力下降段,摻CFRP管的試件根據加入長度和摻量的不同,與素混凝土相比,應力下降速率有不同程度的降低,混凝土轉變成有一定塑性變形能力的破壞形式。

表2表明,相比素混凝土,在CFRP管短切長度為15mm時,0.5%摻量下的抗壓強度下降5.7%,峰值應變未發生變化,應力-應變曲線與素混凝土基本一致,下降段沒有明顯的變緩趨勢,承載力迅速喪失。1%摻量下,試件抗壓強度下降6.62%,峰值應變增大8.3%,強度和峰值應變變化不明顯,但應力下降段變緩,試件表現出一定的韌性。1.5%摻量下,抗壓強度下降23.8%,峰值應變增大21.6%,雖然軸向變形能力增大,但此時抗壓強度相比0.5%和1%摻量大幅降低,此時纖維長度為15mm,和粗骨料粒徑相近。在1.5%摻量下,短切段數很多,在水泥用量固定情況下,水泥砂漿對粗骨料的包裹程度下降,導致強度有較大損失。

相比素混凝土,CFRP管短切長度為25mm時,0.5%摻量下的抗壓強度下降8.96%,峰值應變增大18.8%,除了軸向變形稍微增加,應力下降段并沒有表現出增韌效果。1%摻量下的抗壓強度下降21.9%,軸向變形能力增大22%,與0.5%摻量時相差不大,曲線下降段的應力降低速度較快,增韌效果不明顯。摻量為1.5%時,混凝土抗壓強度下降24.8%,峰值應變增大43.1%,此時軸向變形能力有較大幅增加,韌性效果和1%摻量相差不大。

相比素混凝土,在CFRP管短切長度為35mm時,0.5%的摻量下抗壓強度下降19.7%,峰值應變增大11.9%,在下降段屬于脆性破壞,沒有表現出增韌效果。1%摻量下的抗壓強度下降20.1%,峰值應變增大14.9%,此時強度和峰值應變與0.5%摻量時相近,在應力下降段前部分表現出了良好的韌性,但當應變超過0.3%后又表現為應力驟降的脆性破壞。1.5%摻量下的抗壓強度下降24.3%,峰值應變增大51.8%,此時抗壓強度和0.5%,1%摻量相差不大,軸向變形顯著增加表現出良好的延性性能。應變在0.29%～0.345%時,混凝土抗壓強度維持在30MPa左右,隨后應力緩慢下降。

為了探究繼續增加摻量能否使延性效果更加明顯,增加了2.5%和3.5% 2組對比試驗。2.5%的摻量下抗壓強度大幅下降46.2%,峰值應變增大59.2%,此時峰值應變與1.5%摻量相差不大,承載力損失卻增大1倍。3.5%摻量下的抗壓強度降低50.8%,峰值應變增大70.6%,此時混凝土具有最大的變形能力,試件破壞后表面滿布微小裂紋。綜上可知,CFRP摻量小于1.5%時,混凝土強度變化不大。因此,1.5%體積摻量是強度變化的臨界點。

3 最優摻量分析

混凝土細觀上認為是由骨料、水泥砂漿和兩者間交界面組成的三相非均質材料,根據漿體包裹骨料的程度不同,混凝土內部存在孔洞,兩者界面區域的孔隙率較大,承壓時微裂紋沿著缺陷部分擴展。

CFRP管作為增強相,加入混凝土后在內部形成三維亂向分布的網狀結構,在拉拔試驗中可以看出CFRP管與混凝土之間主要是通過機械咬合作用連接在一起,在基體開裂前應力在混凝土與CFRP管之間傳遞,由于增強相的彈性模量遠大于基體的彈性模量,CFRP管起阻礙基體受壓引起的次拉應力增大的作用。隨著荷載增加,內部裂縫擴展,內嵌CFRP管在界面開裂處橫跨2個界面發揮橋接作用形成均勻的應力場,延緩并抑制裂紋的大幅擴展貫通,吸收大部分能量,因此相比普通混凝土可以產生更大的軸向變形。荷載足夠大時,CFRP管和基體界面最先達到抗剪強度,發生局部脫粘,這也是從破壞狀態來看整體性更好的主要原因。當CFRP管的體積摻量在0.5%時,由于單根短切CFRP管的體積大,相比纖維絲束,同體積下混凝土短切CFRP管的數量太少,甚至不一定分布在裂縫發展處,因此無論長度多少都不能改變混凝土脆性破壞的狀況,單根短切CFRP管體積較大,意味著摻量需要更多才能保證一定的橋接作用。

