CFRP约束高温后混凝土圆柱体轴压力学性能试验研究

钟金平， 霍静思，2， 李 智

(1.湖南大学 教育部建筑安全与节能重点实验室， 湖南 长沙 410082； 2.华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021)

0 引言

近年来，CFRP因其优良的物理特性在工程中获得广泛应用，尤其是混凝土结构加固领域。国内外研究人员在CFRP约束常温下混凝土力学性能的研究领域中已获诸多成果。BERTHET[1]等、梁靖波[2]等、赵占超[3]等均进行了CFRP约束混凝土圆柱的轴压试验;研究发现，在CFRP约束作用下混凝土圆柱的强度及其延性均得到有效提高。BERTHET[1]等和梁靖波[2]等考察了混凝土强度等级对CFRP约束效应的影响;研究表明，提高混凝土强度等级并不利于发挥CFRP约束效应的作用。LAM[4-5]等、TENG[6]等在试验和统计分析的基础上提出了CFRP约束混凝土的抗压强度模型。

中、小型火灾作用后的混凝土结构经修复、加固后通常可继续投入使用。但目前为止仅有少数研究人员对经历过高温作用的CFRP约束混凝土的力学性能展开了研究。郭永昌[7]等 完成了经历高温作用后有外包CFRP约束的高强混凝土受压试验，试验表明CFRP约束使高强混凝土的抗压强度得到提高并改善了其延性，且高温作用后的CFRP约束效应好于常温。刘静雅[8]等以温度和CFRP层数为变量研究了高温后混凝土轴心受压力学性能；结果表明，外包CFRP使混凝土强度及其极限应变均有所提高，温度越高和外包CFRP层数越多CFRP约束效应也越强。综上所述，目前CFRP约束高温后混凝土的研究局限于较低温度段或试件为小尺寸。

因此，本文通过完成经历高温作用后具有CFRP约束的标准尺寸混凝土圆柱体的抗压试验，围绕温度和外包CFRP层数两种变量对CFRP约束混凝土的轴压力学性能进行研究，结合试验结果分析相关参数对其轴压力学性能变化的影响规律，参考文献[8]将试验结果与现有常温下CFRP约束混凝土强度的计算模型相结合并以相关假设为前提给出能计算其高温后抗压强度的计算模型。研究所得结果可评估CFRP约束火灾后混凝土柱承载力，从而作为提出合理修复加固方案的理论依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文设计12组，每组2次重复试验共计24个尺寸为Φ150 mm×300mm的混凝土圆柱试件，试验参数为温度(常温、200℃、400℃、600℃)和CFRP层数(0层、1层、2层)。混凝土等级为C40，浇筑完混凝土28d后测得其立方体抗压强度fcu=44.1MPa，圆柱体抗压强度fc=33.9MPa，轴心抗压强度为38.9MPa，弹性模量Ec=30.49GPa。CFRP布为单向纤维布，极限抗拉强度为3587MPa，弹性模量为236GPa，CFRP布名义厚度为0.167mm。

1.2 试验方法

高温试验在井式高温炉内进行，经综合考虑之后设升温速率为10℃/min，试件恒温时间取为8h以使其温度场基本均匀。高温试验完成后，将试件置于干燥隔湿环境下静置150d，之后对试件包裹CFRP布。外包CFRP布工作结束后将试件静置20d，待CFRP粘结剂达到强度后进行静力试验。静力试验所用仪器为深圳万测试验设备有限公司生产的微机控制300t万测试验系统。

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

如图1(a)为高温后素混凝土圆柱体的破坏形态。C-20-0和C-200-0试件在荷载达到抗压强度90%之前均表现完好状态，之后试件表面出现裂纹，随加载进程的进行裂纹扩展速度极快，最后试件破坏突然。两类试件破坏时主裂缝均是一条贯穿型剪切斜裂缝。C-400-0和C-600-0试件经高温试验后其表面本身存在很多细而密的温度裂缝，温度裂缝在加载初期并没有迅速发展，加载进入中后期后这种裂缝开始不断扩展，试件临近破坏时表面大量竖向裂缝和斜裂缝并存，裂缝相互贯通，在试件中部形成混凝土压碎带，破坏时压碎带的混凝土剥落，最终呈倒角锥形态。其中C-400-0试件在破坏后由于操作不慎致使上下两个锥体分离。

