纤维布约束超高性能混凝土短柱轴压性能*

安凯旋， 王旭月， 刘中宪,2， 李慧玮， 王海良

(1 天津城建大学，天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室， 天津 300384；2 天津市地震工程研究所， 天津 300384)

0 引言

近年来，纤维布(fiber reinforced polymer,FRP)对混凝土约束效果已被广泛研究，发现FRP约束可以显著提高混凝土构件的承载能力及延性[1-2]。陈世欣等[3]、顾祥林等[4]和Cui等[5]研究发现FRP的提高效果与核心混凝土强度成负相关。贾明英等[6]通过不同FRP对普通混凝土约束效果研究发现：试件外包碳纤维、玻璃纤维及芳纶纤维布，轴心抗压承载力分别平均提高127%，76%和166%。蒋小青等[7]、Toutanji等[8]和李静等[9]分别研究了不同种类纤维布对于混凝土的约束效果和应力-应变曲线特点的影响。Rochette等[10]和赵彤等[11]研究了FRP层数对混凝土短柱应力-应变曲线的影响。除此之外另有学者从不同角度分析了FRP对于混凝土的增强作用[12-14]。

但众多研究中，核心混凝土的强度多为普通混凝土(normal strength concrete, NSC)和高强混凝土(high strength concrete, HSC)。近年来，超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)作为一种新兴且极具潜力的水泥复合材料，具有超高强度、超高韧性、低渗透性、更好的耐磨性以及耐久性等优点[15]。但是FRP约束UHPC短柱的研究较少[16-21]，且参数分析不够系统、全面。外层FRP的制作多为机器缠绕或者预制FRP管，对于更贴近于工程后期加固的手糊粘贴方式则研究较少。

为得到FRP约束UHPC短柱单轴的抗压性能，本试验通过设置NSC和HSC短柱来对比其性能及不同FRP的种类和层数对UHPC的增强效率，所有试件的FRP均为手糊粘贴。本文从应力-应变曲线类型、极限强度提高率、极限应变和约束比几个方面分析了FRP对于UHPC短柱的增强作用，以及相对于NSC及HSC在破坏形态和力学性能等方面区别。

1 短柱压缩试验

1.1 试验材料及性能

本试验核心混凝土分别为UHPC，HSC和NSC，其配合比如表1～3所示，立方体抗压应力-应变曲线如图1所示，UHPC, HSC, NSC极限抗压强度分别为150, 80, 40MPa。FRP采用了碳纤维布(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)和玻璃纤维布(glass fiber reinforced polymer, GFRP)，FRP属性见表4。

图1 短柱中填充的三种混凝土应力-应变曲线

1.2 试验分组

本试验制作试件与《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB 50608—2010)[20]要求一致，试件直径150mm,高300mm。试件两端用25mm碳纤维布条进行环箍加固，避免端部应力集中试件提前破坏。加固方式采用规范要求连续满包方式粘贴纤维布，纤维方向与构件垂直，最外圈搭接1/4周长，如图2所示。采取高强石膏对两底面找平，以减少因短柱底面不平整及两底面与短柱母线不垂直产生的试验误差。本次试验共设置3组18个试件，短柱试件参数如表5所示。

UHPC配合比 表1

HSC实验室基准配合比 表2

NSC实验室基准配合比 表3

FRP种类以及性能参数 表4

短柱试件参数 表5

图2 FRP约束混凝土柱

1.3 试验设置

试验采用YAW-20000型微机控制电液伺服压力试验机。位移计均匀布置于试件四周，如图3所示。加载方式：第一步采用力控制，以1kN/s的速率加载至100kN，保持5s，使试验机承压板与试件压实；第二步改用位移控制，以0.5mm/min 速率进行加载。当试件的残余强度下降到极限强度的30%左右，即停止试验。

图3 现场试验图及位移计设置图

2 结果与讨论

试验过程中试件均表现为：随着施加荷载的增大，短柱有时会有较小的混凝土局部碎裂，而在达到极限承载力之后，伴随着FRP断裂试件破坏，核心混凝土失去承载力。主要试验结果如表6所示。

引入极限强度提高率rσ来描述对极限强度的提高效果，其计算公式为：

(1)

式中：fu为短柱极限强度；fco为核心混凝土的极限强度。

约束应力fr计算公式为：

(2)

