肖良麗 紀勤敏 杜 壯

(武漢科技大學城市建設學院,武漢 430065)

鋼筋腐蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境條件下的主要問題。已經(jīng)進行了幾項研究來克服鋼腐蝕問題，包括使用新材料代替鋼筋[1]。玻璃纖維增強復合材料(GFRP)筋作為一種新型材料，因其高強質(zhì)輕、抗腐蝕等主要的材料特性，能夠代替普通鋼筋用于工程結(jié)構(gòu)中[2-3]，從本質(zhì)上解決因鋼筋銹蝕導致結(jié)構(gòu)耐久性降低等工程實際問題[4-5]。隨著對混凝土性能不斷研究改進的過程，國內(nèi)外材料學專家及學者發(fā)現(xiàn)將纖維摻入水泥基材料中能夠提高混凝土的抗拉強度，使裂縫的開展得到抑制。纖維混凝土因其能降低混凝土脆性、提高其韌性便應運而生[6-13]。鋼-聚乙烯醇(PVA)混雜纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土作基材，鋼纖維和PVA纖維增強材料摻入基材中組成的復合材料。纖維與混凝土在工作中發(fā)揮材料各自的性能。鋼纖維能夠顯著提高混凝土的抗拉強度和延性，對阻止混凝土裂縫的擴展具有很好的效果[14]。PVA纖維是一種高彈高模纖維，在混凝土中加入一定量的PVA纖維能夠控制混凝土因溫度和塑性收縮產(chǎn)生的裂縫，有效地改善混凝土的抗?jié)B性和抗沖擊性能[15]。

目前已有相關學者針對GFRP筋抗壓性能開展相關研究，孫麗等在GFRP筋混凝土柱海水環(huán)境軸心受壓試驗中，得出海水環(huán)境下GFRP筋在受壓短柱中具有比鋼筋更好的性能優(yōu)勢和使用價值[16]。涂建維等設計5根配置螺旋箍筋和3根配置普通箍筋方形截面GFRP筋混凝土柱的軸心受壓試驗[17]，結(jié)果表明：GFRP縱筋承載力占GFRP筋混凝土柱極限承載力的3%～7%。鄧宗才等進行了5個 GFRP筋混雜纖維混凝土(HFRC)柱和1 個未配筋 HFRC柱的軸壓試驗，結(jié)果表明：提高GFRP縱筋配筋率可以提高短柱的承載力，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸出了 GFRP筋HFRC柱峰值應力、峰值應變以及承載力的計算式[18]。

GFRP筋可以替代現(xiàn)有鋼筋并發(fā)揮其耐腐蝕性的優(yōu)點，鋼-聚乙烯醇有提高混凝土強度，抗裂性和延性等優(yōu)點，因此研究GFRP筋與不同摻量鋼纖維和PVA纖維混雜對混凝土短柱力學性能的影響，并確定鋼纖維與PVA纖維混雜效應時的最佳摻量，可為工程實例中類似的短柱提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗所采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，按照水泥∶水∶砂∶石子=1.0∶0.54∶1.73∶3.05的配合比，制作C30普通混凝土。鋼纖維和PVA纖維的主要參數(shù)見表1。

表1 纖維主要參數(shù)Table 1 Main parameters of fibers

試驗中所采用的鋼筋為表面噴砂帶肋的GFRP筋，直徑為8 mm，桿件肋間距為10 mm，肋高為1 mm，槽寬為4 mm。選擇5根同一批次生產(chǎn)d=8 mm的GFRP筋進行拉伸試驗測得的性能參數(shù)見表2。

表2 GFRP筋性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of GFRP Bars

1.2 短柱設計與制作

試驗制作了6根150 mm×200 mm×600 mm、長細比為4的GFRP筋混雜纖維混凝土軸心受壓短柱，其配筋率為0.6%。研究GFRP筋混雜纖維混凝土短柱在不同纖維摻量下的破壞狀態(tài)和規(guī)律。短柱的基本參數(shù)見表3，短柱尺寸及配筋見圖1。

表3 短柱基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of specimens

a—立面；b—1—1截面。圖1 短柱尺寸、配筋 mmFig.1 Sizes and rebars of specimens

在綁扎鋼筋籠時，扎絲采用十字交叉綁法，遇到變形箍筋不能綁扎太緊，防止GFRP筋彎曲變形影響試驗結(jié)果。在粘貼應變片前，將筋體打磨平整，使用502膠將應變片貼于打磨處，焊錫接線，為了防止應變片損壞或短路，用AB膠覆蓋住整個應變片，再用膠帶將電線固定于鋼筋籠上面。澆筑模板時采用立式澆筑且振搗密實，待養(yǎng)護完成后刷上膩子粉并用記號筆在上面畫上50 mm×50 mm的網(wǎng)格線以便后期觀測裂縫的發(fā)展。其中每組類型短柱澆筑6個混凝土試塊,尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。短柱澆筑完24 h后拆模，養(yǎng)護28 d后進行試驗。

