曹 廣,張永權(quán),李 晨,王大永,杜 志,張學(xué)杰,鄭慶濤,張 煜,呂 楊

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司,陜西 西安 712000; 2.天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院,天津 300384; 3.天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護(hù)與加固重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384)

0 引言

目前最常用的增強(qiáng)混凝土是纖維增強(qiáng)混凝土(fiber reinforced concrete,FRC),但隨著復(fù)合材料(fiber reinforced plastics,FRP)材料越來越多,許多廢棄的FRP仍可以回收利用,為環(huán)境能源可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn),復(fù)合纖維增強(qiáng)混凝土(fiber reinforced plastics reinforced concrete,FRPRC)中將纖維用FRP代替具備應(yīng)用前景。

在FRPRC方面,國內(nèi)外目前使用內(nèi)摻FRP做增強(qiáng)復(fù)合纖維的研究較多[1-6]。Mastali等[1]使用摻量0.5%,1%,1.5%和2%的再生CFRP纖維按10,20,30mm的長度摻入自密實(shí)混凝土,通過抗壓性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CFRP纖維在限制裂紋擴(kuò)展方面具有很大潛力,可補(bǔ)償孔隙率增加造成的負(fù)面影響,且最大可增加60%的抗彎強(qiáng)度;3種纖維長度中,具有1%纖維體積分?jǐn)?shù)的試件具有最高的彎曲韌性指數(shù)。Ogi等[2]將回收的不規(guī)則CFRP碎片摻入混凝土中進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)表明,混凝土抗壓強(qiáng)度和抗彎斷裂大部分都有提升,CFRP較好地發(fā)揮了橋接作用。Zhang等[3]將截面面積0.5mm2左右的BFRP纖維加入混凝土,在抗壓試驗(yàn)中,混凝土試塊核心區(qū)基本保持完整,在彎曲試驗(yàn)中有明顯的撓度變化,表面變形的纖維在峰值下降后出現(xiàn)二次峰值。

在FRC方面,國內(nèi)外研究已經(jīng)比較成熟。Sun等[4]將玄武巖纖維摻量從0.1%逐漸增至0.5%,在摻入的2種纖維長度中,6mm試件的抗壓和劈拉強(qiáng)度均出現(xiàn)先提高后降低現(xiàn)象;12mm試件的抗壓強(qiáng)度低于相同摻量的6mm試件,其抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加先增加后降低,而劈拉強(qiáng)度一直降低,最佳摻量為0.2%。Cao[5]開展了BFRC落錘循環(huán)沖擊試驗(yàn),纖維混凝土延性增強(qiáng),延展性指數(shù)提高了2倍以上。Yao等[6]研究發(fā)現(xiàn)碳纖維能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度,而鋼纖維能提高混凝土的彎曲強(qiáng)度和韌性,與單獨(dú)的纖維增強(qiáng)混凝土相比,碳纖維和鋼纖維混合混凝土的承載力在達(dá)到峰值強(qiáng)度后迅速下降。Choi等[7]研究了玻璃纖維和聚丙烯纖維混凝土的抗壓性能,試驗(yàn)結(jié)果表明混凝土抗壓強(qiáng)度基本沒有增加,但峰值荷載對(duì)應(yīng)的應(yīng)變顯著增大。鐘晨等[8]完成的鋼纖維混凝土軸心抗壓試驗(yàn)也得到與Choi類似的結(jié)果。潘慧敏等[9]對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn),SFRC的延性和韌性明顯提高,在0.8%摻量下,延性比超過15%,1%摻量時(shí),韌性系數(shù)是普通混凝土的10倍。佟鈺等[10]研究表明,纖維長度為3mm和5mm的碳纖維,在摻量為0.5%左右時(shí),抗壓強(qiáng)度比和劈拉強(qiáng)度比增幅均達(dá)到最大值。侯敏等[11]和杜向琴等[12]試驗(yàn)表明,混凝土的劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨碳纖維體積摻量的增加先增加后降低。分析可知,混凝土材料最優(yōu)纖維摻量與纖維類型、尺寸、長度等多種因素相關(guān),針對(duì)不同纖維增強(qiáng)混凝土需單獨(dú)研究。丁傳海[13-14]分別對(duì)玄武巖纖維含量對(duì)混凝土強(qiáng)度及破壞規(guī)律及高溫后玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了研究。楊華僑等[15]對(duì)不同種類纖維混凝土物理及力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

