条带CFRP圆钢管锂渣混凝土短柱轴压性能研究

刘如来 梁炯丰 王刘浩翔

摘 要：为实现建筑业的可持续发展，解决工业废料堆积及污染问题，以锂渣取代率、碳纤维增强塑料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）包裹间距和包裹层数为影响因素，将锂渣废料作为胶凝材料部分取代水泥，共设计9根试验柱进行力学试验，探究条带CFRP约束圆钢管锂渣混凝土短柱的轴压性能。通过观察试验现象和破坏形态，采集试验数据绘制力学曲线图，对条带CFRP圆钢管锂渣混凝土柱的极限强度、刚度和延性等多个力学参数进行分析研究。结果表明：锂渣掺量在0 ～ 20%时，随着锂渣掺量的提高，试件极限强度和初始刚度均增大，但延性下降约13.9%；将试件的包裹间距从25 mm增至40 mm，试件极限强度、刚度和延性均降低约5.0%，包裹间距为40 mm的条带围压方案在节省物料的同时还有较好的结构性能；将试件CFRP包裹層数从1层提高至3层，试件抗压强度、刚度和延性均提升18.0% ～ 26.0%，可见包裹层数对柱性能影响较大。

关键词：碳纤维增强塑料（CFRP）；锂渣；圆钢管混凝土柱；极限强度；刚度；延性

中图分类号：TU375.302 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.01.005

0 引言

“十四五”规划以来，建筑业向内涵集约式方向发展，建筑技术不断革新。传统混凝土材料不能满足各类工程环境的要求，研究者对新型混凝土材料的研究逐渐深入[1-2]。研究发现将锂渣废料作为新型绿色混凝土添加骨料再利用[3-4]，既能改良混凝土性能，提高混凝土的抗断裂及变形能力，又实现绿色再利用，解决环境污染问题。同时现代化建筑施工要求建材能较好地满足施工效率和工厂量产，此时钢-混凝土结构逐渐取代传统钢筋混凝土结构，成为一种全新、主流的建筑结构形式。碳纤维增强塑料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）是最常用的施工修复加固材料，具有修复建筑材料老化、延缓结构破坏的功能，在港口工程、水利水电等建筑工程领域得到广泛的应用。采用CFRP材料加固钢-混组合构件[5-6]能够有效提高抗震变形能力，延缓结构开裂和局部屈曲，具有良好的工程实用价值。

目前，已有许多研究者对锂渣混凝土和CFRP约束钢管混凝土柱的力学性能展开了研究。陈洁静等[7-10]研究发现掺入20%左右锂渣粉末可以有效提高混凝土的力学性能。Wang等[11]在锂渣混凝土研究的基础上对圆钢管锂渣再生混凝土轴压性能展开研究，发现适量的锂渣可以提高柱的极限强度和刚度。Sheikh等[12-14]通过对CFRP约束方钢管混凝土短柱的约束效应的研究，分析了CFRP与钢管的协同变形能力。王东锋等[15-16]对CFRP圆钢管混凝土短柱轴压性能展开研究，发现CFRP层数对承载力和变形能力影响较大，但对试件的初始刚度影响较小，试件荷载-轴向变形曲线表现为第二线性段起点处屈服。欧佳灵等[17-19]在前人研究的基础上，通过分析设计参数和试验结果推导了CFRP全包裹约束混凝土柱的极限承载力的预测模型。

