碳-玻纖維筋海水集料混凝土柱軸壓性能

谷佳瑞,王仲剛

(陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系， 重慶 401311)

遠(yuǎn)海島礁遠(yuǎn)離內(nèi)陸海岸線，沒有碎石、淡水等常規(guī)的混凝土建筑原材料，海上運輸成本高昂，施工周期漫長。島礁氣候常年高溫、高濕、高鹽、高日照、缺淡水和多臺風(fēng)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在此條件下耐久性大大減弱[1]，帶來嚴(yán)重的安全隱患，以上條件對島礁工程建設(shè)造成極大的影響。

海水集料混凝土[2](SAP concrete)是以高性能吸水樹脂吸海水飽和形成的球形樹脂用作粗骨料，加以膠凝材料和海砂等，按照一定配比，再加入海水拌合生產(chǎn)而成的輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)混凝土。海水集料混凝土便于就地取材，可有效解決材料供應(yīng)問題，并且滿足工程使用要求。非金筋材[3-4](包括碳纖維筋，玄武巖纖維筋，玻璃纖維筋以及纖維混雜復(fù)合筋等)具有優(yōu)秀的耐腐蝕性，可以替代鋼筋，解決筋材易銹蝕的難題。在島礁工程建設(shè)中，這兩種材料可以結(jié)合使用，修建非金筋材海水集料混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物。

海水集料混凝土可用于戰(zhàn)時或平時島礁工程的搶修搶建，實現(xiàn)快速構(gòu)筑和快速修復(fù)。已有研究成果表明[5-8]：海水集料混凝土的強度可達(dá)C10～C70，彈性模量一般為3～17 GPa，具有高強度、低彈性模量、存在大量宏觀球形孔洞等特性。而非金筋材在土木工程中的研究應(yīng)用雖日趨成熟，但由于其各向異性的材料特性[9]，抗壓性能與抗拉性能有較大不同。為了使這兩種材料能更好的結(jié)合應(yīng)用在島礁工程上，有必要對非金筋材海水集料混凝土構(gòu)件的受壓性能進行研究。

本文首先通過對非金筋材的材料性能進行試驗，得到它的受壓材料性能。然后考察長細(xì)比、配筋率和箍筋間距對非金筋材海水集料混凝土柱軸壓性能的影響，并對承載力進行探討。

1 碳-玻纖維筋受壓性能試驗

1.1 試驗材料

目前，在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用較多的非金筋材有碳纖維筋(CFRP)、玄武巖纖維筋(BFRP)、玻璃纖維筋(GFRP)等，其中力學(xué)性能最好的是CFRP筋，其次為BFRP筋和GFRP筋，但是CFRP筋的生產(chǎn)成本最高，GFRP筋的生產(chǎn)成本最低[10]。因此，為了保證與海水集料混凝土共同使用的非金屬材料具有較好的力學(xué)性能，同時其生產(chǎn)成本滿足基本工程應(yīng)用的要求，使用CFRP與GFRP混雜制成的碳-玻纖維筋材(C-GFRP)。

碳-玻纖維筋材生產(chǎn)原料為碳纖維和玻璃纖維筋。碳纖維筋原絲的彈性模量為240 GPa，拉伸強度為4 200 MPa，伸長率1.87%；玻璃纖維筋原絲彈性模量為73 GPa，拉伸強度2 100 MPa，伸長率4.8%。在生產(chǎn)筋材時利用特殊工藝將兩者結(jié)合，筋材內(nèi)部以玻璃纖維為主，外部為碳纖維，利用樹脂粘結(jié)拉擠制成，并在外表面纏繞碳纖維形成橫向肋紋，以增加筋材與混凝土的粘結(jié)強度。筋材的彈性模量、極限抗拉強度、抗剪強度可以通過調(diào)整碳纖維與玻璃纖維的用量進行改變。碳-玻纖維筋如圖1所示。

本次試驗的碳-玻纖維筋材碳纖維體積率為23%，玻璃纖維體積率為77%，抗拉彈性模量為60 GPa，極限抗拉強度設(shè)計值為 1 000 MPa。試件采用的縱筋直徑為16 mm，箍筋直徑8 mm，箍筋通過特制模具在工廠拉擠加工制成。實測[11]這批16 mm的碳-玻纖維筋的平均極限抗拉強度 1 014.67 MPa，平均抗拉彈性模量為62.31 GPa，平均伸長率為1.63%。

1.2 受壓試件與試驗方法

碳-玻纖維筋受壓強度的試驗方法分為兩種：

第一種方法是參考規(guī)范[12]和文獻[13]，取試件受壓高度是試件直徑的2.5倍，兩端不加約束直接受壓，每組5個試件，一共兩組；第二種方法是參考文獻[14-15]，取長徑比為4 的試件在兩端各套上直徑為20 mm的螺帽進行灌AB膠，常溫下靜置24 h后施壓，每組5個試件，一共兩組。

