GFRP管约束海砂再生混凝土轴压性能试验研究

李明盛 黄一杰

(1.山东信达建设工程有限公司，山东 济南 250101; 2.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590)

0 引言

随着经济建设的快速发展，导致我国东部沿海地区河砂、碎/卵石资源匮乏，因此须采用绿色新型的建筑材料。而在沿海地区海砂资源丰富，且有较多的废弃混凝土等建筑垃圾。为此，可将其充分利用制成海砂再生混凝土[1,2]，以替代普通混凝土在工程中的应用。但由于海砂中的Cl-影响混凝土水化硬化，使得材料性能发生变化[3-5]，Cl-含量过多也会导致钢筋锈蚀、性能退化。此外，再生粗骨料易引发混凝土耐久性能下降[6,7]，这些都限制了海砂再生混凝土的推广与应用。

而采用GFRP管约束海砂再生混凝土是一种良好改进方式。GFRP管的约束作用不仅改善了海砂再生混凝土力学性能，且提高了其耐久性能[8]。但现阶段关于此方面研究还很少。为此，本文对GFRP管约束海砂再生混凝土进行轴压试验，为其推广提供相应的基础。

1 试验设计

1.1 材料

试验用细骨料有河砂与海砂两种。其中海砂来自青岛附近海域。粗骨料有再生粗骨料与碎石。再生骨料来自某废弃道路的混凝土。水泥采用42.5R普通硅酸盐水泥。混凝土配合比为，水泥∶砂∶粗骨料∶水=14.70∶10.5∶24.5∶4.4。

表1 粗骨料材料性质

试验用粗骨料的密度、吸水率与压碎指标如表1所示。细骨料性能如表2所示，同时采用硝酸银滴定法测试海砂中氯离子的含量(φ)。

表2 细骨料材料性质

试验管材为GFRP管(玻璃纤维缠绕管)。GFRP管的外径、壁厚分别为：210 mm,5 mm。试件长径比采用2.5。GFRP管环向抗拉强度为600 MPa。

1.2 试件概述

GFRP管约束海砂再生混凝土考虑的主要试验参数为：再生粗骨料取代率(γ：0%与100%)和海砂氯离子含量(φ：0%与0.148 8%)。试验共计四组，每组两个试件，具体情况如表3所示。

表3 主要试验结果

表3中试件编号含义为：FCSSRC代表GFRP约束海砂再生混凝土柱；后面第一个数字为再生骨料取代率：0,1分别表示0%,100%取代率；第二个数字代表海砂氯离子含量，0,1分别代表0%,0.148 8%含量。

1.3 试件加工与养护

制作试件时，将拌制好的混凝土分三次从GFRP管顶部灌入，并逐层振捣密实。待混凝土干缩变形稳定后，采用水泥砂浆抹平试件表面。对GFRP管约束海砂再生混凝土试件，自然养护28 d后进行试验。

1.4 加载量测装置与测试方法

采用5 000 kN电液伺服长柱试验机对试件加载。在GFRP管上下两端各设置2个应变片、中部设置8个应变片，量测试件的变形情况。此外，在试件中部设置有两个YWD-100型位移计。加载采用力位移混合加载方式。具体现场加载如图1所示。

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程及破坏模式

在受荷初始，GFRP管约束海砂再生混凝土外观无明显变化，试件处于弹性阶段。当达到70%峰值荷载时(Pu)，玻璃纤维管中部出现轻微泛白，表明试件中部混凝土受到较强约束，试件进入弹塑性阶段。当达到90%Pu时，GFRP管中部玻璃纤维大面积断裂，且纤维断裂沿斜向发展。峰值荷载后，裂纹向管材两侧快速扩展，核心混凝土被压碎，试件丧失承载力，并最终破坏。不同试件的破坏情况如图2所示。

2.2 试验结果

实测GFRP管约束海砂再生混凝土轴压力学性能如表3所示。由表3可以得出，GFRP管约束海砂再生混凝土的峰值应力(fcc)随再生粗骨料取代率的增加而降低。如FCSSRC20较FCSSRC00低2.4%，FCSSRC21较FCSSRC01下降5.9%。相同再生粗骨料含量下，氯离子含量会降低FCSSRC的峰值应力(式(1))。如FCSSRC01较FCSSRC00下降1%，而FCSSRC21较FCSSRC20减小2.8%。

(1)

此外，再生粗骨料会改善GFRP管约束海砂再生混凝土的峰值变形。试验结果表明，FCSSRC20与FCSSRC21的峰值应变(εcc)分别较FCSSRC00与FCSSRC01提高6.9%与12%。而海砂中氯离子会降低试件的峰值变形，FCSSRC21峰值应变较FCSSRC20降低11.6%。

(2)

不同再生骨料取代率与氯离子含量条件下，由于GFRP管约束所引发的核心混凝土承载力提高系数γ值如表3所示。从表中可以得出，γ随着再生粗骨料含量增加而略有提高。这是因为，当接近峰值荷载时再生混凝土的开裂与塑性变形略高于普通混凝土，从而导致GFRP管对混凝土约束作用增强，γ提高。此外，γ随海砂氯离子的提高而略有下降。这是由于海砂中的氯离子会降低混凝土孔隙率、材料微观结构改善[9]，当接近峰值荷载时，海砂混凝土的开裂与塑性变形低于采用河砂的混凝土，从而约束效果减弱，γ降低。

2.3 受力变形曲线

GFRP管约束海砂再生混凝土轴压应力—应变全曲线如图3所示。由图3可知，在加载初期的弹性阶段荷载—应变为线性关系，曲线斜率的大小随再生粗骨料含量和海砂氯离子含量的变化而改变。再生骨料含量越高，曲线斜率越小，而海砂氯离子对其无明显影响。

当达到50%峰值应力时，试件进入弹塑性阶段，应力—应变曲线为非线性变化，斜率逐步降低。再生粗骨料和海砂氯离子含量对试件的峰值应力与应变有所影响。当到达峰值应力后，试件迅速破坏并退出工作。

3 结论与展望

1)GFRP管约束海砂再生混凝土主要破坏模式为核心混凝土被压碎，外部管材斜向断裂。其破坏模式与GFRP管约束普通混凝土相一致。

2)随再生粗骨料取代率增加，GFRP管海砂再生混凝土峰值应力降低，而峰值应变有所增高。相同再生粗骨料含量下，试件承载力随着海砂氯离子含量的增大而有降低趋势。

3)GFRP管约束对核心混凝土承载力的提高随着再生粗骨料含量增加而略有提高，随海砂氯离子的提高而略有下降。

4)本文对GFRP管约束海砂再生混凝土轴压力学性能进行了分析。后期在此基础上建立峰值应力、应变的计算公式，并推导受力变形全曲线数学表达式。为海砂再生混凝土的推广奠定基础。