带纤维编织网增强ECC层钢管混凝土轴压力学性能试验研究

成 彤，李宁景，陈光明，李召兵，熊 焱，赵新宇

(1.广州市城建规划设计院有限公司， 广东 广州 510230； 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室, 广东 广州 510641)

钢管混凝土是一种在工程得到广泛应用的组合结构形式，由混凝土浇筑在不同形状的钢管中形成.在钢管混凝土中，钢材和混凝土两种材料在受力过程中能形成如下有利相互作用：钢管对核心混凝土提供约束作用，使混凝土处于三向受压应力受力状态，后者强度与变形能力均得到显著提升，同时钢管还与混凝土共同受力，承受部分外力；而混凝土能对钢管形成侧向支撑，提升其抗屈曲能力.此外，钢管还可以作为浇筑混凝土的模板、实现免模板施工[1-2].钢管混凝土存在一些不足，如：耐腐蚀及耐高温能力不足；受压荷载较大时，钢管可能向外屈曲导致承载力下降[3].耐火性不足，一般涂抹防火涂料[4-5]加以解决.此外，还可以通过设置横向增强措施(如设置栓钉、约束拉杆和箍筋等)和纵向增强措施(如纵向加劲肋、钢骨和纵向钢筋等)来提升钢管混凝土柱的轴向受力性能.上述增强措施中，一部分还能提升钢管混凝土柱的耐高温性能(如设置箍筋、设置约束拉杆等)；然而，大多数的增强措施都会增大钢材用量，从而增加造价[6].因此，如何在增强钢管混凝土受力性能的同时，提升其耐久性及耐高温性能，同时不增加用钢量，是一个既有科学研究价值又有重要工程应用价值，亟待解决的技术问题.

ECC(Engineered Cementitious Composite)是一种具有多裂缝开展和应变硬化特征的纤维增强水泥基复合材料，具有受拉延性好、韧性高、耐久性好等优点；ECC的抗压强度与普通混凝土类似，弹性模量略低于普通混凝土，但其极限拉应变能达3%以上，最大裂缝宽度能控制在50 μm以内(平均裂缝间距1 mm[7]).ECC中常用的纤维有PVA(聚乙烯醇)纤维、PE(聚乙烯)纤维及PP(聚丙烯)纤维等.现有研究通过对PVA-ECC、PE-ECC和普通混凝土的抗压性能进行比较，发现PVA-ECC有更好受压延性[8].常温下PVA纤维能起到桥联作用从而抑制裂缝发展，高温时又能熔融形成水蒸汽溢出通道，有利于内部水蒸气压力释放，避免ECC发生爆裂，使得ECC在经历了高温后的完整性优于普通混凝土[9-11]；因此，ECC除了具有上述受力性能及耐久性方面的优点外，还具有较好的耐高温性能.

