GFRP管煤矸石混凝土钢管空心柱轴压试验

张 霓， 郑晨阳， 赵中伟,2， 刘海卿， 羡丽娜

(1.辽宁工程技术大学 土木工程学院, 辽宁 阜新 123000; 2.东南大学 土木工程学院, 江苏 南京 211189)

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排出的固体废弃物，煤矸石堆放占用大量土地和农田，而且产生粉尘和有害气体，还可能发生爆炸、崩塌与滑坡，危害人们的生命、安全和健康，煤矸石的资源化利用迫在眉睫[1].将煤矸石作为混凝土骨料既能解决环境污染，又可弥补天然砂石资源短缺的现状，符合绿色可持续发展的战略需求[2].随着高层建筑、大跨度桥梁、海洋工程及地下工程的发展，建筑物承重结构承担的荷载越来越大，这就要求在重载条件下，承重结构要有足够的承载能力、良好的抗震性能和抗腐蚀性能.纤维增强复合材料(FRP)因其具有轻质、高强及耐腐蚀等优点，被广泛应用于土木工程中[3-6]，以FRP约束混凝土构件为典型[7-9].FRP约束内部混凝土，使核心混凝土处于三向受力状态，提高了混凝土的抗压承载力.Teng等[10]首次提出FRP管-混凝土-钢管空心柱结构，该结构能够充分发挥3种材料的特性，FRP管对核心混凝土和钢管提供环向约束，钢管的弹塑性有利于提高结构的延性，核心混凝土在三向受力状态下承载力得到提高.

基于上述情况，本文将煤矸石混凝土与玻璃纤维增强复合材料(GFRP)管-混凝土-钢管空心柱相结合，制备了一种新型GFRP管-煤矸石混凝土-钢管空心柱(GGCSC)结构.其中，GFRP管的成本相比其他FRP材料低，使结构具有较高的经济效益，同时该新型结构因GFRP管的存在，能够保护内部钢管和煤矸石混凝土，具有良好的抗腐蚀性能，有效提高结构的耐久性；煤矸石混凝土的利用，不仅解决了固体废弃物煤矸石混凝土的利用问题，又节省了天然骨料资源，实现资源的可持续化发展.对GGCSC进行轴心受压试验，对其破坏模式、荷载-位移曲线、应变规律等开展分析.

1 试验

1.1 原材料

水泥(C)采用42.5级大鹰牌普通硅酸盐水泥；粉煤灰(FA)采用Ⅱ级粉煤灰；细骨料为天然河砂(S)，细度模数2.82；水(W)为普通自来水；减水剂为聚羧酸高效减水剂(PC)，掺量(1)文中涉及的掺量、减水率、比例等均为质量分数或质量比.1.5%～2.5%，减水率20%～30%.

煤矸石(CG)取自辽宁阜新海州矿区，经破碎、筛选、清洗、晒干处理，筛分得到5～20mm连续级配的煤矸石粗骨料，其化学组成见表1；普通混凝土粗骨料采用5～20mm石灰岩碎石(LG).煤矸石和石灰岩碎石的基本物理性能见表2.

表1 煤矸石的化学组成

表2 煤矸石和石灰岩碎石基本物理性能

GFRP管为沈阳天阳玻璃钢厂有限公司生产，缠绕角度80°，内径200mm，长度700mm.

钢管采用2种：厚度为4mm的钢管所用钢材的屈服强度和抗拉强度分别为305、480MPa；厚度为6mm的钢管所用钢材的屈服强度和抗拉强度分别为305、485MPa.

1.2 试件设计

煤矸石混凝土(GC)和普通混凝土(OC)配合比见表3.试验测得煤矸石混凝土和普通混凝土28d立方体抗压强度分别为35.8、36.9MPa.

表3 煤矸石混凝土与普通混凝土配合比

首先将GFRP管及钢管按设计尺寸制作好，为了得到钢管的应变，需在钢管外表面粘贴应变片，然后对应变片进行保护处理.在应变片及端子表面涂抹环氧树脂，环氧树脂A∶B胶(固化剂)按质量比1∶1 调配，主要用以减小混凝土浇筑时对应变片的撞击破坏.将钢管和GFRP管用黑胶泥固定在木板上，保证两者同心且内钢管居中，然后在GFRP管和钢管之间浇筑混凝土，并振捣密实.

