凍融環境下GFRP管混凝土柱軸壓性能試驗研究

高永紅，陳凌峰，金清平

（武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065）

0 前言

纖維增強聚合物（FRP）管混凝土柱作為一種新型組合結構，在土木工程領域得到了廣泛關注，與傳統建筑材料相比，FRP材料在輕質高強耐腐蝕等方面具有顯著的優越性［1?4］。其中GFRP管混凝土柱應用最為廣泛［5?9］。因此學者們圍繞GFRP管混凝土柱在特殊環境下的耐久性進行了一系列的研究。目前對GFRP管混凝土柱在耐久性能的研究多集中在浸泡、干濕循環、鹽堿、酸性環境等。Wang等［10］研究表明在GFRP管混凝土柱凍融循環過程中，環氧樹脂吸收的水分引起膨脹應力，使材料體積膨脹，在樹脂相與界面相之間產生微裂紋，最終導致GFRP管混凝土柱的力學性能惡化。Guo等［11］研究了混凝土填充GFRP管（CFGT）短柱在酸腐蝕后的壓縮行為。結果表明，浸泡時間對酸腐蝕GFRP管混凝土短柱的極限強度影響最大，GFRP管壁厚和混凝土強度的影響可以忽略不計。張慧娟等［12］研究了水、海水浸泡環境對GFRP管混凝土短柱的承載力與軸向極限應變的影響，發現水與海水均會削弱GFRP管對混凝土的約束效果，且影響效果相似，浸泡環境下試件承載力呈指數型下降，隨著浸泡時間的延續，試件的極限承載力趨于平穩。呂珍瑩等［13］研究了鹽溶液干濕循環下對GFRP管混凝土柱極限承載力的影響。結果表明，隨著干濕循環時間的增加，GFRP管混凝土柱的極限承載力下降的速度增加。Li等［14］研究了海水海砂混凝土填充GFRP管在人工海水下的耐久性進行了軸壓實驗。試驗結果表明，隨著浸泡時間的增加，GFRP管混凝土柱的極限強度和相應的軸向應變逐漸降低。也有研究揭示了GFRP管混凝土柱凍融環境下的力學性能變化。張云峰等［15］研究發現凍融循環作用對GFRP管混凝土短柱極限承載力、GFRP管與核心混凝土之間的黏結強度有較大的影響，隨著凍融循環次數的增加，GFRP管混凝土短柱的極限承載力、GFRP管與核心混凝土之間的黏結強度均降低。綜上所述，考慮氯鹽?凍融循環耦合作用下GFRP管混凝土柱的研究相對較少。本文從不同凍融介質和凍融循環次數兩方面研究對GFRP管混凝土（后文簡稱為CFGT）柱軸壓性能影響。研究可為凍融環境下的CF?GT柱實際工程應用提供依據。

1 實驗部分

1.1 主要原料

GFRP管，基體為環氧樹脂，纖維纏繞角度為30 °，揚州屹能電工有限公司；

C40混凝土，水泥∶水∶砂∶碎石為1∶0.47∶1.64∶3.48，選用42.5級普通硅酸鹽水泥，細黃砂，自來水，粒徑級配范圍5～20 mm的碎石。

1.2 主要設備及儀器

混凝土快速凍融試驗機，TDR?10，北京中科德眾科技有限公司；

非金屬超聲檢測儀，ZBL?U5100，北京智博聯科技股份有限公司；

微機控制電液伺服壓力試驗機，WAW?1000，濟南試金集團有限公司；

程控靜態電阻應變儀，UT7808，武漢優泰電子技術有限公司。

1.3 樣品制備

本文試驗共設計制作42個試件，包括21個CFGT柱試件和21個素混凝土柱對照組試件。CFGT柱用GFRP管做模板，高度為300 mm，管內混凝土直徑為100 mm，管壁厚2.5 mm。素混凝土柱用PVC管做模板，直徑為100 mm，高度為300 mm，如圖1所示。

