FRP加固对冻融再生混凝土短柱承载性能的影响

何媛媛， 董江峰， 董世海， 王清远

(1.四川大学 新能源与低碳技术研究院， 四川 成都 610065； 2.四川大学 建筑与环境学院， 四川 成都 610065； 3.四川大学 深地科学与工程教育部重点实验室， 四川 成都 610065；4.成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072； 5.成都大学， 四川 成都 610106)

0 引 言

据相关数据分析，城市垃圾中建筑垃圾占比高达40%，其中废弃混凝土块占比达60%以上[1-2].目前，对废弃混凝土的再生利用已成为建筑行业和环保行业的重大关注热点，但再生混凝土因为孔隙率高、吸水性强、收缩徐变大等特点[3-5],导致其承载能力和耐久性能在冻融循环的环境下明显降低[6-8]，这严重影响了再生混凝土在严寒地区的使用.对此，国内外学者对提高再生混凝土的抗冻融性能做了大量探索，相关研究表明：再生骨料替代率对再生混凝土的承载能力和耐久性能有较大影响，适当的再生骨料替代率可以大幅提高再生混凝土的承载能力和抗冻性能，但不同的试验结果在再生骨料的最佳替代率取值范围上存在一定的差异，主要集中于35%～60%；高孔隙率使得再生骨料受冻融影响比原生混凝土大；再生混凝土的力学性能同时还受水灰比影响，水灰比越小再生混凝土强度越高，受冻融循环影响越小，在同一水灰比下再生骨料抵抗冻融循环的能力高于原生骨料[9-11].针对再生骨料的多孔性，有研究表明，纤维增强技术桥接内部孔隙可以有效提高承载能力，但力学性能的改善程度随纤维种类和纤维掺量的不同而变化[6-7].此外，钢筋再生混凝土结构和外包纤维布加固技术是工程中常用的再生混凝土的结构增强方法.该方法可以将再生混凝土的受力状态从单向受力变成三轴受力，优化了结构的荷载分布，提高结构承载能力.同时，承载能力的提高程度与配筋率，外包纤维布材质、厚度、种类及加固方式等因素密切相关[12-13].

本研究通过从掺加玄武岩纤维丝、试件截面形式、再生骨料配合比及纤维布加固类型等方面分析在冻融循环下对试件力学性能的影响程度，并提出了优化再生混凝土短柱抗冻融性能的优化方案.

1 试验概况

1.1 材料与试件

试验试件为方形短柱和圆形短柱，其中方形短柱尺寸为，100 mm×100 mm×400 mm，圆形短柱尺寸为，直径100 mm、高400 mm.浇筑所用的原生骨料按《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检测方法》(JCJ53-92)进行筛分处理，取粒径为2.36～19 mm间的骨料，并按《普通混凝土用沙、石质量标准及检测方法》测其基本性能指标(见表1).再生骨料来源为四川都江堰灾区震后建筑废弃垃圾，经颚式破碎机机械破碎人工筛分而成，粒径范围为4.75～19 mm.细骨料为河沙，表观密度为1 460 kg/m3，含沙量为1.34%，细度模数为2.8,水为自来水.同时，在混凝土拌合物中掺入了体积掺量为2%的玄武岩纤维丝，纤维丝长度在15～19 mm之间，直径为13 μm.加固用碳纤维布屈服强度为2 400 MPa，极限应力为4 100 MPa，弹性模量为242 GPa，泊松比为0.02.由于再生骨料吸水率大，拌合浇筑前对再生骨料进行吸水饱和处理，测其吸水率为2.25%.再生粗骨料的相关指标和试验用混凝土配合比见表1、表2.

表1 粗骨料材料特性

表2 再生混凝土配合比

为测定不同再生骨料替代率下的再生混凝土的力学性能，将配制好的不同替代率下的再生混凝土浇筑成150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块和直径为114高为200 mm的圆柱体试块，分别测其抗压强度和劈裂抗拉强度，结果见表3.

