吳清華,陳思可,謝 亮,李兆恒

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635;2.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣州 510635)

1 概述

無(wú)機(jī)聚合物是由法國(guó)科學(xué)家Davidovits[1]發(fā)現(xiàn)的一種無(wú)機(jī)材料，其采用鋁硅質(zhì)工業(yè)廢渣為原材料，通過(guò)各種堿激發(fā)劑溶解二氧化硅和氧化鋁并形成鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)的一種新型環(huán)保材料[2]，其制備過(guò)程中能耗和碳排放量較低，并且結(jié)構(gòu)致密、耐腐蝕性好，適用于海洋工程的服役環(huán)境[3]。

隨著近年來(lái)基礎(chǔ)設(shè)施和土木工程建設(shè)的快速增長(zhǎng)，可用于建設(shè)的淡水和河砂資源逐漸變得稀缺，在沿海和海島地區(qū)，淡水和河沙的缺乏更為嚴(yán)重。為解決這一問(wèn)題，沿海省份分別用海水和海砂替代淡水和河砂作為建筑材料[4]。研究表明，海水海砂混凝土(SWSSC)的抗壓強(qiáng)度與淡水和河砂混凝土的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有顯著差異[5]。但海水和海砂中含有大量氯離子，會(huì)引起SWSSC結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕膨脹[6-7]，導(dǎo)致各種耐久性問(wèn)題，例如混凝土保護(hù)層的開裂和脫落，會(huì)嚴(yán)重降低SWSSC結(jié)構(gòu)的安全性，導(dǎo)致后期維修費(fèi)用增加[8]。采用纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)筋代替鋼筋是解決這類問(wèn)題的有效途徑，混凝土結(jié)構(gòu)中最常用的FRP筋由玻璃(GFRP)、碳(CFRP)和芳綸(AFRP)制成[9]，但由于材料本身的不足，限制了其在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用。比如GFRP筋的力學(xué)性能不足，而CFRP作為土木工程材料的價(jià)格卻非常昂貴[10]。BFRP筋(玄武巖纖維筋)作為一種新型環(huán)保材料，具有比GFRP筋更高的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，并且具有成本低、易于制造、耐高溫、振動(dòng)和沖擊負(fù)荷性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[11]。在堿性條件下，BFRP筋比AFRP筋和GFRP筋具有更好的耐久性[12]。此外，BFRP筋的強(qiáng)度是鋼筋的4倍，密度只有鋼筋的1/4[13]，因此，BFRP筋是SWSSC結(jié)構(gòu)中鋼筋的理想替代品。

研究表明，BFRP筋混凝土梁比相同配筋率的鋼筋混凝土梁具有更高的強(qiáng)度[14-16]，其表現(xiàn)與AFRP和GFRP筋混凝土梁非常相似。Sumajouw等[17]研究了鋼筋無(wú)機(jī)聚合物混凝土細(xì)長(zhǎng)柱在軸向荷載和單軸彎曲下的性能，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中包含的設(shè)計(jì)規(guī)定可用于設(shè)計(jì)鋼筋粉煤灰基無(wú)機(jī)聚合物混凝土柱。這些研究表明，鋼筋和無(wú)機(jī)聚合物混凝土，以及BFRP筋和普通混凝土具有類似的粘結(jié)行為和機(jī)械性能。本文創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了BFRP筋增強(qiáng)無(wú)機(jī)聚合物海砂海水混凝土梁構(gòu)件，采用無(wú)機(jī)聚合物替代硅酸鹽水泥，BFRP筋替代鋼筋，并采用海砂海水來(lái)制備構(gòu)件梁，通過(guò)研究該梁各方面性能，以期運(yùn)用到實(shí)際，借此解決鋼筋在海洋環(huán)境中容易腐蝕，進(jìn)而解決結(jié)構(gòu)失效的難題，提高結(jié)構(gòu)的壽命，緩解結(jié)構(gòu)維護(hù)給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境帶來(lái)的壓力，不斷推動(dòng)新型高性能建筑材料的發(fā)展。

2 原材料

2.1 膠凝材料

無(wú)機(jī)聚合物組分及物理力學(xué)性能見表1和表2。

表1 無(wú)機(jī)聚合物組分

表2 無(wú)機(jī)聚合物物理力學(xué)性能

2.2 骨料

細(xì)骨料：0.25～2 mm連續(xù)級(jí)配，產(chǎn)地為珠江口的中粗海砂；粗骨料：5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配，花崗巖碎石；摻合料：S95級(jí)礦粉、粉煤灰；外加劑：減水劑。

2.3 玄武巖纖維筋

玄武巖纖維筋：四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司提供，其力學(xué)性能見表3所示；對(duì)照組鋼筋混凝土梁的鋼筋級(jí)別為HRB400。

