任 慧 韜, 吳 英 伯, 韓 少 楠, 王 立 成

( 大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024 )

CFRC復(fù)合梁力學(xué)性能試驗(yàn)研究

任 慧 韜*, 吳 英 伯, 韓 少 楠, 王 立 成

( 大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024 )

碳纖維混凝土(CFRC)復(fù)合梁是在普通混凝土梁中摻入短切碳纖維，以此改善混凝土的性能．碳纖維彈性模量高，將其摻入混凝土中能改善混凝土的韌性并起到增強(qiáng)阻裂的效果．通過四點(diǎn)加載試驗(yàn)，研究普通混凝土梁與不同纖維層厚度、不同纖維長(zhǎng)度的復(fù)合梁的彎曲破壞機(jī)理、荷載撓度行為、裂縫形態(tài)等．試驗(yàn)結(jié)果表明，在混凝土梁的受拉區(qū)摻入短切碳纖維可以有效改善其變形能力；碳纖維對(duì)混凝土裂縫擴(kuò)展的抑制、裂縫形態(tài)的改善效果較好；纖維層厚75 mm、纖維長(zhǎng)度10 mm的復(fù)合梁性能最優(yōu)．最后提出了CFRC彎曲構(gòu)件極限承載力的計(jì)算公式．

碳纖維混凝土(CFRC)；復(fù)合梁；抗彎性能；裂縫抑制

0 引 言

混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，但其抗拉強(qiáng)度低、變形能力弱等缺點(diǎn)使其在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的使用受限[1-2]．纖維混凝土是混凝土向高抗拉、高韌性、高阻裂、高耐久、材料智能性發(fā)展的產(chǎn)物．碳纖維屬于高模量纖維，與其他纖維(鋼纖維、玻璃纖維等)相比，碳纖維性質(zhì)更穩(wěn)定，在環(huán)境中耐腐蝕、耐老化、耐溫差效果更好．此外碳纖維密度小，采用碳纖維混凝土(CFRC)可以使構(gòu)件更加輕質(zhì)、施工簡(jiǎn)便．在成本上，碳纖維的抗拉強(qiáng)度在3 500 MPa以上，達(dá)到增強(qiáng)效果所需的纖維摻量普遍低于其他纖維．除了以上力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良外，CFRC還在電磁屏蔽、熱電除冰、結(jié)構(gòu)健康自檢測(cè)、鋼筋陰極保護(hù)等方面有廣闊前景．近年來碳纖維價(jià)格的持續(xù)走低使CFRC的研究備受矚目[3]．

然而目前的研究大多針對(duì)全截面碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能[4-5]．研究表明，碳纖維的摻入對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度、韌性均有較大提高，但是對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大[6]．若只在受彎構(gòu)件的受拉區(qū)摻入碳纖維，那么既可提高纖維利用率又能縮減材料成本[7]．Rahimi等[8]研究了局部鋼纖維砂漿的受彎性能，得出當(dāng)纖維層厚為梁高的16%時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度有較大提高，且與全截面增強(qiáng)砂漿試件相比降幅不大．Sri Ravindrarajah等[9]研究了不同纖維層高比的鋼纖維復(fù)合梁抗彎強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)抗彎強(qiáng)度隨著層高比的增加而增加，但達(dá)到某一限值后增強(qiáng)效果減弱．

本文的研究借鑒當(dāng)前最新的研究成果，設(shè)計(jì)7組復(fù)合梁試件，探討不同因素下碳纖維對(duì)復(fù)合梁靜態(tài)受彎性能的增強(qiáng)效果．

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、瓜子石(粒徑5～10 mm)、河砂、自來水、碳纖維分散劑(甲基纖維素)、高效減水劑、消泡劑(磷酸三丁酯)和短切碳纖維．鋼筋強(qiáng)度等級(jí)為HRB400．短切碳纖維的性能指標(biāo)見表1．

表1 短切碳纖維性能指標(biāo)

