玻璃纤维增强复合材料筋混杂纤维混凝土短柱轴心受压性能的研究*

2022-06-29肖良丽纪勤敏

工业建筑 2022年2期

肖良丽纪勤敏杜壮

(武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065)

钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构在恶劣环境条件下的主要问题。已经进行了几项研究来克服钢腐蚀问题，包括使用新材料代替钢筋[1]。玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋作为一种新型材料，因其高强质轻、抗腐蚀等主要的材料特性，能够代替普通钢筋用于工程结构中[2-3]，从本质上解决因钢筋锈蚀导致结构耐久性降低等工程实际问题[4-5]。随着对混凝土性能不断研究改进的过程，国内外材料学专家及学者发现将纤维掺入水泥基材料中能够提高混凝土的抗拉强度，使裂缝的开展得到抑制。纤维混凝土因其能降低混凝土脆性、提高其韧性便应运而生[6-13]。钢-聚乙烯醇(PVA)混杂纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土作基材，钢纤维和PVA纤维增强材料掺入基材中组成的复合材料。纤维与混凝土在工作中发挥材料各自的性能。钢纤维能够显著提高混凝土的抗拉强度和延性，对阻止混凝土裂缝的扩展具有很好的效果[14]。PVA纤维是一种高弹高模纤维，在混凝土中加入一定量的PVA纤维能够控制混凝土因温度和塑性收缩产生的裂缝，有效地改善混凝土的抗渗性和抗冲击性能[15]。

目前已有相关学者针对GFRP筋抗压性能开展相关研究，孙丽等在GFRP筋混凝土柱海水环境轴心受压试验中，得出海水环境下GFRP筋在受压短柱中具有比钢筋更好的性能优势和使用价值[16]。涂建维等设计5根配置螺旋箍筋和3根配置普通箍筋方形截面GFRP筋混凝土柱的轴心受压试验[17]，结果表明：GFRP纵筋承载力占GFRP筋混凝土柱极限承载力的3%～7%。邓宗才等进行了5个 GFRP筋混杂纤维混凝土(HFRC)柱和1 个未配筋 HFRC柱的轴压试验，结果表明：提高GFRP纵筋配筋率可以提高短柱的承载力，根据试验数据回归出了 GFRP筋HFRC柱峰值应力、峰值应变以及承载力的计算式[18]。

GFRP筋可以替代现有钢筋并发挥其耐腐蚀性的优点，钢-聚乙烯醇有提高混凝土强度，抗裂性和延性等优点，因此研究GFRP筋与不同掺量钢纤维和PVA纤维混杂对混凝土短柱力学性能的影响，并确定钢纤维与PVA纤维混杂效应时的最佳掺量，可为工程实例中类似的短柱提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所采用的水泥为普通硅酸盐水泥，按照水泥∶水∶砂∶石子=1.0∶0.54∶1.73∶3.05的配合比，制作C30普通混凝土。钢纤维和PVA纤维的主要参数见表1。

表1 纤维主要参数Table 1 Main parameters of fibers

试验中所采用的钢筋为表面喷砂带肋的GFRP筋，直径为8 mm，杆件肋间距为10 mm，肋高为1 mm，槽宽为4 mm。选择5根同一批次生产d=8 mm的GFRP筋进行拉伸试验测得的性能参数见表2。

表2 GFRP筋性能参数Table 2 Performance parameters of GFRP Bars

1.2 短柱设计与制作

试验制作了6根150 mm×200 mm×600 mm、长细比为4的GFRP筋混杂纤维混凝土轴心受压短柱，其配筋率为0.6%。研究GFRP筋混杂纤维混凝土短柱在不同纤维掺量下的破坏状态和规律。短柱的基本参数见表3，短柱尺寸及配筋见图1。

