5组不同合成纤维加固混凝土柱的轴压性能研究

崔莉萍，曹小菊，李学军

(1.西安欧亚学院，陕西 西安 710065；2.四川大学，四川 成都 610207)

由连续或者不连续细丝组成的纤维种类繁多，常见的包括碳纤维、玻璃纤维和合成纤维等，其中合成纤维是由2种或者以上纤维混合而成，由于纤维质量轻、比强度高等特点[1]，在现代建筑、生物、航空航天等领域有着广泛应用前景。尤其是随着近些年来国内建筑市场的快速发展和城镇化建设的稳步推进，将纤维应用于混凝土中制备成纤维增强混凝土结构具有一系列传统混凝土无法比拟的优势，如强度高、弹性模量大、抗震性能好等[2-4]，到目前为止，虽然在混凝土中添加碳纤维和玻璃纤维以增强混凝土各项力学性能的研究已有相关报道，但是关于将碳纤维和玻璃纤维混合使用来增强混凝土受力性能的研究报道较少[5-8]。本文对比分析了碳纤维、玻璃纤维和不同形式的碳纤维+玻璃纤维对纤维增强混凝土柱轴心受压性能的影响，其结果将对纤维在混凝土中的应用提供技术参考，并有助于高性能纤维增强混凝土结构的开发与应用。

1 试验材料与方法

1.1 试验设计

共设计了5组合成纤维(碳纤维CFRP和玻璃纤维GFRP)加固混凝土柱，包括Z1柱(未加固)、Z2柱(2层玻璃纤维加固)、Z3柱(2层碳纤维加固)、Z4柱(层间组合碳纤维和玻璃纤维加固，简称JFRP)、Z5柱(2层层内组合碳纤维和玻璃纤维加固，简称NFRP)，柱体截面250 mm×250 mm、长细比为4、保护层厚度25 mm、柱高度1 000 mm，合成纤维加固混凝土示意图如图1所示。

图1 纤维加固混凝土示意图Fig.1 Schematic diagram of fiber reinforced concrete

1.2 试验材料

试验原料包括碳纤维(厚度0.16 mm、弹性模量42.48 GPa、极限拉伸强度1 067 MPa)、玻璃纤维(厚度0.11 mm、弹性模量247 GPa、极限拉伸强度3 331 MPa)、C25混凝土(立方体抗压强度28.5 MPa、轴心抗压强度18.3 MPa、抗压弹性模量18.7 GPa)、HRB335钢筋(屈服强度352 MPa、断后伸长率25%、断面收缩率23.9%)，纤维加固混凝土试件的配筋图，结果如图2所示。根据GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》制作纤维加固混凝土柱，浇筑后室温养护3 d，待完全固化后进行轴压性能测试[9]。

图2 纤维加固混凝土试件的配筋图Fig.2 Reinforcement diagram of fiber reinforced concrete specimen

1.3 测试与加载

轴压性能测试在学校结构工程实验室进行；位移计布置，具体如图3所示。

位移计布置图

Z2、Z3、Z4和Z5试件的预估承载力分别为2 190、1 630、1 900和2 060 kN；轴心受压试验过程中采用分级加载制度，加载速率为2 kN/s，屈服前按照0.1倍的预估荷载，屈服厚按照0.05倍预估荷载加载，直至试件破坏。采用DH 3820型静态应变数据采集仪收集数据[10]，并用数码相机拍摄破坏形貌。

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态

对于未采用纤维加固的混凝土试件，当加载至0.8倍峰值荷载时，混凝土试件发生嘎嘣脆的声音，柱体可见明显裂纹产生，继续加载过程中，柱体4个方向上都可见微小裂纹，且裂纹会随着加载的进行而逐渐变宽，直至箍筋发生屈服，混凝土发生鼓胀，最终显示在柱体上表现为多条斜裂缝。

对于玻璃纤维加固的Z2试件，在试件加载至0.7倍峰值荷载时，纤维加固混凝土试件上出现撕裂的声音，随着荷载加载至0.9倍峰值荷载时，纤维布出现撕裂并在柱中部出现玻璃纤维布的褶皱和鼓胀现象，继续加载过程中，纤维加固混凝土柱中部区域发生绷断，试件承载力下降，混凝土发生破坏；将外部玻璃纤维布扒开后可见内部裂纹宽度虽然较大，但是数量明显相较于Z1试件更少。

对于碳纤维加固混凝土试件Z3，当试件载荷至0.8倍峰值荷载时，试件中部区域发生变形并有局部鼓胀现象，继续加载至0.9倍峰值荷载，碳纤维布发生撕裂，在达到峰值荷载后碳纤维绷断并伴随着“蹦”的声音，试件承载力急剧下降，混凝土柱有明显压碎特征，扒开纤维布后对比分析可以发现柱体裂缝相较Z1试件的宽度更小，但是裂纹数量相对较多。

对于合成纤维加固混凝土试件Z4，当试件加载至0.8倍峰值荷载时，混凝土柱中部区域出现噼里啪啦的响声，纤维布出现局部泛白特征，随着荷载极限增大，碳纤维外部包裹的玻璃纤维未见明显破坏，但是内部碳纤维布发生了绷断，继续加载过程中横向和竖向应变增大，混凝土柱中部区域发生鼓胀，外部碳纤维布发生撕裂、局部玻璃纤维发生绷断，承载力发生明显降低，但是内部混凝土有压碎特征，而纤维有局部拔出现象，裂纹细小且密集。

