郝　瀚，水中和，鄭又瑞，張　瀟

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

GFRP筋增強(qiáng)ECC梁的抗彎性能研究

郝瀚，水中和，鄭又瑞，張瀟

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

利用玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)筋取代鋼筋作為混凝土結(jié)構(gòu)增強(qiáng)筋可以有效解決侵蝕環(huán)境下鋼筋銹蝕問題，但存在著延性不足的問題，結(jié)構(gòu)常常呈脆性破壞。研究了GFRP筋高韌性水泥基復(fù)合材料(ECC)梁的抗彎性能，并與GFRP筋普通混凝土梁和鋼筋混凝土梁進(jìn)行對比，結(jié)果顯示GFRP筋ECC梁在抗彎承載力和延性方面均優(yōu)于GFRP筋普通混凝土梁，并且GFRP筋ECC梁具有類似于鋼筋混凝土的塑性破壞特征，不同于GFRP筋普通混凝土梁的脆性破壞。GFRP筋與ECC具有良好的協(xié)同工作能力，并且兩者均具有優(yōu)異的耐久性能，因此在海洋工程、冬季撒除冰鹽的公路與橋梁工程等領(lǐng)域具有廣闊的前景。

GFRP筋；ECC；荷載-撓度曲線；延性

海洋工程結(jié)構(gòu)由于長期受到海水沖刷、干濕循環(huán)以及氯鹽侵蝕，腐蝕問題一直比較突出，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更是如此。在海洋環(huán)境下服役的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即使采用150 mm的混凝土保護(hù)層厚度，其對內(nèi)部鋼筋銹蝕的防護(hù)也僅有15年左右[1]，這與長壽命海洋結(jié)構(gòu)的耐久性要求相距甚遠(yuǎn)。玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(GFRP)筋取代鋼筋作為混凝土結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋可以有效解決鋼筋銹蝕問題[2]，這是因為和鋼筋相比，GFRP筋在惡劣環(huán)境中具有高耐腐蝕性，并且GFRP筋具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的優(yōu)點，這將大大延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。然而，GFRP筋也有其弊端，例如彈性模量低、應(yīng)力-應(yīng)變呈線彈性，導(dǎo)致GFRP筋混凝土構(gòu)件常常呈脆性破壞，缺乏延性，這些缺點限制了其在土木工程領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。

GFRP筋和混凝土都屬于脆性材料，GFRP筋混凝土梁四點彎曲試驗中一旦混凝土開裂，全部荷載便由GFRP筋承擔(dān)，這將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的過早失效[3]。而高韌性水泥基復(fù)合材料(ECC)具有高斷裂韌性、高抗拉延性、裂紋控制能力和應(yīng)變硬化的特性[4]，即使出現(xiàn)第一條裂縫也不會馬上斷裂，仍然可以繼續(xù)承受荷載。為了推廣GFRP筋在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，須改善結(jié)構(gòu)的延性，因此擬研究GFRP筋ECC梁這種新型結(jié)構(gòu)形式的抗彎性能，并與GFRP筋混凝土梁和鋼筋混凝土梁的抗彎性能進(jìn)行對比，評價GFRP筋ECC梁的延性。

1　實　驗

1.1原材料

水泥：華新P·O 42.5水泥。粉煤灰：武漢陽邏電廠II級粉煤灰，需水量比98%。粗骨料：5～10 mm連續(xù)級配普通碎石。精細(xì)河砂：普通河砂過0.6 mm方孔篩，取篩下部分。纖維：高強(qiáng)高彈模PVA纖維，具體性能參數(shù)見表1。GFRP筋：采用海寧安捷復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的玻璃纖維增強(qiáng)聚合物筋，具體性能參數(shù)見表2。鋼筋：采用普通螺紋鋼筋，直徑8 mm，抗拉強(qiáng)度210 MPa，彈性模量200 GPa，延伸率20%。硅油：甲基硅油。減水劑：江蘇博特生產(chǎn)的聚羧酸細(xì)高效減水劑，減水率28%。拌和水：武漢市自來水。

表1　高強(qiáng)高彈模PVA纖維特性參數(shù)

表2　GFRP筋基本性能參數(shù)

1.2基體混凝土制備及試件制作

ECC的攪拌制度為：首先用硅油處理PVA纖維表面[5]，然后將水泥、粉煤灰、PVA纖維投入混料機(jī)干混20 min，最后投入單軸臥式攪拌機(jī)，加水和減水劑攪拌3 min后成型。OPC(普通混凝土)和ECC的配合比如表3所示。

