玄武岩纤维增强复材约束的玄武岩纤维混凝土的力学性能*

刘晓峰 张 颖 阎述韬 荣 辉

(1.天津城建大学土木工程学院, 天津 300384； 2.天津城建大学材料科学与工程学院, 天津 300384；3.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室, 天津 300384)

纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土结构目前已广泛应用于桩基、海上结构、公路架空标志结构和桥梁构件等领域[1]。1996年，Mirmiran等首先提出了FRP管约束钢筋混凝土的概念[2]，在预制的FRP管内浇筑混凝土即形成FRP管约束混凝土柱[3]。FRP管既可以作为结构模板，简化施工工艺，加快施工过程[4]，还可以对混凝土芯提供均匀的侧向约束，使混凝土在抗压时处于三向受力状态，有效地提高混凝土的抗压强度[5]。Davol等提出了FRP约束混凝土在土建结构应用中作为弯曲构件的概念[6]，当FRP约束混凝土受弯时，混凝土芯体给外侧FRP管提供内部支撑，防止了FRP管的局部屈曲破坏[7]。

基于国内外对FRP增强混凝土和短切纤维增韧混凝土的研究，本课题提出探究在混凝土柱外部包裹FRP管与在混凝土中掺加短切纤维协同作用的可能性，以同时提高FRP-短切纤维混凝土体系的抗压强度、弯曲抗力和断裂韧性。本课题采用玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)管与短切玄武岩纤维(BF)，通过对BFRP层数与BF掺量的组合设计，研究BFRP约束BF混凝土的压缩性能和弯曲性能。

1 试 验

1.1 材 料

本课题采用面密度为300 g/m2的平纹编织玄武岩纤维布(海宁安捷复合材料)制备BFRP管，所采用型号为RIMR035C的环氧树脂和型号为RIHM037的固化剂(瀚森Hexion，美国)按照比例3∶1混合而成。环氧树脂和BF的材料参数如表1所示。所用水泥为祥润牌P·O 42.5水泥；砂为普通河沙，细度模数2.8，Ⅱ区中砂；石子为普通碎石，粒径5～30 mm。

表1 环氧树脂和BF的材料性能Table 1 Material properties of epoxy resin and BF

1.2 试件制备

制备BFRP管时，将充分浸润环氧树脂的纤维布(2层或4层)紧密包裹在铺有隔离膜的亚克力管上，24 h后脱模，在室温下静置1周进行充分固化，图1为BFRP管。同时，参照美国材料试验标准ASTM D3039分别制备包含2层或4层纤维布的BFRP矩形标准件(250 mm×25 mm)。

图1 制好的BFRP管Fig.1 Finished BFRP tubes

混凝土基料配合比为水∶水泥∶砂∶石∶减水剂=475∶660∶1075∶195∶6。BF的体积掺量分别为0%、0.05%、0.1%、0.2%和0.5%。考虑到混凝土流动性的变化，在基料配合比基础上，纤维体积每增加0.1%，相应增加水2 kg[13]。标准养护28 d后进行试验。压缩试验试件尺寸为直径d=100 mm，高h=200 mm，弯曲试验试件尺寸为直径d=100 mm，高h=520 mm。

对试件进行编号，如表2所示，其中，末尾编号C表示用于压缩试验的试件、B表示用于弯曲试验的试件，即“2L-0.1B-C”代表混凝土柱外部包裹2层BFRP、内部掺有0.1% BF的用于压缩试验的试件。每组包含3个试件，用于重复试验。

表2 试件编号Table 2 Specimen labels

1.3 力学性能测试

参照ASTM D3039标准，以电子万能试验机(岛津AGS-X 100 kN)对含有不同层数纤维布的BFRP标准拉伸试件进行拉伸试验，获得的BFRP的拉伸性能数据如表3所示。

试件的压缩试验参照ASTM C39-10与ASTMtf、df、ff、Ef、和εf分别为BFRP的厚度、密度、拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率。

表3 BFRP拉伸性能Table 3 Tensile properties of BFRP

C469-14标准进行。为了防止试件出现偏压，预先在试件顶部用高强石膏找平。每个试件布置4个应变片，2个沿试件轴向布置在试件高度中心位置用于测量轴向应变，另外2个与轴向应变片垂直布置用于测量环向应变，如图2a所示。在力学试验机(东测YAW-3000 3000 kN)两个加载面之间布置两个线性可变差动位移计(LVDT)。采用位移控制加载，设置预载为6 kN，然后按照恒定速率0.3 mm/min加载至试件破坏。荷载、应变和位移由数据采集系统(威恳德WKD3811A)同步采集并保存到计算机中。

