短切CFRP管增强混凝土抗压性能试验研究*

曹 广,张永权,李 晨,王大永,杜 志,张学杰,郑庆涛,张 煜,吕 杨

(1.中铁一局集团有限公司,陕西 西安 712000; 2.天津城建大学土木工程学院,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)

0 引言

目前最常用的增强混凝土是纤维增强混凝土(fiber reinforced concrete,FRC),但随着复合材料(fiber reinforced plastics,FRP)材料越来越多,许多废弃的FRP仍可以回收利用,为环境能源可持续发展做出贡献,复合纤维增强混凝土(fiber reinforced plastics reinforced concrete,FRPRC)中将纤维用FRP代替具备应用前景。

在FRPRC方面,国内外目前使用内掺FRP做增强复合纤维的研究较多[1-6]。Mastali等[1]使用掺量0.5%,1%,1.5%和2%的再生CFRP纤维按10,20,30mm的长度掺入自密实混凝土,通过抗压性能试验发现CFRP纤维在限制裂纹扩展方面具有很大潜力,可补偿孔隙率增加造成的负面影响,且最大可增加60%的抗弯强度;3种纤维长度中,具有1%纤维体积分数的试件具有最高的弯曲韧性指数。Ogi等[2]将回收的不规则CFRP碎片掺入混凝土中进行试验,试验表明,混凝土抗压强度和抗弯断裂大部分都有提升,CFRP较好地发挥了桥接作用。Zhang等[3]将截面面积0.5mm2左右的BFRP纤维加入混凝土,在抗压试验中,混凝土试块核心区基本保持完整,在弯曲试验中有明显的挠度变化,表面变形的纤维在峰值下降后出现二次峰值。

在FRC方面,国内外研究已经比较成熟。Sun等[4]将玄武岩纤维掺量从0.1%逐渐增至0.5%,在掺入的2种纤维长度中,6mm试件的抗压和劈拉强度均出现先提高后降低现象;12mm试件的抗压强度低于相同掺量的6mm试件,其抗压强度随掺量的增加先增加后降低,而劈拉强度一直降低,最佳掺量为0.2%。Cao[5]开展了BFRC落锤循环冲击试验,纤维混凝土延性增强,延展性指数提高了2倍以上。Yao等[6]研究发现碳纤维能提高混凝土的抗压强度和劈拉强度,而钢纤维能提高混凝土的弯曲强度和韧性,与单独的纤维增强混凝土相比,碳纤维和钢纤维混合混凝土的承载力在达到峰值强度后迅速下降。Choi等[7]研究了玻璃纤维和聚丙烯纤维混凝土的抗压性能,试验结果表明混凝土抗压强度基本没有增加,但峰值荷载对应的应变显著增大。钟晨等[8]完成的钢纤维混凝土轴心抗压试验也得到与Choi类似的结果。潘慧敏等[9]对钢纤维混凝土进行落锤冲击试验,SFRC的延性和韧性明显提高,在0.8%掺量下,延性比超过15%,1%掺量时,韧性系数是普通混凝土的10倍。佟钰等[10]研究表明,纤维长度为3mm和5mm的碳纤维,在掺量为0.5%左右时,抗压强度比和劈拉强度比增幅均达到最大值。侯敏等[11]和杜向琴等[12]试验表明,混凝土的劈拉强度和抗折强度均随碳纤维体积掺量的增加先增加后降低。分析可知,混凝土材料最优纤维掺量与纤维类型、尺寸、长度等多种因素相关,针对不同纤维增强混凝土需单独研究。丁传海[13-14]分别对玄武岩纤维含量对混凝土强度及破坏规律及高温后玄武岩纤维混凝土力学性能进行了研究。杨华侨等[15]对不同种类纤维混凝土物理及力学性能进行了对比分析。

本文开展了短切CFRP管增强混凝土抗压性能试验研究。首先在CFRP管表面进行黏砂处理以提高纤维管与混凝土之间的黏结性能,然后按15,25和35mm三种长度类型,0.5%,1.5%,2.5%和3.5%的体积分数设计制作了12组36个混凝土圆柱体试件,开展试件抗压性能试验,分析试件受压破坏模式、应力-应变关系,确定最优纤维长度和掺量。