CFRP管彈性模量高、強度大、體積大,加入混凝土后在單位體積內占據的空間更加集中,同時分攤包裹骨料的水泥漿體,因此在配合比不變的情況下會改變混凝土原本的物理力學性能,其空心部分會進入部分水泥漿體,減少了包裹骨料的漿體比例,隨著體積摻量的增加,增加了內部缺陷和界面薄弱層,混凝土密實度降低,對三維亂向分布的網狀嵌入結構不利,在較低的應力狀態下就會開裂。此外,CFRP管不是柔韌性材料,屬于剛性纖維復合材料,盡管抗拉強度高,但當裂縫擴展方向與纖維不同向時,纖維將受到彎剪荷載,從而發生脆性斷裂,因此摻雜CFRP管后,混凝土抗壓強度普遍降低。

圖7給出了短切CFRP管增強混凝土與普通混凝土的抗壓強度比,可以看出,不同工況下,與普通混凝土相比,不同長度和摻量的短切CFRP管混凝土強度均有所降低。

圖7 短切CFRP管增強混凝土與普通混凝土的抗壓強度比Fig.7 Strength ratio of the CFRP reinforced concrete and the plain concrete

不同工況試件強度降低與峰值應變增加的對比如圖8所示?？梢钥闯?在摻量為1.5%時,強度與峰值應變存在臨界最優關系,體積摻量大于1.5%時,混凝土強度損失過大,增韌效果有限。

圖8 強度和峰值應變隨摻量的變化Fig.8 Changes of strength and peak strain with CFRP

圖8表明,長度為25mm和35mm的短切CFRP管,當體積摻量從1%增大到1.5%時,混凝土抗壓強度變化較小,而從1.5%增大到2.5%時,混凝土抗壓強度大幅降低,因此,體積摻量1.5%,長度為35mm的組合最優。

應力-應變曲線下的面積為材料變形破壞過程中所做的功,采用韌度R評價增韌效果。由受壓全過程應力應變曲線得到各組分混凝土試件的韌度如表2所示?？梢钥闯?體積摻量為1.5%,CFRP管長為35mm時,混凝土的韌度R達到10.54,遠大于其他組分混凝土的韌度。

4 結語

采用短切黏砂CFRP管作為混凝土增強相,研究了3種長度和5種摻量的纖維管增強混凝土抗壓強度,通過分析不同摻量、長度組合下的混凝土破壞模式和應力-應變全曲線,得到如下結論。

1)短切CFRP管的加入改變了混凝土的抗壓強度與峰值應變,抗壓強度均低于普通混凝土,峰值應變均大于普通混凝土;當摻入的CFRP長度相同時,混凝土峰值應變隨著摻量增大而增大,抗壓強度隨摻量增大而降低;摻量0.5%,1%和1.5% 3種混凝土的最低抗壓強度為30MPa,纖維管長度對混凝土強度的影響不大,摻量1.5%時,混凝土峰值應變明顯大于0.5%和1%摻量的試件。

2)短切CFRP管長度和摻量的增加能夠明顯增強混凝土的韌性,混凝土由脆性破壞向具有一定塑性的破壞模式轉變,其中35mm長度的CFRP管對延性的改善最明顯;摻量為1.5%時,混凝土在峰值應力時會出現平臺,延性顯著提高。

3)長度35mm的CFRP管,體積摻量為1.5%時為最優摻量,此時混凝土峰值壓應變比普通混凝土大51.8%,應力應變曲線所圍成的面積即韌度R為10.54,遠大于其他組分混凝土韌度。