同類型澆筑的6個混凝土立方體試塊，其中抗壓和抗劈裂試驗各3個，在標準養(yǎng)護28 d后進行試驗，混凝土立方體試塊力學性能測得參數(shù)結(jié)果如表4所示。

表4 試塊力學性能測試結(jié)果Table 4 Test results of mechanical properties of test blocks

可以看出：單摻PVA纖維體積為2%時，混凝土立方體抗壓強度最低，并且其抗拉強度也較??；單摻鋼纖維體積為2%時，混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度均最高。從混雜摻量中對比可以看出，混凝土立方體抗壓強度與劈裂抗拉強度隨著鋼纖維的增多而提高。觀察拉壓比一列中可以看出，摻入纖維的各個立方體試塊的拉壓比比不摻纖維的試塊的均有所提高，表明纖維的摻入一定程度上提高了混凝土試塊的延性，且隨著纖維總摻量的提高拉壓比也隨之提高，較好地改善了混凝土試塊的脆性破壞。

1.3 試驗加載方案

為了研究GFRP筋混凝土軸心受壓柱加載過程中應力、應變關系，在短柱中部位置的筋材處粘貼了應變片，如圖2所示。短柱采用微機控制電液伺服壓力試驗機進行加載。加載初始保持值為20 kN,待油壓穩(wěn)定后，按照預算極限荷載的10%進行預加載，并按估算破壞荷載的5%進行分級加載，加載速度為0.5 kN/s;當短柱超過極限荷載的80%時，按估算破壞荷載的2%進行分級加載，加載速度為0.1 kN/s。每級加載完成后，進行數(shù)據(jù)的讀取和裂縫的觀測并記錄。試驗對GFRP筋應變和混凝土短柱應變分別進行了測量，其極限承載力由壓力試驗機讀取，當數(shù)值超過極限荷載并下降到85%時，壓力試驗機判定短柱破壞，此時加載試驗結(jié)束。

圖2 測點布置 mmFig.2 Arrangements of measurment points

1.4 試驗現(xiàn)象

GFRP筋混凝土短柱及普通鋼筋混凝土短柱的受壓破壞結(jié)果見表5?？梢钥闯觯憾讨跏剂芽p出現(xiàn)在邊角處，內(nèi)部筋體基本都被壓斷，短柱破壞特征為混凝土壓碎破壞，混凝土先于GFRP筋發(fā)生破壞，可見混凝土對GFRP筋起到一定的保護和約束作用[19]。摻入纖維的GFRP筋混凝土短柱的開裂荷載要高于普通鋼筋混凝土短柱，不摻纖維和單摻一種纖維的GFRP筋混凝土短柱的極限荷載低于普通鋼筋混凝土短柱，摻入兩種混雜纖維的GFRP筋混凝土短柱的極限荷載要高于普通鋼筋混凝土短柱，短柱破壞形態(tài)見圖3。

表5 短柱的受壓破壞結(jié)果Table 5 Compressive failure results of specimens

2 試驗結(jié)果

2.1 破壞形式分析

所有短柱加載時首先從邊角處出現(xiàn)裂縫，并隨著荷載增加緩慢向柱中部延伸。HC-1鋼筋混凝土短柱與GC-1 GFRP筋混凝土短柱相比，GFRP筋混凝土短柱出現(xiàn)的裂縫短小密集，短柱整體性破壞嚴重，承載力沒有普通鋼筋混凝土短柱高，表明GFRP筋與混凝土的黏結(jié)效果不如鋼筋與混凝土之間的好。但是，在GFRP筋混凝土中摻入一些纖維后承載力瞬時提高，短柱破壞后與普通鋼筋混凝土短柱相比，完整性較好，表明纖維的加入有很好的阻裂性能，在混凝土沒開裂前由混凝土承擔拉力，混凝土開裂后由纖維承擔拉力。纖維可以有效抑制微裂縫的擴展，從而增大混凝土的延性，其中短柱GP1S8-1與短柱GP20-1 增大混凝土延性效果最佳，PVA纖維能有效提高短柱的延性。

a—短柱HC-1破壞后形態(tài)；b—短柱GC-1裂縫形態(tài)；c—短柱GC-1破壞形態(tài) d—短柱GP1S8-1破壞后形態(tài)；e—短柱GP1S14-1破壞后形態(tài)；f—短柱GP20-1破壞后形態(tài)；g—短柱GS20-1破壞后形態(tài)。圖3 短柱破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of specimens