表3　基體混凝土配合比

共制備5根混凝土梁，分別為OPC梁、鋼筋混凝土梁、GFRP筋OPC梁、ECC梁、GFRP筋ECC梁，梁的尺寸均為400 mm×100 mm×100 mm。配筋形式均為梁底部配兩根縱筋，示意圖如圖1所示。

1.3方法

(1)

FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)延性分析：目前國際上還沒有統(tǒng)一的FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性定義，該文采用較為普遍的能量比方法，該方法是由Naaman等人引入的基于能量的延性比[7]，F(xiàn)RP筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)表達(dá)式為

(2)

式中，Etot為荷載-撓度曲線下的總面積，Eel為荷載-撓度曲線卸載段下的面積。

混凝土梁彎曲韌性試驗在MTS Landmark電液伺服試驗機(jī)上進(jìn)行，加載速率控制在0.2 mm/min?；炷量箟簭?qiáng)度試驗依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行。

2　結(jié)果與分析

2.1普通混凝土梁與ECC梁的彎曲韌性對比

普通混凝土和高韌性水泥基復(fù)合材料的28 d抗壓強(qiáng)度如表4所示。配制的普通混凝土28 d抗壓強(qiáng)度比ECC高約15%。

表4　基體抗壓強(qiáng)度

OPC梁和ECC梁的荷載-撓度曲線分別見圖3和圖4。從圖中可以看出，OPC梁從加載直至斷裂，幾乎沒有塑性變形，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞，極限荷載下的撓度僅有0.7 mm左右。而ECC梁在彎曲荷載作用下，呈現(xiàn)良好的塑性變形和應(yīng)變硬化特性，極限撓度可以達(dá)到3.5 mm左右，這是因為ECC中的PVA纖維能夠提供足夠的橋聯(lián)應(yīng)力[8]，開裂后可以抑制裂縫寬度的擴(kuò)展，并且依靠界面粘結(jié)將應(yīng)力傳遞給周圍未開裂的基體進(jìn)而產(chǎn)生新的裂縫，最終破壞時試件呈現(xiàn)多條細(xì)裂縫。

根據(jù)JSCE-SF4評價方法計算得到OPC梁和ECC梁的彎曲韌性系數(shù)，結(jié)果如表5所示。從計算結(jié)果中可以看出，ECC梁的彎曲韌性系數(shù)是OPC梁的2.6倍以上，雖然OPC梁的抗彎承載力略高于ECC梁，但ECC梁的極限撓度達(dá)到OPC梁的5倍以上，這是因為ECC梁的多縫開裂可以消耗更多的能量，從而具有更高的彎曲韌性。

表5　OPC梁和ECC梁的彎曲韌性系數(shù)

2.2GFRP筋增強(qiáng)不同混凝土基體的延性對比

對GFRP筋混凝土梁和GFRP筋ECC梁進(jìn)行彎曲試驗，荷載-撓度曲線如圖5所示。對比圖3和圖4，我們可以看出，GFRP筋混凝土梁相比于素混凝土梁，極限荷載增加約173%；GFRP筋ECC梁相比于ECC梁，極限荷載增加約317%。配筋前，普通混凝土梁較ECC梁的極限荷載高43.5%，配筋后，GFRP筋ECC梁較GFRP筋混凝土梁的極限荷載高6.5%。由此可見，ECC與GFRP筋共同使用可以彌補GFRP筋的延性不足和發(fā)揮ECC的韌性，兩者具有良好的協(xié)同工作能力。

根據(jù)以上FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)延性系數(shù)公式計算得到GFRP筋增強(qiáng)不同混凝土基體的延性系數(shù)，結(jié)果如表6所示。從計算結(jié)果中可以得到，GFRP筋ECC梁的延性系數(shù)是GFRP筋OPC梁的3.1倍，

表6　GFRP筋增強(qiáng)不同混凝土基體的延性系數(shù)

GFRP筋ECC梁的極限撓度是GFRP筋OPC梁的1.5倍以上。對比兩者的荷載-撓度曲線，我們可以看出，GFRP筋OPC梁從加載直至斷裂，荷載-撓度曲線表現(xiàn)為線彈性變化，達(dá)到極限荷載后呈明顯脆性破壞，這是因為混凝土開裂之后，混凝土便退出承載，荷載幾乎全部由GFRP筋承擔(dān)，受壓區(qū)混凝土被壓碎而突然破壞[9]。而GFRP筋ECC梁的荷載-撓度曲線存在明顯的水平段和下降段，這種特征類似于鋼筋混凝土梁彎曲時的屈服平臺特征，表明GFRP筋ECC梁具有良好的變形能力，這是因為ECC出現(xiàn)裂紋之后，并不是馬上退出承載，而是繼續(xù)和GFRP筋一起承載，不會導(dǎo)致GFRP筋突然斷裂和受壓區(qū)ECC的脆性破壞。ECC在與GFRP筋共同承載過程中，產(chǎn)生更多的裂紋，吸收更多的能量，從而比GFRP筋OPC梁的延性有明顯的增長。

