王 磊，陳 武，段志剛，易 金

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.海軍研究院海防工程設(shè)計(jì)研究所，北京 102202；3.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004)

以自然堆積或人工疏浚得到的珊瑚碎屑代替碎石、河沙，海水代替淡水拌養(yǎng)的珊瑚混凝土，對(duì)降低遠(yuǎn)海島礁建設(shè)成本，縮短工期具有重要意義。目前，國內(nèi)外部分學(xué)者對(duì)珊瑚混凝土開展了許多研究，并逐漸應(yīng)用于實(shí)際工程。由于珊瑚碎屑含大量鹽分，以及濕熱海洋環(huán)境，極易造成鋼筋銹蝕，珊瑚混凝土大多以素混凝土的形式應(yīng)用在混凝土墊層、防波堤等低檔次層面[1]。采用具有耐腐蝕、高強(qiáng)、輕質(zhì)等特點(diǎn)的CFRP(碳纖維復(fù)合材料)筋制作CFRP筋-珊瑚混凝土構(gòu)件可以有效解決鋼筋銹蝕問題。然而，有研究表明[2-5]，與鋼筋相比，CFRP筋相對(duì)較低的彈性模量以及與混凝土間的黏結(jié)性能，會(huì)導(dǎo)致CFRP筋-普通混凝土梁在開裂后剛度降低明顯，產(chǎn)生較大的裂縫和撓度，影響結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)下使用。此外，受珊瑚碎屑多孔輕質(zhì)材料特性以及施工過程控制難度較大的影響，采用常規(guī)方法配制的珊瑚混凝土強(qiáng)度偏低且離散性較大[6-7]，實(shí)際工程應(yīng)用中有可能出現(xiàn)珊瑚混凝土強(qiáng)度明顯低于設(shè)計(jì)值的情況。因此，有必要對(duì)CFRP筋-低強(qiáng)度珊瑚混凝土構(gòu)件性能進(jìn)行研究。本文設(shè)計(jì)了3組不同配筋率的CFRP筋-低強(qiáng)度珊瑚混凝土試驗(yàn)梁，進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn)研究，分析其破壞形態(tài)、裂縫發(fā)展情況以及撓度變形特征，以進(jìn)一步推動(dòng)FRP(纖維復(fù)合材料)筋珊瑚混凝土構(gòu)件的性能研究和工程應(yīng)用。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用碳纖維質(zhì)量率為60%～65%的表面環(huán)繞螺紋帶痕形式的CFRP筋，名義直徑分別為8，10，和12 mm，如圖1所示，試驗(yàn)確定的主要力學(xué)性能如表1所示。采用中國廣西北海潿洲島上分布的天然普通碎石型輕骨料珊瑚碎屑；細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.53的普通中粗河砂；采用興安水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的海螺牌P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；拌合用水為淡水，珊瑚混凝土的配合比及物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

圖1 CFRP筋

表1 CFRP筋規(guī)格及力學(xué)性能指標(biāo)

表2 珊瑚混凝土配合比及基本力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)梁配筋及試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)共制作編號(hào)為CRL-1，CRL-2和CRL-3的3組珊瑚混凝土試驗(yàn)梁，每組2根。受拉縱筋分別采用直徑8，10和12 mm的CFRP筋(筋材在試驗(yàn)梁端部伸出)，架立筋采用直徑6 mm的CFRP筋，箍筋采用直徑為8 mm的CFRP筋。試驗(yàn)梁尺寸為l×b×h＝2 300 mm×120 mm×250 mm，梁縱筋保護(hù)層厚度為25 mm。受拉CFRP縱筋上每隔200 mm布置應(yīng)變片，珊瑚混凝土梁跨中側(cè)面豎向每隔50 mm布置應(yīng)變片。試驗(yàn)梁簡支，采用三分點(diǎn)分級(jí)方式加載，每級(jí)荷載3 kN，持荷2 min，待荷載與變形穩(wěn)定后記錄各試驗(yàn)數(shù)據(jù)。梁的撓度由布設(shè)在支座、加載點(diǎn)、跨中的5個(gè)百分表測得，CFRP筋與珊瑚混凝土的相對(duì)滑移值由梁端的位移千分表測量，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)梁加載裝置及梁的配筋(單位:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

靜荷載作用下的CFRP筋-珊瑚混凝土試驗(yàn)梁(以下簡稱試驗(yàn)梁)雖然沒有明顯的屈服階段，但在破壞前產(chǎn)生明顯裂縫和大的彎曲變形，仍然具有顯著的延性破壞特征。整體來說，配筋率越大承載能力越高，試驗(yàn)梁主要力學(xué)特征如表3所示。除試驗(yàn)梁CRL-3-2表現(xiàn)為受壓區(qū)珊瑚混凝土被壓碎破壞外，其余各梁均發(fā)生剪壓破壞，如圖3所示，試驗(yàn)梁受力和破壞過程大致可以分為2個(gè)階段:

1)開裂前階段:加載初期，與鋼筋混凝土梁相同，試驗(yàn)梁處于全截面工作狀態(tài)，其荷載-撓度曲線呈線性狀態(tài)，CFRP筋和珊瑚混凝土的應(yīng)變隨荷載的增大呈正比增長，截面應(yīng)變分布符合平截面假定。

2)裂縫開展至破壞階段:當(dāng)試驗(yàn)梁底部珊瑚混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)變后，試驗(yàn)梁跨中純彎段底部開始產(chǎn)生短而細(xì)的垂直裂縫，跨中撓度也開始加速增大。隨荷載繼續(xù)增加，試驗(yàn)梁底部裂縫變寬并逐漸向上發(fā)展，同時(shí)彎剪段開始出現(xiàn)豎向斜裂縫，且逐漸向加載點(diǎn)處延伸。繼續(xù)增加荷載，試驗(yàn)梁彎剪段斜裂縫貫通至試驗(yàn)梁的加載點(diǎn)處，且該斜裂縫的寬度大于純彎段豎向裂縫，此時(shí)試驗(yàn)梁跨中撓度急劇增大，彎曲變形顯著，直至加載點(diǎn)處珊瑚混凝土被壓碎，試件發(fā)生剪壓破壞。

表3 梁的受彎破壞特征參數(shù)

圖3 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)

CRL-1，CRL-2和CRL-1試驗(yàn)梁的CFRP筋在抗彎試驗(yàn)過程中所受最大拉應(yīng)力分別為其極限抗拉強(qiáng)度的74%，60%和43%，配筋率越小，CFRP筋的強(qiáng)度利用率越低。這主要是因?yàn)楸疚脑囼?yàn)中珊瑚混凝土強(qiáng)度較低，在承載能力極限狀態(tài)下首先發(fā)生破壞，CFRP筋強(qiáng)度未充分發(fā)揮。試驗(yàn)結(jié)束卸荷后，除寬度較大的裂縫外大多數(shù)裂縫基本閉合，與普通鋼筋混凝土梁相比，其撓度變形恢復(fù)顯著，如圖3(c)所示。這是由于CFRP筋的線彈性材料特征，卸荷后其變形幾乎完全恢復(fù)，并通過與珊瑚混凝土間的黏結(jié)作用使珊瑚混凝土裂縫閉合，試驗(yàn)梁撓度恢復(fù)。

2.2 裂縫

試驗(yàn)梁裂縫的發(fā)展和分布情況如圖4所示，試驗(yàn)梁的裂縫開展機(jī)理與FRP筋混凝土梁的基本相同。在彎曲拉應(yīng)力的作用下，珊瑚混凝土試驗(yàn)梁的裂縫首先出現(xiàn)在純彎段，隨著配筋率的增加，試驗(yàn)梁的開裂荷載增大，裂縫深度變小，裂縫條數(shù)增多且分布均勻，旁邊伴生斜裂縫，出現(xiàn)樹根狀裂縫。隨著荷載的增大，裂縫進(jìn)一步延伸并變寬，其中的一條或幾條發(fā)展成為主裂縫，靠近試驗(yàn)梁兩端支座處的的剪跨區(qū)逐漸出現(xiàn)斜裂縫，配筋率較大試驗(yàn)梁的斜裂縫分布更為密集。

圖4 試驗(yàn)梁抗彎試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)荷載下裂縫開展情況

從裂縫寬度和裂縫開展情況及所對(duì)應(yīng)的荷載來看，在相同荷載條件下，配筋率越高的試驗(yàn)梁，平均裂縫寬度和最大裂縫寬度越?。浑S著荷載的增大，配筋率越小，裂縫寬度增長速率越快，特別是試驗(yàn)梁破壞主裂縫表現(xiàn)得尤為明顯，如圖5所示。試驗(yàn)梁破壞時(shí)大部分裂縫寬度約為1.1 mm，最大值小于2.3 mm，若以裂縫寬度發(fā)展至0.4 mm時(shí)的荷載作為控制標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)梁的荷載[F1]僅為極限荷載的27%～46%。在一定范圍內(nèi)提高CFRP筋的配筋率，可以提高珊瑚混凝土梁的抗裂能力，滿足正常使用極限狀態(tài)對(duì)裂縫寬度的要求，但CFRP筋強(qiáng)度利用率對(duì)應(yīng)下降。

2.3 撓度

試驗(yàn)梁靜力加載的荷載-撓度曲線如圖6所示。以開裂荷載為界限，將曲線分為近似直線的2段，加載后期不存在像鋼筋一樣的屈服臺(tái)階。開裂前階段曲線斜率都較大，開裂后斜率減小，這是由于試驗(yàn)梁開裂后，受拉區(qū)珊瑚混凝土開始退出工作，梁截面剛度減小所致，表現(xiàn)出撓度增大，同時(shí)也反映出CFRP筋線彈性的特點(diǎn)。

