FRP 约束再生混凝土柱的研究综述

杨和贤 冯家诚

（广东工业大学土木与交通工程学院）

随着我国城市化的发展，老龄化的建筑也逐渐被拆除，所产生的建筑垃圾也日益增加，大多数的建筑垃圾处理方式就是随意填埋，而肆意杂乱填埋对环境破坏影响极其严重，造成破坏生态系统、影响土质、污染地下水等问题。近几年来环保问题引起众多土木领域研究人员的关注，肖建庄等学者对再生混凝土进行详细的研究，发现随着再生粗骨料取代率越高，抗压强度相比天然混凝土的抗压强度就越来越低，可能是由于新旧混凝土交界面的粘结较弱所导致，同时再生混凝土用水量比较大和再生粗骨料孔隙率高，容易形成应力集中现象[1]。纤维增强复合材料是一种高性能材料，由一种或多种纤维材料和一定比例的树脂基基质材料根据一定的工艺制成。它具有重量轻、强度高、耐腐蚀、各向异性和设计性强的等特点[2]。现阶段有很多学者研究发现可以将再生混凝土和FRP 组合成新型构件，利用纤维极强的抗拉强度优点对再生混凝土进行侧向约束，来降低再生混凝土不利的影响，进而起到建筑废物高效利用的作用。

1 FRP 约束再生混凝土柱的轴压力学性能研究

相对再生混凝土柱本身而言，FRP 约束再生混凝土柱具有更高的承载强度、较高的延性。现今，众多学者已对FRP 约束再生混凝土进行轴压试验力学性能方面的研究。多数研究表明FRP 能提高再生混凝土的轴压各项力学性能。

ChangGao[3]通过研究不同FRP 类型（GFRP 和CFRP）在不同含砖骨料取代率作用下，发现随着含砖骨料取代率的增加，承压试样的抗压强度减小，但其轴向变形保持近似恒定。且再生骨料取代率在70%以上时，其抗压强度基本没有什么变化；CFRP 约束相对于GFRP 约束表现出较低的极限轴向应变和较高的抗压强度；在轴向应力-应变曲线第一阶段的斜率相似，第二阶段的斜率会随着再生粗骨料取代率增加呈现摆线趋势；FRP 约束再生混凝土的膨胀率明显高于约束天然混凝土,同时再生粗骨料取代率增加也会导致膨胀率下降。

TianyuXie[4]通过研究圆形柱和方形柱在类似的有效约束水平下，发现方形柱的抗压强度比圆形柱要更低、而极限轴向应变更高，这是由于方形柱在棱角处容易发生应力集中，在还未到达极限时，FRP 管就已经失去对混凝土的约束，导致整体组合柱的承载能力降低。而且，圆形和方形碳纤维增强塑料的抗压强度差异会随再生混凝土含量的增加而增大。而在给定构件的约束比下，CFRP 管约束与BFRP 管约束相比，有着更高的抗压强度和更低的极限轴向应变，这也是由于CFRP 材料本身具有较强的抗拉强度所导致的。进而通过数据分析，也可以发现，与带BFRP 管的再生混凝土柱相比，带CFRP 管的再生混凝土柱的第二分支轴向应力-应变曲线斜率随再生粗骨料取代率的增加而减小，CFRP 管约束的环向应变也比BFRP 管约束的要低。同时也发现在其他条件不变的情况下，随着再生粗骨料取代率的增加，其构件的环向应变却在降低。

G.M.Chen[5]通过研究发现GFRP 约束再生混凝土和CFRP 约束天然混凝土力学性能相似，轴压混凝土的抗压强度随着再生粗骨料取代率的增加而线性下降。还可以看出，这些曲线的斜率是相似的，意味着从FRP 约束中获得的混凝土强度增强几乎不受再生粗骨料取代率的影响。

YingwuZhou[6]通过收集FRP 约束再生混凝土数据库的分析表明，FRP 能有效提高再生混凝土组合柱的极限强度与极限应变；在不同再生粗骨料取代率情况下，再生混凝土呈现相似的强度。FRP 约束再生混凝土的力学性能主要取决于约束比，而不是FRP 类型，并且再生骨料的取代率对FRP 约束再生混凝土的性能影响很小。

何艳红[7]通过研究再生混凝土圆柱体（直径150mm高300mm）在不同厚度CFRP 约束下的影响，得出CFRP包裹层越多，约束刚度越大，极限应力越大，且对应于极限应力的轴向应变更大。对于未约束的混凝土而言，再生粗骨料在0%取代率与100%取代率相比抗压强度相差1.35 倍，在约束情况下，则相差1.1 倍，进而可以说明在CRFP 的约束下，再生混凝土与天然混凝土之间强度差距减小。约束试件的取代率在0%、25%、50%、75%、100%时，相比其对应未约束试件极限轴向应变是5.97、6.75、9.52、8.21 和9.03 倍。说明，CFRP 的约束作用明显提高了再生混凝土的延性，改善了再生混凝土的变形能力。且随着再生骨料取代率的增加,应力应变曲线的转折区(约束混凝土应力应变曲线第一段和第二段的连接区)曲率变小，转折区范围变大。而相比于CFRP 约束普通混凝土，CFRP 约束再生混凝土的侧向膨胀变小，约束效果更好。

张曦文[8]研究CFRP 约束再生玻璃骨料混凝土轴压试验发现，玻璃再生粗骨料取代率小于50%时，其构件的性能与天然混凝土的抗压强度差距不大，但玻璃粗骨料取代率大于50%时，会随着取代率的提升而增加。而在玻璃粗骨料一定时，玻璃细骨料对其构件的抗压强度影响不大。在龄期方面，发现随着龄期的增加，再生混凝土试件变得更加密实，抗压强度增加，极限轴向应变减少。