观察图1(b)、(c)所示的CFRP约束高温后混凝土圆柱体的破坏形态图可发现CFRP约束高温后混凝土的破坏形态与素混凝土的破坏形态大不一样。温度和CFRP布层数变化对CFRP约束混凝土的破坏形态的影响规律不明显，将试件破坏形态分为3种类型： ①CFRP被拉断且混凝土爆裂。C-20-1、 C-200-2、C-400-2和C-600-2试件便是此破坏形态，临近破坏前能听到纤维连续急促的拉断声，破坏时发出“砰”的响声，沿试件高度方向中间位置处的CFRP完全被拉断，核心混凝土爆裂，四处飞溅，由图1可看出如果将已经断裂的CFRP剥开并清理碎裂的混凝土，整个试件将呈倒角锥形态；②CFRP被拉断而混凝土无爆裂现象。图1(b)中的C-200-1、C-400-1、C-600-1均属于这种破坏模式，试件破坏前同样能听见纤维拉断的“嘶嘶”声，破坏时发出“啪”的一声。这种破坏模式下CFRP拉断的位置随机出现且核心混凝土仅部分压碎并未出现爆裂现象；③CFRP无明显拉断迹象且混凝土外观相对完整。如图1(c)中C-20-2试件，该试件破坏时没有明显的纤维拉断声，破坏后的外观比较完好。

(a) 无CFRP约束试件

2.2 应力-应变曲线

图2(a)为部分高温后素混凝土的应力-应变曲线。可见曲线基本为线性，弹性模量与抗压强度均因高温作用而减小，但极限压应变增大；200℃时混凝土强度相比常温时有所降低，但降幅不大；温度超过200℃之后大幅下降。观察混凝土应力-应变曲线的形状可以发现温度越高曲线形状越扁平。

图2(b)、图2(c)和图3所示为部分CFRP约束高温后混凝土的应力-应变曲线，仅从曲线形式来看就明显与素混凝土不同。 600℃之前，CFRP约束混凝的应力-应变曲线近似出现2个上升段。第1个上升段发生在加载前期，此阶段的核心混凝土无较大侧向变形，且CFRP纤维不受拉，对核心混凝土基本无约束，核心混凝土仅仅单向受压。第2个上升段发生在加载中后期，核心混凝土达到抗压强度,且侧向膨胀变形已经较大；此时CFRP横向纤维受拉并约束着核心区混凝土,使核心混凝土由单向受压变为三向受压。600 ℃之后，曲线则几乎只有一个上升段。

图2(b)、图2(c)为相同CFRP层数不同温度时对应的部分试件的应力-应变曲线。由图2可见相同CFRP约束情况下混凝土的抗压强度随温度升高逐渐减小：温度低于400℃时，抗压强度与常温时相差不多；温度达到400℃之后，CFRP约束混凝土强度的降幅增大；但对比无CFRP约束时混凝土的强度可以发现，外包CFRP后温度对混凝土抗压强度产生的软化效应得以减弱。高温降低了CFRP约束高温后混凝土的初始弹性模量，但使其极限应变增大，观察其应力-应变曲线的形状发现温度越高曲线形状也越扁平。

图2 CFRP层数相同时温度不同的混凝土的应力-应变曲线Figure 2 Stress-strain curves of concrete with different temperatures at the same CFRP layers

图3 相同温度时不同CFRP层数的混凝土的应力-应变曲线Figure 3 Stress-strain curves of concrete with different CFRP layers at the same temperature

