FRP約束混凝土性能研究綜述*

孫天洋，黃鑫，姜景山，郁子陽，袁紅兵，沙一丹

(南京工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167)

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FiberReinforcedPolymer/Plastic，簡稱FRP）是由纖維增強(qiáng)材料與基體材料混合成型。FRP耐腐蝕性好，比強(qiáng)度高且具有可設(shè)計(jì)性，采用FRP外包混凝土形成FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮FRP材料抗拉強(qiáng)度高。在工程實(shí)際中，混凝土受外界環(huán)境因素影響受到損傷，大大降低了結(jié)構(gòu)本身的承載能力與耐久性，而FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)對這些不利現(xiàn)象有很好的解決。

1 FRP約束混凝土柱力學(xué)性能

1.1 軸心與偏心抗壓強(qiáng)度研究

軸心抗壓強(qiáng)度是決定結(jié)構(gòu)承壓能力的主要參數(shù)。計(jì)算組合構(gòu)件軸心抗壓強(qiáng)度本構(gòu)模型有助于今后FRP混凝土結(jié)構(gòu)工程的廣泛應(yīng)用。

錢春香等[1]對FRP約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并建立了組合結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型

式中：

fc——無環(huán)向約束試件的軸心抗壓強(qiáng)度；

P——FRP包裹引起的環(huán)向約束應(yīng)力。

考慮到FRP與混凝土粘結(jié)界面狀況的影響，胡芳芳等[2]對FRP約束混凝土圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度公式進(jìn)行了進(jìn)一步修正，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)提出了FRP約束混凝土圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度模型

A.Nanni[3]對比研究了AFRP約束混凝土結(jié)構(gòu)的軸壓與偏壓力學(xué)性能。結(jié)果表明FRP約束混凝土對偏心受壓構(gòu)件強(qiáng)度提高程度遠(yuǎn)不及軸心受壓構(gòu)件。

FRP約束混凝土柱強(qiáng)度模型的提出過程所采用的試件遠(yuǎn)小于實(shí)際工程中的尺寸，尺寸效應(yīng)不可避免的會影響模型在實(shí)際工程中應(yīng)用，因此FRP約束混凝土柱軸心抗壓強(qiáng)度模型仍需進(jìn)一步修正。

1.2 疲勞性能研究

疲勞性能是FRP加固混凝土的重要研究內(nèi)容，對于外貼FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義，因此就外貼FRP加固混凝土的疲勞性能進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和綜述。

駱志紅[4]研究CFRP粘貼加固鋼筋混凝土梁疲勞抗剪性能，研究表明，CFRP布能夠通過限制斜裂縫發(fā)展而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)疲勞抗剪能力，隨著疲勞荷載次數(shù)增加，CFRP布應(yīng)變在初期增長速率較快，后期增長速率趨于穩(wěn)定。CFRP加固鋼筋混凝土梁的疲勞應(yīng)變隨著CFRP用量增大而減少。劉沐宇等[5]對損傷鋼筋混凝土梁進(jìn)行CFRP粘貼加固層數(shù)與未加固組對比疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，在相同荷載作用下，CFRP布粘貼加固結(jié)構(gòu)改善了混凝土應(yīng)力分布情況并大幅減少混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)變，隨著CFRP布層數(shù)增加結(jié)構(gòu)應(yīng)變減少幅度降低。韓強(qiáng) [6]研究CFRP約束混凝土柱界面粘結(jié)滑移機(jī)理，提出FRP-混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)退化的計(jì)算公式

式中：

N——疲勞壽命；

Ec——混凝土彈性模量；

Ef——CFRP彈性模量；

tf——CFRP厚度；

εo f——CFRP應(yīng)變門檻值。

并指出當(dāng)CFRP的應(yīng)變值小于材料容許最大應(yīng)變值時(shí)混凝土粘結(jié)界面不會發(fā)生疲勞破壞。綜合本小節(jié)，可以看出，F(xiàn)RP約束混凝土能夠有效改善混凝土結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞性能，現(xiàn)在的研究變量多是FRP與混凝土自身性質(zhì)，并沒有考慮到FRP與混凝土界面受損開裂狀態(tài)。實(shí)際應(yīng)用中，由于FRP約束混凝土柱處于三向應(yīng)力狀態(tài)，混凝土界面出現(xiàn)較多細(xì)密裂紋，會嚴(yán)重影響界面粘結(jié)強(qiáng)度，因此對于FRP混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度公式仍需進(jìn)一步修正。

