冻融环境下GFRP管混凝土柱轴压性能试验研究

高永红，陈凌峰，金清平

（武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065）

0 前言

纤维增强聚合物（FRP）管混凝土柱作为一种新型组合结构，在土木工程领域得到了广泛关注，与传统建筑材料相比，FRP材料在轻质高强耐腐蚀等方面具有显著的优越性［1⁃4］。其中GFRP管混凝土柱应用最为广泛［5⁃9］。因此学者们围绕GFRP管混凝土柱在特殊环境下的耐久性进行了一系列的研究。目前对GFRP管混凝土柱在耐久性能的研究多集中在浸泡、干湿循环、盐碱、酸性环境等。Wang等［10］研究表明在GFRP管混凝土柱冻融循环过程中，环氧树脂吸收的水分引起膨胀应力，使材料体积膨胀，在树脂相与界面相之间产生微裂纹，最终导致GFRP管混凝土柱的力学性能恶化。Guo等［11］研究了混凝土填充GFRP管（CFGT）短柱在酸腐蚀后的压缩行为。结果表明，浸泡时间对酸腐蚀GFRP管混凝土短柱的极限强度影响最大，GFRP管壁厚和混凝土强度的影响可以忽略不计。张慧娟等［12］研究了水、海水浸泡环境对GFRP管混凝土短柱的承载力与轴向极限应变的影响，发现水与海水均会削弱GFRP管对混凝土的约束效果，且影响效果相似，浸泡环境下试件承载力呈指数型下降，随着浸泡时间的延续，试件的极限承载力趋于平稳。吕珍莹等［13］研究了盐溶液干湿循环下对GFRP管混凝土柱极限承载力的影响。结果表明，随着干湿循环时间的增加，GFRP管混凝土柱的极限承载力下降的速度增加。Li等［14］研究了海水海砂混凝土填充GFRP管在人工海水下的耐久性进行了轴压实验。试验结果表明，随着浸泡时间的增加，GFRP管混凝土柱的极限强度和相应的轴向应变逐渐降低。也有研究揭示了GFRP管混凝土柱冻融环境下的力学性能变化。张云峰等［15］研究发现冻融循环作用对GFRP管混凝土短柱极限承载力、GFRP管与核心混凝土之间的黏结强度有较大的影响，随着冻融循环次数的增加，GFRP管混凝土短柱的极限承载力、GFRP管与核心混凝土之间的黏结强度均降低。综上所述，考虑氯盐⁃冻融循环耦合作用下GFRP管混凝土柱的研究相对较少。本文从不同冻融介质和冻融循环次数两方面研究对GFRP管混凝土（后文简称为CFGT）柱轴压性能影响。研究可为冻融环境下的CF⁃GT柱实际工程应用提供依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

GFRP管，基体为环氧树脂，纤维缠绕角度为30 °，扬州屹能电工有限公司；

C40混凝土，水泥∶水∶砂∶碎石为1∶0.47∶1.64∶3.48，选用42.5级普通硅酸盐水泥，细黄砂，自来水，粒径级配范围5～20 mm的碎石。

1.2 主要设备及仪器

混凝土快速冻融试验机，TDR⁃10，北京中科德众科技有限公司；

非金属超声检测仪，ZBL⁃U5100，北京智博联科技股份有限公司；

微机控制电液伺服压力试验机，WAW⁃1000，济南试金集团有限公司；

程控静态电阻应变仪，UT7808，武汉优泰电子技术有限公司。

1.3 样品制备

本文试验共设计制作42个试件，包括21个CFGT柱试件和21个素混凝土柱对照组试件。CFGT柱用GFRP管做模板，高度为300 mm，管内混凝土直径为100 mm，管壁厚2.5 mm。素混凝土柱用PVC管做模板，直径为100 mm，高度为300 mm，如图1所示。