图3为相同温度下不同CFRP层数对应的部分CFRP约束高温后混凝土应力-应变曲线。600℃之前，相同温度下的3条应力-应变曲线在初始段重合较好，说明素混凝土的应力-应变曲线可以近似看作是CFRP约束混凝土的一部分，600℃后曲线离散性偏大。温度相同时2层CFRP约束的混凝土抗压强度和极限应变均比1层大，1层又比0层时大，可见CFRP约束作用使高温后混凝土强度及其变形性能均得到增强，就强度而言，600℃时仅1层CFRP约束的混凝土抗压强度都能达到常温下的1.33倍。600℃之前，2层CFRP约束的混凝土应力-应变曲线第二个上升段的斜率较1层CFRP时略大；600℃之后，曲线则近似只有一个上升段。

2.3 试验结果分析

图4为CFRP层数相同时每组试件抗压强度衰减系数αT平均值随温度变化的曲线：高温后素混凝土强度受温度影响较敏感，温度不断升高时其强度衰减也较为迅速，而CFRP约束高温后混凝土抗压强度的衰减幅度较素混凝土小很多，温度达到600℃时，素混凝土强度衰减幅度高达70%，1层CFRP时为31%，2层CFRP时为26%。

图5为温度相同时每组试件抗压强度增大系数αC平均值随CFRP层数变化的曲线：1层CFRP约束时混凝土抗压强度增大系数为1.96～4.49，2层CFRP时αC落在2.56～6.8范围内；温度低于200℃时，相同CFRP层数对应的抗压强度增大系数基本持平，温度超过200℃后抗压强度增大系数才明显比常温时大；相同CFRP层数下，温度越高抗压强度增大系数越大，可见核心混凝土高温后损伤程度越大，CFRP约束强化效应越好。

图4 相同CFRP层数时不同温度对应的混凝土强度衰减系数图Figure 4 Strength attenuation coefficient diagram of concrete corresponding to different temperatures at the same CFRP layers

图5 相同温度时不同CFRP层数对应的混凝土强度增大系数图Figure 5 Strength increasing coefficient diagram of concrete with different CFRP Layers at the Same temperature

图6(a)、图6(b)分别给出了每组试件极限应变ε、e平均值随温度和CFRP层数变化的曲线。混凝土极限应变随温度升高和CFRP层数增加均呈增大趋势：相同CFRP层数下，温度从常温变化到200℃时极限应变变化幅度很小，200℃后极限应变显著增大；素混凝土和仅包裹1层CFRP布约束的混凝土其极限应变在400～600℃时增幅最大；外包2层CFRP布时，混凝土在200～400℃时极限应变增幅最大。相同温度情况时，CFRP约束混凝土的极限应变较素混凝土的极限应变大很多。

图6 CFRP约束混凝土极限应变变化图Figure 6 Ultimate strain curves of concrete confined by CFRP

表1为Sσ-ε试验结果统计表。图7为每组试件Sσ-ε平均值随温度变化的曲线。对于素混凝土，混凝土耗能能力受温度的影响可不予考虑，Sσ-ε基本维持在0.046MPa左右。1层CFRP约束时，Sσ-ε随温度升高略有降低趋势，但降幅较小，Sσ-ε平均为0.455MPa；2层CFRP约束时，Sσ-ε仅在400℃时出现较大波动，但整体稳定在0.901MPa左右。综上分析，本文认为温度不是影响CFRP约束混凝土耗能能力的主要因素。CFRP约束对于混凝土耗能能力有显著影响，CFRP约束的强弱体现在CFRP层数上，外包CFRP布层数是影响混凝土耗能能力重要因素。外包1层CFRP布时，Sσ-ε是素混凝土的10倍左右；外包2层CFRP布时，为外包1层CFRP布时的2倍左右，显然混凝土的耗能能力在CFRP约束的作用下有了明显提高；但从外包2层CFRP布约束的混凝土相比外包1层CFRP布约束混凝土耗能能力的增幅和外包1层CFRP布约束混凝土耗能能力相比素混凝土的增幅来看，混凝土耗能能力随着CFRP层数增加其增幅却在变小。

