JFRP约束剑麻纤维混凝土力学性能研究

2021-02-23姜景山朱兆悦乔月来陆欣源周海玥

海峡科技与产业 2021年10期

何翔姜景山朱兆悦沈浪乔月来陆欣源周海玥

南京工程学院建筑工程学院，江苏南京 211167

目前，纤维增强复材（FRP）约束混凝土柱在基础工程、海上建筑、道路工程和桥梁工程等领域都进行了一系列的应用[1]。Mirmiran 等[2]于1996年最先提出了FRP管约束钢筋混凝土的概念，其实施路径为首先制作FRP管，其次浇筑混凝土于FRP管内从而制作成FRP管约束混凝土柱[3]。JFRP管可以作为约束再生混凝土试件的模板，在施工过程中大大提高效率[4]，FRP管约束混凝土芯可显著增强其在三向受力状态下的力学性能[5]。Davol 等[6]提出了一种新的设想，即将FRP管约束混凝土作为一种弯曲构件应用于土木工程，当FRP管约束的混凝土柱受力弯曲时，外侧FRP管的局部因承受荷载会受到屈曲破坏，为防止这一缺陷，混凝土柱芯在内部对外侧的FRP管进行支撑[7]。除此之外，在受力状态下，环向荷载作用FRP管约束混凝土柱的过程中会产生环向破坏而导致混凝土柱失效，内部混凝土产生脆性破坏，这一破坏形式的缺陷阻碍了它的进一步发展[8]。在实际工程中，混凝土承受荷载发生破坏时难以察觉，总是突然发生，这就使得建筑工程的安全性大大降低[9]。大量的试验得出结论：掺入适量的纤维能够增强混凝土的韧性[10]。目前国内外的研究热点是研究FRP增强天然纤维混凝土柱的力学性能，本试验探究在JFRP管约束混凝土柱并且在混凝土中掺加剑麻纤维共同作用下的力学性能的规律，从而增强JFRP—剑麻纤维混凝土柱体系的抗压强度、抗折强度和延性。本试验采用黄麻纤维布制成的JFRP管与AF，通过对JFRP层数与AF掺量的组合设计，研究JFRP约束AF混凝土的力学性能。

1 试验介绍

1.1 主要原材料

（1）剑麻纤维。将剑麻成品裁剪成15 mm的短剑麻后，称量10 g氢氧化钠放入1 L水配置成氢氧化钠溶液浸泡，将裁剪好的剑麻纤维在溶液中浸泡30 min，自然晾干。采用氢氧化钠溶液浸泡，主要是为了除去剑麻纤维表面的果胶和植物脂类等杂质，萃取出剑麻纤维中的半纤维素，使得剑麻纤维能够更好地和水泥基材料黏结，发挥剑麻纤维的作用。实验所选纤维的材料参数如表1所示。

表1 剑麻纤维的材料参数

纤维掺量的分类情况：一般而言，纤维掺量分为低掺和高掺[11]。在低掺量范围下，掺入剑麻纤维可以提高混凝土抗裂性能。在高掺量范围下，掺入剑麻纤维不仅对混凝土的力学强度产生较大影响，同时混凝土的工作性质也会发生改变，本文主要是研究AF（剑麻纤维）对素混凝土的抗压强度和抗折强度的力学性能研究，因此本试验在高掺量条件下开展进行。本试验分别采用纤维体积掺量为0%、1%、2%三个不同的纤维掺加量。

不同纤维长度比选：纤维的长径比对纤维与混凝土砂浆的黏结程度产生影响，纤维的长度不能太长，也不能太短。过长的纤维会使纤维丧失弹性和吸收能量，同时还会使得混凝土受到荷载后无显著变形而突然发生破坏，因此，通过综合考虑剑麻纤维对混凝土的各种影响因素，最终选择长度为15 mm的剑麻纤维。

（2）水泥。试验采用P.O42.5水泥，各项指标符合GB 175-2007规范。

（3）细集料。细砂，细度模数2.1，各项指标符合施工要求。

（4）粗骨料。采用尺寸规格为5～20 mm，各级粒径分配情况良好，各项指标满足施工要求。

1.2 配合比

试验固定水灰比、粗细骨料的用量，控制其它条件不变，研究在掺入不同的剑麻纤维状态下对混凝土试件的影响。试验采用的配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比（单位：kg/m3）

1.3 试件制备

1.3.1 剑麻纤维混凝土的制备

（1）首先利用干拌法进行干拌。根据表2所述的配合比称量原料，将称量好的原料中的水泥、细骨料、再生粗骨料混合干拌3 min至充分均匀拌和，得到干拌物。

（2）将称量好的原料中的剑麻纤维用配置好的浓度为1%的氢氧化钠溶液进行预处理，并加入到步骤（1）中的干拌物中，继续干拌3 min，得到搅拌物。

（3）将少量水兑入减水剂溶和均匀后加入到步骤（2）得到的搅拌物中。

（4）重复步骤（3）2～3次直至装减水剂的容器无刺激性气味；生成预混合物。

（5）在预混合物中倒入剩余的全部水，持续湿拌3～5 min，得到拌合物。

（6）将步骤（5）得到的拌合物注入模具试件中，将模具试件进行振捣，使得试件变得密实，减少混凝土试件内的孔隙，同时将其表面刮抹均匀。在自然环境下静置12 h，脱模后，放在水中养护28天。养护结束后取出混凝土试件，准备进行抗压、抗折强度试验。1.3.2 JFRP管的制备

