CFRC复合梁力学性能试验研究

任 慧 韬, 吴 英 伯, 韩 少 楠, 王 立 成

( 大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连 116024 )

CFRC复合梁力学性能试验研究

任 慧 韬*, 吴 英 伯, 韩 少 楠, 王 立 成

( 大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连 116024 )

碳纤维混凝土(CFRC)复合梁是在普通混凝土梁中掺入短切碳纤维，以此改善混凝土的性能．碳纤维弹性模量高，将其掺入混凝土中能改善混凝土的韧性并起到增强阻裂的效果．通过四点加载试验，研究普通混凝土梁与不同纤维层厚度、不同纤维长度的复合梁的弯曲破坏机理、荷载挠度行为、裂缝形态等．试验结果表明，在混凝土梁的受拉区掺入短切碳纤维可以有效改善其变形能力；碳纤维对混凝土裂缝扩展的抑制、裂缝形态的改善效果较好；纤维层厚75 mm、纤维长度10 mm的复合梁性能最优．最后提出了CFRC弯曲构件极限承载力的计算公式．

碳纤维混凝土(CFRC)；复合梁；抗弯性能；裂缝抑制

0 引 言

混凝土已经广泛应用于工程结构中，但其抗拉强度低、变形能力弱等缺点使其在大型复杂结构中的使用受限[1-2]．纤维混凝土是混凝土向高抗拉、高韧性、高阻裂、高耐久、材料智能性发展的产物．碳纤维属于高模量纤维，与其他纤维(钢纤维、玻璃纤维等)相比，碳纤维性质更稳定，在环境中耐腐蚀、耐老化、耐温差效果更好．此外碳纤维密度小，采用碳纤维混凝土(CFRC)可以使构件更加轻质、施工简便．在成本上，碳纤维的抗拉强度在3 500 MPa以上，达到增强效果所需的纤维掺量普遍低于其他纤维．除了以上力学性质优良外，CFRC还在电磁屏蔽、热电除冰、结构健康自检测、钢筋阴极保护等方面有广阔前景．近年来碳纤维价格的持续走低使CFRC的研究备受瞩目[3]．

然而目前的研究大多针对全截面碳纤维复合材料的力学性能[4-5]．研究表明，碳纤维的掺入对混凝土抗拉强度、韧性均有较大提高，但是对抗压强度影响不大[6]．若只在受弯构件的受拉区掺入碳纤维，那么既可提高纤维利用率又能缩减材料成本[7]．Rahimi等[8]研究了局部钢纤维砂浆的受弯性能，得出当纤维层厚为梁高的16%时，试件的抗折强度有较大提高，且与全截面增强砂浆试件相比降幅不大．Sri Ravindrarajah等[9]研究了不同纤维层高比的钢纤维复合梁抗弯强度，发现抗弯强度随着层高比的增加而增加，但达到某一限值后增强效果减弱．

本文的研究借鉴当前最新的研究成果，设计7组复合梁试件，探讨不同因素下碳纤维对复合梁静态受弯性能的增强效果．

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所用材料为P·O 42.5R普通硅酸盐水泥、粉煤灰、瓜子石(粒径5～10 mm)、河砂、自来水、碳纤维分散剂(甲基纤维素)、高效减水剂、消泡剂(磷酸三丁酯)和短切碳纤维．钢筋强度等级为HRB400．短切碳纤维的性能指标见表1．

表1 短切碳纤维性能指标

1.2 配合比

为使纤维层与混凝土层的界面接触、分层效果良好，试验配制了C40自密实混凝土，配合比见表2．周乐等[10]研究得出，当碳纤维掺量为0.24% 时，对混凝土的阻裂作用最佳．因此纤维混凝土配比是在此基础上掺入0.24%的碳纤维，胶凝材料为质量0.7%的分散剂和0.1%的消泡剂．配制碳纤维混凝土时，应适量提高减水剂的掺量以达工作度要求．