表1 试验结果统计表Table 1 Test results sheets试件编号抗压强度Fe/MPa极限应变εe初始弹性模量E/GPa强度高温衰减系数αT约束比fl/fCOCFRP增大系数αC模型计算所得抗压强度Fp/MPa模型与实测抗压强度比值Fp/Fe耗能能力指标Sσ-ε /MPaC-20-033.270.002 229.061.00—1.0033.271.000.052 6833.250.002 330.491.00—1.0033.251.000.052 90C-20-162.970.010 127.491.000.241.8961.220.970.507 9965.300.010423.671.000.241.9661.200.940.51284C-20-295.050.016 521.281.000.482.8689.180.941.128 7286.110.009 831.051.000.482.5989.161.040.652 08C-200-029.910.002 312.160.90—1.0029.911.000.031 7929.110.002 814.310.88—1.0029.111.000.044 25C-200-166.530.012 59.041.060.272.2257.870.870.554 0155.260.010 318.230.850.271.9057.061.030.454 24C-200-260.630.006 412.570.640.541.8285.821.420.244 5288.080.014 310.920.930.542.9585.020.970.822 66C-400-018.540.004 83.940.56—1.0018.541.000.049 5419.520.005 14.050.59—1.0019.521.000.052 89C-400-138.040.012 12.980.600.432.0546.491.220.232 6662.860.015 55.970.960.413.2247.470.760.595 21C-400-294.680.021 75.410.990.865.1174.450.791.150 3884.890.020 34.970.990.824.3575.430.890.979 63C-600-012.750.010 31.150.38—1.0012.751.000.044 006.970.008 61.090.21—1.006.971.000.035 98C-600-152.300.018 31.840.830.634.140.700.780.445 0636.160.020 71.010.551.155.1934.920.970.335 64C-600-269.770.027 22.200.731.265.4768.660.980.869 1664.240.023 82.250.752.309.2162.880.980.821 63 注:表1中试件编号里的“C”指混凝土,数字20、200、400和600分别代表对应的温度,数字0、1、2对应着试件外包CFRP布的层数;Fe、εe、Fp分别代表试验实测的CFRP约束高温后混凝土强度和极限应变、模型计算得到的CFRP约束高温后混凝土强度;E是试件的初始弹性模量;αT和αC分别代表试件强度的高温衰减系数和CFRP增大系数;“Sσ-ε”表示应力-应变曲线与横坐标轴围成的面积作为衡量混凝土耗能能力的指标;fl/fCO代表约束比。

图7 CFRP约束高温后混凝土耗能能力-温度图Figure 7 Energy dissipation capacity curves of post-fire concrete confined by CFRP versus temperature

综上可知，CFRP约束作用对于提升高温后混凝土的轴压力学性能具有积极意义。就抗压强度而言，温度软化作用会削弱高温后混凝土强度，而CFRP约束对混凝土强度具有强化作用，能提高其强度，两者共同存在且后者的有利影响强于前者的不利影响，外包CFRP层数是决定CFRP约束对混凝土强度产生的强化作用强弱的重要因素，CFRP层数增加对混凝土强度的强化作用有积极意义。CFRP约束明显提高了高温后混凝土的变形能力和耗能能力。总体来说增加外包CFRP布层数是提升高温后混凝土轴压力学性能非常有效的方法。因此，通过对具有修复可行性的火灾后混凝土结构合理地外包CFRP布对其进行加固是科学可靠的。

3 CFRP约束高温后混凝土强度计算模型

关于如何评估高温后素混凝土强度的研究中，李卫[9]、过镇海[10]、余志武[11]等分别提出了高温后混凝土抗压强度衰减模型。LAM[4-5]等、TENG[6]等在试验和数理统计的基础上分别提出了常温下计算FRP约束混凝土抗压强度的模型。本文在以上学者研究成果的基础上，利用本试验的结果验证出其中与试验结果吻合最好的高温后混凝土抗压强度衰减模型和常温时CFRP约束混凝土抗压强度模型，并参考文献[8]的假设即不考虑CFRP约束与高温作用的相互影响给出能计算CFRP约束高温后混凝土强度的计算模型，并与试验结果进行对比。