目前，国内外对CFRP全包裹约束混凝土柱的力学性能的研究较多，而对CFRP条带包裹钢管混凝土柱的研究则较为缺乏。梁炯丰等[20-21]对全包裹的钢管混凝土柱的围压效应进行研究发现，虽然混凝土膨胀碎裂，钢管屈曲失稳，但是已破坏的CFRP全包裹试件并未完全撕裂。这表明全包裹的方式无法有效平衡CFRP与混凝土柱的接触受力，不能充分利用CFRP材料的强度。与全包裹约束混凝土柱相比，采用条带CFRP包裹约束混凝土柱能更加充分利用CFRP材料的性能，减少材料浪费，还能有效协调混凝土-钢管-CFRP受力形态，是当前经济、有前途的围压方案。本文旨在对锂渣混凝土柱的条带约束CFRP围压方案进行研究，观察条带CFRP约束圆钢管锂渣混凝土柱的破坏形态，分析锂渣取代率、CFRP包裹间距和包裹层数与柱极限强度、刚度和延性的关系，并总结其影响规律，对相关的工程应用提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验共制作了9根柱，设计参数为锂渣粉末取代率、CFRP包裹层数和包裹间距。许开成等[22]研究发现，锂渣掺量在0 ～ 40%时，混凝土性能有明显改善，在20% ～ 25%内改善效果最显著。故本试验采用梯度为0、10%、20%等3种锂渣掺量。由于试验采用的碳纤维布宽度为50 mm，经计算，采用1层、2层2种包裹层数和25 mm和40 mm 2种包裹间距的碳纤维布，可避免裁剪碳纤维布的情况，减少材料性能损伤和材料浪费。试件编号的第一组数字表示包裹间距，第二组数字表示包裹层数，第三组数字表示锂渣取代率。如B40-1-10表示CFRP包裹间距为40 mm、层数为1层、锂渣粉末取代率为10%的短柱。所有试件设计如图1所示。同时制备一组未掺锂渣且不包裹CFRP的圆钢管混凝土柱B0作为对照。各试验的试件工况设计如表1所示。

1.2 材料的力学性能

本试验采用工业废弃锂渣部分取代水泥，按照我国《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）[23]进行配合，搅拌并浇筑试件。同时每种试件分别制作3个立方体试块，养护24 h后用脱模机脱模，28 d后进行力学性能试验。如表2所示，测得锂渣取代率0、10%、20%的C30立方体抗压强度平均值分别为32.1 MPa、34.0 MPa、35.6 MPa。试验设计圆钢管长度为500 mm、直径为114 mm、壁厚为2 mm，圆钢管两端截面打磨平整，便于试验的加载。同批次的Q235钢材制成拉拔试件测试其力学性能，得到钢材性能如表3所示。本次试验使用的CFRP材料是根据我国《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》（GB 50728—2011）[24]要求进行检测，材料性能如表4所示。

1.3 试验设备和加载制度

图2为轴压试验使用的300 t电液伺服压力试验机。试验采用荷载和位移联合控制的加载方式，首先采用荷载控制，加载至约为极限荷载的95%时转为位移控制，当加载荷载下降段至峰值荷载的80%时结束试验，当试件接近破坏时，采用缓慢的连续加载速率。在试验过程中记录试验现象。

2 试验结果与荷载-位移曲线

2.1 破坏形态

未包裹碳纤维布的圆钢管混凝土柱的破坏形态如图3所示，表现为钢管表面的铁锈呈片状，出现脱落，混凝土膨胀碎裂，钢管中上部出现圆圈状挠曲环，中部膨胀鼓曲加剧，试件弯曲变形严重，呈现“C”型屈曲。图4为条带CFRP圆钢管混凝土柱破坏形态。如图4所示，CFRP约束柱的试验现象大致相同：试件中上半部钢管屈曲明显，核心混凝土膨胀，钢管发生膨胀鼓曲，碳纤维布垂直貫穿断裂，中部未包裹混凝土处形成腰鼓状鼓曲，上下端逐渐形成管帽，钢管近似为两端膨胀的“C”字括弧型。条带CFRP试验柱轴心受压现象如下。

1）弹性阶段：加载初期无明显现象，钢管和树脂发出吱吱声，表面铁锈开始脱落，随着荷载的增大，CFRP条带逐渐绷紧，表面纹理线条逐渐模糊，顶部CFRP条件开始撕裂。

2）屈服阶段：随着加载进行，顶部包裹间距处出现微小鼓起，上半部CFRP断裂，当加载至极限荷载的80%时，上部间距处挠曲明显，出现横向鼓包，中间钢管鼓曲发育，中部CFRP断裂，各部分均出现不同程度的弯曲变形。

3）破坏阶段：到达极限荷载后，CFRP“砰”的撕裂，钢管横向屈曲明显增加，钢管形成半圆圈腰鼓状鼓曲。

2.2 荷载-位移曲线

试件的荷载-位移曲线可划分为：弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段。加载初期试件处于弹性阶段，荷载与位移呈线性变化；随着荷载增加，试件进入屈服阶段，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形；继续加载，试件进入破坏阶段，发生失稳破坏，荷载逐步减小，荷载-位移曲线变得平缓。

