碳-玻纤维筋海水集料混凝土柱轴压性能

谷佳瑞,王仲刚

(陆军勤务学院 军事设施系， 重庆 401311)

远海岛礁远离内陆海岸线，没有碎石、淡水等常规的混凝土建筑原材料，海上运输成本高昂，施工周期漫长。岛礁气候常年高温、高湿、高盐、高日照、缺淡水和多台风，钢筋混凝土结构在此条件下耐久性大大减弱[1]，带来严重的安全隐患，以上条件对岛礁工程建设造成极大的影响。

海水集料混凝土[2](SAP concrete)是以高性能吸水树脂吸海水饱和形成的球形树脂用作粗骨料，加以胶凝材料和海砂等，按照一定配比，再加入海水拌合生产而成的轻质多孔结构混凝土。海水集料混凝土便于就地取材，可有效解决材料供应问题，并且满足工程使用要求。非金筋材[3-4](包括碳纤维筋，玄武岩纤维筋，玻璃纤维筋以及纤维混杂复合筋等)具有优秀的耐腐蚀性，可以替代钢筋，解决筋材易锈蚀的难题。在岛礁工程建设中，这两种材料可以结合使用，修建非金筋材海水集料混凝土结构的建筑物。

海水集料混凝土可用于战时或平时岛礁工程的抢修抢建，实现快速构筑和快速修复。已有研究成果表明[5-8]：海水集料混凝土的强度可达C10～C70，弹性模量一般为3～17 GPa，具有高强度、低弹性模量、存在大量宏观球形孔洞等特性。而非金筋材在土木工程中的研究应用虽日趋成熟，但由于其各向异性的材料特性[9]，抗压性能与抗拉性能有较大不同。为了使这两种材料能更好的结合应用在岛礁工程上，有必要对非金筋材海水集料混凝土构件的受压性能进行研究。

本文首先通过对非金筋材的材料性能进行试验，得到它的受压材料性能。然后考察长细比、配筋率和箍筋间距对非金筋材海水集料混凝土柱轴压性能的影响，并对承载力进行探讨。

1 碳-玻纤维筋受压性能试验

1.1 试验材料

目前，在土木工程领域应用较多的非金筋材有碳纤维筋(CFRP)、玄武岩纤维筋(BFRP)、玻璃纤维筋(GFRP)等，其中力学性能最好的是CFRP筋，其次为BFRP筋和GFRP筋，但是CFRP筋的生产成本最高，GFRP筋的生产成本最低[10]。因此，为了保证与海水集料混凝土共同使用的非金属材料具有较好的力学性能，同时其生产成本满足基本工程应用的要求，使用CFRP与GFRP混杂制成的碳-玻纤维筋材(C-GFRP)。

碳-玻纤维筋材生产原料为碳纤维和玻璃纤维筋。碳纤维筋原丝的弹性模量为240 GPa，拉伸强度为4 200 MPa，伸长率1.87%；玻璃纤维筋原丝弹性模量为73 GPa，拉伸强度2 100 MPa，伸长率4.8%。在生产筋材时利用特殊工艺将两者结合，筋材内部以玻璃纤维为主，外部为碳纤维，利用树脂粘结拉挤制成，并在外表面缠绕碳纤维形成横向肋纹，以增加筋材与混凝土的粘结强度。筋材的弹性模量、极限抗拉强度、抗剪强度可以通过调整碳纤维与玻璃纤维的用量进行改变。碳-玻纤维筋如图1所示。

本次试验的碳-玻纤维筋材碳纤维体积率为23%，玻璃纤维体积率为77%，抗拉弹性模量为60 GPa，极限抗拉强度设计值为 1 000 MPa。试件采用的纵筋直径为16 mm，箍筋直径8 mm，箍筋通过特制模具在工厂拉挤加工制成。实测[11]这批16 mm的碳-玻纤维筋的平均极限抗拉强度 1 014.67 MPa，平均抗拉弹性模量为62.31 GPa，平均伸长率为1.63%。

1.2 受压试件与试验方法

碳-玻纤维筋受压强度的试验方法分为两种：

第一种方法是参考规范[12]和文献[13]，取试件受压高度是试件直径的2.5倍，两端不加约束直接受压，每组5个试件，一共两组；第二种方法是参考文献[14-15]，取长径比为4 的试件在两端各套上直径为20 mm的螺帽进行灌AB胶，常温下静置24 h后施压，每组5个试件，一共两组。