表3 试验用再生混凝土力学参数

1.2 试验方案设计

本试验共设计了18根再生混凝土方形短柱试件和6根再生混凝土圆形短柱试件，共分为8组，每组均由再生骨料替代率为0%、50%和100%试件各一根组成，其中：B0组为基础对照组，用以比较玄武岩纤维丝对再生骨料承载性能的提高程度；B1为对照组，B2为冻融未加固组；B3为冻融后CFRP全包加固组，B4为冻融后两层CFRP加固，B5为冻融后CFRP和BFRP各一层混合加固；组C1、C2分别同组B1、B2.试件中，B表示方形试件组，C表示圆形试件组.试验中分别对玄武岩再生混凝土短柱进行冻融循环试验，冻融循环试验后进行FRP加固处理.

1.3 加固方案及应变片布置

加固试件采用同种半包加固方式，具体为：粘贴碳纤维布两层;为保证粘贴强度,截断处留有1/4周长且内外层纤维布截断处错开处理;加固位置分布为，从柱顶至上而下0～10 mm、15～25 mm、30～40 mm处；在加固时，对纤维布粘贴处打磨,擦拭丙酮,自然风干后涂抹底胶,纤维布浸湿后粘贴于加固处.

应变片布置方式为:未加固试件从柱顶至柱底5 mm、20 mm、35 mm处分别布置相互垂直的轴向和周向应变片;加固试件除上述应变片布置外12.5 mm、27.5 mm处均垂直布置的轴向和周向应变片.

试件具体的纤维布加固和应变片布置方式分别如图1、图2所示.

图1试件加固方式

图2应变片布置

1.4 冻融与加载方案

本试验的冻融方案严格按照《冻融循环试验规范》进行冻融试验设计.因前期试验中发现素混凝土短柱试件在经历55次冻融循环后已经严重破坏,故此次试验设置冻融循环次数均为40次.每次冻融循环完成时间为4 h，用于融化的时间占1/4.在冻结和融化完成过程中，试件中心温度分别控制在-18±2 ℃和5±2 ℃范围内，任意时刻试件中心温度不高于7 ℃且不低于-20 ℃.具体的冻融溶液和冻融试件的温度—时间关系如图3所示.图中，B为冻融溶液，D为冻融试件.

静载试验采用200 T压力机进行加载，每根试件加载方案相同：加载时，先对试件进行预加载，采用分级加载方式进行，加载速度0.5 kN/S.每级加载5 kN，保持荷载3 min，等仪器数值稳定后，记录试验数据.加载过程中为了更加准确地测量处于单轴压缩试验试件的变形，分别用3个位移计与上部盖板的3个角接触，测量其各个角在加载过程中的竖向位移.

图3冻融液温度与试件温度

2 结果与分析

2.1 试验现象分析

2.1.1 未加固试件.

试验发现：对于未加固试件，加载初期试件的荷载—应变曲线呈线性变化，试件表面无明显裂缝；随着荷载的继续增加，试件竖向位移和轴向应变逐渐增大，同时出现周向应变；荷载增大至极限荷载的75%～85%时，试件因为周向变形太大达到混凝土极限拉应变而开始出现微小裂缝，并伴随着清脆的混凝土劈裂声；随着荷载的继续增大，短柱表面的裂缝宽度迅速增大，裂缝数量逐渐增多，并不断向两端扩展；随后试验短柱的裂缝宽度、位移急剧增加，各测点应变片值均急剧变化或者溢出，当荷载达到极限荷载时，混凝土裂缝贯穿，荷载继续增加直至试件破坏.未加固试件的典型破坏形态如图4(a)所示.

2.1.2 加固试件.

对于加固试件，混凝土短柱在加载试验中的破坏过程大致分2个阶段.

第一阶段：加载前期，荷载较小，混凝土短柱产生的横向变形较小，FRP环向约束基本没有发挥作用，试件表面无明显变化，FRP横向应变发展缓慢，荷载几乎全部由混凝土承担，加载的曲线和未加固纤维混凝土短柱的变化情况类似.