表3 短柱基本参数Table 3 Basic parameters of specimens

a—立面；b—1—1截面。图1 短柱尺寸、配筋 mmFig.1 Sizes and rebars of specimens

在绑扎钢筋笼时，扎丝采用十字交叉绑法，遇到变形箍筋不能绑扎太紧，防止GFRP筋弯曲变形影响试验结果。在粘贴应变片前，将筋体打磨平整，使用502胶将应变片贴于打磨处，焊锡接线，为了防止应变片损坏或短路，用AB胶覆盖住整个应变片，再用胶带将电线固定于钢筋笼上面。浇筑模板时采用立式浇筑且振捣密实，待养护完成后刷上腻子粉并用记号笔在上面画上50 mm×50 mm的网格线以便后期观测裂缝的发展。其中每组类型短柱浇筑6个混凝土试块,尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。短柱浇筑完24 h后拆模，养护28 d后进行试验。

同类型浇筑的6个混凝土立方体试块，其中抗压和抗劈裂试验各3个，在标准养护28 d后进行试验，混凝土立方体试块力学性能测得参数结果如表4所示。

表4 试块力学性能测试结果Table 4 Test results of mechanical properties of test blocks

可以看出：单掺PVA纤维体积为2%时，混凝土立方体抗压强度最低，并且其抗拉强度也较小；单掺钢纤维体积为2%时，混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均最高。从混杂掺量中对比可以看出，混凝土立方体抗压强度与劈裂抗拉强度随着钢纤维的增多而提高。观察拉压比一列中可以看出，掺入纤维的各个立方体试块的拉压比比不掺纤维的试块的均有所提高，表明纤维的掺入一定程度上提高了混凝土试块的延性，且随着纤维总掺量的提高拉压比也随之提高，较好地改善了混凝土试块的脆性破坏。

1.3 试验加载方案

为了研究GFRP筋混凝土轴心受压柱加载过程中应力、应变关系，在短柱中部位置的筋材处粘贴了应变片，如图2所示。短柱采用微机控制电液伺服压力试验机进行加载。加载初始保持值为20 kN,待油压稳定后，按照预算极限荷载的10%进行预加载，并按估算破坏荷载的5%进行分级加载，加载速度为0.5 kN/s;当短柱超过极限荷载的80%时，按估算破坏荷载的2%进行分级加载，加载速度为0.1 kN/s。每级加载完成后，进行数据的读取和裂缝的观测并记录。试验对GFRP筋应变和混凝土短柱应变分别进行了测量，其极限承载力由压力试验机读取，当数值超过极限荷载并下降到85%时，压力试验机判定短柱破坏，此时加载试验结束。

图2 测点布置 mmFig.2 Arrangements of measurment points

1.4 试验现象

GFRP筋混凝土短柱及普通钢筋混凝土短柱的受压破坏结果见表5。可以看出：短柱初始裂缝出现在边角处，内部筋体基本都被压断，短柱破坏特征为混凝土压碎破坏，混凝土先于GFRP筋发生破坏，可见混凝土对GFRP筋起到一定的保护和约束作用[19]。掺入纤维的GFRP筋混凝土短柱的开裂荷载要高于普通钢筋混凝土短柱，不掺纤维和单掺一种纤维的GFRP筋混凝土短柱的极限荷载低于普通钢筋混凝土短柱，掺入两种混杂纤维的GFRP筋混凝土短柱的极限荷载要高于普通钢筋混凝土短柱，短柱破坏形态见图3。

表5 短柱的受压破坏结果Table 5 Compressive failure results of specimens

2 试验结果

2.1 破坏形式分析

所有短柱加载时首先从边角处出现裂缝，并随着荷载增加缓慢向柱中部延伸。HC-1钢筋混凝土短柱与GC-1 GFRP筋混凝土短柱相比，GFRP筋混凝土短柱出现的裂缝短小密集，短柱整体性破坏严重，承载力没有普通钢筋混凝土短柱高，表明GFRP筋与混凝土的黏结效果不如钢筋与混凝土之间的好。但是，在GFRP筋混凝土中掺入一些纤维后承载力瞬时提高，短柱破坏后与普通钢筋混凝土短柱相比，完整性较好，表明纤维的加入有很好的阻裂性能，在混凝土没开裂前由混凝土承担拉力，混凝土开裂后由纤维承担拉力。纤维可以有效抑制微裂缝的扩展，从而增大混凝土的延性，其中短柱GP1S8-1与短柱GP20-1 增大混凝土延性效果最佳，PVA纤维能有效提高短柱的延性。