表2 混凝土配合比

1.3 试件制作

试验共设计了7组试件，每组2个，变量参数包括拌入纤维层厚度和纤维长度．表3为试件分组情况，图1为试件尺寸及配筋方式．试件采用热浇法，即在CFRC层初凝前完成自密实混凝土的浇筑．浇筑完成后用塑料保鲜膜包裹浇筑面，防止水分流失．试件在室内标准养护至28 d龄期．

表3 试件分组表

图1 梁的配筋图

1.4 试验装置

试验在1 000 t电液伺服试验机上进行，采用荷载等级为5 kN的分级加载方式．跨中挠度用两个LVDT对称测量，支座处布置两个LVDT测量支座位移．

2 试验结果与讨论

2.1 破坏模式

复合梁的破坏过程分为3个阶段．弹性阶段：此时试件的荷载挠度曲线为线性，碳纤维的作用还未体现．屈服阶段：初裂后，拉应力由碳纤维与钢筋共同承担．当碳纤维与基体的黏结应力达到其黏结强度时，二者脱黏，随着加载过程的持续，纤维在基体中产生滑移，消耗了一定的能量．破坏阶段：受拉钢筋屈服后，裂缝向受压区扩展，此时挠度增长较快，受压区产生明显的塑性变形，随着裂缝的不断扩展，大部分碳纤维被拔出，受压区混凝土出现鳞片状凸起，直至压碎，碳纤维的增强作用基本消失．

所有试件破坏模式均为正截面受弯破坏且界面均未出现剥离，可见热浇法能有效避免复合梁的剥离破坏．RC梁与复合梁破坏模式基本相同，说明碳纤维层的加入对梁的最终破坏形态影响不大．

2.2 荷载-挠度行为

图2为纤维层厚度相同、纤维长度不同的梁试件荷载位移曲线对比情况．结果表明，从开始加载到屈服，复合梁都比RC梁的斜率更大．5 mm与15 mm长度碳纤维复合梁在屈服前斜率与RC梁对比增加相对较小，而10 mm碳纤维梁试件斜率相对RC梁增加较大．由此可知：在荷载相同条件下，复合梁的跨中挠度小于普通钢筋混凝土梁，并随着荷载的增加，差异更为明显，碳纤维的加入会对梁的后期刚度产生明显改善作用，其中10 mm 碳纤维对混凝土的改善效果要优于其他两种长度的碳纤维．

图3给出了纤维长度相同时，纤维层厚度不同的荷载位移曲线．3图表现出相同趋势：试件屈服以前，曲线斜率随纤维层厚度的增大而增大；屈服点以后，复合梁曲线几乎包络RC梁曲线．结果表明，在纤维长度相同的条件下，75 mm厚纤维层复合梁的刚度、屈服荷载、极限荷载提高效果要比40 mm的更好．

表4为试件的开裂、屈服和极限荷载试验结果，由表中数据可知：碳纤维对试件的开裂荷载影响不大，这是由于开裂荷载主要取决于基体的极限拉应变；掺入碳纤维的复合梁屈服荷载普遍高于RC梁．当纤维层厚度为75 mm时，与对比试件相比，纤维长度为10 mm的试件屈服荷载提高幅度最大，为26.59%．纤维长度为15 mm的试件屈服荷载提高幅度有所降低．初步分析可能是由于长纤维在混凝土拌和过程中无法完全分散所致．纤维层厚度同样影响复合梁的屈服荷载．试件CFRC-40-05、CFRC-75-05屈服荷载分别提高1.65%、17.03%；试件CFRC-40-10、CFRC-75-10屈服荷载分别提高22.24%、26.59%；试件CFRC-40-15、CFRC-75-15屈服荷载分别提高12.27%、15.58%．

(a) RC梁与纤维层厚度40 mm复合梁对比

(b) RC梁与纤维层厚度75 mm复合梁对比

图3 纤维层厚度对荷载-位移曲线的影响

表4 CFRC复合梁的弯曲试验结果

试验结果表明，加入碳纤维对于复合梁极限荷载有一定提高，但幅度小于屈服荷载．所有试件的极限荷载提高幅度在7%～14%．这是因为复合梁在达到屈服后，随着受拉区混凝土裂缝宽度的增大，碳纤维被拔出或者拉断，不能继续桥接裂缝，因此碳纤维对极限荷载的提高与屈服荷载相比幅度较低．