本文開展了短切CFRP管增強(qiáng)混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究。首先在CFRP管表面進(jìn)行黏砂處理以提高纖維管與混凝土之間的黏結(jié)性能,然后按15,25和35mm三種長度類型,0.5%,1.5%,2.5%和3.5%的體積分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)制作了12組36個(gè)混凝土圓柱體試件,開展試件抗壓性能試驗(yàn),分析試件受壓破壞模式、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,確定最優(yōu)纖維長度和摻量。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用C40混凝土澆筑圓柱體試件,混凝土配合比為水泥∶石子∶砂∶水=469.38∶1 055∶646.6∶230。試件直徑100mm,高200mm,使用的CFRP管為外徑2mm、內(nèi)徑1.5mm的圓管,設(shè)計(jì)3種長度,分別為15,25和35mm,按混凝土體積摻量比計(jì)算設(shè)計(jì)5種摻量,分別為0.5%,1%,1.5%,2.5%,3.5%。對(duì)試件進(jìn)行編號(hào),如表1所示,PC為對(duì)照組,代表素混凝土試件;“15-0.5C”代表短切CFRP管長為15mm、體積分?jǐn)?shù)為0.5%試件,每種摻量澆筑3個(gè)試件。

表1 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)Table 1 Configuration of the test specimens

為增加混凝土與CFRP管的黏結(jié)性能,在試件澆筑前,需對(duì)CFRP管表面進(jìn)行黏砂預(yù)處理。首先在CFRP管表面涂抹1層EL2環(huán)氧樹脂,待環(huán)氧樹脂流動(dòng)性降低時(shí),將其在鋪滿0.5～1mm石英砂的隔離膜上滾動(dòng)黏砂,并置于室內(nèi)環(huán)境晾曬,直至環(huán)氧樹脂充分固化,最后將黏砂后的CFRP管切割成試驗(yàn)所需長度。CFRP管黏砂預(yù)處理過程及切割后的CFRP如圖1～2所示。

圖1 CFRP管黏砂過程Fig.1 Sand bonded process of CFRP pipes

圖2 短切黏砂CFRP管Fig.2 Short CFRP pipes with sand bonded

混凝土澆筑過程中,先干拌石子和砂子,放入水泥后加水?dāng)嚢杈鶆?最后分多次將短切CFRP管撒入攪拌機(jī)中,攪拌均勻后加入剩余的短切CFRP管,防止一次性加入集聚成團(tuán),整個(gè)澆筑過程中發(fā)現(xiàn)短切CFRP管的加入不會(huì)對(duì)混凝土流動(dòng)性造成明顯影響,CFRP管不具備較強(qiáng)的吸水性,不需改變水灰比,澆筑成型后放在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn)(見圖3)。

圖3 試件制備過程Fig.3 Casting of the specimens

圓柱體混凝土抗壓試驗(yàn)參照ASTMC39-18與GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。如圖4所示,在壓力機(jī)2個(gè)加載面之間布置2個(gè)量程為25mm的線性位移計(jì)(LVDT)測量混凝土軸向變形。采用位移控制加載,正式加載前,預(yù)載20kN并維持10s,使試驗(yàn)機(jī)壓板與試件完全接觸壓實(shí),然后按0.3mm/min的恒定速率加載至試件破壞,得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4 抗壓試驗(yàn)布置Fig.4 Layout of the compressive test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞模式

圖5為不同長度和摻量下短切CFRP管增強(qiáng)混凝土的破壞情況。素混凝土和短切CFRP管摻量為0.5%的試件在加載過程中逐漸出現(xiàn)貫通整個(gè)試件內(nèi)部的主斜裂紋,試件發(fā)生明顯的側(cè)向膨脹,混凝土塊逐漸從四周掉落,裂縫出現(xiàn)至試件被壓潰的過程很短,具有明顯的脆性破壞特征,破壞后形成錐形的破壞面。從破壞面很少看到有短切CFRP管分布于混凝土內(nèi),此時(shí)CFRP管因摻量較少,對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用不明顯。