圖1 試件的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of the specimen

混凝土澆筑前，用透明膠將GFRP管和PVC管封底，PVC管應在澆筑前涂上黃油，方便養護后脫模。按照設定的配合比配好混凝土原料，均勻拌和混凝土，并分3次進行澆筑，邊澆筑邊用振搗棒對管柱內的混凝土進行振搗，待振搗密實無空隙氣泡后用刮刀將管柱頂面混凝土抹平。澆筑完成24 h后將PVC管拆模，拆模后將所有試件進行養護，室內溫度保持在（20±2） ℃，相對濕度保持在95 %及以上。CFGT柱和素混凝土柱的養護齡期達到24 d時，將其從養護實驗室取出，隨后放在溫度為（20±2） ℃的水中浸泡4 d，在28 d齡期時進行凍融試驗。凍融介質分為水溶液和質量分數為3.5 %NaCl溶液分別進行凍融循環試驗。試件以凍循環次數（0、50、100、150次）分組，各工況下試件分組如表1所示。

表1 試件分組Tab.1 Specimen grouping

1.4 性能測試及結構表征

凍融試驗：按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082—2009［16］，本試驗采用快凍法，按表1的分組，每3個為一組放入凍融試驗機的橡膠桶內，分別在水溶液和NaCl溶液中進行凍融。滿足從4～18 ℃降溫階段所需時間和-18～4 ℃升溫階段所需的時間總和不少于2 h，不超過5 h。解凍時間不少于1/4；在凍結完成時，試件中心溫度應為（-18±2） ℃，在升溫階段完成時，試件中心溫度為（4±2） ℃。每凍融循環50次取出并記錄試件的表觀變化、質量和橫向基頻。凍融循環達到下列任一條件即可停止試驗：（1）凍融循環至150 次；（2）試件相對動彈性模量下降至60 %以下；（3）試件質量損失率達5 %。

超聲波檢測：為驗證經凍融循環試驗后CFGT柱內部是否存在缺陷，在管柱側表面均勻劃分網格并進行編號，把超聲波發射器底面涂上耦合劑分別置于各對應測點上，逐點檢測CFGT柱內部是否存在缺陷，如圖2所示。

圖2 CFGT柱超聲波測試Fig.2 Ultrasonic test of concrete?filled GFRP tube column

軸壓試驗：在軸壓試驗前需室溫下干燥24 h并對試件兩端用樹脂膠和70 mm寬的碳纖維布纏繞加固，在柱高度1/2截面位置處用AB膠貼上應變花，用以測量試件環向、軸向以及45 °夾角方向上的應變。加載全程采用力控制，加載速度為2.4 kN/s，壓力機可以自動記錄試驗力、位移等數據；程控靜態電阻應變儀每2 s采集一次應變數據。

2 結果與討論

2.1 凍融試驗表觀現象

圖3中CFGT柱經不同凍融介質和不同凍融次數之后表觀并無明顯變化。圖4中素混凝土柱經水凍循環后的表觀變化較為明顯，50次時混凝土柱表面出現輕微麻面，并有部分表層混凝土剝落呈現“起皮”的現象；100次時試件表面混凝土剝落，細骨料露出，部分粗骨料可見，混凝土柱整體表面較為粗糙；150次時部分混凝土成塊狀剝落，粗骨料暴露面積較大，混凝土柱整體缺損較為嚴重。素混凝土柱在鹽凍循環50次后試件表面混凝土大面積脫落，粗骨料暴露，表面混凝土損失明顯。因素混凝土柱經鹽凍循環50次后已達到凍融停止條件，故不再進行后續試驗。

圖3 凍融前后CFGT柱外觀Fig.3 Appearance of concrete?filled GFRP tube columns with and without freeze?thaw cycles

圖4 素混凝土柱在不同凍融介質、不同凍融次數下的表觀Fig.4 Appearance of plain concrete columns under different freeze?thaw agents and freeze?thaw cycles

