纤维编织网增强混凝土加固砖柱的受压性能

田稳苓 李鑫波† 周健 刘星昊 刘晓铮

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.天津津贝尔建筑工程试验检测技术有限公司，天津 300401)

砖砌体结构在我国的应用十分广泛,其中包含大量采用砖柱作为承重构件的建筑物和构筑物。随服役时间的增加,砖柱受到环境侵蚀、自然灾害和人类活动等主客观因素的影响愈发严重,导致砖柱抗压承载力降低、使用安全性下降,亟待加固。

纤维编织网增强混凝土(TRC)是以多轴纤维编织网来增强高性能细骨料混凝土而形成的一种新型水泥基复合材料,具有良好的承载、限裂和耐腐蚀能力,并具有多缝开裂和应变硬化等特性[1]。将TRC用于加固结构,可充分发挥纤维增强复合材料(FRP)加固方法的优势[2],并弥补该方法因采用有机材料作为界面粘结剂而存在耐高温性能差、受紫外线影响易老化、不适应于低温和潮湿环境下施工,以及经济性较差等缺点[3]。

近年来,采用TRC加固砌体结构的方法逐渐被重视。Bui等[4]通过拟静力试验对比了TRC与FRP加固砌体墙的优劣,研究表明：TRC对墙体承载力的提升效果稍逊于FRP,但在提高墙体延性性能方面表现更加优异。Yardim、Marcari、Basili、田稳苓等[5-8]分别从不同角度研究了表面粘贴TRC加固砖砌体的抗剪性能,得到了一致的结论：TRC可有效地延缓砌体的开裂,并显著提高其整体性、抗剪承载力及延性。Kariou等[9]研究表明：采用TRC对砌体进行抗弯加固可有效提高其抗弯刚度和弯曲承载力,且加固效果与编织网类型和加固层数有关。Mezrea等[10]以截面形状为变量对TRC加固砖柱进行了试验研究,结果表明：TRC能有效限制砖柱的横向变形,使得加固后砖柱的承载力和变形能力得到显著提高,且方形截面柱的加固效果优于矩形截面柱。

当前的研究成果表明了TRC加固砌体结构的可行性,但将TRC用于加固砖柱以提高其抗压性能的相关研究还比较少,国内尚处于起步阶段。为此,本研究以纤维编织网层数、聚乙烯醇(PVA)纤维掺量及偏心距为变量,对TRC加固砖柱的受压性能进行了试验探究,并提出了轴压承载力计算方法,为TRC加固砖柱的工程应用提供了试验依据和理论基础。

1 试验概况

1.1 材料性能

1.1.1 砌筑材料

试验所用普通烧结砖尺寸为240 mm×115 mm×53 mm,强度等级为MU7.5,实测抗压强度平均值为6.88 MPa;所用水泥砂浆强度等级为M2.5,实测抗压强度平均值为2.74 MPa。

1.1.2 纤维编织网

纤维编织网由经纬两向玄武岩纤维束编织而成,如图1所示。纤维编织网的网格间距为5 mm×5 mm,实测力学性能见表1。

图1 纤维编织网Fig.1 Textiles

表1 纤维编织网力学性能Table 1 Mechanical properties of textiles

1.1.3 TRC基体混凝土

快凝快硬高贝利特铝硫酸盐水泥(HB-CSA)是一种具有快凝快硬、早强抗裂、微膨胀低干缩、低碱度,以及抗腐蚀等特性的新型水硬性胶凝材料。本研究采用该水泥并按照精细混凝土的设计方法[11]对TRC基体配合比进行了优化,在综合考虑基体强度、流动性和自密实能力的前提下,确定水泥：粉煤灰：硅灰：细砂：粗砂：减水剂配合比(单位kg/m3)为520：120：35：460：920：4.4,水灰比为0.4。

由图2可知,采用HB-CSA水泥设计的TRC基体在养护2 d后,抗压强度可达到其28 d抗压强度的80%以上,表现出了优异的早强性能。采用此种基体,可大幅度缩短TRC加固施工周期,在一些应急加固工程中具有很广阔的应用前景。此外,此种基体具有较低的碱度,可减小普通硅酸盐水泥对玄武岩纤维编织网的碱腐蚀作用,进而提高TRC的加固效果和使用寿命。