对于合成纤维加固混凝土试件Z5，当加载至0.85倍峰值荷载时，混凝土柱外部纤维有间歇撕裂声音，表明加载过程中纤维起到了约束作用，且随着荷载的继续增加，混凝土柱逐渐发生变形，并在达到峰值荷载时出现纤维布绷断现象，承载力急剧减小，局部可见纤维布断口参差不齐，内部混凝土出现压碎现象，破坏特征显示出弹塑性变形现象[11]。

2.2 受力分析

表1为合成纤维加固混凝土柱的峰值应力和峰值应变。对于未加固的Z1试件，峰值应力、最大拉应变和纵向最大压应变分别为25 MPa、833 με和1 256 με；经过纤维加固处理后，Z2、Z3、Z4和Z5试件的峰值应力分布分别为29、37、33和35 MPa，最大拉应变分别为1 462、1 114、2 421和2 309με，纵向最大压应变分别为3 095、1 835、3 690和3 463 με。经对比分析可知，经过碳纤维、玻璃纤维和合成纤维加固处理后，混凝土柱的峰值应力、最大拉应变和纵向最大压应变都出现不同程度增大。此外，合成纤维加固混凝土柱的峰值应力相较Z1试件明显增大，且合成纤维加固的Z4和Z5试件的最大拉应变和纵向最大压应变明显高于其他试件。

表1 合成纤维加固混凝土柱的峰值应力和峰值应变Tab.1 Peak stress and peak strain of concrete columns strengthened with synthetic fiber

图4为合成纤维加固混凝土柱的应力-应变曲线；表2分别列出了对应的合成纤维加固混凝土柱中钢筋的最大应变统计结果。

(a)横向

从图4可以看出，经对比分析，未加固柱、GFRP加固柱、CFRP加固柱、JFRP加固柱和NFRP加固柱的应力-应变曲线中都经历了弹性变形阶段、强化阶段和破坏阶段，弹性阶段的纤维加固混凝土柱的应力-应变曲线变化趋势与未加固柱相似，表明这个阶段的纤维布还没有发挥有效约束作用；随着应变的增大，强化阶段的混凝土柱逐渐产生裂缝以及鼓胀现象[12]，纤维布的约束作用逐渐显现，且表现出相对未加固柱更高的承载能力。

表2 合成纤维加固混凝土柱中钢筋的最大应变Tab.2 Maximum strain of reinforcement in concrete column strengthened with synthetic fiber

由表2可知，未加固的Z1试件的纵筋最大应变和箍筋最大应变分别为-900、493 με；经过碳纤维和玻璃纤维加固处理后，纤维加固混凝土柱的纵筋最大应变和箍筋最大应变都发生不同程度增大。此外，在碳纤维或者玻璃纤维加固条件下，纤维加固混凝土的纵筋最大应变和箍筋最大应变都小于合成纤维加固混凝土试件。

图5为合成纤维加固混凝土柱的荷载-应变曲线。

(a)纵筋

从图5可能看出，未加固柱在到达峰值荷载后，试件的承载力迅速降低。而GFRP、CFRP、JFRP和NFRP加固试件在屈服后仍然具有承载能力；碳纤维、玻璃纤维和合成纤维加固混凝土柱中的箍筋应变值相较未加固混凝土柱更小。整体而言，由于纤维加固后，纤维可以对混凝土起到环向约束作用而增加钢筋应变，且合成纤维和碳纤维对混凝土柱的约束作用相近；而玻璃纤维对混凝土的约束作用相对较弱。在几种纤维中，碳纤维对混凝土柱的约束作用最好，其次为NFRP合成纤维。

图6为合成纤维加固混凝土柱的荷载-位移曲线。

(a)纵向

从图6可以看出，从未加固柱的在加载初期(位移较小)，各试件的荷载-位移曲线都类似于陡峭的直线，这主要是由于此时的纤维加固混凝土都处于弹性阶段[13]，纤维对混凝土柱的约束作用并不会体现；随着加载的进行，纤维加固混凝土柱的承载逐渐进入弹塑性节点[14-18]，这个阶段未加固混凝土柱和碳纤维加固混凝土柱的荷载、位移曲线相似且未表现出良好塑性，而GFRP、JFRP和NFRP加固试件的荷载增长较为缓慢，这主要与纤维布有助于提升混凝土柱的延性有关；继续增加位移，纤维加固混凝土柱进行破坏阶段，未加固柱和碳纤维加固柱的荷载-位移曲线突然明显下降，呈现出脆性破坏特征；而其他试件的荷载下降较为平缓，呈现出弹塑性破坏特征[19-20]。由此可见，纤维布加固混凝土柱有助于提升混凝土柱的环向约束，且混凝土柱的横向变形受到明显抑制，纤维对混凝土柱的纵向约束效果从高至低顺序依次为：JFRP、NFRP、GFRP、CFRP，且都高于未加固混凝土柱。

3 结语

(1)未加固的Z1试件，峰值应力、最大拉应变和纵向最大压应变分别为25 MPa、833 με和1 256 με；经过纤维加固处理后，Z2、Z3、Z4和Z5试件的峰值应力分布分别为29、37、33和35 MPa，最大拉应变分别为1 462、1 114、2 421和2 309 με，纵向最大压应变分别为3 095、1 835、3 690和3 463 με；

(2)未加固柱、GFRP加固柱、CFRP加固柱、JFRP加固柱和NFRP加固柱的应力-应变曲线中都经历了弹性变形阶段、强化阶段和破坏阶段，强化阶段纤维布的约束作用逐渐显现，且表现出相对未加固柱更高的承载能力；

(3)未加固柱在到达峰值荷载后，试件的承载力迅速降低，而GFRP、CFRP、JFRP和NFRP加固试件在屈服后仍然具有承载能力；碳纤维、玻璃纤维和合成纤维加固混凝土柱中的箍筋应变值相较未加固混凝土柱更小。