图8给出了高温后混凝土抗压强度衰减系数各模型值与试验值比值的曲线。综合比较后发现，余志武[14]模型与本试验吻合最好，故根据余志武[11]模型得到高温后素混凝土抗压强度衰减系数αT为：

(1)

高温后素混凝土抗压强度：

fs(T)=αTfso

(2)

图8 高温后混凝土抗压强度衰减系数模型值与试验值比值图Figure 8 Ratio curves between models and tests of post-fire concrete strength decrease factor

图9给出了常温下CFRP约束混凝土抗压强度增大系数各模型值与试验值比值的曲线。综合来看，Teng等[6](2007)模型与本试验吻合度较高，故根据Teng等[6](2007)模型得到常温下CFRP约束混凝土抗压强度增大系数αC为：

(3)

(4)

因此，在已经获得与试验吻合最好的高温后混凝土强度衰减模型和CFRP约束混凝土抗压强度模型的前提下，基于前述假设得到CFRP约束高温后混凝土抗压强度增大系数αC(T)计算表达式为：

(5)

综合以上表达式得到CFRP约束高温后混凝土抗压强度fCT的计算表达式为：

fCT=αC(T)fs(T)

(6)

图9 常温下抗压强度增大系数模型值与试验值比值图Figure 9 Ratio curves between models and tests of strength increase factor under normal temperature

表1分别给出了CFRP约束高温后混凝土抗压强度试验值和抗压强度简化模型的计算值，图10将CFRP约束高温后混凝土抗压强度简化模型计算值与试验值的比值制作成随温度变化曲线。可见，1层CFRP约束时，简化模型计算值与试验值的比值随温度变化均接近且小于1，表明该模型在计算外包1层CFRP约束高温后混凝土的抗压强度时可靠且偏安全,2层CFRP约束时，该模型略高估了200℃时对应的抗压强度，但总体来说简化模型计算结果比较理想。

图10 抗压强度简化模型计算值平均值与试验值平均值的比值Figure 10 Ratio curves between simplified models and tests of concrete compressive strength

4 结论

对CFRP约束高温后混凝土圆柱体轴压力学性能进行试验结果分析和模型分析后得出以下结论：

a.CFRP约束使混凝土破坏形态明显改变，破坏时普遍是CFRP被拉断并伴随核心混凝土碎裂甚至爆裂，破坏时脆性极大。

b.高温使CFRP约束混凝土的抗压强度具有软化效应使其大幅减小，而CFRP约束作用对抗压强度产生强化效应使其显著增大，两者共同存在并以CFRP约束产生的强化效应为主；相同温度情况，增加外包CFRP布层数明显使混凝土抗压强度增强。

c.升高温度以及增加外包CFRP布层数均使混凝土极限应变增大，CFRP约束作用有利于提升高温后混凝土的变形性能；CFRP约束高温后混凝土的耗能能力基本与温度无关，但CFRP约束作用对其耗能能力有着深远影响，外包CFRP使得混凝土耗能能力显著增强，增加外包CFRP的层数对于提高混凝土耗能能力有积极意义，但CFRP层数增加到一定数量后耗能能力的增幅逐渐变小。

d.在相关模型的基础上以简化假设为前提得到了与本试验结果吻合良好的CFRP约束高温后混凝土抗压强度计算模型，该模型可供实际工程中评估CFRP约束火灾后混凝土柱抗压承载力参考。

e.外包CFRP布是修复加固混凝土结构尤其是火灾后混凝土结构的有效方式，CFRP约束对于提升火灾后混凝土结构的力学性能具有积极意义。