式中：ffrp为FRP极限拉伸强度；tfrp为FRP厚度；D为短柱直径；n为FRP层数。

2.1 混凝土类型影响

不同核心混凝土短柱破坏形态有显著区别，具体区别如下：1)NSC短柱试件破坏时核心混凝土内部裂缝较多，破坏时粗骨料散落，试件破碎为两段且大量碎屑完全失去整体性，破坏形态如图4(a)，(b)所示；2)HSC短柱试件破坏时，内部裂缝较多，破坏时核心混凝土压碎成若干块，试件失去整体性，如图4(c)，(d)所示；3)UHPC短柱试件在破坏时其核心混凝土因延性优异，只有一条主裂缝贯穿两端，试件整体性良好，并未完全失去承载能力，如图4(e)，(f)所示。

图4 试件破坏形态

不同核心混凝土短柱的应力-应变曲线如图5，6所示，可以得出：1)弹性阶段的弹性模量都随着核心混凝土强度的增大而增大；2)核心混凝土强度越高，其到达极限强度的应变相应越小。

图5 3层CFRP 约束短柱试件应力-应变曲线

FRP约束UHPC短柱试件单轴应力-应变曲线不同于FRP约束NSC试件和FRP约束HSC试件的单轴应力-应变曲线，UHPC短柱试件加载过程中应力出现波动，表现出突降或突升现象。UHPC短柱试件抗压强度高，内部微观结构致密以及钢纤维的拉结作用抑制了混凝土裂缝的延展。产生此现象的原因为：当混凝土裂缝非常小时，应力降低量非常轻微，受FRP约束影响，应力降低后可随后恢复，应力恢复得益于UHPC短柱试件内部钢纤维能够有效地限制混凝土裂缝发展和碎块的剥落；当裂缝足够大时，应力波动量大并且难以恢复。

主要试验结果及参数 表6

2.2 FRP种类影响

当FRP种类作为变量时，其对照组应力-应变曲线如图7～10所示。可以得出：1)无论何种核心混凝土，均CFRP约束混凝土短柱试件对短柱极限强度的提高程度较GFRP约束混凝土短柱试件优异；2)CFRP约束混凝土短柱试件弹性阶段的弹性模量比GFRP约束混凝土短柱试件稍大；3)混凝土强度不变情况下，应变硬化现象的出现需要的CFRP层数阈值小于GFRP的层数阈值。

图6 5层GFRP 约束短柱应力-应变曲线

图7 3层纤维布约束NSC短柱应力-应变曲线

图8 5层纤维布约束HSC短柱应力-应变曲线

图9 3层纤维布UHPC短柱应力-应变曲线

图10 5层纤维布UHPC短柱应力-应变曲线

2.3 约束比影响

使用约束比fr/fco来直观描述FRP对于核心混凝土的约束效果。CFRP约束混凝土短柱试件和GFRP约束混凝土短柱试件的约束比如图11,12所示。由图11，12可知，1层和3层CFRP约束以及3层和5层GFRP约束，其约束比均表现为NSC>HSC>UHPC；图中曲线的斜率随着FRP层数增加而减小。

图11 约束比随CFRP层数的变化曲线

不同种类FRP对约束比影响如图13所示，由图可知，控制其他变量不变时，NSC和UHPC分别在同样3层FRP情况下，CFRP的约束比分别相对于GFRP提高了0.013和0.033。同样5层FRP约束HSC与UHPC，CFRP的约束比分别比GFRP提高了0.041和0.018。

图13 FRP对约束比影响

综上所述：1)CFRP和GFRP约束混凝土短柱的约束比均随着核心混凝土强度增大而减小；2)约束比随着纤维布层数的增加而增大，但是约束比的增大速度略有减缓；3)同种情况下，CFRP约束短柱的约束比均高于GFRP约束短柱的约束比。

2.4 FRP层数影响

2.4.1 CFRP约束混凝土短柱

图12 约束比随GFRP层数的变化曲线

不同层数CFRP约束NSC短柱应力-应变曲线如图14所示，由图可知对于NSC短柱，不同层数CFRP的约束都使其应力-应变曲线表现出应变硬化的特征。不同层数CFRP约束HSC短柱应力-应变曲线如图15所示。由图可知，HSC短柱在1层CFRP约束下未出现应变硬化；当CFRP为3层、5层时曲线表现出应变硬化特征。不同层数CFRP约束UHPC短柱应力-应变曲线如图16所示，由图可知核心混凝土为UHPC时，不多于3层CFRP约束短柱的应力-应变曲线均未现应变硬化阶段，5层CFRP时曲线表现出应变硬化。