1 试验设计

采用C40混凝土浇筑圆柱体试件,混凝土配合比为水泥∶石子∶砂∶水=469.38∶1 055∶646.6∶230。试件直径100mm,高200mm,使用的CFRP管为外径2mm、内径1.5mm的圆管,设计3种长度,分别为15,25和35mm,按混凝土体积掺量比计算设计5种掺量,分别为0.5%,1%,1.5%,2.5%,3.5%。对试件进行编号,如表1所示,PC为对照组,代表素混凝土试件;“15-0.5C”代表短切CFRP管长为15mm、体积分数为0.5%试件,每种掺量浇筑3个试件。

表1 试验构件设计Table 1 Configuration of the test specimens

为增加混凝土与CFRP管的黏结性能,在试件浇筑前,需对CFRP管表面进行黏砂预处理。首先在CFRP管表面涂抹1层EL2环氧树脂,待环氧树脂流动性降低时,将其在铺满0.5～1mm石英砂的隔离膜上滚动黏砂,并置于室内环境晾晒,直至环氧树脂充分固化,最后将黏砂后的CFRP管切割成试验所需长度。CFRP管黏砂预处理过程及切割后的CFRP如图1～2所示。

图1 CFRP管黏砂过程Fig.1 Sand bonded process of CFRP pipes

图2 短切黏砂CFRP管Fig.2 Short CFRP pipes with sand bonded

混凝土浇筑过程中,先干拌石子和砂子,放入水泥后加水搅拌均匀,最后分多次将短切CFRP管撒入搅拌机中,搅拌均匀后加入剩余的短切CFRP管,防止一次性加入集聚成团,整个浇筑过程中发现短切CFRP管的加入不会对混凝土流动性造成明显影响,CFRP管不具备较强的吸水性,不需改变水灰比,浇筑成型后放在标准条件下养护28d后进行试验(见图3)。

图3 试件制备过程Fig.3 Casting of the specimens

圆柱体混凝土抗压试验参照ASTMC39-18与GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。如图4所示,在压力机2个加载面之间布置2个量程为25mm的线性位移计(LVDT)测量混凝土轴向变形。采用位移控制加载,正式加载前,预载20kN并维持10s,使试验机压板与试件完全接触压实,然后按0.3mm/min的恒定速率加载至试件破坏,得到试件的应力-应变曲线。

图4 抗压试验布置Fig.4 Layout of the compressive test

2 试验结果分析

2.1 破坏模式

图5为不同长度和掺量下短切CFRP管增强混凝土的破坏情况。素混凝土和短切CFRP管掺量为0.5%的试件在加载过程中逐渐出现贯通整个试件内部的主斜裂纹,试件发生明显的侧向膨胀,混凝土块逐渐从四周掉落,裂缝出现至试件被压溃的过程很短,具有明显的脆性破坏特征,破坏后形成锥形的破坏面。从破坏面很少看到有短切CFRP管分布于混凝土内,此时CFRP管因掺量较少,对混凝土的增强作用不明显。

图5 抗压破坏模式Fig.5 Failure modes of the specimens

与短切CFRP管掺量为0.5%的增强混凝土试件相比,掺量为1%试件裂纹扩展时间较长,15mm长的CFRP管试件裂缝形式为贯通斜裂缝;而25,35mm长的试件压碎过程减缓,有拉断的CFRP管嵌在破坏面上。

短切CFRP管掺量为1.5%的增强混凝土裂纹扩展时间更长,其中35mm长试件裂纹的扩展时间最长。试件破坏后,裂纹破碎处的混凝土块由CFRP管桥连在一起。所有脱落露出的CFRP管表面石英砂全部脱落,掺加的CFRP管长度越长,破坏后保持的完整性越高。

短切CFRP管长度为35mm,掺量为2.5%和3.5%的试件能看到更多较深的纵向裂纹,裂纹路径增多但不贯通,仅外表混凝土破裂,表现出裂而不碎的现象,破坏后试件的完整性最高。

2.2 应力-应变曲线

试验配制的普通C40混凝土圆柱体28d抗压强度σc为40.71MPa,峰值应变εc为0.218%,表2列出了短切CFRP管增强混凝土的抗压强度σcc和峰值应变εcc。

表2 短切CFRP管增强混凝土力学特性Table 2 Mechanical properties of the CFRP reinforced concrete

图6为相同长度不同体积掺量CFRP管的增强混凝土应力-应变曲线,在达到峰值应力的40%前认为试件处于弹性阶段,此时混凝土应力-应变曲线线性上升,内部无裂纹扩张,短切CFRP管长度相同时,掺量越大曲线斜率越小,材料弹性模量随掺量增加呈下降趋势。

