CFRP筋-低强度珊瑚混凝土梁抗弯性能试验研究

2018-08-31段志刚

铁道建筑 2018年8期

王磊，陈武，段志刚，易金

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004；2.海军研究院海防工程设计研究所，北京 102202；3.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004)

以自然堆积或人工疏浚得到的珊瑚碎屑代替碎石、河沙，海水代替淡水拌养的珊瑚混凝土，对降低远海岛礁建设成本，缩短工期具有重要意义。目前，国内外部分学者对珊瑚混凝土开展了许多研究，并逐渐应用于实际工程。由于珊瑚碎屑含大量盐分，以及湿热海洋环境，极易造成钢筋锈蚀，珊瑚混凝土大多以素混凝土的形式应用在混凝土垫层、防波堤等低档次层面[1]。采用具有耐腐蚀、高强、轻质等特点的CFRP(碳纤维复合材料)筋制作CFRP筋-珊瑚混凝土构件可以有效解决钢筋锈蚀问题。然而，有研究表明[2-5]，与钢筋相比，CFRP筋相对较低的弹性模量以及与混凝土间的黏结性能，会导致CFRP筋-普通混凝土梁在开裂后刚度降低明显，产生较大的裂缝和挠度，影响结构正常状态下使用。此外，受珊瑚碎屑多孔轻质材料特性以及施工过程控制难度较大的影响，采用常规方法配制的珊瑚混凝土强度偏低且离散性较大[6-7]，实际工程应用中有可能出现珊瑚混凝土强度明显低于设计值的情况。因此，有必要对CFRP筋-低强度珊瑚混凝土构件性能进行研究。本文设计了3组不同配筋率的CFRP筋-低强度珊瑚混凝土试验梁，进行了抗弯性能试验研究，分析其破坏形态、裂缝发展情况以及挠度变形特征，以进一步推动FRP(纤维复合材料)筋珊瑚混凝土构件的性能研究和工程应用。

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验采用碳纤维质量率为60%～65%的表面环绕螺纹带痕形式的CFRP筋，名义直径分别为8，10，和12 mm，如图1所示，试验确定的主要力学性能如表1所示。采用中国广西北海涠洲岛上分布的天然普通碎石型轻骨料珊瑚碎屑；细骨料采用细度模数为2.53的普通中粗河砂；采用兴安水泥有限责任公司生产的海螺牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；拌合用水为淡水，珊瑚混凝土的配合比及物理力学性能指标见表2。

图1 CFRP筋

表1 CFRP筋规格及力学性能指标

表2 珊瑚混凝土配合比及基本力学性能指标

1.2 试验梁配筋及试验方案

本文试验共制作编号为CRL-1，CRL-2和CRL-3的3组珊瑚混凝土试验梁，每组2根。受拉纵筋分别采用直径8，10和12 mm的CFRP筋(筋材在试验梁端部伸出)，架立筋采用直径6 mm的CFRP筋，箍筋采用直径为8 mm的CFRP筋。试验梁尺寸为l×b×h＝2 300 mm×120 mm×250 mm，梁纵筋保护层厚度为25 mm。受拉CFRP纵筋上每隔200 mm布置应变片，珊瑚混凝土梁跨中侧面竖向每隔50 mm布置应变片。试验梁简支，采用三分点分级方式加载，每级荷载3 kN，持荷2 min，待荷载与变形稳定后记录各试验数据。梁的挠度由布设在支座、加载点、跨中的5个百分表测得，CFRP筋与珊瑚混凝土的相对滑移值由梁端的位移千分表测量，如图2所示。

图2 试验梁加载装置及梁的配筋(单位:mm)

2 试验结果与分析

2.1 试验现象分析

静荷载作用下的CFRP筋-珊瑚混凝土试验梁(以下简称试验梁)虽然没有明显的屈服阶段，但在破坏前产生明显裂缝和大的弯曲变形，仍然具有显著的延性破坏特征。整体来说，配筋率越大承载能力越高，试验梁主要力学特征如表3所示。除试验梁CRL-3-2表现为受压区珊瑚混凝土被压碎破坏外，其余各梁均发生剪压破坏，如图3所示，试验梁受力和破坏过程大致可以分为2个阶段:

1)开裂前阶段:加载初期，与钢筋混凝土梁相同，试验梁处于全截面工作状态，其荷载-挠度曲线呈线性状态，CFRP筋和珊瑚混凝土的应变随荷载的增大呈正比增长，截面应变分布符合平截面假定。

2)裂缝开展至破坏阶段:当试验梁底部珊瑚混凝土达到极限拉应变后，试验梁跨中纯弯段底部开始产生短而细的垂直裂缝，跨中挠度也开始加速增大。随荷载继续增加，试验梁底部裂缝变宽并逐渐向上发展，同时弯剪段开始出现竖向斜裂缝，且逐渐向加载点处延伸。继续增加荷载，试验梁弯剪段斜裂缝贯通至试验梁的加载点处，且该斜裂缝的宽度大于纯弯段竖向裂缝，此时试验梁跨中挠度急剧增大，弯曲变形显著，直至加载点处珊瑚混凝土被压碎，试件发生剪压破坏。

