GFRP筋增强ECC梁的抗弯性能研究

郝　瀚，水中和，郑又瑞，张　潇

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

GFRP筋增强ECC梁的抗弯性能研究

郝瀚，水中和，郑又瑞，张潇

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

利用玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋取代钢筋作为混凝土结构增强筋可以有效解决侵蚀环境下钢筋锈蚀问题，但存在着延性不足的问题，结构常常呈脆性破坏。研究了GFRP筋高韧性水泥基复合材料(ECC)梁的抗弯性能，并与GFRP筋普通混凝土梁和钢筋混凝土梁进行对比，结果显示GFRP筋ECC梁在抗弯承载力和延性方面均优于GFRP筋普通混凝土梁，并且GFRP筋ECC梁具有类似于钢筋混凝土的塑性破坏特征，不同于GFRP筋普通混凝土梁的脆性破坏。GFRP筋与ECC具有良好的协同工作能力，并且两者均具有优异的耐久性能，因此在海洋工程、冬季撒除冰盐的公路与桥梁工程等领域具有广阔的前景。

GFRP筋；ECC；荷载-挠度曲线；延性

海洋工程结构由于长期受到海水冲刷、干湿循环以及氯盐侵蚀，腐蚀问题一直比较突出，对于钢筋混凝土结构更是如此。在海洋环境下服役的钢筋混凝土结构，即使采用150 mm的混凝土保护层厚度，其对内部钢筋锈蚀的防护也仅有15年左右[1]，这与长寿命海洋结构的耐久性要求相距甚远。玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋取代钢筋作为混凝土结构的增强筋可以有效解决钢筋锈蚀问题[2]，这是因为和钢筋相比，GFRP筋在恶劣环境中具有高耐腐蚀性，并且GFRP筋具有轻质、高强的优点，这将大大延长混凝土结构的使用寿命。然而，GFRP筋也有其弊端，例如弹性模量低、应力-应变呈线弹性，导致GFRP筋混凝土构件常常呈脆性破坏，缺乏延性，这些缺点限制了其在土木工程领域的推广和应用。

GFRP筋和混凝土都属于脆性材料，GFRP筋混凝土梁四点弯曲试验中一旦混凝土开裂，全部荷载便由GFRP筋承担，这将会导致结构的过早失效[3]。而高韧性水泥基复合材料(ECC)具有高断裂韧性、高抗拉延性、裂纹控制能力和应变硬化的特性[4]，即使出现第一条裂缝也不会马上断裂，仍然可以继续承受荷载。为了推广GFRP筋在土木工程领域的应用，须改善结构的延性，因此拟研究GFRP筋ECC梁这种新型结构形式的抗弯性能，并与GFRP筋混凝土梁和钢筋混凝土梁的抗弯性能进行对比，评价GFRP筋ECC梁的延性。

1　实　验

1.1原材料

水泥：华新P·O 42.5水泥。粉煤灰：武汉阳逻电厂II级粉煤灰，需水量比98%。粗骨料：5～10 mm连续级配普通碎石。精细河砂：普通河砂过0.6 mm方孔筛，取筛下部分。纤维：高强高弹模PVA纤维，具体性能参数见表1。GFRP筋：采用海宁安捷复合材料有限公司生产的玻璃纤维增强聚合物筋，具体性能参数见表2。钢筋：采用普通螺纹钢筋，直径8 mm，抗拉强度210 MPa，弹性模量200 GPa，延伸率20%。硅油：甲基硅油。减水剂：江苏博特生产的聚羧酸细高效减水剂，减水率28%。拌和水：武汉市自来水。

表1　高强高弹模PVA纤维特性参数

表2　GFRP筋基本性能参数

1.2基体混凝土制备及试件制作

ECC的搅拌制度为：首先用硅油处理PVA纤维表面[5]，然后将水泥、粉煤灰、PVA纤维投入混料机干混20 min，最后投入单轴卧式搅拌机，加水和减水剂搅拌3 min后成型。OPC(普通混凝土)和ECC的配合比如表3所示。

表3　基体混凝土配合比

共制备5根混凝土梁，分别为OPC梁、钢筋混凝土梁、GFRP筋OPC梁、ECC梁、GFRP筋ECC梁，梁的尺寸均为400 mm×100 mm×100 mm。配筋形式均为梁底部配两根纵筋，示意图如图1所示。

1.3方法

(1)

FRP筋混凝土结构延性分析：目前国际上还没有统一的FRP筋混凝土结构的延性定义，该文采用较为普遍的能量比方法，该方法是由Naaman等人引入的基于能量的延性比[7]，FRP筋混凝土结构的延性系数表达式为

(2)

式中，Etot为荷载-挠度曲线下的总面积，Eel为荷载-挠度曲线卸载段下的面积。

混凝土梁弯曲韧性试验在MTS Landmark电液伺服试验机上进行，加载速率控制在0.2 mm/min。混凝土抗压强度试验依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行。

2　结果与分析

2.1普通混凝土梁与ECC梁的弯曲韧性对比

普通混凝土和高韧性水泥基复合材料的28 d抗压强度如表4所示。配制的普通混凝土28 d抗压强度比ECC高约15%。

表4　基体抗压强度

OPC梁和ECC梁的荷载-挠度曲线分别见图3和图4。从图中可以看出，OPC梁从加载直至断裂，几乎没有塑性变形，呈现明显的脆性破坏，极限荷载下的挠度仅有0.7 mm左右。而ECC梁在弯曲荷载作用下，呈现良好的塑性变形和应变硬化特性，极限挠度可以达到3.5 mm左右，这是因为ECC中的PVA纤维能够提供足够的桥联应力[8]，开裂后可以抑制裂缝宽度的扩展，并且依靠界面粘结将应力传递给周围未开裂的基体进而产生新的裂缝，最终破坏时试件呈现多条细裂缝。