2.2 凍融參數變化

根據凍融試驗結果所測數據整理得到每組試件在不同凍融循環次數后的平均質量損失率和平均相對動彈性模量如圖5和圖6所示。CFGT柱在水溶液、NaCl溶液中凍融循環相同次數時曲線變化相差不大，其平均質量損失率和平均相對動彈性模量曲線幾近相同。水凍循環中素混凝土柱的曲線斜率明顯比CFGT柱的曲線斜率大得多，水凍150次時素混凝土柱的平均質量損失率是CFGT柱的11.44倍，平均相對動彈性模量是CFGT柱的48.35 %，此時素混凝土柱達到凍融停止條件。素混凝土柱在鹽凍50次后平均質量損失率就達到7.4 %，平均相對動彈性模量為38.5 %，達到凍融循環停止條件。CFGT柱在水凍和鹽凍循環之后參數下降小，原因在于GFRP管的保護作用減少了溶液與核心混凝土的接觸面積，使進入核心混凝土孔隙內的溶液變少，減小凍融循環對混凝土的破壞作用。素混凝土柱在NaCl溶液中凍融50次比在水溶液中凍融150次的平均質量損失率大，其平均相對動彈性模量比150次小，表明NaCl溶液的參與大大加速了混凝土的破壞進程。

圖5 試件的平均質量損失率變化曲線Fig.5 Variation curve of average mass loss rate of the specimen

圖6 試件的平均相對動彈性模量變化曲線Fig.6 Variation curve of average relative dynamic elastic modulus of the specimen

凍融試驗結果表明混凝土的破壞受到水溶液結冰膨脹和NaCl溶液侵蝕的共同作用，目前為止關于混凝土凍融損傷破壞機理的研究以靜水壓理論和滲透壓理論影響最為廣泛。依據靜水壓理論，水溶液進入混凝土在凍結過程中，混凝土大孔徑內的水溶液先結冰膨脹，把未結冰的水溶液擠出，形成靜壓力差，當靜壓力達到一定值時，孔隙出現破壞。混凝土在反復凍融過程中，混凝土內可凍水結冰時產生的體積膨脹所致的結冰壓力和孔隙水遷移的滲透壓導致混凝土內部細微裂紋不斷擴展，細微裂紋貫通連成網狀裂紋，并不斷向外擴散致使混凝土表面開裂、脫落，加劇混凝土的破壞，導致混凝土質量損失和相對動彈性模量的降低。滲透壓理論表明混凝土柱孔隙中的水溶液結冰，使得鹽溶液中氯離子濃度上升，與周圍小孔隙中的溶液之間形成一定的濃度差，濃度差的存在會使孔隙間產生滲透壓，使小孔隙中的水溶液向大孔隙中移動。凍融反復作用后，混凝土內滲透壓逐漸增大，當突破混凝土的極限抗拉強度時，便會導致混凝土的破壞。

2.3 超聲波檢測結果

通過對水凍和鹽凍循環50、100、150次后CFGT柱檢測到的異常點數量如圖7所示，單參量平均異常點數量表示每組試件的聲時異常點或幅度異常點的平均值，雙參量平均異常點數量表示每組試件的聲時異常點和幅度異常點的平均值。由圖7可知，鹽凍循環50、100、150次的平均單參量異常點數量是相同凍融次數水凍條件下的5.39、1.69、1.29倍。鹽凍循環100、150次的平均雙參量異常點數量是相同凍融次數水凍條件下的1.99、3倍。隨著凍融次數的增加，CFGT柱的平均異常點數量逐漸增多，在同樣凍融循環次數下，經鹽凍循環后平均異常點數增加得更多。相同凍融次數下鹽凍循環試件的平均異常點數量增加更多，原因是氯離子在核心混凝土中擴散和滲透增加了凍融的腐蝕程度，加快了GFRP管與核心混凝土之間黏結界面的破壞。

圖7 CFGT柱平均異常點個數Fig.7 Average number of abnormal points of concrete?filled GFRP tube column/point

