周　安,　苏小龙,　沈凯凯,　朱　宁

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥　230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥　230009)



玄武岩纤维布加固混凝土柱轴压试验研究

周安1,2,苏小龙1,沈凯凯1,朱宁1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥230009; 2.土木工程结构与材料安徽省重点实验室,安徽 合肥230009)

文章针对玄武岩纤维布加固钢筋混凝土柱,进行轴心受压性能研究,运用正交试验法,选择L9(33)正交表,考虑纤维布种类、包裹层数以及箍筋间距3个影响因素,设计制作了9个试件。研究结果表明:玄武岩纤维加固后柱轴心抗压承载力平均提高20%,是碳纤维布加固效果的80%;加固后柱轴压极限承载力的提高幅度随纤维包裹层数增加而上升,但提高幅度与包裹层数不呈线性关系;在加载达到柱极限承载力的70%之前,纤维布对柱的约束作用并不显著,之后纤维布的约束作用剧增,较大地延缓了柱的破坏。

玄武岩纤维布;钢筋混凝土柱;轴心受压;极限承载力;正交试验

纤维复合材料(fiber-reinforced polymer,FRP)加固混凝土结构是一种新兴的加固方法。研究表明,外贴FRP加固混凝土结构能够较大地提高其承载能力,具有良好的耐腐蚀性和耐久性等优势[1]。目前碳纤维增强复合材料(carbon-fiber-reinforced polymer,CFRP)由于其具有较高的抗拉强度和弹性模量,应用最为普遍[2-3]。

玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber-reinforced polymer,BFRP)是用玄武岩在熔融后,通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维[4]。相比于其他纤维增强复合材料,BFRP具有抗拉强度高、稳定性好、耐高温、抗腐蚀良好、价格便宜等优点[5-7]。

然而目前对FRP的研究大多针对于碳纤维布,关于BFRP加固混凝土结构尚处于起步阶段[8],仅有少量的研究,且多为单一因素的对比研究。因此关于玄武岩纤维布约束钢筋混凝土柱轴心受压力学性能的研究是必要的，且有着一定的工程应用参考价值。

1　试验概况

1.1试验材料

(1) 混凝土强度。试件采用的混凝土设计强度等级为C30,试验柱预留试块28 d混凝土立方体抗压强度fcu=34.5 MPa。

(2) 钢筋力学性能。纵向钢筋采用HRB400级钢筋,箍筋采用HPB300级钢筋,力学性能见表1所列。

(3) 纤维布力学性能。纤维布种类采用玄武岩纤维和碳纤维,主要力学性能见表2所列。

表1　钢筋力学性能　MPa

表2　纤维布力学性能

2种纤维布材料强度均低于文献[9]要求,这可能是由于材料本身强度不够、试验机数值有误差等造成的。

1.2试件设计

试验采用正交试验设计方法,选择三因素三水平正交表L9(33),3个因素分别为纤维布种类、包裹层数和箍筋间距。正交试验构件设计见表3所列。

试验设计了9根试件,柱的截面尺寸为250 mm×250 mm,柱高1 500 mm。柱棱边倒角半径为25 mm。混凝土保护层厚度为20 mm,试件尺寸及配筋情况如图1所示。箍筋间距分为3种,图1只画出其中1种。

表3　构件设计

图1　试件尺寸及配筋

1.3加载方案

试验加载采用YES-5000型长柱压力试验机,所有试件均为轴心受压。

试验中采用单调分级加载方案[10-12],加载速率为0.5 kN/s。正式加载前先进行预加载,然后进行分级加载。每级荷载不超过理论极限荷载的10%,每级加载完毕后须持荷2～3 min。试验中若在持荷时间完成后试件出现破坏,取该级荷载值作为试件极限承载力;若在加载过程中试件出现破坏,取前一级荷载值作为极限承载力;若在持荷过程中试件发生破坏,则取该级荷载和前一级荷载的平均值作为极限承载力。

2　试验现象与结果分析

2.1破坏特征

玄武岩纤维布加固的混凝土柱,加载初期在外观上未发现任何破坏状况,环向粘贴的纤维布应变片应变值很小;当加载到极限荷载的60% ～ 70%时,可听见试件发出较小的噼啪开裂声,随后响声逐渐增多,玄武岩纤维布因混凝土的横向变形出现较明显的膨胀;继续加载,试件中下部出现小部分纤维的断裂,发出较大的声响,当达到各约束柱的极限承载力时,试件突然发出巨大的爆裂声,柱下部纤维布瞬时撕裂并与试件剥离开来,同时试件中下部混凝土被压碎,散落在实验台上,如图2所示。碳纤维加固混凝土柱在加载过程中的试验现象与玄武岩纤维布约束比较相似,不同的是碳纤维约束试件发生破坏时,发出的声响更大,破坏也更突然,而且破坏前碳纤维布很少出现明显的膨胀。碳纤维加固混凝土柱的破坏状态如图3所示。

图3　CFRP加固柱的破坏

玄武岩纤维布约束混凝土柱的破坏具有爆炸性,破坏基本上发生在试件的下部,在破坏时,包裹的纤维布都会被拉断、撕裂,说明纤维布很好地约束了混凝土柱的膨胀,发挥了加固的效果。另外,试件破坏看似是脆性破坏,但是相对于未包裹柱的破坏,玄武岩纤维布约束柱在破坏前经历了很大的横向变形,所以应该将其看作是具有一定延性的破坏。当BFRP包裹层数较少时,剥离的混凝土颗粒比较大,当包裹层数较多时,剥离的混凝土颗粒很小。这说明包裹层数越多,试件破坏时混凝土的破碎越严重。