第二阶段：当荷载达到一定程度时，混凝土的横向变形逐渐变大，FRP环向应变逐渐增加，FRP材料对混凝土短柱逐渐起到约束作用.由于加固材料及方式的不同使得不同的加固方式下混凝土短柱破坏形态略有差异，具体表现为：

1)CFRP加固试件(B4组试件)，以B41为例.当荷载加载到190 kN，混凝土和FRP界面开始剥离，发出尖锐的响声，未加固区可以看到明显的混凝土裂缝；荷载达到235 kN，纤维丝开始出现拉断现象，混凝土裂缝明显增多；荷载为270 kN，位移急剧增大，FRP纤维开始大规模拉断，最终试件破坏.

2)CFRP+BFRP混合加固试件(B5组试件)，以B51试件为例.试件加载初期基本没有明显的现象发生；当荷载达到175 kN，试件表面纤维布出现外鼓和褶皱现象，内层纤维丝开始被拉段并伴随着纤维丝拉断声；荷载为200 kN时，外层开始被拉断，纤维布约束作用减弱，试件位移、混凝土横向变形急剧增大，最终试件上部纤维丝被全部拉断失去约束作用而破坏.试件破坏照片如图4(b)所示.

通过以上试验可以看出，由于BFRP脆性较大，并且与混凝土粘接性能较好，表现出较好的整体性能，当荷载达到一定程度时，混凝土因被约束而积蓄了很大的能量，最终纤维丝达到极限拉应力时瞬间发生整体断裂.对于CFRP+BFRP混合加固，其两层纤维之间的粘接性能较差，会出现剥离现象，里层和外层纤维并不是在同一时间发生断裂，一般是里层CFRP拉断后，外层BFRP也会很快因为拉应力太大而发生断裂.

图4各试件典型破坏形式

2.2 试件承载力分析

各组试件的极限承载力、极限位移如表4所示.

从表4数据可知，再生混凝土短柱掺加玄武岩纤维丝后承载力可平均提高30%，最高可提高35%.素再生混凝土短柱在经历冻融循环后极限承载力的影响情况根据截面形式的不同略有不同.方形再生混凝土经历冻融循环后承载力平均降低了37%，对于再生骨料替代率为100%的试件极限承载力降低最大，最高降低了42%，对于再生骨料替代率为50%的试件极限承载力降低最小，降低了32%.试验表明：再生骨料抵抗冻融循环的能力比原生骨料差，但合适的再生骨料配合比有利于再生混凝土的结构性能；圆形截面再生混凝土短柱经历冻融循环后极限承载力平均降低了31%，其中再生骨料替代率为0%的再生混凝土短柱极限承载力降低幅度最小.综合方形截面试验结果可知，截面不同引起的再生混凝土试件承载性能的差异与混凝土结构的离散性相关.

表4 试件信息汇总

针对工程中存在的混凝土柱大多以方形截面形式存在，本研究重点探讨了冻融循环环境下纤维加固方形再生混凝土柱的优化加固方案.试验分析了不同的纤维加固材料对再生混凝土承载性能的影响.从组B3与组B2的对比可知，两层CFRP全包加固可将试件极限承载力平均提高135%，其中对再生骨料替代率为100%的再生混凝土试件极限承载力提高最大，最大提高182%，其次为再生骨料替代率为50%的试件，极限承载力提高126%.试验表明，纤维布加固措施对再生混凝土短柱的承载性能提高优于原生混凝土短柱.但全包加固在实际工程运用中经济性能较低，故本试验探讨了不同的半包加固形式对再生混凝土短柱承载性能的影响.对比组B4和组B5试件可知，两层CFRP加固试件的极限承载力平均比CFRP+BFRP加固提高了16%.各试件组的荷载—位移关系对比如图5所示.

图5各试件组荷载—位移曲线

3 结 论

试验结果表明：掺加玄武岩纤维丝可以提高再生混凝土的承载能力，其承载能力最高可提高35%；截面形状对再生混凝土短柱的承载能力有较大影响，因方形截面的受力面积大于圆形截面故方形截面的承载能力优于圆形截面，但在经历冻融循环影响环境下方形截面的承载能力降低幅度大于圆形截面；再生混凝土短柱冻融损伤后全包加固可以大幅度提高试件的极限承载力，最高可提高182%，但经济性较半包加固差；半包加固中，两层CFRP加固优于CFRP+BFRP加固.