图1 试件的形状与尺寸Fig.1 Shape and size of the specimen

混凝土浇筑前，用透明胶将GFRP管和PVC管封底，PVC管应在浇筑前涂上黄油，方便养护后脱模。按照设定的配合比配好混凝土原料，均匀拌和混凝土，并分3次进行浇筑，边浇筑边用振捣棒对管柱内的混凝土进行振捣，待振捣密实无空隙气泡后用刮刀将管柱顶面混凝土抹平。浇筑完成24 h后将PVC管拆模，拆模后将所有试件进行养护，室内温度保持在（20±2） ℃，相对湿度保持在95 %及以上。CFGT柱和素混凝土柱的养护龄期达到24 d时，将其从养护实验室取出，随后放在温度为（20±2） ℃的水中浸泡4 d，在28 d龄期时进行冻融试验。冻融介质分为水溶液和质量分数为3.5 %NaCl溶液分别进行冻融循环试验。试件以冻循环次数（0、50、100、150次）分组，各工况下试件分组如表1所示。

表1 试件分组Tab.1 Specimen grouping

1.4 性能测试及结构表征

冻融试验：按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082—2009［16］，本试验采用快冻法，按表1的分组，每3个为一组放入冻融试验机的橡胶桶内，分别在水溶液和NaCl溶液中进行冻融。满足从4～18 ℃降温阶段所需时间和-18～4 ℃升温阶段所需的时间总和不少于2 h，不超过5 h。解冻时间不少于1/4；在冻结完成时，试件中心温度应为（-18±2） ℃，在升温阶段完成时，试件中心温度为（4±2） ℃。每冻融循环50次取出并记录试件的表观变化、质量和横向基频。冻融循环达到下列任一条件即可停止试验：（1）冻融循环至150 次；（2）试件相对动弹性模量下降至60 %以下；（3）试件质量损失率达5 %。

超声波检测：为验证经冻融循环试验后CFGT柱内部是否存在缺陷，在管柱侧表面均匀划分网格并进行编号，把超声波发射器底面涂上耦合剂分别置于各对应测点上，逐点检测CFGT柱内部是否存在缺陷，如图2所示。

图2 CFGT柱超声波测试Fig.2 Ultrasonic test of concrete⁃filled GFRP tube column

轴压试验：在轴压试验前需室温下干燥24 h并对试件两端用树脂胶和70 mm宽的碳纤维布缠绕加固，在柱高度1/2截面位置处用AB胶贴上应变花，用以测量试件环向、轴向以及45 °夹角方向上的应变。加载全程采用力控制，加载速度为2.4 kN/s，压力机可以自动记录试验力、位移等数据；程控静态电阻应变仪每2 s采集一次应变数据。

2 结果与讨论

2.1 冻融试验表观现象

图3中CFGT柱经不同冻融介质和不同冻融次数之后表观并无明显变化。图4中素混凝土柱经水冻循环后的表观变化较为明显，50次时混凝土柱表面出现轻微麻面，并有部分表层混凝土剥落呈现“起皮”的现象；100次时试件表面混凝土剥落，细骨料露出，部分粗骨料可见，混凝土柱整体表面较为粗糙；150次时部分混凝土成块状剥落，粗骨料暴露面积较大，混凝土柱整体缺损较为严重。素混凝土柱在盐冻循环50次后试件表面混凝土大面积脱落，粗骨料暴露，表面混凝土损失明显。因素混凝土柱经盐冻循环50次后已达到冻融停止条件，故不再进行后续试验。

图3 冻融前后CFGT柱外观Fig.3 Appearance of concrete⁃filled GFRP tube columns with and without freeze⁃thaw cycles

图4 素混凝土柱在不同冻融介质、不同冻融次数下的表观Fig.4 Appearance of plain concrete columns under different freeze⁃thaw agents and freeze⁃thaw cycles