图5为锂渣取代率对荷载-位移的影响曲线图。由图5可见，锂渣取代率越高的试件，受压强度也就越大。锂渣取代率为0的B40-1-0试件极限强度为818.0 kN；取代率为10%的B40-1-10试件极限强度为838.0 kN；取代率为20%的B40-1-20试件极限强度为892.0 kN，极限强度分别提高了2.4%和6.1%。这是因为合理的掺入锂渣可以提高核心混凝土内部密实程度，改善碎石与水泥胶凝材料之间的黏结强度，提高混凝土水化程度，从而提高试件的抗压强度。

图6为CFRP包裹间距对试件荷载-位移的影响曲线图。图6（a）—图6（c）分别为锂渣取代率和包裹层数均相同、包裹间距不同的试件的荷载-位移曲线图。由图6可知，随着包裹间距增大，强度分别减小4.0%，7.7%和6.8%。且包裹层数越多时，包裹间距对极限强度影响越大，原因为：环向外包的CFRP覆盖率是影响极限强度的直接影响因素，通过减少CFRP包裹间距，能增大碳纤维布与钢管表面环向接触面，从而提高外部环向约束来提升试件的强度。

图7为CFRP包裹层数对试件荷载-位移的影响曲线图。图7（a）—图7（c）分别为锂渣取代率和包裹间距均相同、包裹层数不同的试件的荷载-位移曲线图。由图7可知，CFRP包裹层数越多的试件，表面覆盖的碳纤维布越厚，侧向约束作用越强，柱的轴向极限强度越大，柱的极限位移越长，变形和承载能力也就越大；B40-1-0极限强度仅为818.0 kN，B25-3-0的极限强度增加至1 032.0 kN。总体极限强度增加了20.0% ～ 26.0%。结果表明随着层数增加，总体极限强度增加幅度较大，可见包裹层数对极限强度影响较大。

3 力学参数分析

为研究条带CFRP约束圆钢管锂渣混凝土柱的力学性能，采用初始刚度（[Ke]）来评价试件的刚度性能，用位移延性系数（[μ]）来评价柱的延性与变形能力，[Ke=NyΔy]，[μ=ΔmΔy]，其中：[Ny]为上升部分峰值荷载的60%所对应的荷载（屈服强度）；[Δm]、[Δy]分别为峰值荷载和屈服荷载所对应的极限位移、屈服位移。各试件的力学参数指标如表5所示。

3.1 初始刚度

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，组合结构的刚度反映了各材料之间结构变形协调和结构内力平衡，是非常重要的结构整体稳定性评价指标。

图8为锂渣取代率对柱初始刚度的影响曲线图。由图8可知，对于CFRP包裹层数为1层，包裹间距为40 mm的钢管混凝土柱，锂渣掺量从0提高至10%时，试件的初始刚度提高约10.9%；而锂渣掺量从10%提高至20%时，试件的初始刚度则提高6.4%左右。因此，合理锂渣粉末的掺入可以显著提高柱的初始刚度。根据试块试验，测得锂渣取代率为0、10%、20%的试块强度分别为32.1 MPa、34.0 MPa、35.6 MPa，适量锂渣的掺入会提高混凝土强度，从微观上分析，锂渣可以细化混凝土孔隙，改善其内部结构，使核心混凝土密实，从而提高结构抗变形能力。由图8可知，曲线斜率降低，表明随着锂渣掺量变化，柱的初始刚度增幅逐渐变小。图9为CFRP包裹间距对柱初始刚度的影响曲线图。由图9可知，CFRP包裹间距的变化对柱初始刚度的影响是有限的，B25-2-10相较于B40-2-10，柱初始刚度降低7.2%；而B25-3-0相较于B40-3-0，柱初始刚度降低了6.3%，说明CFRP包裹间距对柱初始刚度影响较小。图10为CFRP包裹层数对柱初始刚度的影响曲线图。由图10可知，B40-1-0相较于B40-3-0，柱初始刚度提高了18.1%；B40-1-10相较于B40-2-10，柱初始刚度只提高了3.3%；B25-1-0相较于B25-3-0，柱初始刚度提高了11.7%。由于CFRP包裹层数的增加，环向约束力提高，试件自身弹性模量提升，所以试件的初始刚度增强，抵抗弹性变形的能力提高，说明包裹层数对柱初始刚度的影响较大。