1.3 抗震性能研究

20世紀(jì)80年代中期，F(xiàn)RP材料對混凝土柱進(jìn)行抗震加固的方法出現(xiàn)，自此采用FRP提升混凝土柱抗震性能的方法引起廣泛研究。

Yan Xiao等[7]對預(yù)制GFRP圓筒加固素混凝土柱的抗震性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，預(yù)制FRP圓筒能有效改善核心混凝土結(jié)構(gòu)的受力情況大幅提高混凝土柱結(jié)構(gòu)的延性，防止組合柱結(jié)構(gòu)受到剪切破壞。Shuenn-Yih Chang等[8]研究了完好素混凝土柱與CFRP布加固已受損素混凝土柱的抗震性能。在彎曲剛度方面，CFRP布環(huán)向約束加固的已受損素混凝土柱比未受損的素混凝土柱更大。鄧宗才等 [9]對HFRP布加固氯離子腐蝕混凝土柱組合結(jié)構(gòu)的抗震性能展開研究。結(jié)果表明，受腐蝕混凝土柱在HFRP布的橫向約束作用下，在后期加載過程中，組合結(jié)構(gòu)的剛度與承載力退化較為緩慢，腐蝕柱延性得到了極大增加，其破壞形態(tài)也由塑性破壞變?yōu)檠有云茐?。綜合本節(jié)，可以看出FRP約束混凝土可以有效提升混凝土柱尤其是已受損或已被侵蝕的混凝土柱的抗震性能。FRP加固混凝土對于框架結(jié)構(gòu)建筑抗震性能的提升有很大幫助，但是關(guān)于FRP約束加固混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部分對于整體抗震性能的影響研究尚未涉及，需要對其進(jìn)行更深入的研究。

1.4 溫度對FRP約束混凝土的影響

過去研究主要集中在常溫下FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能，而對于高溫或低溫環(huán)境下組合結(jié)構(gòu)的而強(qiáng)度變化研究較少。鑒于低溫環(huán)境下FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)工作性能的研究將對今后凍土環(huán)境下運(yùn)用FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

歐陽利軍等[10]對高溫?fù)p傷混凝土方柱進(jìn)行BFRP約束對比軸壓試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，經(jīng)過環(huán)向纖維布約束的高溫?fù)p傷混凝土方柱應(yīng)力分布較為分散，在三向應(yīng)力的作用條件下顯著提高混凝土方柱的軸壓強(qiáng)度和變形能力。

盧小雨等[11]對素混凝土方柱在CFRP間隔式與環(huán)向全包式兩種不同的約束方式下進(jìn)行低溫抗壓實(shí)驗(yàn)。研究表明，低溫條件下，環(huán)向全包式約束混凝土方柱的抗壓強(qiáng)度提升效果遠(yuǎn)優(yōu)于間隔式約束條件且體積極限應(yīng)變提升幅度更大。由上可知，F(xiàn)RP外包面積對混凝土在低溫狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度影響較大，在外包面積相同時(shí)，螺旋全包式與環(huán)向全包式，是否會對CFRP

約束混凝土方柱的抗壓強(qiáng)度提升產(chǎn)生差異仍需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

FRP與混凝土材料的熱膨脹系數(shù)接近，變溫環(huán)境對FRP與混凝土柱間不協(xié)調(diào)應(yīng)變引起的損傷不大，由于纖維混凝土的膨脹率與素混凝土膨脹率有明顯差異，因此FRP約束纖維混凝土的工作性能需要進(jìn)一步考慮材料體積不協(xié)調(diào)應(yīng)變引起的損傷，需要對其進(jìn)行更深入的研究。