圖5 不同配筋率試驗(yàn)梁荷載-裂縫寬度曲線

圖6 試驗(yàn)梁荷載-撓度曲線

由圖6可以看出，試驗(yàn)梁撓度fCRL-3＜fCRL-2＜fCRL-1。配筋率越高的試驗(yàn)梁在同等荷載條件下剛度越大，縱向受拉CFRP筋應(yīng)變?cè)叫?，梁的彎曲變形也就越小。此外，配筋率較大的試驗(yàn)梁其CFRP筋直徑較大，與珊瑚混凝土的黏結(jié)面積相應(yīng)增加，相同荷載作用下CFRP筋與珊瑚混凝土能保持較好的界面黏結(jié)性能[8]，并使2種材料保持較好的協(xié)同工作能力，有利于減緩剛度的衰減。需要特別指出的是，隨著荷載不斷增加，CFRP筋與珊瑚混凝土間開始出現(xiàn)相對(duì)滑移。CFRP筋從梁端向中間滑移縮進(jìn)而拉應(yīng)力損失，界面之間力的傳遞方式發(fā)生了改變。受壓區(qū)珊瑚混凝土因拉應(yīng)力急劇增大而進(jìn)一步開裂，促進(jìn)了試驗(yàn)梁抗彎剛度的降低，撓度增大。CRL-1和 CRL-2組試驗(yàn)梁端CFRP筋最大滑移量可達(dá)7 mm，如圖7所示。造成這種現(xiàn)象的原因主要包括兩個(gè)方面:其一，珊瑚混凝土較低的強(qiáng)度不足以提供良好的黏結(jié)性能，在荷載較大時(shí)黏結(jié)面處的珊瑚混凝土開始發(fā)生破壞；其二，本文試驗(yàn)梁兩端的錨固區(qū)僅有100 mm(加載支座至梁端部)，當(dāng)荷載增加到一定程度時(shí)，端部的錨固作用逐漸減弱并失效。

圖7 CFRP筋與珊瑚混凝土發(fā)生相對(duì)滑移

在允許最大撓度限值f＝l0/200時(shí)，對(duì)比文獻(xiàn)[9]中GFRP筋-普通混凝土梁[F2]僅取到極限荷載的40%，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的荷載[F2]取到極限荷載的37%～67%。隨配筋率增大，[F2]/Fu呈上升趨勢(shì)，如圖8所示。雖然可以通過提高CFRP筋的配筋率的方法，使珊瑚混凝土梁極限抗彎能力得到發(fā)揮，滿足工程要求，但CFRP筋材強(qiáng)度利用率相應(yīng)降低。與CFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的普通鋼筋混凝土梁，通常在允許最大撓度限值時(shí)能達(dá)到屈服，[F2]/Fu可高達(dá)90%。

圖8 試驗(yàn)梁在允許最大撓度限值時(shí)荷載[F2]及與極限荷載比值[F2]/Fu

參考 FRP筋-普通混凝土梁的設(shè)計(jì)理論研究[10-12]，在一般情況下，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的截面配筋同樣應(yīng)由正常使用極限狀態(tài)控制，而非承載力極限狀態(tài)?？梢酝ㄟ^合理選用CFRP筋直徑，優(yōu)化CFRP筋表面形態(tài)以及提高珊瑚混凝土的強(qiáng)度等級(jí)的方式，提高CFRP筋與珊瑚混凝土的界面黏結(jié)性能，進(jìn)而滿足珊瑚混凝土構(gòu)件的工程適用性。

3 結(jié)論

1)CFRP筋-珊瑚混凝土梁破壞前產(chǎn)生裂縫和大的彎曲變形，有較為明顯的預(yù)兆，類似于適筋梁破壞，具有較好的延性。卸荷后，由于CFRP筋的線彈性材料特征，通過與珊瑚混凝土間的黏結(jié)作用使原珊瑚混凝土裂縫出現(xiàn)不同程度的閉合，試驗(yàn)梁變形恢復(fù)明顯。

2)CFRP筋-珊瑚混凝土梁的裂縫開展機(jī)理與CFRP筋混凝土梁的基本相同，裂縫條數(shù)較多且分布均勻。在剪跨區(qū)的斜裂縫分布較為密集，在一定范圍內(nèi)提高珊瑚混凝土梁CFRP筋的配筋率，可以提高其抗裂能力，滿足正常使用極限狀態(tài)對(duì)裂縫寬度的要求。

3)CFRP筋-珊瑚混凝土梁的荷載-撓度曲線以開裂荷載為界限分為近似直線的兩段，加載后期不存在像鋼筋一樣的屈服臺(tái)階。CFRP筋與珊瑚混凝土之間的界面黏結(jié)性能是保證試驗(yàn)梁抗彎剛度較慢衰減的重要條件。

4)在一般情況下，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的截面配筋應(yīng)由正常使用極限狀態(tài)控制，而非承載力極限狀態(tài)控制。珊瑚混凝土強(qiáng)度過低不利于CFRP筋強(qiáng)度的發(fā)揮，此外，對(duì)CFRP筋珊瑚混凝土受彎構(gòu)件，應(yīng)當(dāng)增加CFRP筋錨固區(qū)長度，避免發(fā)生滑移破壞。