3.2 延性

结构达到屈服至最大承载能力之间，承载力一般并未有下浮趋势的塑性变形能力称为延性。延性反映了结构在地震作用下耐变形的能力和消耗地震能量的能力，是结构抗震能力测评的重要参数。

图11为锂渣取代率对柱延性的影响曲线图。由图11可知，曲线大致呈线性降低的趋势，B40-1-0分别与B40-1-10和B40-1-20对比，延性系数分别降低了6.7%和13.9%。可见掺入适量锂渣粉末，虽然提高混凝土强度，但是会降低核心混凝土弹性模量，从而降低柱的延性变形能力。试件延性系数均大于2.1，表明钢管混凝土结构具有良好的抗震变形能力。图12为CFRP包裹间距对柱延性的影响曲线图。由图12可知，对比B25-1-0和B40-1-0，包裹间距增大，柱延性下降5.6%；对比B25-2-10和B40-2-10，延性下降了2.8%；而对比B25-3-0和B40-3-0，延性降低14.6%。结果表明随着CFRP包裹间距变大，柱延性变形能力减弱。图13为CFRP包裹层数对柱延性的影响曲线图。由图13可知，该曲线斜率较大，表明随着CFRP包裹层数增加，柱的延性显著提高。根据塑性受力分析，当钢管膨胀屈曲时，CFRP对试件的环向约束，使试件柱应力重新分布，逐渐从竖向分布慢慢转化到横向分布，从而提高试件塑性变形能力。如图13所示，增加包裹层数能明显提高试件环向约束，提高延性，且包裹层数对延性影响最大，CFRP约束柱具有优异的塑性变形能力。

4 结论

1）试件的破坏形态主要发生在钢管中上部，且未包裹CFRP区域破坏更严重。表现为碳纤维布垂直贯穿断裂，钢管膨胀鼓曲，中部未包裹混凝土处形成腰鼓状鼓曲，上下端逐渐形成管帽，试件被压弯呈“C”型。

2）荷载位移曲线主要分为弹性阶段、屈服阶段以及破壞阶段。碳纤维布对钢管有着侧向约束作用，有效地增强了钢管的抗压强度，并且有效地降低了混凝土膨胀挤压的程度，对钢管的侧向变形也起着抑制性的作用。

3）随着锂渣掺量的提高，CFRP约束锂渣混凝土柱极限强度和初始刚度提高，但延性变形能力下降；随着CFRP包裹间距减小，其极限强度、初始刚度和延性都增大；随着CFRP包裹层数的增加，其极限强度、初始刚度和延性也都增大，其中CFRP包裹层数的影响最大。

参考文献

[1] 苏柳月，陈怀，何其，等. 废玻璃粉对混凝土力学性能的影响试验研究[J].广西科技大学学报，2020，31（4）：27-32.

[2] 吉云鹏，陈宇良，覃贝录. 钢纤维再生混凝土轴压强度与损伤分析[J].广西科技大学学报，2022，33（1）：19-25.

[3] 王骐，张广泰，陈彪汉，等. 钢-聚丙烯混杂纤维锂渣混凝土早期抗裂性能试验研究[J].混凝土，2017（6）：40-43.

[4] 李建沛. 锂渣再生混凝土强度及耐久性试验研究[J].新型建筑材料，2018，45（4）：67-69，80.

[5] 陈华，谢斌，王鹏凯. 预应力CFRP板加固RC梁变形性能试验[J].广西科技大学学报，2018，29（4）：21-27.

[6] 陈华，黄裕勇，王鹏凯. 预应力碳纤维板加固混凝土T形梁抗弯承载力的计算[J].广西科技大学学报，2017，28（1）：35-40.

[7] 陈洁静，秦拥军，卢义. 掺锂渣再生混凝土细观结构与抗压强度关系研究[J].混凝土与水泥制品，2021（4）：88-93.

[8] 温勇，邓雷，王渤，等. 锂渣混凝土气体扩散系数测试分析研究[J].混凝土，2017（6）：44-47，51.