1.2 配合比

為使纖維層與混凝土層的界面接觸、分層效果良好，試驗(yàn)配制了C40自密實(shí)混凝土，配合比見表2．周樂等[10]研究得出，當(dāng)碳纖維摻量為0.24% 時(shí)，對(duì)混凝土的阻裂作用最佳．因此纖維混凝土配比是在此基礎(chǔ)上摻入0.24%的碳纖維，膠凝材料為質(zhì)量0.7%的分散劑和0.1%的消泡劑．配制碳纖維混凝土?xí)r，應(yīng)適量提高減水劑的摻量以達(dá)工作度要求．

表2 混凝土配合比

1.3 試件制作

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了7組試件，每組2個(gè)，變量參數(shù)包括拌入纖維層厚度和纖維長(zhǎng)度．表3為試件分組情況，圖1為試件尺寸及配筋方式．試件采用熱澆法，即在CFRC層初凝前完成自密實(shí)混凝土的澆筑．澆筑完成后用塑料保鮮膜包裹澆筑面，防止水分流失．試件在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期．

表3 試件分組表

圖1 梁的配筋圖

1.4 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在1 000 t電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用荷載等級(jí)為5 kN的分級(jí)加載方式．跨中撓度用兩個(gè)LVDT對(duì)稱測(cè)量，支座處布置兩個(gè)LVDT測(cè)量支座位移．

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 破壞模式

復(fù)合梁的破壞過程分為3個(gè)階段．彈性階段：此時(shí)試件的荷載撓度曲線為線性，碳纖維的作用還未體現(xiàn)．屈服階段：初裂后，拉應(yīng)力由碳纖維與鋼筋共同承擔(dān)．當(dāng)碳纖維與基體的黏結(jié)應(yīng)力達(dá)到其黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，二者脫黏，隨著加載過程的持續(xù)，纖維在基體中產(chǎn)生滑移，消耗了一定的能量．破壞階段：受拉鋼筋屈服后，裂縫向受壓區(qū)擴(kuò)展，此時(shí)撓度增長(zhǎng)較快，受壓區(qū)產(chǎn)生明顯的塑性變形，隨著裂縫的不斷擴(kuò)展，大部分碳纖維被拔出，受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)鱗片狀凸起，直至壓碎，碳纖維的增強(qiáng)作用基本消失．

所有試件破壞模式均為正截面受彎破壞且界面均未出現(xiàn)剝離，可見熱澆法能有效避免復(fù)合梁的剝離破壞．RC梁與復(fù)合梁破壞模式基本相同，說明碳纖維層的加入對(duì)梁的最終破壞形態(tài)影響不大．

2.2 荷載-撓度行為

圖2為纖維層厚度相同、纖維長(zhǎng)度不同的梁試件荷載位移曲線對(duì)比情況．結(jié)果表明，從開始加載到屈服，復(fù)合梁都比RC梁的斜率更大．5 mm與15 mm長(zhǎng)度碳纖維復(fù)合梁在屈服前斜率與RC梁對(duì)比增加相對(duì)較小，而10 mm碳纖維梁試件斜率相對(duì)RC梁增加較大．由此可知：在荷載相同條件下，復(fù)合梁的跨中撓度小于普通鋼筋混凝土梁，并隨著荷載的增加，差異更為明顯，碳纖維的加入會(huì)對(duì)梁的后期剛度產(chǎn)生明顯改善作用，其中10 mm 碳纖維對(duì)混凝土的改善效果要優(yōu)于其他兩種長(zhǎng)度的碳纖維．

圖3給出了纖維長(zhǎng)度相同時(shí)，纖維層厚度不同的荷載位移曲線．3圖表現(xiàn)出相同趨勢(shì)：試件屈服以前，曲線斜率隨纖維層厚度的增大而增大；屈服點(diǎn)以后，復(fù)合梁曲線幾乎包絡(luò)RC梁曲線．結(jié)果表明，在纖維長(zhǎng)度相同的條件下，75 mm厚纖維層復(fù)合梁的剛度、屈服荷載、極限荷載提高效果要比40 mm的更好．