JFRP管可以作为约束再生混凝土试件的模板，可以开展对纤维混凝土材料试件的抗压强度、环向应变、轴向应变等试验数据的量测。在建筑工程应用中，黄麻纤维是直接提取的自然纤维，具有可再生、价格低、自重小等特点，应用这种再生环保廉价的自然纤维材料替代CFRP和GFRP等运用于土木工程具有广阔的应用前景，因其耐腐蚀还可以作为补强修复材料。黄麻纤维具有密度较小、拉伸性能好、不刺激、不损害设备、能耗低、可再生和价格低等优点，可以降低后期的保养及维修费用。

本试验采用编织密度为80×80的黄麻纤维布制备JFRP管，由自内向外依次包裹的多个黄麻纤维布单元层构成。环氧树脂是主剂A和固化剂B按2：1比例配制搅拌。环氧树脂的材料参数如表3所示。

表3 环氧树脂的材料参数

JFRP管包括主管体和端部加固层，所述主管体的上、下两端各设有一端部加固层，与主管体之间通过胶黏接。制作流程是，首先裁剪大小为1.325 m2的外包加固黄麻纤维布和0.064 m2的端部加强黄麻纤维布，同时选用外径为150 mm，高度为450 mm的有机玻璃管，在外壁面包裹3层锡箔纸，再将裁剪好的外包加固黄麻纤维布和端部加强黄麻纤维布裹在有锡箔纸的有机玻璃管上，接口处重叠部分的长度为有机玻璃管周长的1/4，再将调配好的环氧树脂胶刷涂在JFRP管上，使其充分浸渍，最后将其自然晾干3至7天，脱模即可制成JFRP管。因此，JFRP管可以通过工业化批量生产，工期快。制作完成的JFRP管如图1所示。

图1 制作完成的JFRP管

1.4 试验方案

本试验共设置8组混凝土材料试件（试件参数如表4所示），均选用高度为450 mm，直径为150 mm的JFRP管（高径比为3:1），同时在JFRP管内浇筑C30再生混凝土材料试件。通过改变JFRP管的外包层数、纤维布的布置方向角度以及剑麻纤维的体积掺量，开展对C30再生混凝土材料试件的抗压强度、抗折强度、环向应变、轴向应变等试验数据的量测。研究不同状态下JFRP管约束试件与未约束试件强度和延性的影响变化规律。

表4 试件参数

2 试验成果分析

2.1 抗压强度与抗折强度试验

本次试验研究在掺入不同的剑麻纤维量的状态下，同一纤维长度为15 mm的天然纤维（AF）试件进行了抗压强度和抗折强度等试验数据的量测，试验结果如表5所示。可以看出，在高掺量范围下，掺入剑麻纤维对试件的抗压强度的幅度有明显增强。图2为不同纤维掺量（Vc）的混凝土抗压强度曲线，可以看出，本试验配合比条件下，纤维体积掺量为1%（14.5 kg/m3）时，混凝土抗压强度数值将达到一个峰值，超过该体积掺量时，对试件的抗压影响效果幅度会变小。

图2 不同纤维掺量混凝土抗压强度

表5 不同纤维掺量混凝土抗压与抗折强度

图3为不同纤维掺量的混凝土抗折强度曲线。可以看出，在高掺量范围下，剑麻纤维对试件的抗折强度的幅度有增强，但并不明显。在本试验配合比条件下，纤维体积掺量为1%（14.5 kg/m3）时，混凝土抗折强度数值将达到一个峰值，超过该体积掺量时，剑麻纤维对试件的抗折影响效果幅度会变小。

图3 不同纤维掺量混凝土抗折强度

2.2 JFRP管约束剑麻纤维混凝土的力学性能试验

本试验将养护完成的JFRP管进行编号，然后按照设计的配合比搅拌剑麻纤维混凝土，并进行试件浇筑。每个配合比设计对应的剑麻纤维混凝土需要浇筑3个标准的混凝土试件。将混凝土试件浇筑完成后，把所有的混凝土试件和试块放在相同条件下养护（本试验为常温定时浇水养护）。待养护28天后，打磨混凝土试件两端，保证试件两端光滑平整，并且清洗打磨的粉尘和浇筑时溢出JFRP管外壁上的混凝土，从而得到实验所需的最终试件。打磨清洗试件后，在JFRP管外侧壁面进行定位并标记贴片位置，然后按照标定位置粘贴应变片，JFRP管应变片布置如图4所示。

图4 JFRP管应变片布置

表6为主要试验成果。可以看出，JFRP管约束试件强度和延性与未约束试件相比显著提高，强度提高幅度最低达24%以上，延性提高1.2倍以上；约束试件峰值应力和峰值应变出现的范围比较大，峰值应力和极限应变对应的应力接近；随着JFRP管纤维角度的增加，峰值强度降低，轴向极限应变增加，环向极限应变增加；剑麻纤维掺量能有效提高约束试件延性，但却降低了约束试件的强度。