图2 TRC基体抗压强度与养护时间的关系Fig.2 Relationship between compressive strength of TRC matrix and curing time

1.1.4 短切PVA纤维

鉴于将纤维增强水泥基复合材料用于加固砌体结构取得了较好的加固效果,本研究分析了短切PVA纤维对TRC加固效果的影响。试验所用PVA纤维直径为40 μm,长度为12 mm,密度为1.3 g/cm3,抗拉强度为1 400 MPa,弹性模量为43 GPa。

1.2 试件设计

按照规范[12],试验共设计了10组共20个(每组2个)尺寸为240 mm×370 mm×720 mm的粘土砖柱。各组试件的具体参数见表2。

表2 试件参数Table 2 Parameters of specimens

砖柱砌筑完成后,湿水养护28 d,然后进行加固。TRC加固流程为:①加固前对所有待加固试件进行倒角处理以防止加固层在试件拐角处因应力集中而过早破坏,倒角半径r=20 mm[13];②对砖柱表面进行清理并润湿,然后压抹第1层基体;③将纤维编织网铺设在基体表面,并保证纬向纤维束与砖柱高度方向垂直;④压抹第2层基体,并采用基体对编织网进行搭接,长度为1.0b(b为砖柱横截面的宽度),对于包裹多层编织网的试件将搭接处设置在试件的不同侧;⑤重复以上步骤即可得到具有多层编织网的加固试件。所有加固层厚度为10 mm左右,加固后湿水养护28 d,然后进行试验。加固试件截面如图3所示。图中,h为砖柱横截面的长度。

图3 加固试件截面(单位:mm)Fig.3 Section of reinforced specimens(Unit:mm)

1.3 加载方案及测试内容

试验在1 000 kN反力架上进行,轴压和偏压的试验方法按规范[12]执行。加载前先对试件进行对中和找平,然后进行预加载,确保试验设备和测量仪器正常工作后进行单调分级加载。在达到试件预估极限荷载的80%前,每级荷载20 kN,之后每级荷载减半,待荷载下降至极限荷载的85%时认为试件达到破坏状态。测点布置为:在试件的对角处竖向布置2个位移计监测试件的竖向变形;轴压试验时,在加固柱两宽侧面各横向粘贴1道混凝土应变片监测其横向应变;偏压试验时,通过设置刀口铰支座来控制偏心距,并在加固柱偏心方向的两窄面各竖向粘贴1道应变片监测其竖向应变。试验装置如图4所示。

图4 试验装置Fig.4 Test setup

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

2.1.1 轴心受压试件

C1组为未加固试件,当加载至极限荷载的60%左右时,试件顶端竖向灰缝处出现首条裂缝,随着荷载的增大,裂缝逐渐开展;当加载至极限荷载的80%～90%时,裂缝基本贯穿整个试件并迅速扩宽;随后荷载骤降,试件被分割成几个独立的细长小柱体,因失稳或压碎而发生破坏。

C2-C4组试件的破坏过程非常相似,当加载至极限荷载的65%～80%时,试件顶端加固层首先出现几条竖向的细小裂缝;随着荷载的增加,裂缝逐渐发展并增多;当加载至极限荷载的90%左右时,试件的横向变形较大,TRC加固层中发出连续的“噼啪噼啪”的编织网断裂声,试件表面出现多条竖向裂缝;随后,试件拐角附近的TRC加固层被拉断,形成一条明显的竖向主裂缝。

C5和C6组试件的破坏过程与C3组类似,但破坏时,其表面裂缝更加细而密。

2.1.2 偏心受压试件

(1)偏心距e=55 mm时的破坏形态

C7组试件的初始裂缝通常出现在刀铰支座下方,此时荷载为其极限荷载的50%左右;当加载至极限荷载的80%～90%时,偏心方向两窄面皆出现竖向贯通裂缝,且靠近偏心一侧裂缝更宽更多;最后,因靠近偏心一侧砖柱被压碎而发生破坏。

