崔莉萍，曹小菊，李學(xué)軍

(1.西安歐亞學(xué)院，陜西 西安 710065；2.四川大學(xué)，四川 成都 610207)

由連續(xù)或者不連續(xù)細(xì)絲組成的纖維種類繁多，常見的包括碳纖維、玻璃纖維和合成纖維等，其中合成纖維是由2種或者以上纖維混合而成，由于纖維質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高等特點[1]，在現(xiàn)代建筑、生物、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。尤其是隨著近些年來國內(nèi)建筑市場的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，將纖維應(yīng)用于混凝土中制備成纖維增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)具有一系列傳統(tǒng)混凝土無法比擬的優(yōu)勢，如強(qiáng)度高、彈性模量大、抗震性能好等[2-4]，到目前為止，雖然在混凝土中添加碳纖維和玻璃纖維以增強(qiáng)混凝土各項力學(xué)性能的研究已有相關(guān)報道，但是關(guān)于將碳纖維和玻璃纖維混合使用來增強(qiáng)混凝土受力性能的研究報道較少[5-8]。本文對比分析了碳纖維、玻璃纖維和不同形式的碳纖維+玻璃纖維對纖維增強(qiáng)混凝土柱軸心受壓性能的影響，其結(jié)果將對纖維在混凝土中的應(yīng)用提供技術(shù)參考，并有助于高性能纖維增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

共設(shè)計了5組合成纖維(碳纖維CFRP和玻璃纖維GFRP)加固混凝土柱，包括Z1柱(未加固)、Z2柱(2層玻璃纖維加固)、Z3柱(2層碳纖維加固)、Z4柱(層間組合碳纖維和玻璃纖維加固，簡稱JFRP)、Z5柱(2層層內(nèi)組合碳纖維和玻璃纖維加固，簡稱NFRP)，柱體截面250 mm×250 mm、長細(xì)比為4、保護(hù)層厚度25 mm、柱高度1 000 mm，合成纖維加固混凝土示意圖如圖1所示。

圖1 纖維加固混凝土示意圖Fig.1 Schematic diagram of fiber reinforced concrete

1.2 試驗材料

試驗原料包括碳纖維(厚度0.16 mm、彈性模量42.48 GPa、極限拉伸強(qiáng)度1 067 MPa)、玻璃纖維(厚度0.11 mm、彈性模量247 GPa、極限拉伸強(qiáng)度3 331 MPa)、C25混凝土(立方體抗壓強(qiáng)度28.5 MPa、軸心抗壓強(qiáng)度18.3 MPa、抗壓彈性模量18.7 GPa)、HRB335鋼筋(屈服強(qiáng)度352 MPa、斷后伸長率25%、斷面收縮率23.9%)，纖維加固混凝土試件的配筋圖，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》制作纖維加固混凝土柱，澆筑后室溫養(yǎng)護(hù)3 d，待完全固化后進(jìn)行軸壓性能測試[9]。

圖2 纖維加固混凝土試件的配筋圖Fig.2 Reinforcement diagram of fiber reinforced concrete specimen

1.3 測試與加載

軸壓性能測試在學(xué)校結(jié)構(gòu)工程實驗室進(jìn)行；位移計布置，具體如圖3所示。

位移計布置圖

Z2、Z3、Z4和Z5試件的預(yù)估承載力分別為2 190、1 630、1 900和2 060 kN；軸心受壓試驗過程中采用分級加載制度，加載速率為2 kN/s，屈服前按照0.1倍的預(yù)估荷載，屈服厚按照0.05倍預(yù)估荷載加載，直至試件破壞。采用DH 3820型靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀收集數(shù)據(jù)[10]，并用數(shù)碼相機(jī)拍攝破壞形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

對于未采用纖維加固的混凝土試件，當(dāng)加載至0.8倍峰值荷載時，混凝土試件發(fā)生嘎嘣脆的聲音，柱體可見明顯裂紋產(chǎn)生，繼續(xù)加載過程中，柱體4個方向上都可見微小裂紋，且裂紋會隨著加載的進(jìn)行而逐漸變寬，直至箍筋發(fā)生屈服，混凝土發(fā)生鼓脹，最終顯示在柱體上表現(xiàn)為多條斜裂縫。