2.3 抗弯承载力计算

碳纤维混凝土梁的计算可以参考钢纤维混凝土梁的计算原理[11]，结合碳纤维的增强作用机理，计算复合梁的极限承载力．首先建立梁的平衡方程：

ffcmbx=fyAs-f′yA′s+fftbbxt

(1)

(2)

式中：ffcm为普通混凝土等效应力图抗压强度；fftb为纤维混凝土等效应力图抗拉强度；fy、f′y为钢筋拉、压屈服强度；As、A′s为钢筋拉、压截面面积；b为复合梁的宽度；Mfu为复合梁的极限抗弯承载力；as、a′s为拉、压钢筋合力点到拉、压边缘距离；hf、h0为纤维层高度、截面有效高度；x为等效受压区高度；xt为等效受拉区高度，这里取xt=hf．国内外的学者对纤维混凝土弯曲抗拉强度fftb做过较多研究[12-13]，赵国藩等认为可以采用下式计算：

fftb=βtbλfft

(3)

实际上，采用式(3)计算fftb时，βtb的确定较为分散，导致计算结果差异较大．因此fftb通常用劈裂抗拉强度的转换与修正间接得到．在计算fftb时，还应考虑纤维特征参数λf和纤维乱向增强效率ηf．fftb可按下式计算：

此处译者并没有补充解释老子和庄子、屈原和宋玉。首先，译文最直接的目标受众是对中国文化感兴趣的外国游客，有可能对诸子百家有所耳闻；再者，文中这些名人只是意在说明楚文化包罗宏富，并不是文本的关键信息，读者从中能够得知他们是哲学家和爱国文人就足够了。

fftb=0.85(1+λfηf)ftc

(4)

(5)

其中lfcrit为纤维临界长度，根据Heim等[14]采用的碳纤维双倍搭接试验，取碳纤维临界长度为52 mm；ftc为100 mm立方体劈拉强度．

表5是采用本文给出的公式计算的复合梁极限承载力与试验结果的对比．由对比结果可知，采用式(4)能较好地表达碳纤维对复合梁的增强效应．

表5 极限承载力理论值与试验值的对比

Tab.5 Comparison between theoretical value and experimental value of ultimate bearing capacity

梁类型极限荷载试验值F1/kN极限荷载理论值F2/kN误差/%RC82．0679．902．6CFRC-40-0588．1785．103．5CFRC-40-1088．7085．273．9CFRC-40-1592．1784．058．8CFRC-75-0588．9087．731．3CFRC-75-1094．9288．017．3CFRC-75-1592．0086．366．1

2.4 裂缝分析

2.4.1 裂缝宽度分析 试件在分级加载过程中，每个荷载等级对应的裂缝最大宽度变化如图4所示．在同级荷载下，复合梁的裂缝宽度更小．说明碳纤维层可以提高构件的抗裂能力，延缓裂缝开展．其中10 mm碳纤维较5、15 mm碳纤维对裂缝的抑制效果更明显；75 mm纤维层比40 mm纤维层效果更好．

(a) 40 mm纤维层

(b) 75 mm纤维层

图4 纤维长度对裂缝宽度-荷载曲线的影响

Fig.4 Effect of fiber length on crack width-load curves

所有试件中，5 mm碳纤维试件对裂缝改善的效果最弱，幅度在11%～13%．这是由于5 mm碳纤维长度较短，远小于临界长度，裂缝截面上纤维锚固长度不足，过早被拔出，导致纤维的利用率低，增强效果不明显．

10 mm碳纤维试件随着裂缝宽度的增大，对应荷载提高率在13.81%～26.02%．这是由于梁刚开裂时，裂缝宽度很小，纤维没有被“拉紧”，界面的黏结应力没有发挥，因此对裂缝的抑制作用较小；随着荷载的增大，裂缝宽度不断扩展，纤维对于裂缝的抑制作用增强，相应的裂缝宽度对应的荷载提高率增大．