[9] 马丽莎，温勇，马蕾. 持续压荷载作用对锂渣混凝土气体渗透性的影响[J].混凝土，2020（1）：45-49.

[10] 张善德，刘涛，袁伟，等. 高性能锂渣混凝土的抗裂性试验研究[J].建筑科技，2017，1（4）：51-53.

[11] WANG J Z，CHENG L，YANG J L. Compressive behavior of CFRP-steel composite tubed steel-reinforced columns with high-strength concrete[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2018， 150： 354-370.

[12] SHEIKH S A. Performance of concrete structures retrofitted with fibre reinforced polymers[J]. Engineering Structures，2002，24（7）： 869-879.

[13] 徐红岩，丁耀宗. CFRP布约束混凝土方柱轴压性能研究[J].山西建筑，2020，46（21）：21-24.

[14] SHAAT A，FAM A. Axial loading tests on short and long hollow structural steel columns retrofitted using carbon fibre reinforced polymers[J]. Canadian Journal of Civil Engineering，2006，33（4）： 458-470.

[15] 王东锋，邵永波，欧佳灵. CFRP加固含腐蚀缺陷圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究[J].工程力学，2021，38（10）：188-199.

[16] 郭莹，许天祥，刘界鹏. 圆CFRP-钢复合管约束高强混凝土短柱轴压试验研究[J].建筑结构学报，2019，40（5）：124-131.

[17] 欧佳灵，邵永波. 轴压作用下CFRP加固圆钢管混凝土短柱的承载力分析[J].工程力学，2019，36（10）：180-188.

[18] 王启吾，方志，陈正. CFRP配筋超高性能混凝土柱受压性能试验[J].中国公路学报，2022，35（2）：52-62.

[19] 胡忠君，宋雪娇. CFRP布条带约束混凝土圆柱承载力计算方法研究[J].混凝土，2016（11）：46-48.

[20] 梁炯丰，郭立湘，易萍华，等. 方形CFRP钢管约束再生混凝土轴压长柱试验研究[J].混凝土，2016（7）：34-36.

[21] 梁炯丰，王增亮，王佳佳，等. CFRP圆钢管约束再生混凝土长柱轴压试验研究[J].混凝土，2015（8）：12-14.

[22] 许开成，毕丽苹，陈梦成. 水胶比、锂渣掺量和细度对混凝土抗压强度的影响研究[J].硅酸盐通报，2016，35（10）：3373-3380.

[23] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 普通混凝土配合比设计规程：JGJ 55—2011 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

[24] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 工程结构加固材料安全性鉴定技术规范：GB 50728—2011 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

Axial compression performance of lithium slag concrete short

column with CFRP round steel tube

LIU Rulai， LIANG Jiongfeng*， WANG-LIU Haoxiang

（School of Civil Engineering and Architecture， East China University of Technology， Nanchang 330013， China）

Abstract： The study is done to address the pollution from industrial waste accumulation to realize sustainable development of the construction industry. The axial compression performance of lithium slag concrete short column with CFRP confined round steel tube was investigated experimentally. In the experiment， 9 columns were designed for mechanical tests by partially  replacing cement with the lithium slag waste， with lithium-slag substitution rate， CFRP wrapping spacing and number of CFRP wrapping layers as influencing factors. Ultimate load capacity， stiffness and ductility were analyzed based on damage patterns， mechanical curves. The results show that the ultimate strength and initial stiffness of the specimen increased with the increase of lithium slag dosing in the 0 ～ 20% range， but the ductility decreased by about 13.9%; the ultimate strength， initial stiffness and ductility of the specimen only decreased by about 5.0% when the wrapping spacing of the specimen increased from 25 mm to 40 mm， which showed that the strip compression solution with 40 mm wrapping spacing had better structural performance while saving material. By increasing the number of CFRP wrapped layers from 1 to 3， the compressive strength， stiffness and ductility of the specimens increased by about 18.0% ～ 26.0%， which showed that the number of wrapped layers had the greatest influence on the column performance.

Key words： carbon fiber reinforced plastics（CFRP）; lithium slag; concrete column with round steel tube; ultimate strength; stiffness; ductility

（責任编辑：罗小芬）