纤维编织网增强ECC(Textile-reinforced ECC)是将纤维编织网(textile)嵌入ECC基体中组成的一种新型纤维增强复合材料应用形式，以下简称TR-ECC.与纤维编织网增强混凝土(Textile-reinforced concrete，简称TRC)和纤维编织网增强砂浆(Textile-reinforced mortar，简称TRM)相比，TR-ECC具有更好的韧性、延性及变形能力，能更好地控制裂缝开展(较细的多裂缝).因此，将纤维编织网与ECC材料结合，不仅能够解决ECC中乱向分布的短切纤维(PVA)不能有效承担荷载的问题，还能够解决TRC开裂后导致基体刚度及承载的能力不足，同时能避免纤维编织网和基体界面因为基体开裂早期脱粘的问题，提高纤维编织网与基体间的界面粘结性能，从而有效控制裂缝的发展，使该新型纤维增强复合材料具有优异的力学性能(如延性及变形能力，后期刚度)和裂缝控制能力[12-13].Al-Gemeerl 与Zhu等[14]采用玄武岩纤维编织网和ECC基体相结合的方法，研究了其对于混凝土柱的约束效果.试验发现玄武岩纤维编织网增强ECC具有限制混凝土圆柱膨胀的潜力，对被约束柱的延性和承载能力都有较大改善.高皖扬等[15]开展了使用TR-ECC加固的受火后混凝土板(8块)的四点弯曲试验.试验结果表明：利用玄武岩纤维编织网增强ECC加固受火后混凝土板能够有效抑制裂缝的开展；加固受火后混凝土板抗弯承载力提升幅度在 70%～200%之间；潘金龙等[16-17]研究了ECC外包钢管混凝土柱的滞回性能和轴压性能.试验结果表明：ECC包裹钢管混凝土柱具有更高的承载力和更好的延性，累计耗能是相同几何形状的混凝土包裹钢管混凝土柱的两倍左右.因ECC层较厚，实际工程应用时成本高，不经济.卢亦焱等[18]则对采用碳纤维编织网增强ECC加固钢管混凝土柱的轴压力学性能进行了试验研究，研究了纤维编织网层数、钢管径厚比及混凝土强度对组合柱轴压力学性能的影响.试验结果表明：ECC加固层能有效提升钢管混凝土柱的承载力，且添加纤维编织网的试件表现出了更高的延性.但是，该研究测试的试件尺寸较小(圆柱体140 mm×500 mm)，试验结果虽然初步证实了采用碳纤维编织网增强ECC加固钢管混凝土柱的可行性，其实际工程应用价值有待较大尺寸试件研究进一步确认.另一方面，该研究中，TR-ECC加固层采用手工涂抹方式附着在钢管混凝土柱表面，耗时较长，效率较低，控制ECC的厚度有一定的困难.

现有对钢管混凝土构件的研究多集中在其常温力学性能方面，而对其耐久性与极端条件(如高温或火灾)性能的研究相对较少.针对钢管混凝土的增强措施一般都会增加用钢量，仅有小部分措施能同时增加其耐高温性能及耐久性.TR-ECC作为一种新型ECC应用形式，将其用于钢管混凝土的外包加固，具有以下优势：由于采用了具有良好的抗裂性能、韧性及抗高温爆裂性能的ECC作为基体材料，同时由于使用纤维编织网作为增强材料，使TR-ECC的加固效果明显高于ECC单独使用，有望同时提升被加固钢管混凝土的耐高温性能及受力性能.由此，本文开展了带纤维编织网增强ECC(TR-ECC)加固层的钢管混凝土轴压力学性能试验研究.带纤维编织网增强ECC加固层有望实现以下效果：(1)作为保护层提升钢管耐腐蚀能力不足；(2)作为保护层提升钢管耐高温不足；(3)作为约束措施抑制由于钢管外屈曲，避免早期轴向承载力下降，从而提升其受压力学性能.其中效果(3)的实现主要是由于带纤维编织网增强ECC加固层有可观的后期约束刚度.本课题系统研究了ECC厚度、纤维编织网层数、钢管厚度及受高温作用对带纤维编织网增强ECC加固层钢管混凝土轴压力学性能的影响.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

为研究带TR-ECC层的钢管混凝土力学性能，共设计了3组共9根较大尺寸组合短柱，如表1所示.试件编号含义如下：第一个字母S代表钢管，其后数据代表钢管的厚度(单位mm)；第二个字母E表示ECC层，其后数据表示ECC层的厚度；第三个字母G表示纤维编织网，其后数据表示纤维编织网的网眼间距.具体而言，9个试件包括2根钢管混凝土柱(如S4、S8)，2根带ECC层钢管混凝土柱(如S4E25、S4E50)及5根带纤维编织网增强ECC层钢管混凝土柱试件(如S4E50G50、S4E50G25)，其中，钢管混凝土柱主要用于对比研究.所有试件钢管外径均为300 mm，高度均为900 mm，主要变化参数为钢管厚度、ECC厚度及纤维编织网网眼尺寸.钢管使用的钢材设计强度等级为Q345，混凝土设计强度等级为C30.试件主要参数如表1所示，构件横截面示意图如图1所示.