Renaudin 等［17］研究發現混凝土中的 3CaO·Al2O3（C3A）會和Cl-結合成較為穩定的Friedel復鹽，混凝土在鹽溶液中經反復凍融后，氯鹽與混凝土中的水化產物Ca（OH）2、3CaO? Al2O3? 6H2O發生化學反應，生成的膨脹性復鹽CaCl2?Ca（OH）2? nH2O使試件發生膨脹，當膨脹壓力超過混凝土的極限抗拉強度時，混凝土發生開裂破壞。同時復鹽 CaCl2?Ca（OH）2?nH2O 的生成會消耗大量的Ca（OH）2，進而破壞Ca（OH）2與C?S?H凝膠之間的平衡，同時Friedel復鹽結晶化合物的出現導致C?S?H分解，促進了混凝土表面的剝落。

2.4 凍融軸壓試驗結果分析

2.4.1 軸壓試驗現象

CFGT柱在水凍循環后軸壓加載過程中，各組試件表觀現象較相似：在加載初期試件表觀無明顯變化，隨著荷載的增加，試件中部受拉區纖維層顏色由開始的淡綠色逐漸“泛白”，呈現不規則的局部白色。荷載進一步增大，可以聽到纖維和樹脂斷裂的聲音。在最終達到極限荷載時，管柱中部沿纖維方向裂開，內部混凝土碎裂露出，試件失去承載能力但均未發生坍塌。

CFGT柱在水凍循環0、50、100、150次后，分別加載至極限荷載的67 %、69 %、66 %、69 %左右時管柱外側中部出現泛白現象，分別加載至67 %、78 %、77 %、76 %左右時開始出現零星的纖維斷裂聲音。最終破壞形態如圖8所示。

圖8 SD?GZ?150試件破壞形態Fig.8 Failure modes of SD?GZ?150 specimen

CFGT柱在鹽凍循環0、50、100、150次后，分別加載至極限荷載的67 %、69 %、78 %、85 %左右時管柱外側中部出現泛白現象，分別加載至67 %、75 %、78 %、71 %左右時開始出現零星的纖維斷裂聲音。鹽凍循環管柱破壞形態與水凍循環較相似，如圖9所示。

圖9 YD?GZ?150試件破壞形態Fig.9 Failure modes of YD?GZ?150 specimen

素混凝土柱水凍循環0、50、100、150次后達到極限荷載時試件情況分別表現為裂縫突然出現且發展迅速，試件中部混凝土立刻破壞并失去承載能力但并未坍塌；裂縫迅速出現加深，表面混凝土“起皮”，試件破壞但未坍塌；裂縫迅速出現并向柱兩端發展，試件破壞但未坍塌；試件突然破壞坍塌。素混凝土柱鹽凍循環50次后，該組試件當平均荷載達到68.33 kN左右時試件突然坍塌。素混凝土柱鹽凍循環破壞形態如圖10所示。

圖10 YD?SZ?50試件破壞形態Fig.10 Failure modes of YD?SZ?50 specimen

2.4.2 極限承載力分析

各工況下CFGT柱軸壓狀態下的極限承載力各不相同，隨凍融次數增加極限承載力均有下降的趨勢，整理各工況下試件的平均極限承載力數據，如圖11所示。在水凍50、100、150次后，CFGT柱的極限承載力分別為未凍融狀態下的94.96 %、93.72 %、86.53 %，隨著凍融次數的增加，試件極限承載力由未凍融時的1 289.87 kN到水凍循環150次后的1 116.17 kN，降低了13.47 %；鹽凍50、100、150次試件的極限承載力是未凍融狀態下的87.23 %、79.99 %、70.55 %，CFGT柱在鹽凍循環150次后極限承載力降低了29.45 %，下降量是相同條件下水凍結果的2.19倍。在水凍循環150次和鹽凍循環50次時CFGT柱的極限承載力降低水平僅相差0.7 %。素混凝土柱在水凍循環150次時的平均極限承載力是未凍融狀態的36.15 %，下降幅度最大，但其離散程度較小。可以看出相同凍融次數時，CFGT柱經鹽凍循環后極限承載力平均值的離散程度更大，鹽凍循環較水凍循環之后極限承載力不穩定，充分說明鹽凍循環對CFGT柱的破壞力大于水凍循環。