J.L.Zhao[9]发现与天然混凝土相比，替代率为100%的无约束再生混凝土强度要低得多，且有较大的分散；然而，当再生混凝土受到约束时，测试结果中的散射可以大大减少；Teng 等人(2009)的模型和Jiang 和Teng(2007) 的模型都对FRP 约束再生混凝土柱的极限轴向应力提供了非常准确的预测，但对其应变还是高估，模型还需要修正。

陈刘欣[10]研究PFRP 约束含砖骨料再生混凝土在轴压荷载下的尺寸效应，发现约束下的核心混凝土柱破坏模式为锥形破坏；PFRP 管的破坏模式分为两类：高径比较低时，FRP 管上下呈现贯通撕裂破坏；高径比较高时，FRP 管则是局部撕裂破坏。小尺寸试件的抗压强度提高系数远大于其余尺寸试件，其证明PFRP 约束再生混凝土柱能够减弱未约束再生混凝土柱的边界效应。在抗震方面，引入断裂能系数分析，约束构件的断裂能都远大于相应未约束试件的断裂能，进而证明PFRP 能较大程度地提高再生混凝土的耗能能力，具有很好的抗震性能。

顾光明[11]研究JFRP 管约束含烧结砖骨料再生混凝土，发现JFRP 管约束含烧结砖骨料再生混凝土柱相比约束天然混凝土的应力-应变关系，在过渡阶段更长更慢，且第三阶段变化线接近水平线而不是上升趋势。再生混凝土中掺加剑麻纤维能够提升其约束构件的延性，但其强度有一点的降低，且剑麻纤维掺量占质量分数的3%范围内降低幅度不超10%时，对应力-应变曲线的峰值应变有一定的延迟作用。随着核心混凝土强度的提升，泊松比的快速提升阶段被延迟。随着JFRP 管纤维角度增大，泊松比的快速增长阶段提前，泊松比的峰值增大。在混凝土中掺入剑麻纤维对泊松比影响不大。在高应力状态下，受压试件横向变形明显。还发现混凝土强度越低，JFRP 管纤维角度越大，掺入剑麻纤维的混凝土端部应变滞后效应更加明显。

2 FRP 约束再生混凝土柱的循环加载力学性能研究

张文鹏[12]研究FRP 约束回收砌体骨料混凝土圆柱轴压试验，发现在单次循环、三次重复循环、部分卸载重复循环和部分再加载重复循环轴压作用下，其应力-应变曲线与单调轴压对照组应力-应变曲线都基本一致，为双直线型。砌体粗骨料取代率越高，塑形变形的循环加载历史累加效应越明显。Lam 和Teng（2009）分析模型用作分析曲线，以预测构件的循环轴向应力-应变曲线，这与测试的实际包络线基本一致。随着砌体骨料取代率的增加，对循环加载FRP 约束回收砌体骨料混凝土圆柱的塑形应变的预测从偏低变成了偏高。也就是说再生骨料的取代率越大，模型对塑形应变的预测值就比实验值高越多。这也证明砌体骨料混凝土在循环轴向压力下的延展性优于模型预测的延展性。试验所有循环点的塑形应变-卸载应变测试值关系都展现出近似线性的趋势。线性拟合结果为：

εpl=0.658εun,env－0.0018

3 FRP 约束再生混凝土柱的抗震性能

肖建庄[13]等人研究发现在低周反复荷载作用下，GFRP 管约束再生混凝土柱的破坏过程和破坏形态与普通混凝土柱相类似。当最终失效破坏时，构件不会发生太大的塑形变形，FRP 管环向开裂，内部核心混凝土没有发生破碎。试件屈服前，滞回曲线加载和卸载所包围的范围大，试件耗能较少；试件屈服后，滞回曲线逐渐偏向水平线，滞回环包围的面积逐渐变大，耗能能力增加，证明这种约束素混凝土构件的耗能性较差。试件在未配置任何钢筋情况下的极限位移转角在1/50.3～1/40 之间，表明构件仍具有较好的弹塑性变形性能，在大震作用下具有较好的抗倒塌能力。在考虑粘结滑移对其抗震性能影响时，发现构件的承载力与滞回性能没有明显变化。根据Park 等人的损伤模型进行进一步分析，在相同条件下，随着再生骨料取代率的增加，试件的损伤指数D 略有增加，而GFRP 管约束的再生混凝土柱的损伤演化速度较普通混凝土略高，参考FIB 相关报告与欧洲规范，结合实际试验数据拟合出GFRP 管约束再生混凝土柱的抗震试验下，其构件极限位移公式结果为：

4 展望

本文从FRP 约束再生混凝土柱的力学性能出发，讨论分析了近年来国内外的研究成果，在众多研究结论基础上，提出以下几点的研究方向：

⑴目前国内外研究主要集中FRP 约束再生混凝土柱的轴压、循环加载、抗震的力学性能，但在耐久性方面还鲜有研究，应丰富和发展其结构的理论研究和工程应用。

⑵可以从FRP 约束再生混凝土柱在破坏后的微观层面入手研究，为其结构研究提供理论支撑。

⑶加强FRP 与再生混凝土之间的粘结作用的研究，进一步完善FRP 约束再生混凝土柱的力学性能理论研究。

⑷由于再生混凝土缺陷较多，可以掺入其他纤维材料增强本身材料的性能，进而提升FRP 约束再生混凝土构件整体性能，也能起到环保作用。

⑸可通过加入钢筋笼、型钢、钢管等丰富结构类型，探究多种结构下性能优劣。