表1 试件主要参数Tab.1 Main parameters of specimens

图1 试验试件截面图示意图Fig.1 Section diagram of test specimen

需要指出的是：由于本研究中试件采用了接近实际工程的较大截面尺寸，试件ECC层最大厚度依据《建筑构件耐火实验方法 第1部分：通用要求》(GB/T 9978.1—2008)[19]，以按照ISO 834标准升温曲线升温120 min钢管表面温度不超过400 ℃(大于此温度钢管受力性能将发生明显退化[20])为原则，通过有限元分析选定.试件浇筑过程按照如下步骤进行：(a)浇筑钢管内混凝土，(b)在钢管外表面焊接栓钉，(c)将编织网固定在栓钉上，(d)固定GFRP管作为外模板，(e)在GFRP管和钢管之间浇筑ECC，(f)去掉GFRP管模板(如图2 所示).

图2 试件浇筑过程示意图Fig.2 Process of casting specimen

1.2 材性力学性能

1.2.1 NSC/ECC材料性能

普通混凝土的材料性能试验参考ASTM-C469/C469M-14[21]规范，浇筑了3个Φ150 mm×300 mm的标准圆柱体，在60 d测得的混凝土强度性能如表2所示.ECC的强度和弹性模量测试参考日本土木工程协会标准[22]，分别通过3个Φ100 mm×200 mm的圆柱体进行受压性能测试，同时准备3个狗骨形试件进行受拉性能测试,分别在试件试验阶段(浇筑试件约7个月)和28 d测得的ECC材料性能如表3所示.

1.2.2 钢管材料性能

试验所用钢管为Q345有缝(焊接)钢管，厚度有两种，分别为4 mm和8 mm.参考GB/T 228.1—2010规范[23]，在每种厚度的钢管非焊接区沿纵向各切割了3根狗骨形试样用于测量钢材的屈服强度、弹性模量和泊松比.钢管材性试验结果如表3所示.

表2 混凝土材料性能Tab.2 Material properties of concrete

表3 ECC材料性能Tab.3 Material properties of ECC

表4 钢材材料性能Tab.4 Material properties of steel

1.3 试验装置及测量方案

研究试件加载均在华南理工大学结构实验室1 500 t长柱压力机上进行，加载装置如图3所示.位移计(LVDT)及应变片测点布置如图4所示.

图3 加载装置图Fig.3 Test set-up

图4 测点布置Fig.4 Arrangement of measuring points

对钢管混凝土试件及TR-ECC加固钢管混凝土试件，在钢管或ECC层试件中部处沿环向间隔90°共布置4个纵向应变片和4个横向应变片，同时在每个试件的中部沿着环向等间距安装了4个量程为100 mm的LVDT(即LT1-LT4)用以测量柱中高度450 mm范围的轴向变形；此外，还安装了两个位移计LT5和LT6用以测量试件的轴向总变形.加载方式采用位移控制，参考柳钦[24]的轴压试验方案，轴向应变增长速率取10-5/s，位移加载速率取0.009 mm/s.在正式加载之前，对试件进行预压.施加10%的预估极限荷载，观察轴向应变片读数，按照如下方式检验试件是否对中.试件上对称位置2个轴向应变数据之差在其平均值的±10%范围内，然后进行正式加载.加载至满足以下两个条件之一时停止加载：(1)荷载下降至85%峰值荷载；(2)试件到达最大荷载点后荷载下降至最低谷且开始出现明显上升趋势(不考虑加载过程可能出现的荷载瞬时快速下降，然后回弹上升的情况，详见论文第4节讨论).