C8组试件的初始裂缝同样出现在刀铰支座下方,破坏过程与C3组相似。破坏时,靠近偏心一侧试件角部TRC加固层被拉断,而远离偏心一侧裂缝较少且加固层未被拉断。

(2)偏心距e=110 mm时的破坏形态

C9组试件在远离偏心一侧存在受拉区,当加载至极限荷载的40%左右时,试件的初始裂缝始于受拉区的水平灰缝处;随着荷载的增大,横向裂缝逐渐变宽并向受压区发展,受压区不断出现竖向裂缝;达到极限荷载后,试件因受压区砖块被压溃而发生脆性破坏,其中C9-b试件在破坏时突然倒塌。

C10组试件截面同样存在受压区和受拉区,随着荷载的逐步增加,试件受压区首先出现竖向裂缝,随后受拉区窄面出现细小的横向裂缝;当达到极限荷载时,试件因受压区角部加固层开裂而发生破坏。

轴压和偏压试件的典型破坏形态如图5所示,由图可知,未加固试件具有明显的脆性破坏特征，而加固试件破坏时表现出了一定的塑性特征,主要是因为TRC对砖柱的横向变形起到了有效的约束作用,裂缝的发展受到限制,从而延缓了砖柱的破坏,使砖柱的纵向塑性变形得到更好地发挥。此外,加固试件破坏时加固层未发生剥落,砖柱受加固层的约束作用“立而不塌”,表明TRC能与砖柱协同工作,有效提高其整体性。

(a)C1-b

2.2 荷载-位移曲线

轴压试件的荷载-位移曲线如图6所示,由图可知,其受力过程大致分为3个阶段：

(1)在弹性阶段，加载初期,所有试件皆处于弹性工作阶段,曲线近似一条直线,但加固试件的曲线斜率皆高于未加固试件,表明TRC可提高砖柱的轴向刚度。

(2)在裂缝开展阶段，随着试件裂缝的不断产生和增多,试件的刚度逐渐降低,曲线斜率开始减小,由于TRC的约束作用,砖柱裂缝的形成和扩展得到有效限制,与未加固试件相比,加固试件的刚度退化速率较低。

(3)在破坏阶段，当荷载超过极限荷载后,未加固试件的承载力迅速下降,而加固试件在一定范围内仍能随变形发展继续承载,并且曲线下降段也相对平缓,表明加固后砖柱的延性得到了改善。

(a)不同纤维编织网层数

2.3 试验结果对比分析

由表3可知：

表3 试验结果Table 3 Test results

(1)相比于对比组砖柱,加固砖柱的开裂荷载提高率为33.62%～131.07%,表明TRC能有效延缓砖柱裂缝的产生与开展。

(2)轴压条件下,加固砖柱的极限荷载提高率为36.11%～109.83%,且极限位移也得到不同程度的提升(如图6所示),表明TRC对砖柱起到了很好的约束作用,使核心砖柱呈现三向受压状态,其承载力和变形能力得到显著提高。

(3)偏心距为55 mm和110 mm时,加固砖柱的极限荷载提高率分别为65.09%和59.29%,表明TRC环箍约束方式对偏压柱的承载力仍具有一定提升作用,但加固效果随着偏心距增大而降低。

3 影响因素分析

3.1 纤维编织网层数

由图7可看出,加载初期,砖柱的横向变形很小,相应横向应变也很小,TRC作为一种被动约束,其约束作用不明显,因而不同加固层数下的荷载-横向应变曲线基本重合。随着荷载的增大,TRC的约束作用随砖柱横向变形的增加而增强,编织网层数越多,TRC约束能力越强,使得砖柱的承载力和变形能力随之不断提高。结合图8分析可知,编织网层数与加固效果并非呈线性增加关系,随纤维编织网层数的增大,其开裂荷载相对提高率由62.43%下降至30.79%,极限荷载相对提高率由43.66%下降至30.06%。这是因为,当加固层数超过一定数量后,纤维编织网的有效利用率将降低,砖柱承载力提高率将趋于稳定[13]。