表3 BFRP筋力學(xué)性能

2.4 混凝土配合比

試驗(yàn)采用的混凝土配合比及28 d抗壓強(qiáng)度見表4。

表4 無(wú)機(jī)聚合物混凝土配合比及28 d抗壓強(qiáng)度

3 試驗(yàn)方法

3.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)和分組

本試驗(yàn)中無(wú)機(jī)聚合物海砂海水混凝土梁截面尺寸為100 mm×200 mm，梁長(zhǎng)為1 500 mm。縱筋采用φ6 mm和φ8 mm兩種規(guī)格，對(duì)應(yīng)受拉側(cè)配筋率分別為0.32%和0.57%，箍筋直徑6 mm，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3種類型梁，分別為WS-8、WBF-6和WBF-8(W表示無(wú)機(jī)聚合物，S表示鋼筋(Steel)，BF表示玄武巖纖維筋(BFRP)，數(shù)字6、8表示受拉縱筋直徑)，每種試件均為3根，梁的配筋以及綁扎工藝如圖1所示。

圖1 梁配筋示意

3.2 試件制作和加載方案

抗彎構(gòu)件先進(jìn)行鋼筋和BFRP筋綁扎制作、支模，混凝土澆筑拆模后養(yǎng)護(hù)至規(guī)定試驗(yàn)齡期進(jìn)行試驗(yàn)(見圖2)。

圖2 試件制作流程示意

應(yīng)變片布置在每根梁的受拉筋跨中位置以及梁表面上，梁表面應(yīng)變片采用浙江黃巖測(cè)試儀器廠的BX120-100AA型號(hào)電阻式應(yīng)變片，梁跨中一側(cè)混凝土表面均勻粘貼5個(gè)應(yīng)變片，另外每根試驗(yàn)梁上表面跨中位置對(duì)稱布置2個(gè)應(yīng)變片，混凝土表面應(yīng)變片共計(jì)7個(gè),具體布置情形見圖3。試驗(yàn)擬采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載，加載設(shè)備采用電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(見圖4)。

圖3 應(yīng)變片布置示意(單位：mm)

圖4 抗彎構(gòu)件試驗(yàn)示意(單位：mm)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

如圖5和表5所示，對(duì)于WS-8梁，第一次開裂發(fā)生在恒定彎矩區(qū)，荷載值為16 kN。隨著荷載的增加，越來(lái)越多的裂縫形成，并從跨中向外擴(kuò)展到剪切跨中。在大約39 kN的載荷下，出現(xiàn)傾斜的剪切裂紋。隨著載荷的進(jìn)一步增加，這些裂紋向加載點(diǎn)附近的受壓區(qū)擴(kuò)展。當(dāng)施加在梁上的載荷接近42 kN時(shí)，由于中性軸向上移動(dòng)，裂縫迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致混凝土的壓碎破壞，此時(shí)停止加載。

BFRP筋無(wú)機(jī)聚合物混凝土梁的裂縫現(xiàn)象類似于鋼筋混凝土梁。對(duì)于WBF-8梁，當(dāng)施加的載荷達(dá)到12 kN時(shí)，恒定力矩區(qū)域中出現(xiàn)3條豎向裂縫，裂縫達(dá)到最大初始裂縫寬0.3 mm，并延伸至90 mm高度。隨著載荷的增加，現(xiàn)有的裂紋擴(kuò)展，并且在載荷和支撐之間的區(qū)域形成一些新的彎曲裂紋。隨著外加荷載的進(jìn)一步增加，大部分彎曲裂縫垂直發(fā)展，之后傾斜裂縫在約36 kN的荷載下開始出現(xiàn)。隨著荷載的進(jìn)一步增加，傾斜裂縫在長(zhǎng)度和寬度方面都朝著施加荷載點(diǎn)向上發(fā)展，并沿著縱向BFRP筋朝著支撐點(diǎn)發(fā)展，受壓區(qū)混凝土截面的有效面積逐漸減小。加載至54 kN時(shí)，梁撓度增加至20.83 mm，并在此出現(xiàn)“啪啪”的BFRP筋斷裂聲，此時(shí)停止加載。

WS-8

WBF-8

WBF-6

表5 試驗(yàn)結(jié)果

雖然WS-8梁的開裂荷載高于WBF-8梁的開裂荷載，但WS-8梁在第一次裂縫形成時(shí)的撓度為1.0 mm，遠(yuǎn)低于WBF-8梁的2.0 mm，此外，WBF-8梁破壞時(shí)的裂縫數(shù)量比對(duì)WS-8梁多，表明BFRP筋梁比鋼筋梁具有更高的抗斷裂能力，BFRP筋梁在危險(xiǎn)情況下起到的預(yù)警作用更加顯著。