2 试件破坏过程及破坏模态

部分试件的典型最终破坏模态图5所示.破坏模态及破坏过程归纳如下：(1)两个CFST试件(S4和S8)的破坏过程和破坏模态基本相同，即当竖向荷载增至约90%峰值荷载时，钢管受压屈服，试件进入弹塑性阶段；当竖向荷载到达峰值并开始迅速下降至峰值的90%时，试件中部及附近开始发生膨胀，随着荷载的继续增加，局部屈曲现象逐渐明显，试件上端部或下端部出现“象足屈曲”直至钢管沿焊缝开裂，试验结束；(2)外包ECC或TR-ECC的钢管混凝土试件：外包层一般在加载至第一个峰值荷载时出现一条明显裂缝(肉眼可视)，同时伴随较大开裂声响，荷载急剧下降随后上升.随着荷载的增加，其他细裂缝逐渐产生并发展，裂缝开展整个过程伴有滋滋声，开裂处能看到ECC中的PVA纤维拔出，表明该处PVA逐渐失去桥联作用.对于外包ECC层试件(S4E25及S4E50)，试验后期ECC开裂开展非常明显(裂缝宽度在5 mm以上)甚至完全脱落(S4E50)；对于有纤维编织网的试件，裂缝发展相对缓慢，且试件破坏时外包层并未完全脱落，试件的完整性更好，个别试件(如S4E50G25)由于加载时间较长，试验停止时位移已达到试验机器量程，因此ECC层裂缝开展达到10 mm以上，同时钢管变形更加严重；(3)去掉外包ECC层后，发现所有钢管都存在向外鼓曲变形，有ECC外包层的试件钢管变形情况要比无外包层试件(纯CFST试件)的变形轻微.具体而言，对于钢管厚度为4 mm的试件，外包层的存在对于钢管的变形起到了一定的延缓作用.对于钢管厚度为8 mm的试件，外包层的存在对于钢管的变形起到了非常明显的抑制作用(屈曲变形不明显).对比外包ECC层及TR-ECC层的试件，发现仅有ECC层的试件局部屈曲变形较为明显，而有纤维编织网(TR-ECC层)的试件屈曲变形不明显或仍处于发展阶段(上述S4E50G25除外).

图5 破坏模态图Fig.5 Photos of failure modes

3 荷载-位移曲线

所有试件的荷载-位移曲线如图6所示.图6中，为了更加清晰显示曲线规律，采用了全局图(图6(a))及局部放大图(图6(b))结合来展示.根据曲线的特点，所示的荷载-位移曲线可以分类如下：第一类呈现“n”型，特征为曲线上升至顶点后平稳下降，表现为良好的延性，为典型的钢管混凝土荷载-位移曲线(试件S4, S8).第二类为“m”型，特征为曲线上升至第一个峰值后迅速下降，然后缓慢上升至第二个峰值点，最后平稳下降，在平稳下降节段与“n”型曲线类似；所有的带ECC与TR-ECC加固层的试件曲线属于“m”型.对“m”型曲线进行详细比较可知：(1)当ECC或TRECC层的厚度较大时(50 mm)，曲线的第一个峰值荷载会明显大于第二个峰值荷载，因此最大荷载出现在第一个峰值点；同时，第一个低谷点一般都小于最大荷载0.85倍(0.85Pk)，因此，可以认为极限状态出现在第一个下降段.(2)当ECC或TR-ECC层的厚度较小时(25 mm)，第一个峰值荷载会略小于第二个峰值荷载，因此最大荷载一般出现在第二个峰值点，而极限状态一般出现在第二个下降段，一般为第二个低谷点(试件S4E25)或下降至0.85倍最大荷载对应点(试件S4E25G25，S4E25G50).(3)网格的网眼尺寸大小对第一个峰值点后曲线的下降趋势有一定的影响：一般纤维编织网网眼尺寸越小，下降段刚度绝对较小(坡度较为平缓)，同时第一个低谷对应荷载较高，此现象与纤维编织网对ECC层内裂缝开展的抑制作用相关；但是图6结果同时表明，纤维编织网网眼尺寸对最大荷载的影响规律不明显, 有待继续深入研究.此外，需要指出的是，钢管的屈服点(考虑轴向与环向应力并由于von Mises确定)一般会发生在上述第一个峰值点之前(个别“m”型曲线会发生在第一个峰值后的下降段，如S4E50G50)并与该峰值点比较接近，而ECC层开裂(见表5)发生在所述屈服点之后并与上述峰值点接近，说明钢管屈服导致较大塑性变形可能是出现ECC层开裂及荷载达到峰值的诱因.根据上述试验现象，可以得出如下结论：(1)较厚ECC层能明显提升钢管混凝土的承载力，但是会导致出现两次峰值，可能导致试件延性下降(即出现“m”型荷载-位移曲线，原因详见第4节“关键结果分析及讨论”)；(2)纤维编织网网眼尺寸对承载力影响规律不明显，仅仅影响第一个下降段刚度，理论上可能影响延性，但是规律比较离散，有待继续深入研究.