受壓試驗采用的試驗機是天山紅水100 t萬能試驗機。碳-玻纖維筋受壓試件和加載試驗裝置如圖2、圖3所示。

1.3 試驗結(jié)果

碳-玻纖維筋受壓試驗結(jié)果如表1所示。碳-玻纖維筋受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。碳-玻纖維筋受壓破壞形式如圖5所示。

表1 碳-玻纖維筋受壓試驗結(jié)果

碳-玻纖維筋的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值應(yīng)力破壞之前基本上是一條直線，碳-玻纖維筋和其他纖維筋一樣，受壓破壞都是脆性破壞，破壞時是沒有征兆的，并且伴有較大的聲響。

試件破壞形式主要有3種，第1種形式是端部壓潰；隨著壓應(yīng)力的增大，試件端部截面的橫向變形也隨之增大，在端部樹脂膠體與中心玻璃纖維結(jié)合較弱的部位首先開始分離，然后不斷向往外擴展，伴隨著“砰”的一聲悶響，試件端部壓潰，無法繼續(xù)承壓。第2種形式是縱向劈裂破壞；試件受壓時整體受力均勻， 由于樹脂基體與纖維體抵抗橫向變形的能力不同，造成兩者隨著壓應(yīng)力的增大而剝離，外部纏繞的碳纖維在加壓過程中不斷發(fā)出“滋滋”的崩斷聲，隨著“嘣”的一聲巨響，纏繞碳纖維被拉斷，試件縱向整體劈裂。第3種形式是加螺帽約束試件的主要破壞形式，是端部脫粘破壞。由于試件端部是使用AB膠封上的，在受壓時端部膠體也直接承壓，端部約束限制了試件端部截面的橫向變形，隨著試件縱向變形的增大，端部膠體被壓開，導(dǎo)致試件端部脫粘破壞。

試驗結(jié)果表明：在碳-玻纖維筋端部增加約束能夠更好地發(fā)揮其抗壓性能，避免試件過早局部壓壞。不加約束的碳-玻纖維筋抗壓強度大約為其抗拉強度的40%，抗壓彈性模量和抗拉彈性模量相近。

2 碳-玻纖維筋海水集料混凝土柱受壓試驗

2.1 試件設(shè)計與試驗方法

由于碳-玻纖維筋和海水集料混凝土兩種材料的彈性模量都比鋼筋和普通混凝土低，所以在承受相同大小的荷載時，構(gòu)件變形較大，在島礁上主要修建道路場坪，防波堤壩以及底層建筑房屋[16]。

對6根碳-玻纖維筋海水集料混凝土柱進行軸心受壓試驗，分別考查長細(xì)比，箍筋間距和配筋率對承載力的影響，試驗設(shè)計如表2所示。

表2 試件參數(shù)一覽表

試件截面為正方形，為防止試件受壓時柱端過早局部壓壞，在柱子兩端分別設(shè)計柱頭和柱腳。柱頭柱腳兩端對稱，高度200 mm，截面尺寸為340 mm×340 mm，里面配置加密鋼筋籠，柱身的碳-玻纖維縱筋通長布置。ZC5和ZC6的箍筋布置為，在柱頭與柱腳高度500 mm范圍內(nèi)箍筋加密，間距100 mm，其余間距200 mm，混凝土保護層厚度均取20 mm。試件養(yǎng)護齡期為60天。

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 試驗結(jié)果

試件在500 t長柱液壓試驗機上進行加載。ZC1-ZC6均在試件加載至破壞前的100 kN左右出現(xiàn)裂縫。當(dāng)加載到極限荷載后，繼續(xù)加載，荷載值急速下降，混凝土被壓碎，可以聽到碳-玻纖維筋破斷聲音。試驗加載結(jié)束之后，去除掉表面被壓碎的混凝土后發(fā)現(xiàn)ZC1箍筋在靠近角部位置被拉斷，ZC3縱筋在試件三分之二高處受壓破壞，其余試件的縱筋和箍筋未發(fā)生破壞。試驗結(jié)果如表3所示。 試件破壞形態(tài)如圖6所示。

表3 試驗結(jié)果匯總表

從試驗結(jié)果來看，碳-玻纖維筋海水集料混凝土柱的破壞都是脆性破壞，破壞之前沒有明顯的預(yù)兆。加載到接近極限荷載時，裂縫從試件的中部邊緣開始發(fā)展，延伸至兩端，發(fā)展十分迅速，在持荷期間裂縫也有持續(xù)的發(fā)展，但由于碳-玻纖維筋海水集料混凝土柱沒有鋼筋混凝土柱在受壓時的屈服階段，碳-玻纖維筋應(yīng)力應(yīng)變曲線基本為線性，所以試件破壞時裂縫的總體開展不大。

2.2.2 試件荷載變形關(guān)系

試件荷載-變形曲線如圖7所示。從圖7可以看出，試件加載后的變形都很大。這是由于碳-玻纖維筋的抗壓彈模為鋼筋的1/3左右，海水集料混凝土的彈模也大約為普通混凝土的1/3左右，因此碳-玻纖維筋海水集料混凝土試件整體表現(xiàn)出高強度，低剛度的特點。