圖5 抗壓破壞模式Fig.5 Failure modes of the specimens

與短切CFRP管摻量為0.5%的增強(qiáng)混凝土試件相比,摻量為1%試件裂紋擴(kuò)展時(shí)間較長,15mm長的CFRP管試件裂縫形式為貫通斜裂縫;而25,35mm長的試件壓碎過程減緩,有拉斷的CFRP管嵌在破壞面上。

短切CFRP管摻量為1.5%的增強(qiáng)混凝土裂紋擴(kuò)展時(shí)間更長,其中35mm長試件裂紋的擴(kuò)展時(shí)間最長。試件破壞后,裂紋破碎處的混凝土塊由CFRP管橋連在一起。所有脫落露出的CFRP管表面石英砂全部脫落,摻加的CFRP管長度越長,破壞后保持的完整性越高。

短切CFRP管長度為35mm,摻量為2.5%和3.5%的試件能看到更多較深的縱向裂紋,裂紋路徑增多但不貫通,僅外表混凝土破裂,表現(xiàn)出裂而不碎的現(xiàn)象,破壞后試件的完整性最高。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)配制的普通C40混凝土圓柱體28d抗壓強(qiáng)度σc為40.71MPa,峰值應(yīng)變?chǔ)與為0.218%,表2列出了短切CFRP管增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度σcc和峰值應(yīng)變?chǔ)與c。

表2 短切CFRP管增強(qiáng)混凝土力學(xué)特性Table 2 Mechanical properties of the CFRP reinforced concrete

圖6為相同長度不同體積摻量CFRP管的增強(qiáng)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線,在達(dá)到峰值應(yīng)力的40%前認(rèn)為試件處于彈性階段,此時(shí)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性上升,內(nèi)部無裂紋擴(kuò)張,短切CFRP管長度相同時(shí),摻量越大曲線斜率越小,材料彈性模量隨摻量增加呈下降趨勢。

圖6 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain relationship

當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力的40%～85%時(shí),由于混凝土原始缺陷的存在,空隙開始擴(kuò)展成微小的裂紋并伴有聲響。在短切CFRP管摻量少、長度小的試件中,裂縫延伸及試件軸向壓縮受短切CFRP管的影響較小,具體表現(xiàn)為曲線波動(dòng)小,而隨著短切CFRP管摻量和長度的增加,試件受壓后裂縫的擴(kuò)展受到CFRP管約束的影響,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈小波動(dòng)上升狀態(tài)。

峰值應(yīng)力達(dá)到85%后,應(yīng)力增加速率逐漸變緩,摻CFRP管的試件峰值應(yīng)變均有不同程度的增大,這表示混凝土在達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)有更大的軸向壓縮變形,所有試件的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的下降。在應(yīng)力下降段,摻CFRP管的試件根據(jù)加入長度和摻量的不同,與素混凝土相比,應(yīng)力下降速率有不同程度的降低,混凝土轉(zhuǎn)變成有一定塑性變形能力的破壞形式。

表2表明,相比素混凝土,在CFRP管短切長度為15mm時(shí),0.5%摻量下的抗壓強(qiáng)度下降5.7%,峰值應(yīng)變未發(fā)生變化,應(yīng)力-應(yīng)變曲線與素混凝土基本一致,下降段沒有明顯的變緩趨勢,承載力迅速喪失。1%摻量下,試件抗壓強(qiáng)度下降6.62%,峰值應(yīng)變?cè)龃?.3%,強(qiáng)度和峰值應(yīng)變變化不明顯,但應(yīng)力下降段變緩,試件表現(xiàn)出一定的韌性。1.5%摻量下,抗壓強(qiáng)度下降23.8%,峰值應(yīng)變?cè)龃?1.6%,雖然軸向變形能力增大,但此時(shí)抗壓強(qiáng)度相比0.5%和1%摻量大幅降低,此時(shí)纖維長度為15mm,和粗骨料粒徑相近。在1.5%摻量下,短切段數(shù)很多,在水泥用量固定情況下,水泥砂漿對(duì)粗骨料的包裹程度下降,導(dǎo)致強(qiáng)度有較大損失。

