馬巖峰，劉廷權(quán)

(河北聯(lián)合大學(xué)建工學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

軸心受壓力學(xué)性能是混凝土強(qiáng)度的主要性能之一，是混凝土結(jié)構(gòu)受壓、受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)取值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究碳纖維約束條件下的混凝土柱軸壓力學(xué)性能，可以更進(jìn)一步揭示混凝土結(jié)構(gòu)加固，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中箍筋的作用效果［1-3］。通過試驗(yàn)的方法，對高強(qiáng)度混凝土柱軸心受壓試件進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)中取得的數(shù)據(jù)對提高人們對碳纖維約束高強(qiáng)混凝土加固軸壓力學(xué)性能的認(rèn)識(shí)起到幫助作用。本文以42個(gè)外包不同層數(shù)CFRP布的軸心受壓短柱試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，對比研究了混凝土強(qiáng)度及纖維包裹層數(shù)對短柱軸壓性能的影響，并從微觀角度對加固效果的影響因素作出分析。

1 試件制作及試驗(yàn)方法

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用C40、C45、C50、C55、C60五個(gè)強(qiáng)度等級的混凝土每個(gè)強(qiáng)度等級制作圓柱體(直徑D=150 mm，高度h=300mm)包裹CFRP布和素混凝土兩組試件，以及C40、C50強(qiáng)度等級下包裹2層以及包裹3層CFRP布試件兩組，每組各3個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果取三個(gè)試件的平均值。并同期做出混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊，以確定混凝土的強(qiáng)度等級是否與設(shè)計(jì)相符。試件總量為14組共42個(gè)，包裹形式為單向纖維橫向環(huán)形包裹。

1.2 試件制作

試件制作采用冀東盾石42.5 R普通硅酸鹽水泥，遷安中砂，5～31.5 mm級配碎石，外加劑采用唐山奧東AD1型聚羧酸減水劑以及東莞德豐df-8012型聚羧酸減水劑用消泡劑?；炷粮鲝?qiáng)度等級配合比在表1中列出。

表1 混凝土配合比

試件制作按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［4］(GB50081-2002)中各項(xiàng)規(guī)定進(jìn)行。不同強(qiáng)度等級混凝土依據(jù)表1中相應(yīng)配合比，采用HJW-60型單軸實(shí)驗(yàn)室混凝土攪拌機(jī)攪拌，澆注專用試驗(yàn)?zāi)＞咧谱?。試件表面處理與纖維布粘貼按照《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［5］(CECS146:2003)中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。所采用的CFRP布及結(jié)構(gòu)膠材料性能見表2及表3。

表2 CFRP布性能指標(biāo)

表3 試驗(yàn)采用粘結(jié)劑性能指標(biāo)

1.3 加載裝置

試驗(yàn)采用專門設(shè)計(jì)的加載裝置，在河北理工大學(xué)建工實(shí)驗(yàn)室5000 kN萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)過程中，試件底部放置3000 kN壓力傳感器進(jìn)行荷載的測量，同時(shí)在試件上下墊板上焊接的對稱支架上安裝電子引申儀以測量試件的軸向變形。數(shù)據(jù)采集使用Strainbook以太網(wǎng)接口多通道應(yīng)變測試系統(tǒng)，采樣率為10 fps。加載裝置詳見圖1。所有試件均采用單調(diào)軸向加載，加載前首先進(jìn)行10%預(yù)估強(qiáng)度的試壓，并調(diào)整試件確保軸心受壓的情況下開始正式加載。

圖1 實(shí)際加載裝置及其示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

未包裹CFRP布的素混凝土試件由于加載初期承受的荷載較小，試件并無明顯的變化，軸向變形隨著荷載的增大而增大，幾乎無可見裂縫開展。當(dāng)荷載超過試件所能承受的彈性極限之后，試件表面開始產(chǎn)生平行于軸向的裂縫，同時(shí)發(fā)出混凝土材料的劈裂聲，試件進(jìn)入非線性工作狀態(tài)。軸向荷載超過試件的極限承載力之后，試件表面裂縫迅速大量開展，伴隨試件中部混凝土剝離脫落，試件的承載力不斷下降。高標(biāo)號(hào)混凝土試件超過峰值承載力之后裂縫開展及承載力下降的速度較低標(biāo)號(hào)試件更為迅速。

包裹CFRP布的試件在加載初期由于混凝土處于彈性工作階段，整個(gè)試件受力狀態(tài)與素混凝土受力初期狀態(tài)相似，外包CFRP處于被動(dòng)約束狀態(tài)。當(dāng)荷載達(dá)到試件整體荷載的60%左右時(shí)，內(nèi)部混凝土超過其彈性極限，體積開始膨脹，外包CFRP開始發(fā)揮其約束作用。當(dāng)荷載到達(dá)整體荷載的90%時(shí)，粘貼樹脂表面開始出現(xiàn)白色裂痕，同時(shí)部分單根纖維首先發(fā)生斷裂，發(fā)出“噼啪”響聲。試件破壞時(shí)纖維突然發(fā)生大面積斷裂，試件迅速喪失承載能力，斷裂纖維內(nèi)部粘有大量碎裂的混凝土，粗骨料與砂漿之間存在錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，破壞面部分粗骨料被劈碎。