2 FRP管混凝土柱耐久性能

2.1 鹽堿環(huán)境對FRP增強(qiáng)混凝土柱影響研究

在理想狀態(tài)下，F(xiàn)RP管混凝土構(gòu)件中，F(xiàn)RP管將核心混凝土與外界環(huán)境完全隔絕，可以忽略環(huán)境對混凝土的侵蝕影響。但由于FRP受鹽堿環(huán)境等多種因素的影響會發(fā)生改性，所以研究者對FRP長時(shí)間受到鹽堿腐蝕的性能影響進(jìn)行了研究。于峰等[12]通對鹽堿條件下表面涂有環(huán)氧樹脂的CFRP片材與常規(guī)條件下片材的力學(xué)性能進(jìn)行對比試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，受環(huán)氧樹脂涂層阻隔，CFRP片材在強(qiáng)堿環(huán)境下幾乎不發(fā)生改性，在鹽腐蝕條件下CFRP力學(xué)性能甚至略微提升，綜合可見，樹脂層覆面的碳纖維復(fù)合材料耐久性較好。楊坤[13]進(jìn)行CFRP材料在高溫高海水濃度條件下的耐腐蝕性能試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，CFRP約束混凝土結(jié)構(gòu)受CFRP材料內(nèi)部缺陷影響，約束層數(shù)越多導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彈性模量越低。綜合本小節(jié)，可以看出在理想狀態(tài)下FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)受鹽堿環(huán)境侵蝕影響明顯減弱，但在實(shí)際工程中，在縱向沒有FRP保護(hù)的混凝土結(jié)構(gòu)部分會不可避免的受到鹽堿侵蝕，特別是對于FRP約束纖維混凝土結(jié)構(gòu)，在縱向受鹽堿侵蝕的情況下結(jié)構(gòu)的工作性能需要進(jìn)一步研究。

2.2 凍融循環(huán)對FRP增強(qiáng)混凝土柱影響研究

凍融循環(huán)是FRP與混凝土之間粘結(jié)力的重要影響因素之一。目前的研究主要集中在FRP外包面積與組合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)外貼FRP加固混凝土受到凍融循環(huán)影響隨外包面積的增大而降低。FRP管混凝土結(jié)構(gòu)幾乎不會受到凍融循環(huán)引起的損傷。

任慧韜等[14]對27根GFRP約束梁進(jìn)行了0/25/50次凍融循環(huán)對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明凍融循環(huán)會引起混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，隨著凍融次數(shù)增加內(nèi)部微裂縫引起反射裂縫反作用于面層，導(dǎo)致GFRP與混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響GFRP約束梁承載能力與耐久性的降低。劉清霞[15]研究凍融循環(huán)對碳纖維粘貼加固的混凝土試件界面粘結(jié)情況的影響。發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)的破壞主要發(fā)生在混凝土內(nèi)部缺陷部位，隨著凍融循環(huán)增加混凝土內(nèi)部受損部位逐漸擴(kuò)張而結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度也逐漸降低，但凍融循環(huán)對FRP與混凝土間極限粘結(jié)力沒有影響。Green M F等[16]在凍融循環(huán)與持續(xù)荷載的耦合作用下研究FRP管混凝土圓柱的抗凍融性能。經(jīng)過150次凍融循環(huán)，素混凝土柱對照組幾乎無承壓能力，而FRP全包混凝土柱的承壓能力僅下降2%～16%。結(jié)果表明，F(xiàn)RP全包混凝土圓柱能較大幅度提升抗凍融性。綜合本節(jié)，可以看出，F(xiàn)RP全包混凝土結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)條件下對混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)性很好，但實(shí)際工程中由于毛細(xì)現(xiàn)象水分會從縱向無FRP保護(hù)部分侵入，特別是對于FRP約束纖維混凝土結(jié)構(gòu)，在縱向水分侵入的情況下結(jié)構(gòu)的抗凍融性能需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語

（1） 凍融循環(huán)對FRP約束混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生破壞，且破壞形式由局部到整體，采用預(yù)應(yīng)力FRP纖維布約束混凝土結(jié)構(gòu)能否改善結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布情況，延長FRP間隔約束混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍融性能。

（2） 在鹽堿環(huán)境中無樹脂覆層的FRP纖維布會發(fā)生變性，是否會影響FRP與混凝土粘結(jié)界面粘結(jié)強(qiáng)度導(dǎo)致FRP脫開問題。

（3） 針對FRP外包加固混凝土結(jié)構(gòu)，如何評判FRP材料在實(shí)際使用過程中的老化程度與受侵蝕程度，為及時(shí)更換FRP加固部分做準(zhǔn)備。

（4）現(xiàn)階段有不少對于疲勞荷載與凍融循環(huán)下FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能研究，但是對于疲勞荷載與凍融循環(huán)耦合作用下FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)工作性能的受影響情況仍需進(jìn)一步研究。