GFRP管約束海砂再生混凝土軸壓性能試驗研究

李明盛 黃一杰

(1.山東信達建設工程有限公司，山東 濟南 250101; 2.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590)

0 引言

隨著經濟建設的快速發展，導致我國東部沿海地區河砂、碎/卵石資源匱乏，因此須采用綠色新型的建筑材料。而在沿海地區海砂資源豐富，且有較多的廢棄混凝土等建筑垃圾。為此，可將其充分利用制成海砂再生混凝土[1,2]，以替代普通混凝土在工程中的應用。但由于海砂中的Cl-影響混凝土水化硬化，使得材料性能發生變化[3-5]，Cl-含量過多也會導致鋼筋銹蝕、性能退化。此外，再生粗骨料易引發混凝土耐久性能下降[6,7]，這些都限制了海砂再生混凝土的推廣與應用。

而采用GFRP管約束海砂再生混凝土是一種良好改進方式。GFRP管的約束作用不僅改善了海砂再生混凝土力學性能，且提高了其耐久性能[8]。但現階段關于此方面研究還很少。為此，本文對GFRP管約束海砂再生混凝土進行軸壓試驗，為其推廣提供相應的基礎。

1 試驗設計

1.1 材料

試驗用細骨料有河砂與海砂兩種。其中海砂來自青島附近海域。粗骨料有再生粗骨料與碎石。再生骨料來自某廢棄道路的混凝土。水泥采用42.5R普通硅酸鹽水泥?；炷僚浜媳葹?，水泥∶砂∶粗骨料∶水=14.70∶10.5∶24.5∶4.4。

表1 粗骨料材料性質

試驗用粗骨料的密度、吸水率與壓碎指標如表1所示。細骨料性能如表2所示，同時采用硝酸銀滴定法測試海砂中氯離子的含量(φ)。

表2 細骨料材料性質

試驗管材為GFRP管(玻璃纖維纏繞管)。GFRP管的外徑、壁厚分別為：210 mm,5 mm。試件長徑比采用2.5。GFRP管環向抗拉強度為600 MPa。

1.2 試件概述

GFRP管約束海砂再生混凝土考慮的主要試驗參數為：再生粗骨料取代率(γ：0%與100%)和海砂氯離子含量(φ：0%與0.148 8%)。試驗共計四組，每組兩個試件，具體情況如表3所示。

表3 主要試驗結果

表3中試件編號含義為：FCSSRC代表GFRP約束海砂再生混凝土柱；后面第一個數字為再生骨料取代率：0,1分別表示0%,100%取代率；第二個數字代表海砂氯離子含量，0,1分別代表0%,0.148 8%含量。

1.3 試件加工與養護

制作試件時，將拌制好的混凝土分三次從GFRP管頂部灌入，并逐層振搗密實。待混凝土干縮變形穩定后，采用水泥砂漿抹平試件表面。對GFRP管約束海砂再生混凝土試件，自然養護28 d后進行試驗。

1.4 加載量測裝置與測試方法

采用5 000 kN電液伺服長柱試驗機對試件加載。在GFRP管上下兩端各設置2個應變片、中部設置8個應變片，量測試件的變形情況。此外，在試件中部設置有兩個YWD-100型位移計。加載采用力位移混合加載方式。具體現場加載如圖1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 破壞過程及破壞模式

在受荷初始，GFRP管約束海砂再生混凝土外觀無明顯變化，試件處于彈性階段。當達到70%峰值荷載時(Pu)，玻璃纖維管中部出現輕微泛白，表明試件中部混凝土受到較強約束，試件進入彈塑性階段。當達到90%Pu時，GFRP管中部玻璃纖維大面積斷裂，且纖維斷裂沿斜向發展。峰值荷載后，裂紋向管材兩側快速擴展，核心混凝土被壓碎，試件喪失承載力，并最終破壞。不同試件的破壞情況如圖2所示。

2.2 試驗結果

實測GFRP管約束海砂再生混凝土軸壓力學性能如表3所示。由表3可以得出，GFRP管約束海砂再生混凝土的峰值應力(fcc)隨再生粗骨料取代率的增加而降低。如FCSSRC20較FCSSRC00低2.4%，FCSSRC21較FCSSRC01下降5.9%。相同再生粗骨料含量下，氯離子含量會降低FCSSRC的峰值應力(式(1))。如FCSSRC01較FCSSRC00下降1%，而FCSSRC21較FCSSRC20減小2.8%。

(1)

此外，再生粗骨料會改善GFRP管約束海砂再生混凝土的峰值變形。試驗結果表明，FCSSRC20與FCSSRC21的峰值應變(εcc)分別較FCSSRC00與FCSSRC01提高6.9%與12%。而海砂中氯離子會降低試件的峰值變形，FCSSRC21峰值應變較FCSSRC20降低11.6%。

(2)

不同再生骨料取代率與氯離子含量條件下，由于GFRP管約束所引發的核心混凝土承載力提高系數γ值如表3所示。從表中可以得出，γ隨著再生粗骨料含量增加而略有提高。這是因為，當接近峰值荷載時再生混凝土的開裂與塑性變形略高于普通混凝土，從而導致GFRP管對混凝土約束作用增強，γ提高。此外，γ隨海砂氯離子的提高而略有下降。這是由于海砂中的氯離子會降低混凝土孔隙率、材料微觀結構改善[9]，當接近峰值荷載時，海砂混凝土的開裂與塑性變形低于采用河砂的混凝土，從而約束效果減弱，γ降低。

2.3 受力變形曲線

GFRP管約束海砂再生混凝土軸壓應力—應變全曲線如圖3所示。由圖3可知，在加載初期的彈性階段荷載—應變為線性關系，曲線斜率的大小隨再生粗骨料含量和海砂氯離子含量的變化而改變。再生骨料含量越高，曲線斜率越小，而海砂氯離子對其無明顯影響。

當達到50%峰值應力時，試件進入彈塑性階段，應力—應變曲線為非線性變化，斜率逐步降低。再生粗骨料和海砂氯離子含量對試件的峰值應力與應變有所影響。當到達峰值應力后，試件迅速破壞并退出工作。

3 結論與展望

1)GFRP管約束海砂再生混凝土主要破壞模式為核心混凝土被壓碎，外部管材斜向斷裂。其破壞模式與GFRP管約束普通混凝土相一致。

2)隨再生粗骨料取代率增加，GFRP管海砂再生混凝土峰值應力降低，而峰值應變有所增高。相同再生粗骨料含量下，試件承載力隨著海砂氯離子含量的增大而有降低趨勢。

3)GFRP管約束對核心混凝土承載力的提高隨著再生粗骨料含量增加而略有提高，隨海砂氯離子的提高而略有下降。

4)本文對GFRP管約束海砂再生混凝土軸壓力學性能進行了分析。后期在此基礎上建立峰值應力、應變的計算公式，并推導受力變形全曲線數學表達式。為海砂再生混凝土的推廣奠定基礎。