對于玻璃纖維加固的Z2試件，在試件加載至0.7倍峰值荷載時，纖維加固混凝土試件上出現(xiàn)撕裂的聲音，隨著荷載加載至0.9倍峰值荷載時，纖維布出現(xiàn)撕裂并在柱中部出現(xiàn)玻璃纖維布的褶皺和鼓脹現(xiàn)象，繼續(xù)加載過程中，纖維加固混凝土柱中部區(qū)域發(fā)生繃斷，試件承載力下降，混凝土發(fā)生破壞；將外部玻璃纖維布扒開后可見內(nèi)部裂紋寬度雖然較大，但是數(shù)量明顯相較于Z1試件更少。

對于碳纖維加固混凝土試件Z3，當(dāng)試件載荷至0.8倍峰值荷載時，試件中部區(qū)域發(fā)生變形并有局部鼓脹現(xiàn)象，繼續(xù)加載至0.9倍峰值荷載，碳纖維布發(fā)生撕裂，在達(dá)到峰值荷載后碳纖維繃斷并伴隨著“蹦”的聲音，試件承載力急劇下降，混凝土柱有明顯壓碎特征，扒開纖維布后對比分析可以發(fā)現(xiàn)柱體裂縫相較Z1試件的寬度更小，但是裂紋數(shù)量相對較多。

對于合成纖維加固混凝土試件Z4，當(dāng)試件加載至0.8倍峰值荷載時，混凝土柱中部區(qū)域出現(xiàn)噼里啪啦的響聲，纖維布出現(xiàn)局部泛白特征，隨著荷載極限增大，碳纖維外部包裹的玻璃纖維未見明顯破壞，但是內(nèi)部碳纖維布發(fā)生了繃斷，繼續(xù)加載過程中橫向和豎向應(yīng)變增大，混凝土柱中部區(qū)域發(fā)生鼓脹，外部碳纖維布發(fā)生撕裂、局部玻璃纖維發(fā)生繃斷，承載力發(fā)生明顯降低，但是內(nèi)部混凝土有壓碎特征，而纖維有局部拔出現(xiàn)象，裂紋細(xì)小且密集。

對于合成纖維加固混凝土試件Z5，當(dāng)加載至0.85倍峰值荷載時，混凝土柱外部纖維有間歇撕裂聲音，表明加載過程中纖維起到了約束作用，且隨著荷載的繼續(xù)增加，混凝土柱逐漸發(fā)生變形，并在達(dá)到峰值荷載時出現(xiàn)纖維布繃斷現(xiàn)象，承載力急劇減小，局部可見纖維布斷口參差不齊，內(nèi)部混凝土出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，破壞特征顯示出彈塑性變形現(xiàn)象[11]。

2.2 受力分析

表1為合成纖維加固混凝土柱的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變。對于未加固的Z1試件，峰值應(yīng)力、最大拉應(yīng)變和縱向最大壓應(yīng)變分別為25 MPa、833 με和1 256 με；經(jīng)過纖維加固處理后，Z2、Z3、Z4和Z5試件的峰值應(yīng)力分布分別為29、37、33和35 MPa，最大拉應(yīng)變分別為1 462、1 114、2 421和2 309με，縱向最大壓應(yīng)變分別為3 095、1 835、3 690和3 463 με。經(jīng)對比分析可知，經(jīng)過碳纖維、玻璃纖維和合成纖維加固處理后，混凝土柱的峰值應(yīng)力、最大拉應(yīng)變和縱向最大壓應(yīng)變都出現(xiàn)不同程度增大。此外，合成纖維加固混凝土柱的峰值應(yīng)力相較Z1試件明顯增大，且合成纖維加固的Z4和Z5試件的最大拉應(yīng)變和縱向最大壓應(yīng)變明顯高于其他試件。

表1 合成纖維加固混凝土柱的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變Tab.1 Peak stress and peak strain of concrete columns strengthened with synthetic fiber

圖4為合成纖維加固混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；表2分別列出了對應(yīng)的合成纖維加固混凝土柱中鋼筋的最大應(yīng)變統(tǒng)計結(jié)果。

(a)橫向

從圖4可以看出，經(jīng)對比分析，未加固柱、GFRP加固柱、CFRP加固柱、JFRP加固柱和NFRP加固柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中都經(jīng)歷了彈性變形階段、強(qiáng)化階段和破壞階段，彈性階段的纖維加固混凝土柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢與未加固柱相似，表明這個階段的纖維布還沒有發(fā)揮有效約束作用；隨著應(yīng)變的增大，強(qiáng)化階段的混凝土柱逐漸產(chǎn)生裂縫以及鼓脹現(xiàn)象[12]，纖維布的約束作用逐漸顯現(xiàn)，且表現(xiàn)出相對未加固柱更高的承載能力。