制作了10根轴心受压试件，其中8根GGCSC试件，1根GFRP管-普通混凝土-钢管柱(GCSC)试件，1根GFRP管实心煤矸石混凝土柱(GGCC)试件，试件截面示意图见图1.试件主要参数和极限荷载Pu见表4.表4中试件GGCSC1、GGCSC9和GGCSC10参数一致，其中GGCSC1正着放置，GGCSC9倒置，GGCSC10端部采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固，用以研究不同放置方式以及端部加固是否对承载力(以Pu表征)有影响.

图1 试件截面示意图

表4 试件主要参数与试验结果

1.3 测试方法

在GFRP管及钢管长度的1/4、1/2截面的4个象限点处分别粘贴纵向和环向应变片，用来测量GFRP管及钢管的纵向、环向应变；沿试件轴向布置电测位移计(LVDT)，以测量试件的轴向位移.应变片和位移计的布置如图2所示.

图2 应变片和位移计的布置示意图

试验采用GFRP管及钢管、煤矸石混凝土共同受压方式，通过压力机上下承压板对试件进行加载.为了防止试件端部发生局部破坏，特制环形钢板夹具，试验加载前将钢板夹具固定在试件的端部.加载设备为5000kN压力机，加载方法为单调分级加载.具体步骤如下：(1)对试件进行几何对中；(2)预加载至100kN，使试件各部位的缝隙密实，查看各测试仪器是否正常工作，然后卸载至零；(3)单调分级加载，每级荷载值为50kN，当荷载达到试件极限荷载Pu的70%左右时，放慢加载速度，每级荷载值改为20kN，接近破坏时缓慢连续加载，直至试件破坏；(4)在加载的同时，利用ZI-120(160)型数显采集仪采集试验过程中应变片产生的数据，测量范围-15625～15625μm/m，采样周期1s；观察GFRP管纤维变化情况及试件变形情况.

2 结果与分析

2.1 试验现象及破坏模式

各试件的破坏形态均表现出大致相同的特点，本文以试件GGCSC1为例，说明GFRP管-煤矸石混凝土-钢管空心柱的轴心受压试验现象及破坏模式.在荷载作用初期，试件GGCSC1表面无明显变化，试件的位移和应变随着荷载的增加表现出线性增长的趋势；当荷载达到70%Pu左右时，GFRP管表面开始出现白色条纹，说明玻璃纤维与树脂基底发生分离，并伴随有轻微的纤维撕裂声，此时荷载-位移曲线不再呈线性变化，试件处于弹塑性状态；荷载继续增加，白色条纹逐渐增多，GFRP管纤维层的颜色由均匀的淡绿色变成不规则的局部白色；随着荷载的增加，纤维断裂逐渐增多，白色条纹的范围不断扩大；当荷载接近Pu时，试件发出频繁的纤维断裂和树脂开裂的声音；当加载至极限荷载Pu时，在距离顶部180～320mm处纤维发生断裂，伴随有较大的响声，并从断裂处沿纤维方向向两侧剥离，核心混凝土被压碎，骨料裸露，试件发生破坏，钢管基本完好，无明显屈曲现象，仅在局部略微向内突出.试件GGSCC1的破坏模式见图3.

图3 试件GGSCC1的破坏模式

2.2 荷载-位移曲线

各试件的荷载-位移曲线见图4.由图4可以看出：在荷载作用初期，试件的位移基本呈线性增长(第1段)；当荷载达到70%Pu时，位移增长的速度明显大于荷载增长的速度，曲线斜率逐渐减小，试件进入弹塑性阶段(第2段)；当荷载达到极限荷载后，试件不能承担继续增加的荷载，曲线表现为下降趋势，试件位移仍继续增长.因为轴压试验前先将试件的两端垫砂子进行找平，虽然进行预加载使砂子压实，但是砂子之间还存在一定空隙，所以在加载初始段有一定位移，当砂子完全压实后，初始段呈直线.GGCSC1、GGCSC9及GGCSC10承载力相近，说明试件正置、倒置及端部加固对试件承载力影响不大.

图4 各试件的荷载-位移曲线

2.2.1GFRP管壁厚的影响

不同GFRP管壁厚的试件荷载-位移曲线见图4(a).对比试件GGCSC1～GGCSC3可以看出，在煤矸石混凝土以及内部钢管相同的情况下，随着GFRP管壁厚的增加，试件的承载力明显增加，由1430kN 增加到2390kN；试件GGCSC3的承载力要明显低于GGCSC1，这说明试件GGCSC3的破坏主要由GFRP管的破坏引起.