表4為試件的開裂、屈服和極限荷載試驗(yàn)結(jié)果，由表中數(shù)據(jù)可知：碳纖維對(duì)試件的開裂荷載影響不大，這是由于開裂荷載主要取決于基體的極限拉應(yīng)變；摻入碳纖維的復(fù)合梁屈服荷載普遍高于RC梁．當(dāng)纖維層厚度為75 mm時(shí)，與對(duì)比試件相比，纖維長(zhǎng)度為10 mm的試件屈服荷載提高幅度最大，為26.59%．纖維長(zhǎng)度為15 mm的試件屈服荷載提高幅度有所降低．初步分析可能是由于長(zhǎng)纖維在混凝土拌和過程中無法完全分散所致．纖維層厚度同樣影響復(fù)合梁的屈服荷載．試件CFRC-40-05、CFRC-75-05屈服荷載分別提高1.65%、17.03%；試件CFRC-40-10、CFRC-75-10屈服荷載分別提高22.24%、26.59%；試件CFRC-40-15、CFRC-75-15屈服荷載分別提高12.27%、15.58%．

(a) RC梁與纖維層厚度40 mm復(fù)合梁對(duì)比

(b) RC梁與纖維層厚度75 mm復(fù)合梁對(duì)比

圖3 纖維層厚度對(duì)荷載-位移曲線的影響

表4 CFRC復(fù)合梁的彎曲試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，加入碳纖維對(duì)于復(fù)合梁極限荷載有一定提高，但幅度小于屈服荷載．所有試件的極限荷載提高幅度在7%～14%．這是因?yàn)閺?fù)合梁在達(dá)到屈服后，隨著受拉區(qū)混凝土裂縫寬度的增大，碳纖維被拔出或者拉斷，不能繼續(xù)橋接裂縫，因此碳纖維對(duì)極限荷載的提高與屈服荷載相比幅度較低．

2.3 抗彎承載力計(jì)算

碳纖維混凝土梁的計(jì)算可以參考鋼纖維混凝土梁的計(jì)算原理[11]，結(jié)合碳纖維的增強(qiáng)作用機(jī)理，計(jì)算復(fù)合梁的極限承載力．首先建立梁的平衡方程：

ffcmbx=fyAs-f′yA′s+fftbbxt

(1)

(2)

式中：ffcm為普通混凝土等效應(yīng)力圖抗壓強(qiáng)度；fftb為纖維混凝土等效應(yīng)力圖抗拉強(qiáng)度；fy、f′y為鋼筋拉、壓屈服強(qiáng)度；As、A′s為鋼筋拉、壓截面面積；b為復(fù)合梁的寬度；Mfu為復(fù)合梁的極限抗彎承載力；as、a′s為拉、壓鋼筋合力點(diǎn)到拉、壓邊緣距離；hf、h0為纖維層高度、截面有效高度；x為等效受壓區(qū)高度；xt為等效受拉區(qū)高度，這里取xt=hf．國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)纖維混凝土彎曲抗拉強(qiáng)度fftb做過較多研究[12-13]，趙國(guó)藩等認(rèn)為可以采用下式計(jì)算：

fftb=βtbλfft

(3)

實(shí)際上，采用式(3)計(jì)算fftb時(shí)，βtb的確定較為分散，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差異較大．因此fftb通常用劈裂抗拉強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換與修正間接得到．在計(jì)算fftb時(shí)，還應(yīng)考慮纖維特征參數(shù)λf和纖維亂向增強(qiáng)效率ηf．fftb可按下式計(jì)算：