图6 应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain relationship

当达到峰值应力的40%～85%时,由于混凝土原始缺陷的存在,空隙开始扩展成微小的裂纹并伴有声响。在短切CFRP管掺量少、长度小的试件中,裂缝延伸及试件轴向压缩受短切CFRP管的影响较小,具体表现为曲线波动小,而随着短切CFRP管掺量和长度的增加,试件受压后裂缝的扩展受到CFRP管约束的影响,应力-应变曲线呈小波动上升状态。

峰值应力达到85%后,应力增加速率逐渐变缓,掺CFRP管的试件峰值应变均有不同程度的增大,这表示混凝土在达到峰值应力时有更大的轴向压缩变形,所有试件的抗压强度均有不同程度的下降。在应力下降段,掺CFRP管的试件根据加入长度和掺量的不同,与素混凝土相比,应力下降速率有不同程度的降低,混凝土转变成有一定塑性变形能力的破坏形式。

表2表明,相比素混凝土,在CFRP管短切长度为15mm时,0.5%掺量下的抗压强度下降5.7%,峰值应变未发生变化,应力-应变曲线与素混凝土基本一致,下降段没有明显的变缓趋势,承载力迅速丧失。1%掺量下,试件抗压强度下降6.62%,峰值应变增大8.3%,强度和峰值应变变化不明显,但应力下降段变缓,试件表现出一定的韧性。1.5%掺量下,抗压强度下降23.8%,峰值应变增大21.6%,虽然轴向变形能力增大,但此时抗压强度相比0.5%和1%掺量大幅降低,此时纤维长度为15mm,和粗骨料粒径相近。在1.5%掺量下,短切段数很多,在水泥用量固定情况下,水泥砂浆对粗骨料的包裹程度下降,导致强度有较大损失。

相比素混凝土,CFRP管短切长度为25mm时,0.5%掺量下的抗压强度下降8.96%,峰值应变增大18.8%,除了轴向变形稍微增加,应力下降段并没有表现出增韧效果。1%掺量下的抗压强度下降21.9%,轴向变形能力增大22%,与0.5%掺量时相差不大,曲线下降段的应力降低速度较快,增韧效果不明显。掺量为1.5%时,混凝土抗压强度下降24.8%,峰值应变增大43.1%,此时轴向变形能力有较大幅增加,韧性效果和1%掺量相差不大。

相比素混凝土,在CFRP管短切长度为35mm时,0.5%的掺量下抗压强度下降19.7%,峰值应变增大11.9%,在下降段属于脆性破坏,没有表现出增韧效果。1%掺量下的抗压强度下降20.1%,峰值应变增大14.9%,此时强度和峰值应变与0.5%掺量时相近,在应力下降段前部分表现出了良好的韧性,但当应变超过0.3%后又表现为应力骤降的脆性破坏。1.5%掺量下的抗压强度下降24.3%,峰值应变增大51.8%,此时抗压强度和0.5%,1%掺量相差不大,轴向变形显著增加表现出良好的延性性能。应变在0.29%～0.345%时,混凝土抗压强度维持在30MPa左右,随后应力缓慢下降。

为了探究继续增加掺量能否使延性效果更加明显,增加了2.5%和3.5% 2组对比试验。2.5%的掺量下抗压强度大幅下降46.2%,峰值应变增大59.2%,此时峰值应变与1.5%掺量相差不大,承载力损失却增大1倍。3.5%掺量下的抗压强度降低50.8%,峰值应变增大70.6%,此时混凝土具有最大的变形能力,试件破坏后表面满布微小裂纹。综上可知,CFRP掺量小于1.5%时,混凝土强度变化不大。因此,1.5%体积掺量是强度变化的临界点。

3 最优掺量分析

混凝土细观上认为是由骨料、水泥砂浆和两者间交界面组成的三相非均质材料,根据浆体包裹骨料的程度不同,混凝土内部存在孔洞,两者界面区域的孔隙率较大,承压时微裂纹沿着缺陷部分扩展。