2.2 冻融参数变化

根据冻融试验结果所测数据整理得到每组试件在不同冻融循环次数后的平均质量损失率和平均相对动弹性模量如图5和图6所示。CFGT柱在水溶液、NaCl溶液中冻融循环相同次数时曲线变化相差不大，其平均质量损失率和平均相对动弹性模量曲线几近相同。水冻循环中素混凝土柱的曲线斜率明显比CFGT柱的曲线斜率大得多，水冻150次时素混凝土柱的平均质量损失率是CFGT柱的11.44倍，平均相对动弹性模量是CFGT柱的48.35 %，此时素混凝土柱达到冻融停止条件。素混凝土柱在盐冻50次后平均质量损失率就达到7.4 %，平均相对动弹性模量为38.5 %，达到冻融循环停止条件。CFGT柱在水冻和盐冻循环之后参数下降小，原因在于GFRP管的保护作用减少了溶液与核心混凝土的接触面积，使进入核心混凝土孔隙内的溶液变少，减小冻融循环对混凝土的破坏作用。素混凝土柱在NaCl溶液中冻融50次比在水溶液中冻融150次的平均质量损失率大，其平均相对动弹性模量比150次小，表明NaCl溶液的参与大大加速了混凝土的破坏进程。

图5 试件的平均质量损失率变化曲线Fig.5 Variation curve of average mass loss rate of the specimen

图6 试件的平均相对动弹性模量变化曲线Fig.6 Variation curve of average relative dynamic elastic modulus of the specimen

冻融试验结果表明混凝土的破坏受到水溶液结冰膨胀和NaCl溶液侵蚀的共同作用，目前为止关于混凝土冻融损伤破坏机理的研究以静水压理论和渗透压理论影响最为广泛。依据静水压理论，水溶液进入混凝土在冻结过程中，混凝土大孔径内的水溶液先结冰膨胀，把未结冰的水溶液挤出，形成静压力差，当静压力达到一定值时，孔隙出现破坏。混凝土在反复冻融过程中，混凝土内可冻水结冰时产生的体积膨胀所致的结冰压力和孔隙水迁移的渗透压导致混凝土内部细微裂纹不断扩展，细微裂纹贯通连成网状裂纹，并不断向外扩散致使混凝土表面开裂、脱落，加剧混凝土的破坏，导致混凝土质量损失和相对动弹性模量的降低。渗透压理论表明混凝土柱孔隙中的水溶液结冰，使得盐溶液中氯离子浓度上升，与周围小孔隙中的溶液之间形成一定的浓度差，浓度差的存在会使孔隙间产生渗透压，使小孔隙中的水溶液向大孔隙中移动。冻融反复作用后，混凝土内渗透压逐渐增大，当突破混凝土的极限抗拉强度时，便会导致混凝土的破坏。

2.3 超声波检测结果

通过对水冻和盐冻循环50、100、150次后CFGT柱检测到的异常点数量如图7所示，单参量平均异常点数量表示每组试件的声时异常点或幅度异常点的平均值，双参量平均异常点数量表示每组试件的声时异常点和幅度异常点的平均值。由图7可知，盐冻循环50、100、150次的平均单参量异常点数量是相同冻融次数水冻条件下的5.39、1.69、1.29倍。盐冻循环100、150次的平均双参量异常点数量是相同冻融次数水冻条件下的1.99、3倍。随着冻融次数的增加，CFGT柱的平均异常点数量逐渐增多，在同样冻融循环次数下，经盐冻循环后平均异常点数增加得更多。相同冻融次数下盐冻循环试件的平均异常点数量增加更多，原因是氯离子在核心混凝土中扩散和渗透增加了冻融的腐蚀程度，加快了GFRP管与核心混凝土之间黏结界面的破坏。

图7 CFGT柱平均异常点个数Fig.7 Average number of abnormal points of concrete⁃filled GFRP tube column/point

Renaudin 等［17］研究发现混凝土中的 3CaO·Al2O3（C3A）会和Cl-结合成较为稳定的Friedel复盐，混凝土在盐溶液中经反复冻融后，氯盐与混凝土中的水化产物Ca（OH）2、3CaO∙ Al2O3∙ 6H2O发生化学反应，生成的膨胀性复盐CaCl2∙Ca（OH）2∙ nH2O使试件发生膨胀，当膨胀压力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土发生开裂破坏。同时复盐 CaCl2∙Ca（OH）2∙nH2O 的生成会消耗大量的Ca（OH）2，进而破坏Ca（OH）2与C⁃S⁃H凝胶之间的平衡，同时Friedel复盐结晶化合物的出现导致C⁃S⁃H分解，促进了混凝土表面的剥落。