图8 纤维编织网层数与砖柱特征值提高率的关系Fig.8 Relationship between the number of textile layers and increase rate of characteristic values of brick columns

图7 不同纤维编织网层数下的荷载-应变曲线Fig.7 Load-strain curves of different textile layers

3.2 短切PVA纤维掺量

结合图9和图10分析可知,与C3组试件相比,C5和C6组试件的开裂荷载提高率分别提高35.02%和25.42%,极限荷载提高率分别提高13.05%和9.64%,表明在TRC良好加固效果的基础之上,PVA纤维能进一步提升加固效果。其原因为：短切纤维能够阻断基体内部的水分散失通道,减少了基体内因温度变化、收缩等原因产生的微裂纹,进而延缓了裂缝的产生;当加固层受力时,短切纤维可以改善加固层内应力的传递,使应力分布更加均匀,从而提高试件的限裂和承载能力;加固层开裂后,短纤维在裂缝处的桥联作用会延缓裂缝的开展,降低裂缝宽度,这也解释了C5和C6组的破坏现象。此外,当PVA纤维掺量由0.5%增加到1.0%时,TRC的加固效果略有降低,这与文献[14]的研究结论一致。分析认为,当PVA纤维掺量过大时,短纤维难以均匀地分散到基体当中,拌制过程中容易产生“结团”现象,使加固层产生初始缺陷,从而导致加固效果减弱。

图10 不同PVA纤维掺量下的荷载-应变曲线Fig.10 Load-strain curves of different PVA fiber contents

图9 PVA纤维掺量与砖柱特征值提高率的关系Fig.9 Relationship between PVA fiber content and increase rate of characteristic values of brick columns

3.3 偏心距

本试验所设偏心距下,加固试件皆属于受压破坏,砖柱受压产生的横向变形受到TRC加固层的限制,因而C8和C10组试件的承载力较C7和C9组得到不同程度的提升。但结合图11分析可知,与C3组试件相比,C8和C10组试件的开裂荷载提高率分别下降16.13%和27.7%,极限荷载提高率分别下降14.7%和20.5%,表明偏心距对TRC环箍约束效应具有削弱作用。其原因为：如图12所示,C8组试件在受压过程中截面上存在较小的受压区,而C10组试件截面上存在明显的受拉区,在这些较小的受压或受拉区域内,砖柱的横向膨胀变形较小,TRC加固层的侧向约束作用无法得到充分发挥,因而加固效果降低。但由于本试验所用玄武岩纤维编织网的经向纤维同样具有较高的抗拉强度,它能与TRC基体一起在砖柱的受拉区承担部分拉应力,限制受拉区裂缝的产生与开展,对加固效果又起到了一定的增强作用,因而当偏心距由55 mm增加到110 mm时,极限荷载提高率的下降速度有所减小。

图12 不同偏心距下的荷载-应变曲线Fig.12 Load-strain curves of different eccentric distance

图11 偏心距与砖柱特征值提高率的关系Fig.11 Relationship between eccentricity and increase rate of characteristic values of brick columns

4 TRC约束砖柱轴压承载力计算

4.1 相关参数的确定

(1)有效约束区面积

TRC中纤维编织网由经纬两向纤维束编织而成,使得加固柱薄弱截面位于两相邻纬向纤维束中间位置(图13中L—L截面)。参考Mander等[15]提出的约束混凝土计算模型,在纤维束间距范围内,TRC通过拱效应对核心砖柱提供侧向约束作用。

图13 柱纵向约束Fig.13 Longitudinal restraint of column

在薄弱截面内,TRC约束砖柱在轴向压力的作用下,核心砖柱将产生不均匀的横向膨胀变形,使得砖柱截面长边和宽边上的加固层产生水平弯曲,由于加固层抗弯刚度较小,它对砖柱的约束作用相对较弱,因而形成非有效约束区,如图14阴影所示。图中,h和b分别为柱横截面的长和宽;r为倒角半径;s为纤维束间距。

图14 柱薄弱截面Fig.14 Weak section of column

借鉴文献[16]中的近似计算方法,L—L截面内非有效约束区面积An为

0.5s(h+b)-0.25s2

(1)