WBF-6梁的裂縫發(fā)展與WBF-8梁的一致，但WBF-6梁的初裂荷載、初裂撓度、極限荷載均低于WBF-8梁，極限撓度與WBF-8梁的相差不大。

4.2 混凝土梁荷載—撓度曲線

從圖6a大致可以看出鋼筋梁具有明顯的屈服平臺(tái)，表現(xiàn)出良好的延性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合較好；相比而言，玄武巖纖維筋梁在混凝土開裂后，撓度增長(zhǎng)較快，直至梁破壞，曲線依然表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，沒(méi)有屈服平臺(tái)，梁最終破壞形式為脆性破壞，這跟BFRP筋的脆性性質(zhì)是直接相關(guān)的，由于BFRP筋抗拉強(qiáng)度較大，所以BFRP筋梁的極限荷載要更大。根據(jù)圖6b得出，BFRP筋直徑越大，梁承載能力越大。

a 鋼筋梁與玄武巖纖維筋梁

b 不同配筋率的玄武巖纖維筋梁

為了更直觀的反映梁的荷載撓度特性，在此對(duì)曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化，只取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(如圖7所示)。從圖7曲線看出，在相同配筋率的情況下，WS-8的初裂荷載要比WBF-8大，這是因?yàn)殇摻畹膹椥阅Ａ窟h(yuǎn)大于BFRP筋，在混凝土梁的彈性體階段(開裂前)，其等效截面面積較大，即WS-8梁的初裂承載力要大。而兩者的極限承載力相較而言BFRP筋梁的要明顯更大，這是由于構(gòu)件破壞時(shí)受拉筋拉斷，極限承載力主要取決于受拉筋強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，BFRP筋抗拉強(qiáng)度要明顯大于鋼筋的抗拉強(qiáng)度。并且BFRP筋梁的配筋率越大，構(gòu)件的極限承載力越大，撓度發(fā)展相對(duì)較慢，剛度較大。

4.3 梁受拉筋荷載—應(yīng)變曲線

受拉筋應(yīng)變隨荷載的變化遵循兩階段過(guò)程：短暫的線性上升和逐漸增加。在第1階段，梁中沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，受拉鋼筋處于彈性階段；隨著荷載的增加，受拉區(qū)域的混凝土應(yīng)力增加，并隨后達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度，這逐漸導(dǎo)致受拉區(qū)域邊緣的開裂和該區(qū)域的應(yīng)力重新分布。在第2階段，受拉區(qū)域中的混凝土裂縫進(jìn)一步增長(zhǎng)，鋼筋開始單獨(dú)承受拉力，這導(dǎo)致鋼筋的應(yīng)變逐漸線性增加，達(dá)到極限荷載時(shí)，鋼筋的最大應(yīng)變超過(guò)6 000 μm。BFRP筋應(yīng)變?yōu)榫€彈性變化，不具備屈服點(diǎn)，當(dāng)荷載加至接近15 kN時(shí)BFRP筋表面裹膠破裂導(dǎo)致應(yīng)變片破損，故測(cè)出應(yīng)變數(shù)值偏小(如圖8所示)。

圖8 受拉筋荷載—應(yīng)變曲線示意

4.4 荷載—混凝土應(yīng)變關(guān)系曲線

如圖9所示，鋼筋梁和BFRP筋梁在各自開裂荷載之前，荷載與混凝土壓應(yīng)變均成良好的線性關(guān)系變化，開裂荷載之后，混凝土梁受壓區(qū)應(yīng)變同樣呈現(xiàn)出線性變化，并在達(dá)到各自極限荷載時(shí)混凝土受壓區(qū)均未被破壞，仍處于良好的受力狀態(tài)。其中，鋼筋梁在開裂荷載后混凝土壓應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)變快，且處于良好的彈性變化階段，鋼筋梁破壞時(shí)受壓區(qū)混凝土沒(méi)有壓碎破壞。BFRP筋梁達(dá)到開裂荷載后混凝土壓應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)也變快，且開裂前后應(yīng)變均為彈性變化，BFRP筋梁破壞時(shí)受壓區(qū)混凝土也未破壞。大直徑的BFRP筋梁比小直徑的BFRP筋梁混凝土極限承載力要大，即適當(dāng)提高梁的配筋率，對(duì)提高梁的混凝土承載能力有利。

圖9 荷載—混凝土應(yīng)變曲線示意

4.5 試驗(yàn)承載力分析

如圖10a所示，在相同的截面尺寸、混凝土強(qiáng)度和試驗(yàn)條件下，BFRP筋的配筋率越大，梁的初裂承載力越大；并且相同配筋率條件下，鋼筋混凝土梁的初裂承載力優(yōu)于BFRP筋梁，其初裂荷載系數(shù)比(BFRP筋梁與鋼筋梁初裂承載力之比)為0.75。

a

b

5 結(jié)語(yǔ)

1) BFRP筋梁荷載撓度曲線顯示，加載過(guò)程并未表現(xiàn)明顯屈服平臺(tái)，破壞形式為脆性破壞，在相同配筋率下，BFRP筋梁破壞時(shí)的極限撓度要大于鋼筋梁，實(shí)際破壞前，預(yù)兆還是非常明顯。

2) 由于BFRP筋的高強(qiáng)特性，同等配筋下，BFRP筋梁極限承載力要大于鋼筋梁，比值約為1.3；但BFRP筋梁開裂荷載較低，開裂荷載約為鋼筋的0.75倍。