受压试验采用的试验机是天山红水100 t万能试验机。碳-玻纤维筋受压试件和加载试验装置如图2、图3所示。

1.3 试验结果

碳-玻纤维筋受压试验结果如表1所示。碳-玻纤维筋受压应力-应变曲线如图4所示。碳-玻纤维筋受压破坏形式如图5所示。

表1 碳-玻纤维筋受压试验结果

碳-玻纤维筋的受压应力-应变曲线在达到峰值应力破坏之前基本上是一条直线，碳-玻纤维筋和其他纤维筋一样，受压破坏都是脆性破坏，破坏时是没有征兆的，并且伴有较大的声响。

试件破坏形式主要有3种，第1种形式是端部压溃；随着压应力的增大，试件端部截面的横向变形也随之增大，在端部树脂胶体与中心玻璃纤维结合较弱的部位首先开始分离，然后不断向往外扩展，伴随着“砰”的一声闷响，试件端部压溃，无法继续承压。第2种形式是纵向劈裂破坏；试件受压时整体受力均匀， 由于树脂基体与纤维体抵抗横向变形的能力不同，造成两者随着压应力的增大而剥离，外部缠绕的碳纤维在加压过程中不断发出“滋滋”的崩断声，随着“嘣”的一声巨响，缠绕碳纤维被拉断，试件纵向整体劈裂。第3种形式是加螺帽约束试件的主要破坏形式，是端部脱粘破坏。由于试件端部是使用AB胶封上的，在受压时端部胶体也直接承压，端部约束限制了试件端部截面的横向变形，随着试件纵向变形的增大，端部胶体被压开，导致试件端部脱粘破坏。

试验结果表明：在碳-玻纤维筋端部增加约束能够更好地发挥其抗压性能，避免试件过早局部压坏。不加约束的碳-玻纤维筋抗压强度大约为其抗拉强度的40%，抗压弹性模量和抗拉弹性模量相近。

2 碳-玻纤维筋海水集料混凝土柱受压试验

2.1 试件设计与试验方法

由于碳-玻纤维筋和海水集料混凝土两种材料的弹性模量都比钢筋和普通混凝土低，所以在承受相同大小的荷载时，构件变形较大，在岛礁上主要修建道路场坪，防波堤坝以及底层建筑房屋[16]。

对6根碳-玻纤维筋海水集料混凝土柱进行轴心受压试验，分别考查长细比，箍筋间距和配筋率对承载力的影响，试验设计如表2所示。

表2 试件参数一览表

试件截面为正方形，为防止试件受压时柱端过早局部压坏，在柱子两端分别设计柱头和柱脚。柱头柱脚两端对称，高度200 mm，截面尺寸为340 mm×340 mm，里面配置加密钢筋笼，柱身的碳-玻纤维纵筋通长布置。ZC5和ZC6的箍筋布置为，在柱头与柱脚高度500 mm范围内箍筋加密，间距100 mm，其余间距200 mm，混凝土保护层厚度均取20 mm。试件养护龄期为60天。

2.2 试验结果分析

2.2.1 试验结果

试件在500 t长柱液压试验机上进行加载。ZC1-ZC6均在试件加载至破坏前的100 kN左右出现裂缝。当加载到极限荷载后，继续加载，荷载值急速下降，混凝土被压碎，可以听到碳-玻纤维筋破断声音。试验加载结束之后，去除掉表面被压碎的混凝土后发现ZC1箍筋在靠近角部位置被拉断，ZC3纵筋在试件三分之二高处受压破坏，其余试件的纵筋和箍筋未发生破坏。试验结果如表3所示。 试件破坏形态如图6所示。

表3 试验结果汇总表

从试验结果来看，碳-玻纤维筋海水集料混凝土柱的破坏都是脆性破坏，破坏之前没有明显的预兆。加载到接近极限荷载时，裂缝从试件的中部边缘开始发展，延伸至两端，发展十分迅速，在持荷期间裂缝也有持续的发展，但由于碳-玻纤维筋海水集料混凝土柱没有钢筋混凝土柱在受压时的屈服阶段，碳-玻纤维筋应力应变曲线基本为线性，所以试件破坏时裂缝的总体开展不大。

2.2.2 试件荷载变形关系

试件荷载-变形曲线如图7所示。从图7可以看出，试件加载后的变形都很大。这是由于碳-玻纤维筋的抗压弹模为钢筋的1/3左右，海水集料混凝土的弹模也大约为普通混凝土的1/3左右，因此碳-玻纤维筋海水集料混凝土试件整体表现出高强度，低刚度的特点。