图14 不同层数CFRP约束NSC短柱应力-应变曲线

图15 不同层数CFRP约束HSC短柱应力-应变曲线

图16 不同层数CFRP约束UHPC短柱应力-应变曲线

综上所述，同种核心混凝土短柱的极限强度和极限应变随CFRP层数的增加而增大；随着混凝土强度的提高，应变硬化现象的出现需要的CFRP层数阈值增大。

2.4.2 GFRP约束混凝土短柱

不同层数GFRP约束NSC短柱应力-应变曲线如图17所示，对于NSC短柱试件，不同层数GFRP的约束都使试件的应力-应变曲线表现为应变硬化的特征。不同层数GFRP约束UHPC短柱应力-应变曲线如图18所示，核心混凝土为UHPC时，5层及以内GFRP约束的短柱应力-应变曲线没有出现应变硬化，9层GFRP时曲线表现出应变硬化。

图17 不同层数GFRP约束NSC短柱应力-应变曲线

图18 不同层数GFRP约束UHPC短柱应力-应变曲线

综上所述，核心混凝土不变情况下，GFRP约束短柱的极限强度和应变都随着GFRP层数的增加而增大；随着混凝土强度的提高，应变硬化现象的出现需要的GFRP层数阈值增大。

综合第2.4.1节和第2.4.2节讨论可以得出：核心混凝土不变情况下，CFRP，GFRP约束短柱的极限强度和应变都随着GFRP层数的增加而增大；随着混凝土强度的提高，应变硬化现象的出现需要的CFRP和GFRP层数阈值增大；同种混凝土情况下CFRP层数阈值要低于GFRP。与众多学者研究[16-19]不同的是：1)在FRP层数较少时，UHPC短柱的应变硬化阶段没有出现或者不明显；2)当FRP层数达到阈值，其曲线均出现应变硬化。产生此现象的原因为：手糊粘贴质量与机器缠绕或预制FRP管有较大差距，但是工程加固中手糊粘贴FRP方法应用广泛，研究具有必要性。

2.5 FRP对极限强度的提高率影响

通过极限强度提高率rσ描述FRP对于混凝土的约束效果。CFRP约束混凝土短柱和GFRP约束混凝土短柱的rσ变化曲线如图19，20所示，由图得知，两种同层数纤维布约束的rσ均为随着核心混凝土强度提高而降低，rσ随着纤维布层数的增加而增大，并且呈现出较强的线性相关关系；由于CFRP比GFRP具有更高的抗拉强度和更低的变形能力，变量只为FRP种类时，CFRP在3层和5层时均比GFRP的rσ大。这和邓宗才[18]所得到的结论一致：与未约束试件相比，3，5，7 层CFRP约束试件抗压强度分别提高63.88%，104.40%和167.90%；3，5，7 层GFRP约束试件抗压强度分别提高10.25%，56.71%和140.44%。CFRP约束混凝土短柱下应变变化曲线如图21所示，由图可知，极限应变随着核心混凝土强度提高而降低。GFRP约束混凝土短柱下应变变化曲线如图22所示，由图可知，极限应变随着FRP层数增加而增加。

图19 CFRP约束混凝土短柱rσ变化曲线

图20 GFRP约束混凝土短柱rσ变化曲线

图21 CFRP约束混凝土短柱应变变化曲线

图22 GFRP约束混凝土短柱应变变化曲线

综上所述：1)CFRP和GFRP约束的试件rσ均为随着核心混凝土强度提高而降低；2)rσ和极限应变都随着核心混凝土强度提高而降低；3)rσ和极限应变随着纤维布层数的增加而增大。

3 结论

(1)当UHPC短柱FRP层数达到阈值前，试件达到极限强度后，承载力迅速下降，表现出明显的脆性特征；当FRP层数达到阈值后，发生破坏后仍能保持良好整体性。

(2)CFRP比GFRP能更好地提高混凝土短柱的极限强度,而且应变硬化现象的出现需要的CFRP层数阈值小于GFRP层数阈值，具有更好的约束效果。

(3)约束比随着FRP层数增加而增大，CFRP的约束比大于GFRP，FRP可有效提高混凝土短柱极限强度，并随着FRP层数的增加而提高。

(4)随着核心混凝土强度的提高，应变硬化现象需要的FRP层数阈值越来越大，即需要的约束比越来越大。

(5)极限强度提高率和极限应变均与核心混凝土强度呈负相关，且都随着FRP层数的增加而增大。同样层数下CFRP能比GFRP具有更大的极限强度提高率。

(6)为了使极限强度得到大幅提高以及能更好地保证应变硬化阶段的出现，手糊式FRP约束UHPC短柱需要较高的侧向约束。