相比素混凝土,CFRP管短切長度為25mm時(shí),0.5%摻量下的抗壓強(qiáng)度下降8.96%,峰值應(yīng)變?cè)龃?8.8%,除了軸向變形稍微增加,應(yīng)力下降段并沒有表現(xiàn)出增韌效果。1%摻量下的抗壓強(qiáng)度下降21.9%,軸向變形能力增大22%,與0.5%摻量時(shí)相差不大,曲線下降段的應(yīng)力降低速度較快,增韌效果不明顯。摻量為1.5%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度下降24.8%,峰值應(yīng)變?cè)龃?3.1%,此時(shí)軸向變形能力有較大幅增加,韌性效果和1%摻量相差不大。

相比素混凝土,在CFRP管短切長度為35mm時(shí),0.5%的摻量下抗壓強(qiáng)度下降19.7%,峰值應(yīng)變?cè)龃?1.9%,在下降段屬于脆性破壞,沒有表現(xiàn)出增韌效果。1%摻量下的抗壓強(qiáng)度下降20.1%,峰值應(yīng)變?cè)龃?4.9%,此時(shí)強(qiáng)度和峰值應(yīng)變與0.5%摻量時(shí)相近,在應(yīng)力下降段前部分表現(xiàn)出了良好的韌性,但當(dāng)應(yīng)變超過0.3%后又表現(xiàn)為應(yīng)力驟降的脆性破壞。1.5%摻量下的抗壓強(qiáng)度下降24.3%,峰值應(yīng)變?cè)龃?1.8%,此時(shí)抗壓強(qiáng)度和0.5%,1%摻量相差不大,軸向變形顯著增加表現(xiàn)出良好的延性性能。應(yīng)變?cè)?.29%～0.345%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度維持在30MPa左右,隨后應(yīng)力緩慢下降。

為了探究繼續(xù)增加摻量能否使延性效果更加明顯,增加了2.5%和3.5% 2組對(duì)比試驗(yàn)。2.5%的摻量下抗壓強(qiáng)度大幅下降46.2%,峰值應(yīng)變?cè)龃?9.2%,此時(shí)峰值應(yīng)變與1.5%摻量相差不大,承載力損失卻增大1倍。3.5%摻量下的抗壓強(qiáng)度降低50.8%,峰值應(yīng)變?cè)龃?0.6%,此時(shí)混凝土具有最大的變形能力,試件破壞后表面滿布微小裂紋。綜上可知,CFRP摻量小于1.5%時(shí),混凝土強(qiáng)度變化不大。因此,1.5%體積摻量是強(qiáng)度變化的臨界點(diǎn)。

3 最優(yōu)摻量分析

混凝土細(xì)觀上認(rèn)為是由骨料、水泥砂漿和兩者間交界面組成的三相非均質(zhì)材料,根據(jù)漿體包裹骨料的程度不同,混凝土內(nèi)部存在孔洞,兩者界面區(qū)域的孔隙率較大,承壓時(shí)微裂紋沿著缺陷部分?jǐn)U展。

CFRP管作為增強(qiáng)相,加入混凝土后在內(nèi)部形成三維亂向分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在拉拔試驗(yàn)中可以看出CFRP管與混凝土之間主要是通過機(jī)械咬合作用連接在一起,在基體開裂前應(yīng)力在混凝土與CFRP管之間傳遞,由于增強(qiáng)相的彈性模量遠(yuǎn)大于基體的彈性模量,CFRP管起阻礙基體受壓引起的次拉應(yīng)力增大的作用。隨著荷載增加,內(nèi)部裂縫擴(kuò)展,內(nèi)嵌CFRP管在界面開裂處橫跨2個(gè)界面發(fā)揮橋接作用形成均勻的應(yīng)力場,延緩并抑制裂紋的大幅擴(kuò)展貫通,吸收大部分能量,因此相比普通混凝土可以產(chǎn)生更大的軸向變形。荷載足夠大時(shí),CFRP管和基體界面最先達(dá)到抗剪強(qiáng)度,發(fā)生局部脫粘,這也是從破壞狀態(tài)來看整體性更好的主要原因。當(dāng)CFRP管的體積摻量在0.5%時(shí),由于單根短切CFRP管的體積大,相比纖維絲束,同體積下混凝土短切CFRP管的數(shù)量太少,甚至不一定分布在裂縫發(fā)展處,因此無論長度多少都不能改變混凝土脆性破壞的狀況,單根短切CFRP管體積較大,意味著摻量需要更多才能保證一定的橋接作用。