则有效约束区面积Ae为

Ae=At-An

(2)

式中,At表示TRC约束范围内的面积,其计算公式为

(3)

(2)截面形状系数

以上分析表明,TRC加固砖柱受矩形截面的影响而产生非有效约束区,即截面形状对TRC约束效应起到削弱作用。为考虑截面形状对约束效应的影响,参考文献[17],引入截面形状系数ks,其计算公式为

(4)

(3)拐角削弱系数

在柱截面对角线附近,TRC受两个相互垂直的拉力作用,其合力在柱对角线方向形成强力约束,使得TRC中纤维编织网易在此处产生应力集中而提前被拉断,材料性能难以充分发挥。本研究的试验结果表明,尽管对砖柱进行了倒角处理,这种破坏现象仍容易发生。为此,采纳文献[18]中的建议,引入拐角削弱系数kc,其计算公式为

(5)

4.2 TRC等效侧向约束应力

对于矩形截面柱,TRC提供的侧向约束应力是不均匀的,拐角处的约束应力较强,柱角之间的侧面约束较弱。为简化计算,引入等效圆的计算方法[19],将矩形截面等效为圆截面,等效圆的直径D近似取为矩形截面对角线的长度,如图15所示。

图15 等效圆计算模型Fig.15 Equivalent circle calculation model

将上述截面形状系数ks和拐角削弱系数kc用于换算此种基于等效圆模型下的侧向约束应力,即TRC等效侧向约束应力σf,其计算公式为

(6)

式中：m为纤维编织网层数;fs为纬向纤维束极限抗拉强度;As为纬向纤维束理论面积。

4.3 TRC约束砖柱极限抗压强度

类比FRP约束砖柱[13,20],TRC约束砖柱极限抗压强度fmc与TRC等效侧向约束应力σf间的表达式为

(7)

式中,fmo为未加固柱极限抗压强度,β为有效约束系数。参考文献[20]中的回归分析方法,对本研究的试验结果进行拟合(TRC基体中掺加PVA纤维对砖柱的极限荷载有影响,故仅对C2-C4组试验结果进行拟合),得到β取值为5.33。因此fmc计算公式为

fmc=fmo+5.33σf

(8)

4.4 承载力计算公式

TRC加固砖柱在受压力作用时,由于高性能细骨料混凝土的存在,非有效约束区域砖柱仍受到一定的约束作用,其极限抗压强度有所提高。但考虑到本次试验中砖柱达到极限状态时,非有效约束区砖柱的连续性遭到破坏,因此将该区域内砖柱的极限抗压强度简化为fmo,据此建立TRC加固砖柱的极限承载力计算公式为

Nu=φ(fmcAe+fmoAn)

(9)

式中：Nu为砖柱的极限承载力;φ为高厚比和偏心距对砖柱承载力的影响系数,按规范[21]确定。

4.5 试验值与计算值对比

按照上述计算方法,将本研究的试验结果与计算结果进行对比,见表4。可见,本研究采用的计算模型较为理想,试验值与计算值吻合较好。

表4 试验值与计算值的对比Table 4 Comparison of experimental values and calculated values

5 结论

(1)采用TRC加固砖柱有效、可行,且加固效果随纤维编织网层数(1-3层)的增加而不断提高,但层数超过2层后,承载力相对提高率呈下降趋势。考虑加固效果和经济效益,建议加固层数不宜超过3层。TRC加固砖柱破坏形态呈现“立而不塌”,其延性得到明显改善,表明TRC有利于提高其抗震性能,后续将进一步开展抗震试验,以充分评估TRC对砌体结构的抗震加固效果。

(2)适当掺量的短切PVA纤维能够提高TRC的力学性能,进一步增强加固效果。通过对比发现,PVA纤维体积掺量在0.5%左右时加固效果较好。

(3)根据加固轴压柱试验结果和理论分析提出了TRC环箍约束砖柱的轴压承载力计算公式,计算值与试验值吻合较好。

(4)TRC环箍加固方式对偏压柱仍具有一定的加固效果,但随着偏心距的增大,加固效果逐渐减弱,TRC不能被充分利用。