根据JSCE-SF4评价方法计算得到OPC梁和ECC梁的弯曲韧性系数，结果如表5所示。从计算结果中可以看出，ECC梁的弯曲韧性系数是OPC梁的2.6倍以上，虽然OPC梁的抗弯承载力略高于ECC梁，但ECC梁的极限挠度达到OPC梁的5倍以上，这是因为ECC梁的多缝开裂可以消耗更多的能量，从而具有更高的弯曲韧性。

表5　OPC梁和ECC梁的弯曲韧性系数

2.2GFRP筋增强不同混凝土基体的延性对比

对GFRP筋混凝土梁和GFRP筋ECC梁进行弯曲试验，荷载-挠度曲线如图5所示。对比图3和图4，我们可以看出，GFRP筋混凝土梁相比于素混凝土梁，极限荷载增加约173%；GFRP筋ECC梁相比于ECC梁，极限荷载增加约317%。配筋前，普通混凝土梁较ECC梁的极限荷载高43.5%，配筋后，GFRP筋ECC梁较GFRP筋混凝土梁的极限荷载高6.5%。由此可见，ECC与GFRP筋共同使用可以弥补GFRP筋的延性不足和发挥ECC的韧性，两者具有良好的协同工作能力。

根据以上FRP筋混凝土结构延性系数公式计算得到GFRP筋增强不同混凝土基体的延性系数，结果如表6所示。从计算结果中可以得到，GFRP筋ECC梁的延性系数是GFRP筋OPC梁的3.1倍，

表6　GFRP筋增强不同混凝土基体的延性系数

GFRP筋ECC梁的极限挠度是GFRP筋OPC梁的1.5倍以上。对比两者的荷载-挠度曲线，我们可以看出，GFRP筋OPC梁从加载直至断裂，荷载-挠度曲线表现为线弹性变化，达到极限荷载后呈明显脆性破坏，这是因为混凝土开裂之后，混凝土便退出承载，荷载几乎全部由GFRP筋承担，受压区混凝土被压碎而突然破坏[9]。而GFRP筋ECC梁的荷载-挠度曲线存在明显的水平段和下降段，这种特征类似于钢筋混凝土梁弯曲时的屈服平台特征，表明GFRP筋ECC梁具有良好的变形能力，这是因为ECC出现裂纹之后，并不是马上退出承载，而是继续和GFRP筋一起承载，不会导致GFRP筋突然断裂和受压区ECC的脆性破坏。ECC在与GFRP筋共同承载过程中，产生更多的裂纹，吸收更多的能量，从而比GFRP筋OPC梁的延性有明显的增长。

2.3GFRP筋ECC梁与钢筋混凝土梁的弯曲试验对比

和GFRP筋相比，钢筋具有较高的刚度和较好的延性，钢筋混凝土梁加载至受拉区混凝土开裂后，拉力全部由钢筋承担，继续加载钢筋将达到屈服阶段，最终受压区混凝土达到抗压极限，导致梁破坏，为塑性破坏。图6反映了GFRP筋ECC梁和钢筋混凝土梁的荷载-挠度曲线，GFRP筋ECC梁在抗弯承载力方面比钢筋混凝土梁略小，这是因为GFRP筋的弹性模量和抗弯强度均明显低于钢筋，但GFRP筋与ECC梁协同工作可以呈现出与钢筋混凝土相似的塑性破坏特征。因此，GFRP筋ECC梁具有钢筋混凝土般良好的延性，并且具备良好的耐腐蚀性，这种组合形式在海洋工程、冬季撒除冰盐的公路与桥梁工程等领域具有广阔的前景。

3　结　论

a.GFRP筋可以明显提高混凝土梁的抗弯承载力，但GFRP筋混凝土梁仍然缺乏延性，呈现脆性破坏。

b.ECC梁的延性明显优于普通混凝土梁，并且GFRP筋ECC梁的延性明显优于GFRP筋混凝土梁，呈现塑性破坏特征。

c.GFRP筋ECC梁的荷载-挠度曲线存在水平段和下降段，具有类似于钢筋混凝土梁的屈服平台，GFRP筋与ECC具有良好的协同工作能力，两者共同使用可以弥补GFRP筋的延性不足和发挥ECC的韧性。

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Study on Flexural Behavior of GFRP Bars Reinforced ECC Beam

HAO Han, SHUI Zhong-he, ZHENG You-rui, ZHANG Xiao

(State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070, China)

Using glass fiber reinforced polymer (GFRP)bars instead of steel reinforced concrete can effectively solve the problem of steel corrosion, but GFRP bars reinforced concrete exists the problem of insufficient ductility, as a result of brittle failure.This paper investigates the flexural behavior of GFRP bars reinforced engineered cementitious composites (ECC) beams,and compares it with GFRP bars reinforced ordinary performance concrete and reinforced concrete beams.The results show that GFRP bars reinforced ECC beams are obviously superior to GFRP bars reinforced ordinary performance concrete in the bending strength and ductility, and GFRP bars reinforced ECC beams present plastic failure which is different from brittle failure that GFRP bars reinforced ordinary performance concrete beams present.GFRP bars and ECC have good ability of collaborative work, both of which have excellent durability, therefore, they have broad prospects in the field of marine engineering,road and bridge engineering which may experience deicing salt.

GFRP bars;ECC;load-deflection curve;ductility

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.009

2015-03-04.

国家科技支撑计划课题(2014BAC01B02).

郝瀚(1990-), 硕士生.E-mail:420450592@qq.com