钢纤维增强聚合物缠绕混凝土墩柱的力学性能

董彦召

0 引言

近年来，中国公路桥梁建设发展迅猛，如何延长桥梁混凝土寿命并保证桥梁结构的安全性是现阶段桥梁建设领域的研究重点。其中，作为桥梁重要组成部分的桥梁混凝土墩柱，常因混凝土保护层太薄、老化或受到腐蚀介质侵蚀，发生混凝土开裂剥落现象，进而引起钢筋锈蚀［1］。钢筋锈蚀后膨胀，加剧混凝土破坏，形成恶性循环，严重影响桥梁结构的安全性与耐久性，因此亟需提出有效的混凝土墩柱加固方法。传统的墩柱混凝土破损修复方法是，选择强度高、耐腐蚀的钢材给混凝土柱加一圈套箍，俗称穿“夹克”，但混凝土“夹克”需要制作复杂的模板，钢“夹克”则需进行防锈处理，工艺复杂，操作困难，适用性有限［2-3］，因此，提出了纤维增强聚合物(FRP)缠绕混凝土墩柱的加固方法，即利用纤维聚合物较高的抗变形能力和抗腐蚀性，在不改变原结构尺寸与重量的基础上，为墩柱提供侧限，提高强度和延性。该方法成为目前最为有效的混凝土墩柱加固方法［4-5］，桥梁工程领域的研究人员对此也开展了大量的试验研究，如肖德后等对比了无机胶粘贴碳纤维布混凝土柱与有机胶粘贴碳纤维布加固的混凝土柱的性能差异［6］;李涛等研究不同类型的玄武岩纤维复材(BFRP)布加固素混凝土方柱的承载力与延性;周长东等对玻璃纤维布约束混凝土方柱的应变演化规律进行了试验研究与有限元模拟［7］;杨慧等的研究表明，在高应变率下采用芳纶纤维(AFRP)加固混凝土短柱，其动态抗压强度得到了显著增强［8］。由此可见，采用纤维增强聚合物缠绕混凝土墩柱具有显著的加固效果，但现有纤维增强聚合物的研究主要以碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维与玄武岩纤维为主，有关钢纤维增强聚合物加固混凝土墩柱的研究较为薄弱。

鉴于此，本文制备2组6根不同类型的混凝土柱，利用万能试验机以轴心抗压强度、峰值应变与位移延性系数为主要指标，对比分析不同加固方式的加固效果，重点研究钢纤维布加固混凝土柱的力学性能，为钢纤维布加固混凝土柱在今后的推广应用奠定基础。

1 原材料的性能指标

1.1 混凝土

混凝土使用C40水泥，水灰比为0.4，含气量为1%，最大集料粒径为20 mm，参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)，制作150 mm伊150 mm伊150 mm混凝土立方体试件并在标准养护条件下养护28 d，测试其相关性能指标，结果见表1。

表1 混凝土物理力学指标

1.2 钢筋

纵向钢筋采用HRB400钢筋，螺旋钢筋采用HRB335钢筋，相关性能指标见表2。

表2 钢筋的物理力学指标

1.3 碳纤维布

混凝土采用单层碳纤维布(CFRP)缠绕，碳纤维布采用单向碳纤维织物制成，其性能指标如表3所示。

表3 碳纤维布(CFRP)的物理力学指标

1.4 钢纤维布

采用的钢纤维增强聚合物为钢纤维布(SFRP)(3伊2-20-12型)，它由单向超高强钢纤维制成，性能指标如表4所示。

表4 钢纤维布(SFRP)的物理力学指标

1.5 环氧树脂胶

在处理好的混凝土柱表面，需用黏结剂将加固纤维布粘贴在被加固构件上。黏结剂采用高强度、高模量的环氧树脂，其性能指标如表5所示。

表5 环氧树脂胶材料参数

2 试件制作和试验方法

2.1 试件制作

本试验采用强度等级为C40的混凝土制作150 mm伊150 mm伊300 mm的圆柱体试件2组，一组是不配钢筋的素混凝土柱，另一组是配置了钢筋的混凝土柱。每组各3根试件，其中一根不做任何加固，一根用碳纤维布加固，另一根用钢纤维布加固。所有试件均需在标准养护条件下养护28 d。

2.2 粘贴纤维布

首先对养护28 d的混凝土圆柱进行表面处理，表面不平处使用找平胶抹平，认真打磨墩柱表面，使其露出小集料。处理好的混凝土立柱表面应无任何污染物和灰浆。粘贴纤维布之前，在处理好的混凝土立柱表面涂一层环氧树脂浆液，把单向纤维布直接贴上去，使纤维织物充分浸渍在环氧树脂中，即所谓湿法成型的FRP复合材料;之后在已贴上去的纤维布表面再涂一层环氧树脂形成保护层，防止腐蚀介质入侵和紫外线照射;最后将纤维布围绕着整个混凝土立柱全高缠绕完成粘贴。粘贴纤维布时应反复碾压赶出气泡，保证纤维布与混凝土粘贴紧密。缠绕过程需注意各圈纤维布在竖向不搭接，但环向接头处要搭接100 mm的长度，以保证加固材料不会脱落。

2.3 加载方式

试验采用5 000 kN万能试验机，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行加载，试件均采用轴心受压方式进行单调加载，加至极限荷载80%左右停止操纵试验机油门，直至试件破坏。每根试件分批进行竖向加载，直至结构破坏。