表3 梁的受弯破坏特征参数

图3 试验梁破坏形态

CRL-1，CRL-2和CRL-1试验梁的CFRP筋在抗弯试验过程中所受最大拉应力分别为其极限抗拉强度的74%，60%和43%，配筋率越小，CFRP筋的强度利用率越低。这主要是因为本文试验中珊瑚混凝土强度较低，在承载能力极限状态下首先发生破坏，CFRP筋强度未充分发挥。试验结束卸荷后，除宽度较大的裂缝外大多数裂缝基本闭合，与普通钢筋混凝土梁相比，其挠度变形恢复显著，如图3(c)所示。这是由于CFRP筋的线弹性材料特征，卸荷后其变形几乎完全恢复，并通过与珊瑚混凝土间的黏结作用使珊瑚混凝土裂缝闭合，试验梁挠度恢复。

2.2 裂缝

试验梁裂缝的发展和分布情况如图4所示，试验梁的裂缝开展机理与FRP筋混凝土梁的基本相同。在弯曲拉应力的作用下，珊瑚混凝土试验梁的裂缝首先出现在纯弯段，随着配筋率的增加，试验梁的开裂荷载增大，裂缝深度变小，裂缝条数增多且分布均匀，旁边伴生斜裂缝，出现树根状裂缝。随着荷载的增大，裂缝进一步延伸并变宽，其中的一条或几条发展成为主裂缝，靠近试验梁两端支座处的的剪跨区逐渐出现斜裂缝，配筋率较大试验梁的斜裂缝分布更为密集。

图4 试验梁抗弯试验中对应荷载下裂缝开展情况

从裂缝宽度和裂缝开展情况及所对应的荷载来看，在相同荷载条件下，配筋率越高的试验梁，平均裂缝宽度和最大裂缝宽度越小；随着荷载的增大，配筋率越小，裂缝宽度增长速率越快，特别是试验梁破坏主裂缝表现得尤为明显，如图5所示。试验梁破坏时大部分裂缝宽度约为1.1 mm，最大值小于2.3 mm，若以裂缝宽度发展至0.4 mm时的荷载作为控制标准，试验梁的荷载[F1]仅为极限荷载的27%～46%。在一定范围内提高CFRP筋的配筋率，可以提高珊瑚混凝土梁的抗裂能力，满足正常使用极限状态对裂缝宽度的要求，但CFRP筋强度利用率对应下降。

2.3 挠度

试验梁静力加载的荷载-挠度曲线如图6所示。以开裂荷载为界限，将曲线分为近似直线的2段，加载后期不存在像钢筋一样的屈服台阶。开裂前阶段曲线斜率都较大，开裂后斜率减小，这是由于试验梁开裂后，受拉区珊瑚混凝土开始退出工作，梁截面刚度减小所致，表现出挠度增大，同时也反映出CFRP筋线弹性的特点。

图5 不同配筋率试验梁荷载-裂缝宽度曲线

图6 试验梁荷载-挠度曲线

由图6可以看出，试验梁挠度fCRL-3＜fCRL-2＜fCRL-1。配筋率越高的试验梁在同等荷载条件下刚度越大，纵向受拉CFRP筋应变越小，梁的弯曲变形也就越小。此外，配筋率较大的试验梁其CFRP筋直径较大，与珊瑚混凝土的黏结面积相应增加，相同荷载作用下CFRP筋与珊瑚混凝土能保持较好的界面黏结性能[8]，并使2种材料保持较好的协同工作能力，有利于减缓刚度的衰减。需要特别指出的是，随着荷载不断增加，CFRP筋与珊瑚混凝土间开始出现相对滑移。CFRP筋从梁端向中间滑移缩进而拉应力损失，界面之间力的传递方式发生了改变。受压区珊瑚混凝土因拉应力急剧增大而进一步开裂，促进了试验梁抗弯刚度的降低，挠度增大。CRL-1和 CRL-2组试验梁端CFRP筋最大滑移量可达7 mm，如图7所示。造成这种现象的原因主要包括两个方面:其一，珊瑚混凝土较低的强度不足以提供良好的黏结性能，在荷载较大时黏结面处的珊瑚混凝土开始发生破坏；其二，本文试验梁两端的锚固区仅有100 mm(加载支座至梁端部)，当荷载增加到一定程度时，端部的锚固作用逐渐减弱并失效。

图7 CFRP筋与珊瑚混凝土发生相对滑移

在允许最大挠度限值f＝l0/200时，对比文献[9]中GFRP筋-普通混凝土梁[F2]仅取到极限荷载的40%，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的荷载[F2]取到极限荷载的37%～67%。随配筋率增大，[F2]/Fu呈上升趋势，如图8所示。虽然可以通过提高CFRP筋的配筋率的方法，使珊瑚混凝土梁极限抗弯能力得到发挥，满足工程要求，但CFRP筋材强度利用率相应降低。与CFRP筋混凝土结构对应的普通钢筋混凝土梁，通常在允许最大挠度限值时能达到屈服，[F2]/Fu可高达90%。

图8 试验梁在允许最大挠度限值时荷载[F2]及与极限荷载比值[F2]/Fu

参考 FRP筋-普通混凝土梁的设计理论研究[10-12]，在一般情况下，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的截面配筋同样应由正常使用极限状态控制，而非承载力极限状态。可以通过合理选用CFRP筋直径，优化CFRP筋表面形态以及提高珊瑚混凝土的强度等级的方式，提高CFRP筋与珊瑚混凝土的界面黏结性能，进而满足珊瑚混凝土构件的工程适用性。