图6 荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves

4 关键结果分析及讨论

本研究的关键结果表5所示.图7～9为最大荷载、最大荷载对应位移、延性系数的柱状图.需要说明的是，表5所示轴向刚度是通过荷载-轴向位移曲线初始上升段两点(荷载为500 kN与3 500 kN)之间的斜率近似估算确定.由表5可知，ECC层及TR-ECC层加固明显增强了钢管混凝土的轴向刚度，其中厚度为50 mm厚的ECC层对轴向刚度的增强较为显著，而纤维网格尺寸对试件轴向刚度影响不大.

图7 最大荷载柱状图Fig.7 Bar chart of maximum loads

由图7可知，25 mm厚ECC层对试件承载力(最大荷载)影响不大，而50 mm厚ECC层能明显增加试件承载力，但是纤维网格尺寸对试件承载力影响不大.

图8显示，ECC加固层可能大幅减少最大荷载对应的位移，其中厚度为50 mm的ECC层对上述位移的减小非常明显.造成上述现象的主要原因为钢管开始屈服后，ECC层的裂缝迅速开展，随后不能再与钢管混凝土部分协同工作(详见第3节论述)而导致试件荷载整体降低出现第一个峰值点，后续加载过程中，由于钢管材料进入强化段及对混凝土约束效应的增加，可能导致出现第二个峰值点.

图8 最大荷载对应位移柱状图Fig.8 Bar chart of displacements corresponding to maximum load

图9 延性系数柱状图Fig.9 Bar chart of ductility coefficients

图9表明：虽然25 mm厚的ECC层能导致加固试件延性系数有一定的增加，但是50 mm厚ECC层将导致加固试件延性系数明显降低，这个是由相关试件的荷载到达最大值后快速降低并达到极限状态直接相关[如图6(b)]所示.另外，从图7～9可知，纤维编织网的网眼尺寸除了对ECC层厚度为25 mm最大荷载对应的位移有一定的影响外(网眼尺寸减小导致最大荷载对应的位移增加)，对其他主要结果的影响不大.

表5 关键试验结果Tab.5 Key test results

5 结论

根据试验结果及其分析，可以得到如下结论：

(1)ECC层能有效增加钢管混凝土试件的初期轴压刚度及承载力，但是对变形能力(极限位移)及延性可能有不利的影响；主要原因在于ECC层虽然有较好的受拉延性及变形能力，但受压时候的抗裂能力、变形能力及延性一般，导致在受压构件中，在加载后期ECC层不能与钢管混凝土协同工作.增加ECC层厚度可明显提升钢管混凝土的承载力及初始轴向刚度，但是可能导致试件延性下降，出现两次峰值(即荷载-位移曲线呈现“m”型)；

(2)纤维编织网能在一定程度上延缓或抑制ECC开裂后的裂缝发展，但是对初始开裂荷载影响不大；ECC加固层的开裂紧随钢管屈服之后，说明钢管的向外变形及屈服是导致ECC加固层开裂的主要原因.纤维编织网的网眼尺寸除了对ECC层厚度为25 mm最大荷载对应的位移有一定的影响外(网眼尺寸减小导致最大荷载对应的位移增加)，对其他主要试验结果的影响不大.后续研究中需要针对纤维编织网的影响开展进一步的深入研究(含纤维编织网的层数)以厘清其潜在影响.

研究结果还表明，需要在后续研究中优化纤维编织网的用量及布置，使之与ECC层厚度匹配，以能更好地起到限制ECC加固层裂缝开展作用，在增强ECC层对强度及刚度增强的同时，避免上述对变形能力(极限位移)及延性的不利影响.