2.4 冻融轴压试验结果分析

2.4.1 轴压试验现象

CFGT柱在水冻循环后轴压加载过程中，各组试件表观现象较相似：在加载初期试件表观无明显变化，随着荷载的增加，试件中部受拉区纤维层颜色由开始的淡绿色逐渐“泛白”，呈现不规则的局部白色。荷载进一步增大，可以听到纤维和树脂断裂的声音。在最终达到极限荷载时，管柱中部沿纤维方向裂开，内部混凝土碎裂露出，试件失去承载能力但均未发生坍塌。

CFGT柱在水冻循环0、50、100、150次后，分别加载至极限荷载的67 %、69 %、66 %、69 %左右时管柱外侧中部出现泛白现象，分别加载至67 %、78 %、77 %、76 %左右时开始出现零星的纤维断裂声音。最终破坏形态如图8所示。

图8 SD⁃GZ⁃150试件破坏形态Fig.8 Failure modes of SD⁃GZ⁃150 specimen

CFGT柱在盐冻循环0、50、100、150次后，分别加载至极限荷载的67 %、69 %、78 %、85 %左右时管柱外侧中部出现泛白现象，分别加载至67 %、75 %、78 %、71 %左右时开始出现零星的纤维断裂声音。盐冻循环管柱破坏形态与水冻循环较相似，如图9所示。

图9 YD⁃GZ⁃150试件破坏形态Fig.9 Failure modes of YD⁃GZ⁃150 specimen

素混凝土柱水冻循环0、50、100、150次后达到极限荷载时试件情况分别表现为裂缝突然出现且发展迅速，试件中部混凝土立刻破坏并失去承载能力但并未坍塌；裂缝迅速出现加深，表面混凝土“起皮”，试件破坏但未坍塌；裂缝迅速出现并向柱两端发展，试件破坏但未坍塌；试件突然破坏坍塌。素混凝土柱盐冻循环50次后，该组试件当平均荷载达到68.33 kN左右时试件突然坍塌。素混凝土柱盐冻循环破坏形态如图10所示。

图10 YD⁃SZ⁃50试件破坏形态Fig.10 Failure modes of YD⁃SZ⁃50 specimen

2.4.2 极限承载力分析

各工况下CFGT柱轴压状态下的极限承载力各不相同，随冻融次数增加极限承载力均有下降的趋势，整理各工况下试件的平均极限承载力数据，如图11所示。在水冻50、100、150次后，CFGT柱的极限承载力分别为未冻融状态下的94.96 %、93.72 %、86.53 %，随着冻融次数的增加，试件极限承载力由未冻融时的1 289.87 kN到水冻循环150次后的1 116.17 kN，降低了13.47 %；盐冻50、100、150次试件的极限承载力是未冻融状态下的87.23 %、79.99 %、70.55 %，CFGT柱在盐冻循环150次后极限承载力降低了29.45 %，下降量是相同条件下水冻结果的2.19倍。在水冻循环150次和盐冻循环50次时CFGT柱的极限承载力降低水平仅相差0.7 %。素混凝土柱在水冻循环150次时的平均极限承载力是未冻融状态的36.15 %，下降幅度最大，但其离散程度较小。可以看出相同冻融次数时，CFGT柱经盐冻循环后极限承载力平均值的离散程度更大，盐冻循环较水冻循环之后极限承载力不稳定，充分说明盐冻循环对CFGT柱的破坏力大于水冻循环。

