碳纤维约束高强混凝土柱轴压力学性能试验

马岩峰，刘廷权

(河北联合大学建工学院，河北唐山063009)

0 引言

轴心受压力学性能是混凝土强度的主要性能之一，是混凝土结构受压、受弯构件设计取值的基础数据。研究碳纤维约束条件下的混凝土柱轴压力学性能，可以更进一步揭示混凝土结构加固，钢筋混凝土结构中箍筋的作用效果［1-3］。通过试验的方法，对高强度混凝土柱轴心受压试件进行了试验，试验中取得的数据对提高人们对碳纤维约束高强混凝土加固轴压力学性能的认识起到帮助作用。本文以42个外包不同层数CFRP布的轴心受压短柱试验结果为基础，对比研究了混凝土强度及纤维包裹层数对短柱轴压性能的影响，并从微观角度对加固效果的影响因素作出分析。

1 试件制作及试验方法

1.1 试件设计

本次试验采用C40、C45、C50、C55、C60五个强度等级的混凝土每个强度等级制作圆柱体(直径D=150 mm，高度h=300mm)包裹CFRP布和素混凝土两组试件，以及C40、C50强度等级下包裹2层以及包裹3层CFRP布试件两组，每组各3个试件，试验结果取三个试件的平均值。并同期做出混凝土标准试块，以确定混凝土的强度等级是否与设计相符。试件总量为14组共42个，包裹形式为单向纤维横向环形包裹。

1.2 试件制作

试件制作采用冀东盾石42.5 R普通硅酸盐水泥，迁安中砂，5～31.5 mm级配碎石，外加剂采用唐山奥东AD1型聚羧酸减水剂以及东莞德丰df-8012型聚羧酸减水剂用消泡剂。混凝土各强度等级配合比在表1中列出。

表1 混凝土配合比

试件制作按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》［4］(GB50081-2002)中各项规定进行。不同强度等级混凝土依据表1中相应配合比，采用HJW-60型单轴实验室混凝土搅拌机搅拌，浇注专用试验模具制作。试件表面处理与纤维布粘贴按照《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》［5］(CECS146:2003)中有关规定进行。所采用的CFRP布及结构胶材料性能见表2及表3。

表2 CFRP布性能指标

表3 试验采用粘结剂性能指标

1.3 加载装置

试验采用专门设计的加载装置，在河北理工大学建工实验室5000 kN万能试验机上进行。试验过程中，试件底部放置3000 kN压力传感器进行荷载的测量，同时在试件上下垫板上焊接的对称支架上安装电子引申仪以测量试件的轴向变形。数据采集使用Strainbook以太网接口多通道应变测试系统，采样率为10 fps。加载装置详见图1。所有试件均采用单调轴向加载，加载前首先进行10%预估强度的试压，并调整试件确保轴心受压的情况下开始正式加载。

图1 实际加载装置及其示意图

2 试验结果与分析

2.1 实验现象

未包裹CFRP布的素混凝土试件由于加载初期承受的荷载较小，试件并无明显的变化，轴向变形随着荷载的增大而增大，几乎无可见裂缝开展。当荷载超过试件所能承受的弹性极限之后，试件表面开始产生平行于轴向的裂缝，同时发出混凝土材料的劈裂声，试件进入非线性工作状态。轴向荷载超过试件的极限承载力之后，试件表面裂缝迅速大量开展，伴随试件中部混凝土剥离脱落，试件的承载力不断下降。高标号混凝土试件超过峰值承载力之后裂缝开展及承载力下降的速度较低标号试件更为迅速。

包裹CFRP布的试件在加载初期由于混凝土处于弹性工作阶段，整个试件受力状态与素混凝土受力初期状态相似，外包CFRP处于被动约束状态。当荷载达到试件整体荷载的60%左右时，内部混凝土超过其弹性极限，体积开始膨胀，外包CFRP开始发挥其约束作用。当荷载到达整体荷载的90%时，粘贴树脂表面开始出现白色裂痕，同时部分单根纤维首先发生断裂，发出“噼啪”响声。试件破坏时纤维突然发生大面积断裂，试件迅速丧失承载能力，断裂纤维内部粘有大量碎裂的混凝土，粗骨料与砂浆之间存在错动现象，破坏面部分粗骨料被劈碎。