圖2 試件破壞形態(tài)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

就試驗(yàn)結(jié)果來看，CFRP布的對混凝土試件起到了理想的約束作用，使混凝土工作在三相受力狀態(tài)，限制了裂縫的開展，有效提高了混凝土柱的軸壓承載能力，在試件破壞后仍能保持較好的整體性。

在包裹一層CFRP布的條件下，對于采用不同強(qiáng)度標(biāo)號(hào)混凝土制作的試件，軸壓承載能力有21.47%～ 86.87%的提高，提高的程度隨混凝土標(biāo)號(hào)的上升而逐漸下降，具體的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值在表4中列出。

表4 單層包裹不同強(qiáng)度標(biāo)號(hào)試件加固結(jié)果

圖3 加固前后試件抗壓承載力回歸分析

試驗(yàn)同時(shí)比較了C40、C50兩強(qiáng)度等級混凝土試件在不同CFRP布包裹層數(shù)下的力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果在表5和表6中列出。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著CFRP布約束量的提升，試件的抗壓性能得到了極大改善，提升幅度與CFRP的約束量近乎成線性關(guān)系。在包裹3層CFRP布的情況下，兩組試件的抗壓承載能力分別有203.31%和103.13%的提升。與單層包裹試件類似，盡管包裹層數(shù)有所上升，承載能力的提高仍表現(xiàn)出與混凝土自身強(qiáng)度的關(guān)系，既相同的CFRP約束量情況下，C50試件的抗壓承載能力的提高幅度要低于C40相應(yīng)組別試件。

表5 C40試件在不同CFRP布包裹層數(shù)下加固結(jié)果

表6 C50試件在不同CFRP布包裹層數(shù)下加固結(jié)果

CFRP布約束的試件中，區(qū)別于單軸受壓狀態(tài)，處于三軸受壓狀態(tài)的水泥凝膠中的毛細(xì)孔洞在應(yīng)力的作用下首先被壓實(shí)，之后與低水灰比時(shí)的混凝土類似，處于三軸受壓狀態(tài)的混凝土承載能力得到有效的提高，受壓過程中試件有很好的能量耗散的能力。而較高標(biāo)號(hào)的混凝土由于本身配置時(shí)水灰比較低，水化完全水泥凝膠中毛細(xì)孔率很小，水泥石結(jié)構(gòu)致密先天缺陷較少，雖然其加固前的素混凝土試件有較高的承載力，但是低孔隙率的特點(diǎn)導(dǎo)致其在三相受力狀態(tài)下能量耗散的能力相比低標(biāo)號(hào)試件有所降低，加固后的試件承載能力提高的幅度也更加有限。由表4至表6中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出類似的規(guī)律，在相同的約束條件下，隨著混凝土標(biāo)號(hào)的上升，水灰比的下降，試件加固前后承載能力的提高程度逐步下降，如圖4所示。

圖4 試件混凝土強(qiáng)度與加固后承載能力提高幅度的關(guān)系

3 總結(jié)

(1)CFRP布的對混凝土試件起到了理想的約束作用，使混凝土工作在三相受力狀態(tài)，限制了裂縫的開展，有效提高了混凝土柱的軸壓承載能力。單層包裹CFRP布的約束條件下，對于強(qiáng)度標(biāo)號(hào)從C40到C60混凝土制作的試件，軸壓承載能力有21.47%～86.87%的提高。C40和C50兩組試件包裹3層CFRP布時(shí)的承載能力分別提高了203.31%和103.13%。

(2)隨著水灰比的下降，完全水化后的水泥漿體有著更加致密的微觀結(jié)構(gòu)，未加固CFRP布試件的承載能力不斷提高，但低水灰比低毛細(xì)孔率的致密結(jié)構(gòu)的試件在加固后的三軸受壓受力狀態(tài)中所帶來的承載能力提升更為有限。隨著混凝土標(biāo)號(hào)的提高，試件承載能力的提高幅度逐步下降。

［1］ 混凝土［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］ 敬登虎.FRP約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變模型及其在加固中的應(yīng)用研究［D］.南京:東南大學(xué)，2006.

［3］ 柳麗霞.碳纖維約束混凝土軸心抗壓性能對比試驗(yàn)研究［D］.唐山:河北理工大學(xué)，2006.

［4］ 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］;GB50081-2002.

［5］ 碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］;CECS 146:2003.