3 不同加固方式下混凝土墩柱力学性能试验结果

3.1 试件破坏模式

素混凝土柱加载初期承受荷载较小，试件无明显变化，但当荷载超过混凝土柱自身的弹性极限后，试件表面开始产生裂缝，当荷载超过试件的极限承载力时，试件表面裂缝迅速延伸且伴随混凝土的剥离脱落。荷载超过峰值承载力后，混凝土柱表现为整体崩裂的脆性破坏，而配有钢筋的混凝土立柱只是混凝土保护层脱落，螺旋筋内的核心混凝土仍然完整。碳纤维布与钢纤维布加固的墩柱破坏模式基本相同，初期受力状态与素混凝土相似。即随着荷载的增大，混凝土出现微裂缝，随后纤维布的基质材料也开始出现微裂缝;持续加载，部分纤维开始从环形纤维布中拔脱，混凝土出现较大裂缝;当加到破坏荷载时，混凝土从各个方面崩出，试件迅速丧失承载能力。

3.2 混凝土墩柱轴向抗压强度

不同类型混凝土墩柱的抗压强度测试结果如图1所示。由图1可知，对于素混凝土柱与钢筋混凝土柱，无论采用哪种纤维布缠绕加固方式，均可显著提高混凝土柱的抗压强度，碳纤维布与钢纤维布加固素混凝土柱的抗压强度提高幅度分别为64%和89%，碳纤维布与钢纤维布加固钢筋混凝土柱的抗压强度提高幅度分别为22%和44.7%。试验结果表明，钢纤维布具有优良的加固效果，可大幅度提高混凝土柱的抗压强度。

3.3 混凝土墩柱峰值应变

峰值应变为试件轴压到达峰值应力时对应的轴向应变，是表征混凝土变形能力的重要指标之一。不同加固方式下混凝土柱峰值应变的变化如图2所示。

图1 不同加固方式混凝土柱抗压强度

图2 不同加固方式混凝土柱峰值应变

与抗压强度变化趋势相似，对于素混凝土柱与钢筋混凝土柱，纤维布缠绕加固可提高其峰值应变，碳纤维布与钢纤维布加固的素混凝土柱峰值应变提高幅度分别为83%和262%，碳纤维布与钢纤维布加固的钢筋混凝土柱峰值应变提高幅度分别为24%和157%，变形能力提高意味着赋予了立柱更大的延性，对提高桥梁墩柱抗震效果有重要意义。

3.4 混凝土墩柱的位移延性系数

延性是评价混凝土柱加固效果的一个重要参数。利用试件屈服强度位移与极限强度位移的比值可得到混凝土柱位移延性系数，但由于素混凝土柱延性可忽略不计，故在此仅分析钢筋混凝土柱的位移延性系数，结果如图3所示。

图3 不同加固方式下混凝土柱的位移延性系数

采用碳纤维布与钢纤维布缠绕混凝土柱均可显著提高其位移延性系数，碳纤维布加固钢筋混凝土柱的位移延性系数提高幅度为39%，钢纤维布加固钢筋混凝土柱的位移延性系数提高幅度为152%，由此可以看出，钢纤维布可大幅度提升混凝土柱延度，能有效提高结构的抗震能力。

4 结语

(1)钢纤维布与碳纤维布加固混凝土柱均可显著提高混凝土柱的力学性能，但钢纤维片加固效果明显优于碳纤维布的加固效果。

(2)碳纤维布与钢纤维布加固素混凝土柱之后，抗压强度提高幅度分别为64%和89%;加固钢筋混凝土柱之后，抗压强度提高幅度分别为22%和44.7%。

(3)碳纤维布与钢纤维布加固素混凝土柱的峰值应变提高幅度分别为83%和262%，加固钢筋混凝土柱的峰值应变提高幅度分别为24%和157%。

(4)碳纤维布加固钢筋混凝土柱的位移延性系数提高幅度为39%，钢纤维布加固钢筋混凝土柱的位移延性系数提高幅度为152%。

参考文献:

［1］ 姜 磊，牛荻涛.硫酸盐与冻融环境下混凝土损伤破坏准则研究［J］.防灾减灾工程学报，2017，37(1):148-153.

［2］ 潘 立.高强材料等截面置换混凝土柱、墙表层加固方法的应用研究［J］.建筑结构，2013(1):85-90.

［3］ 万路霞，周 乐，伊军伟.负载下外包钢筋混凝土加固轴压钢柱承载力计算方法［J］.沈阳建筑大学学报:自然科学版，2015，28(6):320-324.

［4］ 周长东，白晓彬，赵 锋，等.预应力纤维布加固混凝土圆形截面短柱轴压性能试验［J］.建筑结构学报，2013，34(2):131-140.

［5］ 王 丹，郭志昆，邵 飞，等.混杂纤维布加固轻骨料混凝土梁的试验研究［J］.长安大学学报:自然科学版，2016，36(2):52-58.

［6］ 肖德后，徐 明，陈忠范.无机胶粘贴碳纤维布加固混凝土柱的轴压性能试验研究［J］.工业建筑，2017，47(8):164-169.

［7］ 周长东，厉春龙.玻璃纤维布约束混凝土方柱应变演化规律研究［J］.应用基础与工程科学学报，2013，21(1):137-146.

［8］ 杨 慧，宋恒文.芳纶纤维复合材料包裹混凝土短柱轴心动态抗压强度研究［J］.工业建筑，2015，45(6):12-15.