沟张村位于中牟县刁家乡西部，北距县城22 km，东距乡政府1.5 km。全村共367户，人口1 652人。主要以种植业为主，其中耕地面积160 hm2，主要种植大蒜、小麦、玉米、花生等，其他经济作物有红萝卜、包菜、西瓜。

试件的弯曲试验参照ASTM C78-15标准进行。在弯曲试验中，将3个应变片沿纵向布置在试件的跨中，用于测量试件的纵向应变，另外3个应变片与纵向应变片垂直布置，用于测量横向应变。在试件跨中底部放置1个LVDT，用于测量试件挠度变化，如图2b所示。采用位移控制加载，按照恒定速率0.3 mm/min加载至破坏。采用与压缩试验相同的采集系统记录数据。

a—压缩试验示意； b—弯曲试验示意。图2 力学性能试验示意 mmFig.2 Schematic diagrams of mechanical tests

2 结果与讨论

2.1 力学性能

2.1.1压缩性能

图3为试件在轴向压缩荷载下的应力-应变曲线，大体可分为三个阶段，即线性阶段、力维持阶段和破坏阶段。在第一阶段，无论是否掺加BF，BFRP管约束试件的应力-应变曲线形状与相应的无约束试件相似，应力随应变的增加几乎线性增加，直线的斜率与BFRP层数有关，层数越多斜率越大。对于不掺加BF的无约束试件，当应变达到混凝土的极限压应变时，应力迅速下降，试件很快压溃。对于约束试件，由于BFRP的作用，试件抗压强度大幅提高，当BFRP管的环向应力达到BFRP的极限拉伸强度时，BFRP开始出现破坏，但试件仍保持完整性，曲线进入力维持阶段。在此阶段，不掺加BF的2层BFRP约束试件的应变发展较少，而4层BFRP约束试件在应力几乎不变的情况下，可以发生较大变形，这可能是由于进入力维持阶段后，虽然4层BFRP约束试件外部的BFRP也会发生部分破坏，但不同层的破坏可能不是同时发生，相对更多层数的BFRP可以在更长时间或更大轴向应变范围内维持轴压强度基本不变。在掺加BF后，无论是否有BFRP约束以及BFRP层数多少，都出现明显的力维持阶段，区别只在于该阶段应力的下降程度及应变的大小，表明掺入BF提高了混凝土的韧性。在BFRP断裂后，曲线进入第三阶段，试件主要由混凝土柱承载，其承载能力迅速下降，当混凝土被压溃后，应力急剧下降，试件失效。当掺加BF后，试件的极限压应变提高，尤其是无约束及2层BFRP约束的试件。

由表4可知：相对0L-0-C，2L-0-C和4L-0-C的抗压强度分别提高了88%和108%，极限压应变分别增加了24%和79%。相对0L-0.1B-C，2L-0.1B-C和4L-0.1B-C的抗压强度分别提高了71%和92%，极限压应变分别增加了52%和74%。可见，随着BFRP层数增加，试件的抗压强度明显提高，极限压应变也明显增加。

表4 压缩试验结果Table 4 Compression test results

fcc、εcu分别是试件的极限抗压强度和轴向极限压应变。

图4为掺入不同量BF的试件的抗压强度。对于无约束试件，掺加BF后，试件的抗压强度逐渐提高，当掺量为0.1%时，抗压强度提高最多，相对0L-0-C提高了18%，当BF掺量继续增加时，抗压强度反而下降。2层BFRP约束的试件表现出相似的趋势，当BF掺量为0.1%时，试件的抗压强度最高，比2L-0-C的抗压强度提高8%。

图5为压缩试件的破坏情况。对于无约束试件，0L-0-C破坏后裂开成两部分，失去结构完整性，掺加BF后试件在压缩后的完整性得以保持。其中，0L-0.1B-C试件上只有几条较窄的裂缝(图5b)，主要是BF的桥接作用阻止了裂缝的扩展。对于BFRP约束试件，除去BFRP管后，观察混凝土芯体的破坏情况，发现2L-0-C的芯体明显断裂成两部分，4L-0-C芯体也出现明显的破碎，而2L-0.1B-C与4L-0.1B-C的芯体虽出现裂纹但未发生明显破碎，只出现几条裂缝，可见掺加BF可以限制试件裂缝的发展，在一定程度上抑制脆性破坏。对于掺加BF的试件，掺入0.1%的BF，不仅试件强度最高，而且阻裂效果最好。