从ZC1和ZC2以及ZC3和ZC4曲线可以对比看出，箍筋加密可以提高试件的极限承载力，对于试件的抗变形能力也有小幅度的提高。在截面面积不变的情况下，长细比越大，越接近足尺模型，极限承载力降低，变形增大，而且试件可能存在偏心受压导致失稳破坏的现象。ZC5试件在加载前期的变形较小，原因是，在试验开始前，试件安装上试验机预压的时间过长，导致在试验加载开始时，试件变形增长缓慢。但当荷载加载至ZC5极限荷载的大约1/2时，试件的变形陡然变大，曲线斜率随之急剧缩小，试件最终变形超过了长细比较小的试件。从ZC5和ZC6的对比中可以看出配筋率的提高可以显著提高试件的极限承载力，但没有改善试件抵抗变形的能力。因此，在实际工程中，为避免碳-玻纤维筋海水集料混凝土结构构件在破坏时产生过大的变形，应提高构件的配箍率，使构件截面的套箍约束作用更加明显，改善构件的变形能力。

2.2.3 应变分布与分析

碳-玻纤维筋和海水集料混凝土的应力应变关系曲线如图8所示。

试件ZC2、ZC4、ZC5、ZC6的破坏特征都是混凝土压碎，纵筋、箍筋均无破坏，应力应变曲线相似。从ZC2的曲线可以看出，两条曲线上升的斜率基本一致，表明压应变增率相近，但碳-玻纤维筋的压应变始终大于海水集料混凝土的压应变，表现为混凝土先被压碎。碳-玻纤维筋极限压应变为 2 660，海水集料混凝土的极限压应变为2 068，相差不大，两者协同工作性能较好。

试件ZC1在加载破坏后，敲开表面压碎的混凝土，发现纵筋完好，试件中部一根箍筋在靠近角部的位置断裂，这是由于试件存在偏心受压的情况。当海水集料混凝土压碎时的极限压应变为2 427，碳-玻纤维筋极限压应变为2 522，从曲线可以看出两者协同工作的性能良好。

试件ZC3在加载破坏后，敲开表面压碎的混凝土，发现试件高度方向靠上的角部位置，一根纵筋被折断，箍筋未破坏，只是表面的碳纤维肋纹部分断裂。从曲线可以看出，碳-玻纤维筋的应变增长比较均匀，到达压应变为 1 975的极限压应变后陡然下降，再也不能承载。海水集料混凝土的极限压应变为1 890，初期应变增长较快，在到达5 MPa以后增长率下降，到压碎破坏时与筋材的压应变相差不大。这是由于试件在支模时出现偏差，导致试件成型时柱头不水平，造成不均匀受压，导致纵筋破断。

3 结论

1) 碳-玻纤维筋的受压应力-应变曲线在破坏前基本为一条直线,试件破坏形式有端部压溃，纵向劈裂，端部脱粘3种形式。试件破坏是在达到一定压应力后，由于纤维与树脂胶体抵抗变形的能力不同，造成两者结合较弱的部位脱离而破坏。不加约束的碳-玻纤维筋抗压强度是其抗拉强度的40%左右，抗压弹性模量与抗拉弹性模量大致相同；

2) 碳-玻纤维筋海水集料混凝土柱的破坏形式大多为海水集料混凝土压碎破坏。在混凝土压碎之前，碳-玻纤维纵筋和箍筋均未发生破坏，在其压碎之后，继续加载，筋材有可能发生断裂破坏，说明碳-玻纤维筋不会先于海水集料混凝土发生破坏，对结构安全性有利；

3) 从轴压柱的荷载变形曲线可看出，试件的极限变形很大，试件的极限承载力受试件长细比、箍筋间距、配筋率所影响。长细比越大，越不利于轴心受压，试件可能失稳破坏。试件箍筋间距的减小可以约束试件的横向变形，有利于减小试件的极限变形，增大极限承载力。配筋率的提高可直接提升极限承载力，但对试件轴心和横向的变形能力没有明显改善。因此，建议尽量减小长细比，适当减小箍筋间距；

4) 从试件海水集料混凝土和碳-玻纤维筋的应力应变关系曲线可看出，两种材料虽弹模均非常低，且都是脆性材料，但应变增长较为一致，极限压应变十分接近，说明两者协同工作性能良好，两种材料的抗压性能均可较好地发挥。

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