2.2纤维布应变

在试验过程中,根据东华DH3816N静态应变测试系统采集的应变数据,绘制出6根混凝土包裹纤维布的荷载-应变关系曲线,如图4所示。

由图4可知,在试验加载过程中,玄武岩纤维布的应变发展可以分为2个阶段。第1阶段,从开始到加载值达到试件极限承载力的70%左右时,玄武岩纤维布应变大致呈线性增加且发展比较缓慢,说明在该阶段,纤维布所起到的约束作用比较小;第2阶段,从试件承载力达到其极限承载力的70%左右开始直至试件破坏,纤维布应变发展非常迅速,并且荷载-应变曲线斜率急剧减小,最后大致呈水平状,说明在该阶段,纤维布对混凝土柱的约束作用非常大。

图4　2种纤维布荷载-应变曲线

碳纤维布的荷载-应变曲线发展过程与玄武岩纤维比较类似,但也有所区别,主要表现为:在试件加载值达到其极限承载力的70%以后,碳纤维布的应变值相对于玄武岩纤维布发展缓慢,这是由于碳纤维布的弹性模量较大导致的。

2.3承载力影响因素分析

试验研究的主要指标为试件的极限承载力,根据正交试验极差分析法[13]对9根试件进行分析计算,得到的K、k、R值见表4所列。

由计算结果可知,纤维布种类的R值最大,包裹层数次之,箍筋间距最小。因此按照极差的大小,影响试件极限承载力的主次顺序为:纤维布种类>包裹层数>箍筋间距。

通过正交试验,可以得到因素各水平变化时,试件极限承载力的变化。试验3个因素对承载力影响趋势如图5所示。

(1) 由纤维布种类影响情况分析可得,包裹纤维布的钢筋混凝土柱比未加固的柱极限承载力有较大程度的提高,其中玄武岩纤维布的提高幅度大约为20.8%。这说明包裹纤维布可以提高柱的极限承载力,增强构件的承载能力。

(2) 由纤维布包裹层数影响情况分析可得,纤维布加固层数越多,对钢筋混凝土柱的极限承载力提高越大,但是并非呈线性关系,而且随着纤维布层数的增多,提高的幅度越来越小。这说明随着层数的增加,纤维布的强度利用率随之减少。

表4　极差分析计算结果

图5　极限承载力变化图

(3) 由箍筋间距影响情况分析可得,箍筋间距越小,钢筋混凝土柱的极限承载能力越大。

3　结　　论

(1) 由纤维布荷载-应变曲线可知,在加载达到柱极限荷载的70%之前,纤维布发挥的约束作用并不大;随后纤维布约束作用剧增,较大地延缓了柱的破坏。

(2) 相对于未加固柱,玄武岩纤维布加固后柱的极限承载力提高幅度平均为20.8%,是碳纤维布加固效果的80%。

(3) 随粘贴纤维布层数的增加,加固后的极限承载力也在提高,但增加幅度逐渐减小,纤维布抗拉强度利用率逐渐降低。

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[4]金友信.玄武岩纤维组成及优异性能[J].山东纺织科技,2010(2):37-40.

[5]杨勇新,岳清瑞.玄武岩纤维及其应用中的几个问题[J].工业建筑,2007,37(6):1-4.

[6]SIM J,PARK C,MOON D Y.Characteristics of basalt fiber as a strengthening material for concrete structures[J].Composites Part B:Engineering,2005,36:504-512.

[7]卢睿，朱大勇，詹炳根.玄武岩纤维自密实混凝土流变性能研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2015，38(9)：1249-1253.

[8]欧阳利军,丁斌,陆洲导.玄武岩纤维及其在建筑结构加固中的应用研究进展[J].玻璃钢/复合材料,2010(3):84-87.

[9]中冶建筑研究总院有限公司.纤维增强复合材料建设工程应用技术规范:GB 50608—2010[S].北京：中国计划出版社，2011：10-30.

[10]吴刚,吕志涛.FRP约束混凝土圆柱无软化段时的应力-应变关系研究[J].建筑结构学报,2003,24(5):1-9.

[11]滕智明.钢筋混凝土基本构件[M].2版.北京:清华大学出版社,1990:8-32.

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[13]李云雁,胡传荣.试验设计与数据处理[M].北京:化学工业出版社,2008:124-161.

(责任编辑张淑艳)

Experimental research on reinforced concrete columns strengthened with BFRP under axial compression

ZHOU An1,2,SU Xiaolong1,SHEN Kaikai1,ZHU Ning1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei 230009, China)

The experimental research on the reinforced concrete columns strengthened with basalt fiber-reinforced polymer(BFRP) under axial compression was carried out. Nine specimens were designed and made by using the orthogonal experiment method with choosing the orthogonal table of L9(33) and taking into account three influencing factors, namely the types of the FRP, the layer number of FRP and the stirrup spacing. The research result shows that the bearing capacity of reinforced concrete columns strengthened with BFRP averagely improves 20%, which is equivalent to 80% of that of carbon fiber-reinforced polymer(CFRP). The ultimate bearing capacity of the columns strengthened with FRP increases with the increase of FRP layers, but there is no linear relationship between them. Before reaching 70% of the ultimate bearing capacity of the columns, the constraint effect of fiber cloth on the columns is not significant. After this, the constraint effect of fiber cloth increases, delaying the columns failure greatly.

basalt fiber-reinforced polymer(BFRP); reinforced concrete column; axial compression; ultimate bearing capacity; orthogonal experiment

2015-03-23；

2015-10-11

安徽省自然科学基金资助项目(1408085MKL14)

周安(1964-),男,安徽绩溪人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.015

TU599；TU375.3

A

1003-5060(2016)08-1080-04