CFRP管彈性模量高、強(qiáng)度大、體積大,加入混凝土后在單位體積內(nèi)占據(jù)的空間更加集中,同時(shí)分?jǐn)偘橇系乃酀{體,因此在配合比不變的情況下會(huì)改變混凝土原本的物理力學(xué)性能,其空心部分會(huì)進(jìn)入部分水泥漿體,減少了包裹骨料的漿體比例,隨著體積摻量的增加,增加了內(nèi)部缺陷和界面薄弱層,混凝土密實(shí)度降低,對(duì)三維亂向分布的網(wǎng)狀嵌入結(jié)構(gòu)不利,在較低的應(yīng)力狀態(tài)下就會(huì)開裂。此外,CFRP管不是柔韌性材料,屬于剛性纖維復(fù)合材料,盡管抗拉強(qiáng)度高,但當(dāng)裂縫擴(kuò)展方向與纖維不同向時(shí),纖維將受到彎剪荷載,從而發(fā)生脆性斷裂,因此摻雜CFRP管后,混凝土抗壓強(qiáng)度普遍降低。

圖7給出了短切CFRP管增強(qiáng)混凝土與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度比,可以看出,不同工況下,與普通混凝土相比,不同長度和摻量的短切CFRP管混凝土強(qiáng)度均有所降低。

圖7 短切CFRP管增強(qiáng)混凝土與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度比Fig.7 Strength ratio of the CFRP reinforced concrete and the plain concrete

不同工況試件強(qiáng)度降低與峰值應(yīng)變?cè)黾拥膶?duì)比如圖8所示?？梢钥闯?在摻量為1.5%時(shí),強(qiáng)度與峰值應(yīng)變存在臨界最優(yōu)關(guān)系,體積摻量大于1.5%時(shí),混凝土強(qiáng)度損失過大,增韌效果有限。

圖8 強(qiáng)度和峰值應(yīng)變隨摻量的變化Fig.8 Changes of strength and peak strain with CFRP

圖8表明,長度為25mm和35mm的短切CFRP管,當(dāng)體積摻量從1%增大到1.5%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度變化較小,而從1.5%增大到2.5%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度大幅降低,因此,體積摻量1.5%,長度為35mm的組合最優(yōu)。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積為材料變形破壞過程中所做的功,采用韌度R評(píng)價(jià)增韌效果。由受壓全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線得到各組分混凝土試件的韌度如表2所示?？梢钥闯?體積摻量為1.5%,CFRP管長為35mm時(shí),混凝土的韌度R達(dá)到10.54,遠(yuǎn)大于其他組分混凝土的韌度。

4 結(jié)語

采用短切黏砂CFRP管作為混凝土增強(qiáng)相,研究了3種長度和5種摻量的纖維管增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度,通過分析不同摻量、長度組合下的混凝土破壞模式和應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€,得到如下結(jié)論。

1)短切CFRP管的加入改變了混凝土的抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變,抗壓強(qiáng)度均低于普通混凝土,峰值應(yīng)變均大于普通混凝土;當(dāng)摻入的CFRP長度相同時(shí),混凝土峰值應(yīng)變隨著摻量增大而增大,抗壓強(qiáng)度隨摻量增大而降低;摻量0.5%,1%和1.5% 3種混凝土的最低抗壓強(qiáng)度為30MPa,纖維管長度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響不大,摻量1.5%時(shí),混凝土峰值應(yīng)變明顯大于0.5%和1%摻量的試件。

2)短切CFRP管長度和摻量的增加能夠明顯增強(qiáng)混凝土的韌性,混凝土由脆性破壞向具有一定塑性的破壞模式轉(zhuǎn)變,其中35mm長度的CFRP管對(duì)延性的改善最明顯;摻量為1.5%時(shí),混凝土在峰值應(yīng)力時(shí)會(huì)出現(xiàn)平臺(tái),延性顯著提高。

3)長度35mm的CFRP管,體積摻量為1.5%時(shí)為最優(yōu)摻量,此時(shí)混凝土峰值壓應(yīng)變比普通混凝土大51.8%,應(yīng)力應(yīng)變曲線所圍成的面積即韌度R為10.54,遠(yuǎn)大于其他組分混凝土韌度。