在加载初期，GGCSC2、GGCSC3、GGCSC9和GGCSC10曲线第1段基本重合，说明此时试件承载力的提高主要是煤矸石混凝土和钢管的作用.随着GFRP管壁厚的增加，曲线第2段的斜率增大，具有更强的增强段.为了揭示外部GFRP管和内部钢管对混凝土的套箍作用，引入承载力的提高率λ，其计算如下：

(1)

式中：N为GGCSC的承载力；fc为煤矸石混凝土轴心抗压强度；Ac为核心煤矸石混凝土面积；fy为钢管的抗拉强度；As为钢管的截面面积.

试件GGCSC1所用钢管单独的极限受压荷载为512kN，煤矸石混凝土柱自身的受压屈服荷载为902kN，而试件GGCSC1的承载力为2021kN，比钢管和煤矸石混凝土柱单独承载力之和提高了607kN，提高率为43%.由此可知，GFRP管的套箍作用大大提高了GGCSC的承载力.试件GGCSC2的承载力为2390kN，比钢管和煤矸石混凝土单独承载力之和提高了976kN，提高率为69%.试件GGCSC3的承载力为1430kN，比钢管和煤矸石混凝土单独承载力之和提高了16kN，提高率为1%.通过以上试验数据可知，GGCSC的承载力提高率与最外层GFRP管的壁厚直接相关，当GFRP管的壁厚为3mm时，其对混凝土的套箍作用基本可以忽略.因此可以认为，试件GGCSC1～GGCSC3的破坏是由GFRP管的破坏引起的.

试件GGCSC1、GGCSC9和GGCSC10的GFRP管壁厚相同，而三者的承载力也相近，从侧面也验证了GGCSC承载力的稳定性.另外，从这3个试件破坏时的位移可以看出，虽然三者几何尺寸一致，但是破坏阶段的力学特征相差较大：试件GGCSC9破坏时对应的位移为48mm，且荷载达到峰值后呈现缓慢的下降趋势，表现出了较好的延性；试件GGCSC1也有荷载下降阶段，但是破坏时的位移为34mm；试件GGCSC10的荷载下降段很小，破坏时对应的位移为36mm.当荷载降为极限荷载的90%时试件GGCSC10突然发生破坏，表现出显著的脆性破坏特征.由此可知，GFRP管-煤矸石混凝土-钢管空心柱极限承载力稳定，但是延性浮动较大，这是由GFRP管的脆性特征引起的.

2.2.2空心率的影响

不同空心率的试件荷载-位移曲线见图4(b).由图4(b)可以看出，在GFRP管壁厚相同的情况下，随着空心率的减小，曲线第1段斜率增加，说明空心率的减小增大了试件的刚度；曲线第2段斜率也随着空心率的减小而增加.由于内钢管的存在，空心柱曲线下降段相比实心柱GGCC7明显变缓，说明加入内钢管有利于提高试件的延性.

试件GGCC7中，煤矸石混凝土单独的受压承载力为1124kN，加上外部的GFRP管后，试件最终承载力为2817kN，提高率为151%.而前述与试件GGCC7的GFRP管壁厚相同的试件GGCSC1的承载力提高率为43%，由此可知内部空心的增加降低了外部GFRP管套箍作用.此外，试件GGCSC5的承载力为1818kN，比钢管和煤矸石混凝土单独承载力之和提高了395kN，提高率为28%.试件GGCSC6的承载力为2297kN，比钢管和煤矸石混凝土单独承载力之和提高了937kN，提高率为69%.因此，GGCSC柱的套箍作用随着空心率的增加而减弱.同时，从GGCSC5、GGCSC6的结果可以看出，当内部钢管壁厚不变，而外径增加时，钢管对混凝土的约束作用将减弱，从而导致受压刚度以及承载力的降低.

2.2.3钢管壁厚的影响

不同钢管壁厚的试件荷载-位移曲线见图4(c).由图4(c)可以看出，随着钢管壁厚的增加，钢管对混凝土的径向约束增加，进而提高了混凝土在三向应力状态下的强度.

2.2.4混凝土类型的影响

不同混凝土类型的试件荷载-位移曲线见图4(d).从图4(d)可以看出，GCSC8中所用钢管单独的极限受压荷载为512kN，普通混凝土柱自身的受压屈服荷载为929kN，试件承载力为2213kN，提高率为54%.与试件GGCSC1的提高率(43%)对比可以看出，煤矸石混凝土的提高率比普通混凝土低.另外，煤矸石混凝土与普通混凝土相比，曲线第1段斜率减小，说明煤矸石混凝土的刚度比普通混凝土要小；但煤矸石混凝土曲线第2段斜率高于普通混凝土，而且具有更长的增强段.