此處譯者并沒有補(bǔ)充解釋老子和莊子、屈原和宋玉。首先，譯文最直接的目標(biāo)受眾是對(duì)中國(guó)文化感興趣的外國(guó)游客，有可能對(duì)諸子百家有所耳聞；再者，文中這些名人只是意在說明楚文化包羅宏富，并不是文本的關(guān)鍵信息，讀者從中能夠得知他們是哲學(xué)家和愛國(guó)文人就足夠了。

fftb=0.85(1+λfηf)ftc

(4)

(5)

其中l(wèi)fcrit為纖維臨界長(zhǎng)度，根據(jù)Heim等[14]采用的碳纖維雙倍搭接試驗(yàn)，取碳纖維臨界長(zhǎng)度為52 mm；ftc為100 mm立方體劈拉強(qiáng)度．

表5是采用本文給出的公式計(jì)算的復(fù)合梁極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比．由對(duì)比結(jié)果可知，采用式(4)能較好地表達(dá)碳纖維對(duì)復(fù)合梁的增強(qiáng)效應(yīng)．

表5 極限承載力理論值與試驗(yàn)值的對(duì)比

Tab.5 Comparison between theoretical value and experimental value of ultimate bearing capacity

梁類型極限荷載試驗(yàn)值F1/kN極限荷載理論值F2/kN誤差/%RC82．0679．902．6CFRC-40-0588．1785．103．5CFRC-40-1088．7085．273．9CFRC-40-1592．1784．058．8CFRC-75-0588．9087．731．3CFRC-75-1094．9288．017．3CFRC-75-1592．0086．366．1

2.4 裂縫分析

2.4.1 裂縫寬度分析 試件在分級(jí)加載過程中，每個(gè)荷載等級(jí)對(duì)應(yīng)的裂縫最大寬度變化如圖4所示．在同級(jí)荷載下，復(fù)合梁的裂縫寬度更?。f明碳纖維層可以提高構(gòu)件的抗裂能力，延緩裂縫開展．其中10 mm碳纖維較5、15 mm碳纖維對(duì)裂縫的抑制效果更明顯；75 mm纖維層比40 mm纖維層效果更好．

(a) 40 mm纖維層

(b) 75 mm纖維層

圖4 纖維長(zhǎng)度對(duì)裂縫寬度-荷載曲線的影響

Fig.4 Effect of fiber length on crack width-load curves

所有試件中，5 mm碳纖維試件對(duì)裂縫改善的效果最弱，幅度在11%～13%．這是由于5 mm碳纖維長(zhǎng)度較短，遠(yuǎn)小于臨界長(zhǎng)度，裂縫截面上纖維錨固長(zhǎng)度不足，過早被拔出，導(dǎo)致纖維的利用率低，增強(qiáng)效果不明顯．

10 mm碳纖維試件隨著裂縫寬度的增大，對(duì)應(yīng)荷載提高率在13.81%～26.02%．這是由于梁剛開裂時(shí)，裂縫寬度很小，纖維沒有被“拉緊”，界面的黏結(jié)應(yīng)力沒有發(fā)揮，因此對(duì)裂縫的抑制作用較?。浑S著荷載的增大，裂縫寬度不斷擴(kuò)展，纖維對(duì)于裂縫的抑制作用增強(qiáng)，相應(yīng)的裂縫寬度對(duì)應(yīng)的荷載提高率增大．