2.4.2 裂缝开展情况讨论 对比试件RC梁在开裂后，梁体表面出现一条或两条裂缝并随着荷载的增大迅速向受压区发展，接近屈服荷载时裂缝宽度急剧增大以致破坏．复合梁在开裂后直到屈服荷载前，纤维层中的碳纤维会发挥作用限制裂缝的扩展，并且受力过程中，复合梁不会像RC梁一样形成宽度很大、条数很少的主裂缝，而是形成多条间距较小的细裂缝．复合梁在达到屈服荷载后才会出现宽度较大、发展较迅速的几条主裂缝，在试件整个受力过程中，复合梁的裂缝发展速度较RC梁缓慢，直到屈服荷载前经常有新的裂缝产生．表6记录了7组试件在破坏时产生的裂缝条数，图5为部分试件的裂缝形态．由图可见RC梁达到破坏时，一般形成2～4条的宽裂缝，细裂缝较少，裂缝条数平均为10左右，平均间距为8.00 cm；而复合梁达到破坏时出现的裂缝条数明显多于RC梁，为12～17条，裂缝形态是细而密的均匀裂缝，平均间距为5.29～7.20 cm．

表6 试验梁破坏时裂缝条数

(b) CFRC-40-10

(c) CFRC-75-15

图5 裂缝形态

Fig.5 Crack pattern

3 结 论

(1)在混凝土梁受拉区掺入短切碳纤维能有效提高其屈服荷载．针对本文试验选用的3种纤维长度，长度为10 mm的梁试件，屈服荷载提高幅度最大．

(2)碳纤维的加入对混凝土梁极限荷载也有提高，但提高幅度相对屈服荷载有所降低．主要原因是由于裂缝扩展贯通纤维层后，纤维退出工作而不能继续承受拉应力．纤维层对最终破坏形态影响不大．在计算复合梁极限承载力时，纤维混凝土等效应力图抗拉强度可以按照式(4)计算．

(3)在荷载相同条件下，复合梁的跨中挠度均小于混凝土对比梁，且随着荷载的增加，改善作用更为明显，说明加入碳纤维会对梁的后期刚度有明显的改善．

(4)碳纤维的加入对混凝土梁的裂缝发展具有明显改善作用，具体表现是：相同荷载下裂缝宽度更小；相同裂缝下，对应的荷载更大．碳纤维加入可以改善混凝土梁受弯裂缝的形态，与对比试件相比，裂缝表现出更细和更密的特点，这对提高混凝土梁的耐久性具有很大意义．

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ExperimentalstudyofmechanicalpropertiesofCFRCcompositebeams

RENHuitao*,WUYingbo,HANShaonan,WANGLicheng

(FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Carbon fiber reinforced concrete (CFRC) composite beam is a kind of concrete beam which is reinforced with short carbon fiber to improve the performance of concrete. CFRC toughness and crack resistance ability can be enhanced by high elastic modulus carbon fiber. The failure mechanism, load deflection behaviors, crack pattern of concrete beams and composite beams with different fiber layer thickness and fiber length are studied by four-point bending test. The results show that the deformation ability of concrete beams can be effectively improved by the short carbon fiber in the tension zone. The carbon fiber shows positive effect on restraining crack propagation and changing crack distribution in concrete matrix. Composite beam with 75 mm fiber layer thickness and 10 mm fiber length shows the best performance. Finally, the design formula for ultimate bearing capacity of CFRC bending member is proposed.

carbon fiber reinforced concrete(CFRC); composite beams; flexural properties; crack propagation restraint

1000-8608(2017)06-0601-06

TU528.024

A

10.7511/dllgxb201706008

2017-04-05；

2017-09-20．

国家自然科学基金资助项目(51378090).

任慧韬*(1973-)，男，博士，副教授，E-mail:renht@dlut.edu.cn.