—0层BFRP； —2层BFRP。图4 掺入不同量BF的试件的抗压强度Fig.4 Compressive strength of specimens with different BF contents

a—0L-0-C； b—0L-0.1B-C； c—2L-0-C； d—4L-0-C； e—2L-0-C芯体； f—2L-0.1B-C芯体； g—4L-0-C芯体； h—4L-0.1B-C芯体。图5 压缩试验试件破坏情况Fig.5 Failure modes of specimens under compression

2.1.2弯曲性能

图6为试件弯曲试验的力-位移曲线，其中，BFRP约束混凝土试件的力-位移曲线出现多次突然波动(力值突然下降),主要是由加载过程中混凝土芯体的断裂以及混凝土芯体与BFRP管之间的滑移导致。结合表5可知：与0L-0-B相比，2L-0-B和4L-0-B的最大弯曲抗力分别提高了1.5倍和4.5倍，最大挠度分别提高了7.4倍和8.6倍。对于掺入BF的试件，2L-0.1B-B和4L-0.1B-B与0L-0.1B-B相比，最大弯曲抗力分别提高了1倍和2.5倍，最大挠度提高了5倍和6.3倍；而与0L-0-B相比，2L-0.1B-B和4L-0.1B-B的最大弯曲抗力则分别提高了2.6倍和5.3倍，最大挠度提高了7.9倍和9.9倍。可见，BFRP的约束可以提高混凝土试件的最大弯曲抗力和最大挠度，且这种影响对未掺加BF的试件更加明显；同时进行BFRP约束和掺加BF则可进一步极大地提高混凝土试件的抗弯承载能力和抗变形力。

图7为掺入不同量BF的试件的最大弯曲抗力。相对于无约束试件，掺加BF显著提高了试件的最大弯曲抗力，当BF掺量为0.05%、0.10%、0.20%和0.50%时，相对未掺加BF的试件，最大弯Fpeak、w分别为最大弯曲抗力、最大挠度。

a—不掺加纤维；b—掺加0.1%BF。图6 弯曲试验力-位移曲线Fig.6 Force-displacement curves of specimens under four-point bending

表5 弯曲试验结果Table 5 Test results of four-point bending

曲抗力分别提高了40%、80%、60%和40%。BF掺量为0.10%时，最大弯曲抗力提升幅度最大。2层BFRP约束的试件表现出相似的趋势，当BF掺量为0.10%时，试件的最大弯曲抗力比未掺加BF的试件提高了46%。由表5可知：对于无约束试件，当BF掺量为0.05%、0.10%、0.20%和0.50%时，相对未掺加BF的试件，最大挠度分别提高了19%、49%、37%和31%；对于2层BFRP约束的试件，掺入0.10%的BF，最大挠度提高了6%。可见，当考虑试件的抗弯性能时，0.10%是BF的最佳掺量。

—0层BFRP； —2层BFRP。图7 掺入不同量BF的试件的最大弯曲抗力Fig.7 Flexural resistance of specimens with different BF contents

图8为试件受弯破坏情况。其中，无约束混凝土试件的破坏发生在纯弯区域，试件突然断裂成两部分；BFRP约束试件的破坏均是因弯区混凝土底部的BFRP管被拉断所引起，裂缝开始出现在BFRP管的底部，然后垂直向上部延伸，最终导致试件破坏。所有试件都是纯弯曲破坏，在集中加载点未观察到压缩破坏。如图8a所示，无约束且未掺加BF的试件在弯曲抗力达到峰值后突然断裂为两部分，承载力和变形都极小。掺加BF的试件(图8b、8f)表现出了较强的抗弯变形能力，这主要是由于BF散布在混凝土中可以起到桥接作用，阻止裂纹扩展，提高试件的抗变形能力，大幅提高试件的弯曲性能。图8d和8f为2L-0-B与2L-0.1B-B破坏后混凝土芯体破坏情况，对比观察断裂处可以看出，掺加BF后试件裂缝发展方向变得更加曲折。可能的原因在于：掺加BF后，BF在混凝土中呈无规则分布而且可以承受一定的拉应力，从而改变了裂缝的延伸路径，试件挠度增加，抵抗弯曲变形的能力增强。

2.2 BF增强与增韧机理分析

a—0L-0-B； b—0L-0.1B-B； c—2L-0-B； d—2L-0-B芯体； e—4L-0-B； f—2L-0.1B-B芯体。图8 弯曲试验试件破坏情况Fig.8 Failure modes of bending test specimens

a—0.05%； b—0.10%； c—0.50%。图9 试件断裂面的超景深显微照片Fig.9 Digital microscopic images of fracture surfaces for specimens