圖11 試件的極限承載力平均值Fig.11 Average ultimate compressive strength of the specimens

2.4.3 荷載?應變曲線分析

通過分析試驗測試數據發現，環向、軸向和45 °方向上的應變中，45 °方向的應變要遠小于其他2個方向上的應變，故將環向和軸向應變作為主應變進行研究分析。各工況下CFGT柱的荷載?應變曲線如圖12所示。可以看出，試件的軸向和環向應變隨荷載的增加而增大，并且軸向應變變化量都大于環向應變變化量。該曲線形式與混凝土受壓荷載?應變曲線較為相似，GFRP管對于試件整體的影響較??；當管內混凝土達到極限承載力時，曲線出現拐點進入中期階段，中期階段GFRP管和混凝土共同承擔荷載，且GFRP管所承擔的比重逐漸增大，直到增加的荷載主要由GFRP管承擔，此段曲線形式為彈塑性階段；在后期混凝土已經達到或者接近極限荷載時，GFRP管對整體強度的貢獻增大，在曲線上表現為后面曲線段的斜率減小明顯，由陡趨于平滑，試件進入強化階段，直到應力和應變值達到最大，試件發生破壞。

圖12 凍融循環不同次數下的荷載?應變曲線Fig.12 Load?strain curves under different times of freeze?thaw cycles

隨著凍融次數的增加，CFGT柱的承載能力均呈現遞減的趨勢，同樣工況下凍融次數越多其環向和軸向應變越小，曲線的延展長度更短，這是由于凍融次數的增加使試件混凝土的損傷加重，混凝土的極限承載力降低，使加載進程更快地進入GFRP管承重的階段，表現在荷載?應變曲線上為拐點出現早，又由于后期GFRP管的受凍融影響延性存在一定程度降低，使得整個曲線變短。

2.4.4 凍融循環對CFGT柱極限應變的影響

各工況下CFGT柱的極限應變如圖13所示。由圖13（a）可知，隨著凍融次數的增加，水凍環境下試件的環向極限應變值呈下降的趨勢。鹽凍循環50次時環向極限應變平均值下降了0.006 5，鹽凍100次相比50次下降了0.002 6，圖13（a）中明顯看到鹽凍100次時的曲線斜率較50次時的斜率減小，150次時曲線上升，環向極限應變值比100次時增大0.001 9。圖13（b）中水凍循環50次和100次的軸向極限應變平均值變化量為0.000 1，曲線上來看基本為水平線，水凍循環150次后曲線斜率增大。鹽凍循環50、100次軸向極限應變變化量分別為0.002、0.005 3，變化率增大；鹽凍循環150次后軸向極限應變有變小的趨勢，比鹽凍循環100次時軸向應變均值下降0.001。整體上來看，隨著凍融次數的增加，CFGT柱的極限應變值大致呈下降的趨勢，這表示凍融環境對CFGT柱的延性有一定影響，循環次數越多延性越差；鹽凍循環后CFGT柱的極限應變小于水凍融循環極限應變，并且鹽凍環境下CFGT柱的極限應變下降得更多，說明鹽凍環境對CFGT柱的影響要比水凍環境更大。

圖13 荷載?極限應變平均值Fig.13 Average load?circumferential strain

3 結論

（1）經過凍融循環后CFGT柱和素混凝土柱的質量、動彈性模量和極限承載力均有所降低；隨著凍融次數的增加，CFGT柱的降低量較小，而素混凝土柱對照組降低量明顯更大，說明GFRP管對核心混凝土起到了保護作用，減少了凍融環境對試件的破壞作用；

（2）鹽凍循環比水凍循環對CFGT柱的影響更為明顯；在凍融循環次數相同的情況下，經過150次凍融循環作用后，水溶液中CFGT柱的質量損失率為0.5 %、相對動彈性模量的下降率為7.4 %以及極限承載力下降率為13.47 %；而NaCl溶液環境下的數值分別為 0.7 %、9.0 %和 29.45 %，素混凝土柱在水溶液環境下的數值為5.72 %、56 %和63.85 %；

（3）試件的軸向和環向應變隨荷載的增加而增大，并且軸向應變的變化量都要大于環向應變的變化量，GFRP管對核心混凝土產生的側向約束力起到很大作用。