图11 试件的极限承载力平均值Fig.11 Average ultimate compressive strength of the specimens

2.4.3 荷载⁃应变曲线分析

通过分析试验测试数据发现，环向、轴向和45 °方向上的应变中，45 °方向的应变要远小于其他2个方向上的应变，故将环向和轴向应变作为主应变进行研究分析。各工况下CFGT柱的荷载⁃应变曲线如图12所示。可以看出，试件的轴向和环向应变随荷载的增加而增大，并且轴向应变变化量都大于环向应变变化量。该曲线形式与混凝土受压荷载⁃应变曲线较为相似，GFRP管对于试件整体的影响较小；当管内混凝土达到极限承载力时，曲线出现拐点进入中期阶段，中期阶段GFRP管和混凝土共同承担荷载，且GFRP管所承担的比重逐渐增大，直到增加的荷载主要由GFRP管承担，此段曲线形式为弹塑性阶段；在后期混凝土已经达到或者接近极限荷载时，GFRP管对整体强度的贡献增大，在曲线上表现为后面曲线段的斜率减小明显，由陡趋于平滑，试件进入强化阶段，直到应力和应变值达到最大，试件发生破坏。

图12 冻融循环不同次数下的荷载⁃应变曲线Fig.12 Load⁃strain curves under different times of freeze⁃thaw cycles

随着冻融次数的增加，CFGT柱的承载能力均呈现递减的趋势，同样工况下冻融次数越多其环向和轴向应变越小，曲线的延展长度更短，这是由于冻融次数的增加使试件混凝土的损伤加重，混凝土的极限承载力降低，使加载进程更快地进入GFRP管承重的阶段，表现在荷载⁃应变曲线上为拐点出现早，又由于后期GFRP管的受冻融影响延性存在一定程度降低，使得整个曲线变短。

2.4.4 冻融循环对CFGT柱极限应变的影响

各工况下CFGT柱的极限应变如图13所示。由图13（a）可知，随着冻融次数的增加，水冻环境下试件的环向极限应变值呈下降的趋势。盐冻循环50次时环向极限应变平均值下降了0.006 5，盐冻100次相比50次下降了0.002 6，图13（a）中明显看到盐冻100次时的曲线斜率较50次时的斜率减小，150次时曲线上升，环向极限应变值比100次时增大0.001 9。图13（b）中水冻循环50次和100次的轴向极限应变平均值变化量为0.000 1，曲线上来看基本为水平线，水冻循环150次后曲线斜率增大。盐冻循环50、100次轴向极限应变变化量分别为0.002、0.005 3，变化率增大；盐冻循环150次后轴向极限应变有变小的趋势，比盐冻循环100次时轴向应变均值下降0.001。整体上来看，随着冻融次数的增加，CFGT柱的极限应变值大致呈下降的趋势，这表示冻融环境对CFGT柱的延性有一定影响，循环次数越多延性越差；盐冻循环后CFGT柱的极限应变小于水冻融循环极限应变，并且盐冻环境下CFGT柱的极限应变下降得更多，说明盐冻环境对CFGT柱的影响要比水冻环境更大。

图13 荷载⁃极限应变平均值Fig.13 Average load⁃circumferential strain

3 结论

（1）经过冻融循环后CFGT柱和素混凝土柱的质量、动弹性模量和极限承载力均有所降低；随着冻融次数的增加，CFGT柱的降低量较小，而素混凝土柱对照组降低量明显更大，说明GFRP管对核心混凝土起到了保护作用，减少了冻融环境对试件的破坏作用；

（2）盐冻循环比水冻循环对CFGT柱的影响更为明显；在冻融循环次数相同的情况下，经过150次冻融循环作用后，水溶液中CFGT柱的质量损失率为0.5 %、相对动弹性模量的下降率为7.4 %以及极限承载力下降率为13.47 %；而NaCl溶液环境下的数值分别为 0.7 %、9.0 %和 29.45 %，素混凝土柱在水溶液环境下的数值为5.72 %、56 %和63.85 %；

（3）试件的轴向和环向应变随荷载的增加而增大，并且轴向应变的变化量都要大于环向应变的变化量，GFRP管对核心混凝土产生的侧向约束力起到很大作用。