使用超景深显微镜(基恩士KEYENCE，VHX-600 s)对不同BF掺量试件的断裂面进行观察。如图9所示，BF在混凝土中呈无规则分布，掺量为0.05%的试件的纤维数量较少，掺量为0.10%的试件中纤维分布相对更加均匀，当掺量为0.50%时纤维结团现象严重。当BF掺量适当时(如0.1%)，由于BF与混凝土的主要成分都是硅酸盐材料，具有良好的相融性，搅拌时易于结合，得到的混凝土和易性能良好、体积稳定，同时由于BF经水泥浆包裹与骨料紧密结合，可以与混凝土协同受力，提高混凝土的压缩与弯曲性能；而当纤维掺量较高时(如0.50%)，部分纤维结团，不能保证单根纤维均被水泥浆充分包裹，从而影响纤维与水泥基材料的结合，不利于形成内部嵌入构造，反而使混凝土内部缺陷增加，降低了试件的密实度，进而限制了混凝土的压缩和弯曲性能的进一步提高。因此，混凝土的力学性能不随纤维掺量增加而持续提高，而是存在最佳掺量。此外，BF在混凝土中同时起到增韧作用。增韧效果主要体现为对混凝土初期裂缝开展的抑制及在试件破坏时所表现出的韧性破坏特点。在混凝土中掺加纤维后，纤维连接裂缝两端，相当于在裂缝处施加了一个反向的应力，与外力产生的应力叠加后，使外力产生的应力得以降低，缓解了裂缝处的应力集中，使裂缝的发展减缓[14]，从而使混凝土的韧性得到提高。

2.3 协同效应分析

对于2层BFRP约束的掺入0.1%BF的混凝土试件(2L-0.1B-C)，其抗压强度比无约束且未掺BF的试件(0L-0-C)提高107%，而无约束试件(0L-0.1B-C)和未掺BF试件(2L-0-C)相对0L-0-C的抗压强度分别提高了18%和88%；对于弯曲试验，2L-0.1B-B、0L-0.1B-B和2L-0-B相对0L-0-B的最大弯曲抗力提高了260%、80%和147%。对于4层BFRP约束的掺入0.1%BF的混凝土试件(4L-0.1B-C)，其抗压强度比无约束且未掺BF的试件(0L-0-C)提高127%，而无约束试件(0L-0.1B-C)和未掺BF试件(4L-0-C)相对0L-0-C的抗压强度分别提高了18%和108%；对于弯曲试验，4L-0.1B-B、0L-0.1B-B和4L-0-B相对0L-0-B的最大弯曲抗力分别提高了533%、80%和447%。以上结果表明:BFRP约束掺入BF的混凝土表现出比单独BFRP约束或单独掺加BF的混凝土具有更高的抗压强度和最大弯曲抗力，且混凝土具有更高的韧性。

BFRP约束混凝土的抗压强度、最大弯曲抗力与未约束试件相比提升明显，但BFRP并没有改善混凝土的自身性能，所以在达到峰值载荷后，试件仍会发生脆性破坏。在混凝土中掺加BF可以明显改善混凝土的韧性，掺加的BF在混凝土试件受力过程中，对变形起到了约束作用。BF的加入使试件的破坏模式由脆性破坏向塑性破坏转变。

因此，在以BFRP约束混凝土的同时向混凝土中掺入BF不仅可以改善试件的压缩性能和弯曲性能，而且改变了试件的破坏形式，使其向塑性破坏转变，具有更大的能量吸收能力，有利于同时提高结构的承载能力和安全性。

3 结束语

以BFRP制备的圆管包裹混凝土柱进行外部约束，同时在混凝土制备原料中掺加BF改善混凝土的性能，试验研究了试件的压缩性能和弯曲性能，比较分析了BFRP中纤维布的层数、BF的掺量对性能的影响，获得的主要结论如下。

1)BFRP约束混凝土能显著提高试件的极限抗压强度和极限压应变，且两者均随BFRP层数的增加而增加。掺加BF后，试件抗压强度提高，当BF体积掺量为0.10%时，抗压强度达到最大值，BF显著影响试件的破坏情况，减轻试件的破坏程度。

2)BFRP约束混凝土试件的最大弯曲抗力和挠度明显提高，且随BFRP层数增加而增大。掺加BF的试件的弯曲和变形性能均明显提升，且当BF的体积掺量为0.10%时，试件的弯曲性能最优。

3)显微镜成像表明BF在混凝土中呈三维随机分布。BF在混凝土中起到了桥接作用，限制裂缝的发展，同时使混凝土的破坏形式由脆性向塑性转变，对混凝土同时起到增强和增韧的作用。

4)对混凝土柱同时进行BFRP约束与掺加BF，两者的协同作用不仅可以改善试件的压缩和弯曲性能，而且可以使试件的破坏形式由脆性向塑性转变，提高结构的安全性。