a—短柱HC-1破坏后形态；b—短柱GC-1裂缝形态；c—短柱GC-1破坏形态 d—短柱GP1S8-1破坏后形态；e—短柱GP1S14-1破坏后形态；f—短柱GP20-1破坏后形态；g—短柱GS20-1破坏后形态。图3 短柱破坏形态Fig.3 Failure modes of specimens

2.2 纵筋应变分析

HC-1;GC-1;GP1S8-1;GP1S14-1;GP20-1;GS20-1。图4 不同纤维掺量下轴心受压短柱荷载-GFRP筋应变曲线Fig.4 Curves between axially compressive loads on stubs and strain of GFRP bars in different fiber proportions of PVA

图4为不同纤维掺量下轴心受压短柱荷载-GFRP筋应变曲线。

可以看出：荷载-GFRP筋应变曲线前期呈线性关系，随着荷载增加慢慢呈非线性关系。相同应变下，GP1S8-1短柱所能承受荷载最大，GC-1短柱所能承受荷载最小，表明钢纤维与PVA纤维的掺入提升了GFRP筋短柱承受的荷载，在应变为1.0×10-3之前，短柱GP1S14-1与HC-1承受的荷载曲线基本一致，当应变达1.0×10-3之后，前者承载力明显大于后者，这是由于GP1S14-1中纤维发挥作用的影响。GC-1斜率变化基本呈线性状态，与普通钢筋相比呈脆性破坏，而其他加入纤维的GFRP筋短柱均有明显的塑性阶段，较好地提升了其延性，所有短柱中GP1S8-1的极限承载力最高，表明GFRP筋混杂纤维混凝土中PVA纤维掺量为0.1%、钢纤维掺量为0.8%的比例最好。

2.3 混凝土压应变分析

图5为不同纤维掺量下轴心受压短柱荷载-混凝土压应变曲线。

HC-1;GC-1;GP1S8-1;GP1S14-1;GP20-1;GS20-1。图5 不同纤维掺量下轴心受压短柱荷载-混凝土压应变曲线Fig.5 Curves between axially compressive loads on stubs and strain of concrete in different fiber proportions

在荷载作用下前期应变变化都不大，在加载初期基本呈线性关系；随着荷载增加，裂缝出现后，应变变化速度开始加快，短柱破坏速度也随之加快，图5中GP1S8-1混凝土极限应变为0.810×10-3，这是由于应变片提前破损导致的。其中短柱HC-1、GC-1、GP20-1均超过了混凝土的极限压应变3.3×10-3，而其余短柱压应变均小于混凝土极限压应变。钢纤维的加入使混凝土的弹性模量减小，而PVA则使混凝土弹性模量有所增加。

2.4 极限荷载值分析

荷载；荷载变化率。图6 不同纤维掺量轴心受压短柱的极限荷载Fig.6 Ultimate loads of axial compression stubs with different fiber proportions

图6为不同纤维掺量轴心受压短柱的极限荷载曲线。可见：所有GFRP筋混凝土短柱的极限荷载与普通钢筋混凝土短柱的相对比，只有短柱GP1S8-1与短柱GP1S14-1的极限承载力有所提高，分别提高了18.1%与13.6%，表明钢纤维与PVA纤维的掺入对GFRP筋混凝土短柱极限承载力的提高有很大帮助，其中钢纤维掺入提升了短柱的承载力，PVA纤维的掺入提升了短柱的延性。