图2 试件破坏形态

2.2 试验结果

就试验结果来看，CFRP布的对混凝土试件起到了理想的约束作用，使混凝土工作在三相受力状态，限制了裂缝的开展，有效提高了混凝土柱的轴压承载能力，在试件破坏后仍能保持较好的整体性。

在包裹一层CFRP布的条件下，对于采用不同强度标号混凝土制作的试件，轴压承载能力有21.47%～ 86.87%的提高，提高的程度随混凝土标号的上升而逐渐下降，具体的试验结果数值在表4中列出。

表4 单层包裹不同强度标号试件加固结果

图3 加固前后试件抗压承载力回归分析

试验同时比较了C40、C50两强度等级混凝土试件在不同CFRP布包裹层数下的力学性能，试验结果在表5和表6中列出。由试验结果可以看出，随着CFRP布约束量的提升，试件的抗压性能得到了极大改善，提升幅度与CFRP的约束量近乎成线性关系。在包裹3层CFRP布的情况下，两组试件的抗压承载能力分别有203.31%和103.13%的提升。与单层包裹试件类似，尽管包裹层数有所上升，承载能力的提高仍表现出与混凝土自身强度的关系，既相同的CFRP约束量情况下，C50试件的抗压承载能力的提高幅度要低于C40相应组别试件。

表5 C40试件在不同CFRP布包裹层数下加固结果

表6 C50试件在不同CFRP布包裹层数下加固结果

CFRP布约束的试件中，区别于单轴受压状态，处于三轴受压状态的水泥凝胶中的毛细孔洞在应力的作用下首先被压实，之后与低水灰比时的混凝土类似，处于三轴受压状态的混凝土承载能力得到有效的提高，受压过程中试件有很好的能量耗散的能力。而较高标号的混凝土由于本身配置时水灰比较低，水化完全水泥凝胶中毛细孔率很小，水泥石结构致密先天缺陷较少，虽然其加固前的素混凝土试件有较高的承载力，但是低孔隙率的特点导致其在三相受力状态下能量耗散的能力相比低标号试件有所降低，加固后的试件承载能力提高的幅度也更加有限。由表4至表6中的试验数据可以得出类似的规律，在相同的约束条件下，随着混凝土标号的上升，水灰比的下降，试件加固前后承载能力的提高程度逐步下降，如图4所示。

图4 试件混凝土强度与加固后承载能力提高幅度的关系

3 总结

(1)CFRP布的对混凝土试件起到了理想的约束作用，使混凝土工作在三相受力状态，限制了裂缝的开展，有效提高了混凝土柱的轴压承载能力。单层包裹CFRP布的约束条件下，对于强度标号从C40到C60混凝土制作的试件，轴压承载能力有21.47%～86.87%的提高。C40和C50两组试件包裹3层CFRP布时的承载能力分别提高了203.31%和103.13%。

(2)随着水灰比的下降，完全水化后的水泥浆体有着更加致密的微观结构，未加固CFRP布试件的承载能力不断提高，但低水灰比低毛细孔率的致密结构的试件在加固后的三轴受压受力状态中所带来的承载能力提升更为有限。随着混凝土标号的提高，试件承载能力的提高幅度逐步下降。

［1］ 混凝土［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［2］ 敬登虎.FRP约束混凝土的应力-应变模型及其在加固中的应用研究［D］.南京:东南大学，2006.

［3］ 柳丽霞.碳纤维约束混凝土轴心抗压性能对比试验研究［D］.唐山:河北理工大学，2006.

［4］ 普通混凝土力学性能试验方法标准［S］;GB50081-2002.

［5］ 碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程［S］;CECS 146:2003.