2.2 縱筋應變分析

HC-1;GC-1;GP1S8-1;GP1S14-1;GP20-1;GS20-1。圖4 不同纖維摻量下軸心受壓短柱荷載-GFRP筋應變曲線Fig.4 Curves between axially compressive loads on stubs and strain of GFRP bars in different fiber proportions of PVA

圖4為不同纖維摻量下軸心受壓短柱荷載-GFRP筋應變曲線。

可以看出：荷載-GFRP筋應變曲線前期呈線性關系，隨著荷載增加慢慢呈非線性關系。相同應變下，GP1S8-1短柱所能承受荷載最大，GC-1短柱所能承受荷載最小，表明鋼纖維與PVA纖維的摻入提升了GFRP筋短柱承受的荷載，在應變?yōu)?.0×10-3之前，短柱GP1S14-1與HC-1承受的荷載曲線基本一致，當應變達1.0×10-3之后，前者承載力明顯大于后者，這是由于GP1S14-1中纖維發(fā)揮作用的影響。GC-1斜率變化基本呈線性狀態(tài)，與普通鋼筋相比呈脆性破壞，而其他加入纖維的GFRP筋短柱均有明顯的塑性階段，較好地提升了其延性，所有短柱中GP1S8-1的極限承載力最高，表明GFRP筋混雜纖維混凝土中PVA纖維摻量為0.1%、鋼纖維摻量為0.8%的比例最好。

2.3 混凝土壓應變分析

圖5為不同纖維摻量下軸心受壓短柱荷載-混凝土壓應變曲線。

HC-1;GC-1;GP1S8-1;GP1S14-1;GP20-1;GS20-1。圖5 不同纖維摻量下軸心受壓短柱荷載-混凝土壓應變曲線Fig.5 Curves between axially compressive loads on stubs and strain of concrete in different fiber proportions

在荷載作用下前期應變變化都不大，在加載初期基本呈線性關系；隨著荷載增加，裂縫出現(xiàn)后，應變變化速度開始加快，短柱破壞速度也隨之加快，圖5中GP1S8-1混凝土極限應變?yōu)?.810×10-3，這是由于應變片提前破損導致的。其中短柱HC-1、GC-1、GP20-1均超過了混凝土的極限壓應變3.3×10-3，而其余短柱壓應變均小于混凝土極限壓應變。鋼纖維的加入使混凝土的彈性模量減小，而PVA則使混凝土彈性模量有所增加。

2.4 極限荷載值分析

荷載；荷載變化率。圖6 不同纖維摻量軸心受壓短柱的極限荷載Fig.6 Ultimate loads of axial compression stubs with different fiber proportions

圖6為不同纖維摻量軸心受壓短柱的極限荷載曲線?？梢姡核蠫FRP筋混凝土短柱的極限荷載與普通鋼筋混凝土短柱的相對比，只有短柱GP1S8-1與短柱GP1S14-1的極限承載力有所提高，分別提高了18.1%與13.6%，表明鋼纖維與PVA纖維的摻入對GFRP筋混凝土短柱極限承載力的提高有很大幫助，其中鋼纖維摻入提升了短柱的承載力，PVA纖維的摻入提升了短柱的延性。

3 結(jié)束語

基于對6根不同纖維摻量下的軸心受壓混凝土短柱的試驗，研究分析了其破壞形式、縱筋應變、混凝土壓應變、荷載極限值，主要得出以下結(jié)論：

1)摻入纖維的GFRP筋混凝土短柱具有良好的阻裂效果且破壞后整體性良好。

2)未摻纖維的GFRP筋混凝土短柱呈脆性破壞，摻入纖維的GFRP筋混凝土短柱延性得到提升，且GFRP筋混雜纖維混凝土中PVA纖維摻量為0.1%、鋼纖維摻量為0.8%比例時最好。

3)鋼纖維的加入使混凝土的彈性模量減小，而PVA纖維則使混凝土彈性模量有所增加。

4)混雜纖維能有效提高短柱極限承載力，鋼纖維摻入提升了短柱的承載力，PVA纖維的摻入提升了短柱的延性。