表2 合成纖維加固混凝土柱中鋼筋的最大應(yīng)變Tab.2 Maximum strain of reinforcement in concrete column strengthened with synthetic fiber

由表2可知，未加固的Z1試件的縱筋最大應(yīng)變和箍筋最大應(yīng)變分別為-900、493 με；經(jīng)過碳纖維和玻璃纖維加固處理后，纖維加固混凝土柱的縱筋最大應(yīng)變和箍筋最大應(yīng)變都發(fā)生不同程度增大。此外，在碳纖維或者玻璃纖維加固條件下，纖維加固混凝土的縱筋最大應(yīng)變和箍筋最大應(yīng)變都小于合成纖維加固混凝土試件。

圖5為合成纖維加固混凝土柱的荷載-應(yīng)變曲線。

(a)縱筋

從圖5可能看出，未加固柱在到達(dá)峰值荷載后，試件的承載力迅速降低。而GFRP、CFRP、JFRP和NFRP加固試件在屈服后仍然具有承載能力；碳纖維、玻璃纖維和合成纖維加固混凝土柱中的箍筋應(yīng)變值相較未加固混凝土柱更小。整體而言，由于纖維加固后，纖維可以對混凝土起到環(huán)向約束作用而增加鋼筋應(yīng)變，且合成纖維和碳纖維對混凝土柱的約束作用相近；而玻璃纖維對混凝土的約束作用相對較弱。在幾種纖維中，碳纖維對混凝土柱的約束作用最好，其次為NFRP合成纖維。

圖6為合成纖維加固混凝土柱的荷載-位移曲線。

(a)縱向

從圖6可以看出，從未加固柱的在加載初期(位移較小)，各試件的荷載-位移曲線都類似于陡峭的直線，這主要是由于此時的纖維加固混凝土都處于彈性階段[13]，纖維對混凝土柱的約束作用并不會體現(xiàn)；隨著加載的進(jìn)行，纖維加固混凝土柱的承載逐漸進(jìn)入彈塑性節(jié)點[14-18]，這個階段未加固混凝土柱和碳纖維加固混凝土柱的荷載、位移曲線相似且未表現(xiàn)出良好塑性，而GFRP、JFRP和NFRP加固試件的荷載增長較為緩慢，這主要與纖維布有助于提升混凝土柱的延性有關(guān)；繼續(xù)增加位移，纖維加固混凝土柱進(jìn)行破壞階段，未加固柱和碳纖維加固柱的荷載-位移曲線突然明顯下降，呈現(xiàn)出脆性破壞特征；而其他試件的荷載下降較為平緩，呈現(xiàn)出彈塑性破壞特征[19-20]。由此可見，纖維布加固混凝土柱有助于提升混凝土柱的環(huán)向約束，且混凝土柱的橫向變形受到明顯抑制，纖維對混凝土柱的縱向約束效果從高至低順序依次為：JFRP、NFRP、GFRP、CFRP，且都高于未加固混凝土柱。

3 結(jié)語

(1)未加固的Z1試件，峰值應(yīng)力、最大拉應(yīng)變和縱向最大壓應(yīng)變分別為25 MPa、833 με和1 256 με；經(jīng)過纖維加固處理后，Z2、Z3、Z4和Z5試件的峰值應(yīng)力分布分別為29、37、33和35 MPa，最大拉應(yīng)變分別為1 462、1 114、2 421和2 309 με，縱向最大壓應(yīng)變分別為3 095、1 835、3 690和3 463 με；

(2)未加固柱、GFRP加固柱、CFRP加固柱、JFRP加固柱和NFRP加固柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中都經(jīng)歷了彈性變形階段、強(qiáng)化階段和破壞階段，強(qiáng)化階段纖維布的約束作用逐漸顯現(xiàn)，且表現(xiàn)出相對未加固柱更高的承載能力；

(3)未加固柱在到達(dá)峰值荷載后，試件的承載力迅速降低，而GFRP、CFRP、JFRP和NFRP加固試件在屈服后仍然具有承載能力；碳纖維、玻璃纖維和合成纖維加固混凝土柱中的箍筋應(yīng)變值相較未加固混凝土柱更小。