2.3 荷载-GFRP管应变曲线

各试件的荷载-GFRP管应变曲线见图5.图中，纵坐标为试件的荷载，横坐标正向为GFRP管的环向应变，横坐标负向为GFRP管的纵向应变.由图5可以看出，随着荷载的增加，GFRP管的纵向和环向应变均呈现出三阶段的变化规律：初始的直线段、弹塑性微弯曲段和强化直线段.总体上看，GFRP管的环向应变要比纵向应变增加缓慢，由于GFRP管内部的玻璃纤维缠绕方向与管轴线的角度为80°，因此GFRP管的轴向承载能力很弱，其横向应变对GGCSC柱的力学性能更有意义.

从图5(a)可以看出，尽管试件GGCSC3的GFRP管壁厚较小，但其前期的荷载-GFRP管应变曲线与GFRP管壁厚较大的试件GGCSC1基本相同.随着荷载的持续增加，较薄的GFRP管提前发生损坏.这说明外部GFRP管的应变发展趋势与壁厚无关.

不同空心率对试件荷载-GFRP管应变曲线的影响见图5(b).由图5(b)可见：荷载-GFRP管应变曲线受空心率影响较大，空心率小的试件第1段斜率明显大于空心率大的试件，在相同荷载下，空心率小的试件应变值小于空心率大的试件；在相同应变值处，空心率小的试件荷载值大于空心率大的试件.

不同钢管壁厚对试件荷载-GFRP管应变曲线的影响见图5(c).由图5(c)可以看出，不同钢管壁厚的试件荷载-GFRP管应变曲线基本一致，说明，钢管壁厚对GFRP管应变的影响比较小.

不同混凝土对试件荷载-GFRP管应变曲线的影响见图5(d).由图5(d)可见：GFRP-普通混凝土-钢管空心柱试件GCSC8的荷载-GFRP管应变曲线第1段斜率大于GFRP-煤矸石混凝土-钢管空心柱试件GGCSC1，进入强化直线段后前者斜率小于后者.说明采用煤矸石混凝土时，GFRP管的约束效果发挥提前，且发挥效果更为显著.

图5 各试件荷载-GFRP管应变曲线

2.4 荷载-钢管应变曲线

各试件荷载-钢管应变曲线见图6.图中，纵坐标为试件的荷载，横坐标正向为钢管的环向应变，横坐标负向为钢管的纵向应变.由图6可以看出，随着荷载的增加，钢管的纵向和环向应变也呈现出三阶段的变化规律：初始的直线段、弹塑性微弯曲段和强化直线段.

图6 各试件荷载-钢管应变曲线

对比图5、6可以看出，内部钢管与外部GFRP管的应变增长趋势截然不同.外部GFRP管的应变增加是由于内部混凝土的受压膨胀，而内部钢管由于轴向刚度较大，因此直接承受轴压的作用.对比纵向和环向的应变发展趋势可以看出，钢管在2个方向上几乎同时屈服，试件GGCSC9的荷载-钢管应变曲线表明其内部钢管发生了局部屈曲.由于试件GGCSC3的GFRP管厚度较薄，因此当刚度还处于弹性阶段时，整个柱子便发生破坏.

图6总体表明，外部GFRP管的壁厚、混凝土类型、钢管壁厚和空心率对GGCSC内部钢管的应变发展趋势没有明显影响.由于钢管的良好塑性变形能力，钢管对混凝土的约束作用一直持续到试件破坏.GGCSC的破坏最终均由外部GFRP管中玻璃纤维的断裂引起.

3 结论

(1)由于内钢管的存在，GFRP-煤矸石混凝土-钢管空心柱荷载-位移曲线下降段相比实心柱明显变缓，说明加入内钢管有利于提高试件的延性.由于套箍作用，构件承载力的提高率随空心率的增加而降低.

(2)随着钢管壁厚的增加，钢管对混凝土的径向约束增加，进而提高了混凝土在三向应力状态下的强度.

(3)相同条件下，GFRP-普通混凝土-钢管空心柱承载力的提高率为54%，GFRP-煤矸石混凝土-钢管空心柱承载力的提高率为43%.这是由于套箍作用的影响.煤矸石混凝土与普通混凝土相比，荷载- 位移曲线第1段斜率减小，说明煤矸石混凝土的试件初始刚度比普通混凝土小；但煤矸石混凝土荷载-位移曲线第2段斜率高于普通混凝土，而且具有更长的增强段.

(4)钢管由于直接承受轴压，因此很早就发生屈服.但是钢管对混凝土的约束作用一直持续到试件破坏.GGCSC柱的破坏最终均由外部GFRP管中玻璃纤维的断裂引起.