從ZC1和ZC2以及ZC3和ZC4曲線可以對比看出，箍筋加密可以提高試件的極限承載力，對于試件的抗變形能力也有小幅度的提高。在截面面積不變的情況下，長細(xì)比越大，越接近足尺模型，極限承載力降低，變形增大，而且試件可能存在偏心受壓導(dǎo)致失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象。ZC5試件在加載前期的變形較小，原因是，在試驗開始前，試件安裝上試驗機預(yù)壓的時間過長，導(dǎo)致在試驗加載開始時，試件變形增長緩慢。但當(dāng)荷載加載至ZC5極限荷載的大約1/2時，試件的變形陡然變大，曲線斜率隨之急劇縮小，試件最終變形超過了長細(xì)比較小的試件。從ZC5和ZC6的對比中可以看出配筋率的提高可以顯著提高試件的極限承載力，但沒有改善試件抵抗變形的能力。因此，在實際工程中，為避免碳-玻纖維筋海水集料混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在破壞時產(chǎn)生過大的變形，應(yīng)提高構(gòu)件的配箍率，使構(gòu)件截面的套箍約束作用更加明顯，改善構(gòu)件的變形能力。

2.2.3 應(yīng)變分布與分析

碳-玻纖維筋和海水集料混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖8所示。

試件ZC2、ZC4、ZC5、ZC6的破壞特征都是混凝土壓碎，縱筋、箍筋均無破壞，應(yīng)力應(yīng)變曲線相似。從ZC2的曲線可以看出，兩條曲線上升的斜率基本一致，表明壓應(yīng)變增率相近，但碳-玻纖維筋的壓應(yīng)變始終大于海水集料混凝土的壓應(yīng)變，表現(xiàn)為混凝土先被壓碎。碳-玻纖維筋極限壓應(yīng)變?yōu)?2 660，海水集料混凝土的極限壓應(yīng)變?yōu)? 068，相差不大，兩者協(xié)同工作性能較好。

試件ZC1在加載破壞后，敲開表面壓碎的混凝土，發(fā)現(xiàn)縱筋完好，試件中部一根箍筋在靠近角部的位置斷裂，這是由于試件存在偏心受壓的情況。當(dāng)海水集料混凝土壓碎時的極限壓應(yīng)變?yōu)? 427，碳-玻纖維筋極限壓應(yīng)變?yōu)? 522，從曲線可以看出兩者協(xié)同工作的性能良好。

試件ZC3在加載破壞后，敲開表面壓碎的混凝土，發(fā)現(xiàn)試件高度方向靠上的角部位置，一根縱筋被折斷，箍筋未破壞，只是表面的碳纖維肋紋部分?jǐn)嗔选那€可以看出，碳-玻纖維筋的應(yīng)變增長比較均勻，到達(dá)壓應(yīng)變?yōu)?1 975的極限壓應(yīng)變后陡然下降，再也不能承載。海水集料混凝土的極限壓應(yīng)變?yōu)? 890，初期應(yīng)變增長較快，在到達(dá)5 MPa以后增長率下降，到壓碎破壞時與筋材的壓應(yīng)變相差不大。這是由于試件在支模時出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致試件成型時柱頭不水平，造成不均勻受壓，導(dǎo)致縱筋破斷。

3 結(jié)論

1) 碳-玻纖維筋的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線在破壞前基本為一條直線,試件破壞形式有端部壓潰，縱向劈裂，端部脫粘3種形式。試件破壞是在達(dá)到一定壓應(yīng)力后，由于纖維與樹脂膠體抵抗變形的能力不同，造成兩者結(jié)合較弱的部位脫離而破壞。不加約束的碳-玻纖維筋抗壓強度是其抗拉強度的40%左右，抗壓彈性模量與抗拉彈性模量大致相同；

2) 碳-玻纖維筋海水集料混凝土柱的破壞形式大多為海水集料混凝土壓碎破壞。在混凝土壓碎之前，碳-玻纖維縱筋和箍筋均未發(fā)生破壞，在其壓碎之后，繼續(xù)加載，筋材有可能發(fā)生斷裂破壞，說明碳-玻纖維筋不會先于海水集料混凝土發(fā)生破壞，對結(jié)構(gòu)安全性有利；

3) 從軸壓柱的荷載變形曲線可看出，試件的極限變形很大，試件的極限承載力受試件長細(xì)比、箍筋間距、配筋率所影響。長細(xì)比越大，越不利于軸心受壓，試件可能失穩(wěn)破壞。試件箍筋間距的減小可以約束試件的橫向變形，有利于減小試件的極限變形，增大極限承載力。配筋率的提高可直接提升極限承載力，但對試件軸心和橫向的變形能力沒有明顯改善。因此，建議盡量減小長細(xì)比，適當(dāng)減小箍筋間距；

4) 從試件海水集料混凝土和碳-玻纖維筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可看出，兩種材料雖彈模均非常低，且都是脆性材料，但應(yīng)變增長較為一致，極限壓應(yīng)變十分接近，說明兩者協(xié)同工作性能良好，兩種材料的抗壓性能均可較好地發(fā)揮。

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