CFRP管作为增强相,加入混凝土后在内部形成三维乱向分布的网状结构,在拉拔试验中可以看出CFRP管与混凝土之间主要是通过机械咬合作用连接在一起,在基体开裂前应力在混凝土与CFRP管之间传递,由于增强相的弹性模量远大于基体的弹性模量,CFRP管起阻碍基体受压引起的次拉应力增大的作用。随着荷载增加,内部裂缝扩展,内嵌CFRP管在界面开裂处横跨2个界面发挥桥接作用形成均匀的应力场,延缓并抑制裂纹的大幅扩展贯通,吸收大部分能量,因此相比普通混凝土可以产生更大的轴向变形。荷载足够大时,CFRP管和基体界面最先达到抗剪强度,发生局部脱粘,这也是从破坏状态来看整体性更好的主要原因。当CFRP管的体积掺量在0.5%时,由于单根短切CFRP管的体积大,相比纤维丝束,同体积下混凝土短切CFRP管的数量太少,甚至不一定分布在裂缝发展处,因此无论长度多少都不能改变混凝土脆性破坏的状况,单根短切CFRP管体积较大,意味着掺量需要更多才能保证一定的桥接作用。

CFRP管弹性模量高、强度大、体积大,加入混凝土后在单位体积内占据的空间更加集中,同时分摊包裹骨料的水泥浆体,因此在配合比不变的情况下会改变混凝土原本的物理力学性能,其空心部分会进入部分水泥浆体,减少了包裹骨料的浆体比例,随着体积掺量的增加,增加了内部缺陷和界面薄弱层,混凝土密实度降低,对三维乱向分布的网状嵌入结构不利,在较低的应力状态下就会开裂。此外,CFRP管不是柔韧性材料,属于刚性纤维复合材料,尽管抗拉强度高,但当裂缝扩展方向与纤维不同向时,纤维将受到弯剪荷载,从而发生脆性断裂,因此掺杂CFRP管后,混凝土抗压强度普遍降低。

图7给出了短切CFRP管增强混凝土与普通混凝土的抗压强度比,可以看出,不同工况下,与普通混凝土相比,不同长度和掺量的短切CFRP管混凝土强度均有所降低。

图7 短切CFRP管增强混凝土与普通混凝土的抗压强度比Fig.7 Strength ratio of the CFRP reinforced concrete and the plain concrete

不同工况试件强度降低与峰值应变增加的对比如图8所示。可以看出,在掺量为1.5%时,强度与峰值应变存在临界最优关系,体积掺量大于1.5%时,混凝土强度损失过大,增韧效果有限。

图8 强度和峰值应变随掺量的变化Fig.8 Changes of strength and peak strain with CFRP

图8表明,长度为25mm和35mm的短切CFRP管,当体积掺量从1%增大到1.5%时,混凝土抗压强度变化较小,而从1.5%增大到2.5%时,混凝土抗压强度大幅降低,因此,体积掺量1.5%,长度为35mm的组合最优。

应力-应变曲线下的面积为材料变形破坏过程中所做的功,采用韧度R评价增韧效果。由受压全过程应力应变曲线得到各组分混凝土试件的韧度如表2所示。可以看出,体积掺量为1.5%,CFRP管长为35mm时,混凝土的韧度R达到10.54,远大于其他组分混凝土的韧度。

4 结语

采用短切黏砂CFRP管作为混凝土增强相,研究了3种长度和5种掺量的纤维管增强混凝土抗压强度,通过分析不同掺量、长度组合下的混凝土破坏模式和应力-应变全曲线,得到如下结论。

1)短切CFRP管的加入改变了混凝土的抗压强度与峰值应变,抗压强度均低于普通混凝土,峰值应变均大于普通混凝土;当掺入的CFRP长度相同时,混凝土峰值应变随着掺量增大而增大,抗压强度随掺量增大而降低;掺量0.5%,1%和1.5% 3种混凝土的最低抗压强度为30MPa,纤维管长度对混凝土强度的影响不大,掺量1.5%时,混凝土峰值应变明显大于0.5%和1%掺量的试件。

2)短切CFRP管长度和掺量的增加能够明显增强混凝土的韧性,混凝土由脆性破坏向具有一定塑性的破坏模式转变,其中35mm长度的CFRP管对延性的改善最明显;掺量为1.5%时,混凝土在峰值应力时会出现平台,延性显著提高。

3)长度35mm的CFRP管,体积掺量为1.5%时为最优掺量,此时混凝土峰值压应变比普通混凝土大51.8%,应力应变曲线所围成的面积即韧度R为10.54,远大于其他组分混凝土韧度。