2.3GFRP筋ECC梁與鋼筋混凝土梁的彎曲試驗對比

和GFRP筋相比，鋼筋具有較高的剛度和較好的延性，鋼筋混凝土梁加載至受拉區(qū)混凝土開裂后，拉力全部由鋼筋承擔(dān)，繼續(xù)加載鋼筋將達(dá)到屈服階段，最終受壓區(qū)混凝土達(dá)到抗壓極限，導(dǎo)致梁破壞，為塑性破壞。圖6反映了GFRP筋ECC梁和鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線，GFRP筋ECC梁在抗彎承載力方面比鋼筋混凝土梁略小，這是因為GFRP筋的彈性模量和抗彎強(qiáng)度均明顯低于鋼筋，但GFRP筋與ECC梁協(xié)同工作可以呈現(xiàn)出與鋼筋混凝土相似的塑性破壞特征。因此，GFRP筋ECC梁具有鋼筋混凝土般良好的延性，并且具備良好的耐腐蝕性，這種組合形式在海洋工程、冬季撒除冰鹽的公路與橋梁工程等領(lǐng)域具有廣闊的前景。

3　結(jié)　論

a.GFRP筋可以明顯提高混凝土梁的抗彎承載力，但GFRP筋混凝土梁仍然缺乏延性，呈現(xiàn)脆性破壞。

b.ECC梁的延性明顯優(yōu)于普通混凝土梁，并且GFRP筋ECC梁的延性明顯優(yōu)于GFRP筋混凝土梁，呈現(xiàn)塑性破壞特征。

c.GFRP筋ECC梁的荷載-撓度曲線存在水平段和下降段，具有類似于鋼筋混凝土梁的屈服平臺，GFRP筋與ECC具有良好的協(xié)同工作能力，兩者共同使用可以彌補GFRP筋的延性不足和發(fā)揮ECC的韌性。

[1]王全鳳, 楊勇新, 岳清瑞.FRP復(fù)合材料及其在土木工程中的應(yīng)用研究[J].華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2005, 26(1)：1-6.

[2]金文成, 鄭文衡, 周小勇.纖維復(fù)合材料配筋混凝土結(jié)構(gòu)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社, 2014.

[3]李慶華, 徐世烺.超高韌性水泥基復(fù)合材料基本性能和結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].工程力學(xué)，2009, 26(2):23-67.

[4]Lin Z, Kanda T, Li V C.On Interface Property Characterization and Performance of Fiber Reinforced Cementitious Composites[J].Concrete Science and Engineering, RILEM, 1:173-184.

[5]徐世烺.超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用[M].北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[6]韓建國.混凝土彎曲韌性測試和評價方法綜述[J].混凝土世界，2010, 10(17):42-45.

[7]徐秦.FRP筋混凝土受彎構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué), 2009.

[8]Ravi Ranade, Jie Zhang, Jerome P Lynch，et al.Influence of Micro-cracking on the Composite Resisitivity of Engineered Cementitious Composites[J].Cement and Concrete Research,2014, 58:1-12.

[9]祁凱, 翁春光.FRP筋混凝土梁延性性能試驗研究[J].工程抗震與加固改造,2007,29(5):63-67.

Study on Flexural Behavior of GFRP Bars Reinforced ECC Beam

HAO Han, SHUI Zhong-he, ZHENG You-rui, ZHANG Xiao

(State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070, China)

Using glass fiber reinforced polymer (GFRP)bars instead of steel reinforced concrete can effectively solve the problem of steel corrosion, but GFRP bars reinforced concrete exists the problem of insufficient ductility, as a result of brittle failure.This paper investigates the flexural behavior of GFRP bars reinforced engineered cementitious composites (ECC) beams,and compares it with GFRP bars reinforced ordinary performance concrete and reinforced concrete beams.The results show that GFRP bars reinforced ECC beams are obviously superior to GFRP bars reinforced ordinary performance concrete in the bending strength and ductility, and GFRP bars reinforced ECC beams present plastic failure which is different from brittle failure that GFRP bars reinforced ordinary performance concrete beams present.GFRP bars and ECC have good ability of collaborative work, both of which have excellent durability, therefore, they have broad prospects in the field of marine engineering,road and bridge engineering which may experience deicing salt.

GFRP bars;ECC;load-deflection curve;ductility

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.009

2015-03-04.

國家科技支撐計劃課題(2014BAC01B02).

郝瀚(1990-), 碩士生.E-mail:420450592@qq.com