2.4.2 裂縫開展情況討論 對(duì)比試件RC梁在開裂后，梁體表面出現(xiàn)一條或兩條裂縫并隨著荷載的增大迅速向受壓區(qū)發(fā)展，接近屈服荷載時(shí)裂縫寬度急劇增大以致破壞．復(fù)合梁在開裂后直到屈服荷載前，纖維層中的碳纖維會(huì)發(fā)揮作用限制裂縫的擴(kuò)展，并且受力過程中，復(fù)合梁不會(huì)像RC梁一樣形成寬度很大、條數(shù)很少的主裂縫，而是形成多條間距較小的細(xì)裂縫．復(fù)合梁在達(dá)到屈服荷載后才會(huì)出現(xiàn)寬度較大、發(fā)展較迅速的幾條主裂縫，在試件整個(gè)受力過程中，復(fù)合梁的裂縫發(fā)展速度較RC梁緩慢，直到屈服荷載前經(jīng)常有新的裂縫產(chǎn)生．表6記錄了7組試件在破壞時(shí)產(chǎn)生的裂縫條數(shù)，圖5為部分試件的裂縫形態(tài)．由圖可見RC梁達(dá)到破壞時(shí)，一般形成2～4條的寬裂縫，細(xì)裂縫較少，裂縫條數(shù)平均為10左右，平均間距為8.00 cm；而復(fù)合梁達(dá)到破壞時(shí)出現(xiàn)的裂縫條數(shù)明顯多于RC梁，為12～17條，裂縫形態(tài)是細(xì)而密的均勻裂縫，平均間距為5.29～7.20 cm．

表6 試驗(yàn)梁破壞時(shí)裂縫條數(shù)

(b) CFRC-40-10

(c) CFRC-75-15

圖5 裂縫形態(tài)

Fig.5 Crack pattern

3 結(jié) 論

(1)在混凝土梁受拉區(qū)摻入短切碳纖維能有效提高其屈服荷載．針對(duì)本文試驗(yàn)選用的3種纖維長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為10 mm的梁試件，屈服荷載提高幅度最大．

(2)碳纖維的加入對(duì)混凝土梁極限荷載也有提高，但提高幅度相對(duì)屈服荷載有所降低．主要原因是由于裂縫擴(kuò)展貫通纖維層后，纖維退出工作而不能繼續(xù)承受拉應(yīng)力．纖維層對(duì)最終破壞形態(tài)影響不大．在計(jì)算復(fù)合梁極限承載力時(shí)，纖維混凝土等效應(yīng)力圖抗拉強(qiáng)度可以按照式(4)計(jì)算．

(3)在荷載相同條件下，復(fù)合梁的跨中撓度均小于混凝土對(duì)比梁，且隨著荷載的增加，改善作用更為明顯，說明加入碳纖維會(huì)對(duì)梁的后期剛度有明顯的改善．

(4)碳纖維的加入對(duì)混凝土梁的裂縫發(fā)展具有明顯改善作用，具體表現(xiàn)是：相同荷載下裂縫寬度更??；相同裂縫下，對(duì)應(yīng)的荷載更大．碳纖維加入可以改善混凝土梁受彎裂縫的形態(tài)，與對(duì)比試件相比，裂縫表現(xiàn)出更細(xì)和更密的特點(diǎn)，這對(duì)提高混凝土梁的耐久性具有很大意義．

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ExperimentalstudyofmechanicalpropertiesofCFRCcompositebeams

RENHuitao*,WUYingbo,HANShaonan,WANGLicheng

(FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Carbon fiber reinforced concrete (CFRC) composite beam is a kind of concrete beam which is reinforced with short carbon fiber to improve the performance of concrete. CFRC toughness and crack resistance ability can be enhanced by high elastic modulus carbon fiber. The failure mechanism, load deflection behaviors, crack pattern of concrete beams and composite beams with different fiber layer thickness and fiber length are studied by four-point bending test. The results show that the deformation ability of concrete beams can be effectively improved by the short carbon fiber in the tension zone. The carbon fiber shows positive effect on restraining crack propagation and changing crack distribution in concrete matrix. Composite beam with 75 mm fiber layer thickness and 10 mm fiber length shows the best performance. Finally, the design formula for ultimate bearing capacity of CFRC bending member is proposed.

carbon fiber reinforced concrete(CFRC); composite beams; flexural properties; crack propagation restraint

1000-8608(2017)06-0601-06

TU528.024

A

10.7511/dllgxb201706008

2017-04-05；

2017-09-20．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378090).

任慧韜*(1973-)，男，博士，副教授，E-mail:renht@dlut.edu.cn.