蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁受彎性能研究*

楊文瑞， 袁 嬌， 黎惠瑩， 馮中敏， 張 頡

(東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 南昌 330012)

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速，因而產(chǎn)生的大量建筑垃圾對(duì)環(huán)境造成了一定程度的污染，因此，將廢棄混凝土破碎后經(jīng)過(guò)篩分，部分或全部替代天然粗骨[1-3]成為近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。再生混凝土相對(duì)于普通混凝土抗壓強(qiáng)度更低、抗裂性能更差，有關(guān)研究[4-7]表明加入鋼纖維能彌補(bǔ)再生混凝土的缺陷，目前對(duì)鋼纖維再生混凝土力學(xué)性能的研究相對(duì)較多[8-9]，而有關(guān)鋼纖維再生混凝土構(gòu)件性能各方面的研究相對(duì)較少[10-12]，僅在鋼纖維再生混凝土柱、梁這一方面有少量研究，而梁、板、柱是建筑結(jié)構(gòu)中的主體構(gòu)件，因此，鋼纖維再生混凝土梁、板、柱等構(gòu)件具有一定的研究?jī)r(jià)值。

蒸汽養(yǎng)護(hù)(簡(jiǎn)稱蒸養(yǎng))預(yù)制構(gòu)件具有周期短、成本低、方便施工等優(yōu)點(diǎn)，由于蒸養(yǎng)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，在工程中應(yīng)用廣泛，尤其是在高速鐵路工程建設(shè)中運(yùn)用較多。近年來(lái)，對(duì)蒸養(yǎng)的研究主要體現(xiàn)在蒸養(yǎng)制度對(duì)構(gòu)件的損傷變化規(guī)律[13-14]、蒸養(yǎng)制度對(duì)構(gòu)件性能的影響[15]、在蒸養(yǎng)的情況下加入外加劑或替代部分原材料對(duì)構(gòu)件的影響規(guī)律[16]這三個(gè)方面，由此可見(jiàn)，從這三個(gè)方面深入研究蒸養(yǎng)具有一定的研究?jī)r(jià)值和工程意義。

混凝土中鋼筋的腐蝕是降低構(gòu)件使用壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素，玻璃纖維筋(glass fiber rein forced plastic，GFRP)具有更強(qiáng)的耐腐蝕性能、更高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)，因此，用其代替鋼筋運(yùn)用于混凝土構(gòu)件中能彌補(bǔ)鋼筋的不足，相關(guān)研究[17]表明使用GFRP筋，混凝土構(gòu)件能表現(xiàn)出更好的性能。然而目前對(duì)蒸養(yǎng)GFRP筋混凝土構(gòu)件的研究相對(duì)較少。

綜上所述，為了能夠使蒸養(yǎng)混凝土、鋼纖維再生混凝土、GFRP筋三者有機(jī)結(jié)合在一起并發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì)，探究三者有機(jī)結(jié)合在一起時(shí)構(gòu)件的相關(guān)性能及變化規(guī)律，本試驗(yàn)制作了4根不同鋼纖維體積率的GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁并對(duì)其進(jìn)行蒸養(yǎng)；研究不同鋼纖維體積率對(duì)蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁受彎性能的影響，為蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

1.1.1 GFRP筋和鋼筋

本試驗(yàn)使用的GFRP筋由無(wú)堿玻璃纖維(E-glass)與乙烯基樹(shù)脂(vinyl ester)通過(guò)拉擠成型，其螺距為14mm，深度為0.325mm，直徑為10mm，如圖1所示。GFRP筋抗拉強(qiáng)度為1 090MPa，極限拉力為93.3kN，屈服強(qiáng)度為939MPa，彈性模量為50.9GPa(通過(guò)拉伸試驗(yàn)獲得)。鋼筋為HRB400熱軋帶肋鋼筋，直徑為14mm，如圖2所示。

圖1 GFRP筋

圖2 熱軋帶肋鋼筋

1.1.2 鋼纖維再生混凝土

圖3 鋼纖維照片

鋼纖維再生混凝土養(yǎng)護(hù)模式為先蒸養(yǎng)再標(biāo)養(yǎng)，目標(biāo)強(qiáng)度為30MPa，本試驗(yàn)所使用水泥為32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為天然河沙，粗骨料為天然碎石，再生粗骨料原料為本學(xué)院實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土，鋼纖維再生混凝土配合比根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)進(jìn)行配比，再生混凝土配合比為水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.42∶1.27∶2.96，水灰比為0.42，砂率為30%。鋼纖維照片如圖3所示，抗拉強(qiáng)度為450MPa，長(zhǎng)度為40mm，長(zhǎng)徑比為41。

1.2 試件制作

為研究鋼纖維體積率對(duì)蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁受彎性能的影響，本試驗(yàn)共制作4根截面為120mm×200mm、長(zhǎng)度為1 500mm的試驗(yàn)梁；箍筋選用直徑為6mm的普通鋼筋，箍筋間距為150mm。本試驗(yàn)將普通鋼筋作為受壓筋，GFRP筋作為受拉筋，試件相關(guān)尺寸及配筋見(jiàn)圖4。4根試驗(yàn)梁蒸養(yǎng)制度根據(jù)高速鐵路橋涵工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定確定，蒸養(yǎng)過(guò)程為常溫下靜停4h→升溫4h→恒溫8h→降溫4h，共20h，恒溫溫度(60±5)℃。蒸養(yǎng)過(guò)程中通過(guò)溫度感應(yīng)片監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度，以此保證蒸養(yǎng)過(guò)程中混凝土內(nèi)部溫度為恒溫(60±5)℃，蒸養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行標(biāo)養(yǎng)，達(dá)到規(guī)定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。詳細(xì)試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)梁澆筑同時(shí)制作尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體試塊，用以實(shí)測(cè)試驗(yàn)梁的抗壓強(qiáng)度、觀測(cè)鋼纖維對(duì)再生混凝土脆性的改善情況。

圖4 試件尺寸及配筋圖

試件設(shè)計(jì)參數(shù) 表1

1.3 加載制度及測(cè)量方法

試驗(yàn)梁采用四分點(diǎn)加載，并且嚴(yán)格按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50152—2012)中有關(guān)規(guī)定對(duì)所有試驗(yàn)梁進(jìn)行同步分級(jí)加載，加載方式為荷載控制。預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)荷載通過(guò)計(jì)算約為70kN，試驗(yàn)梁出現(xiàn)裂縫之前，每級(jí)荷載為5kN；當(dāng)出現(xiàn)裂縫并且荷載未達(dá)到使用荷載時(shí)，每級(jí)荷載為10kN；當(dāng)達(dá)到使用荷載時(shí)，每級(jí)荷載為5kN，構(gòu)件破壞時(shí)停止加載，圖5為試件加載照片。

圖5 試件加載照片

在受拉鋼筋受拉一側(cè)粘貼鋼筋應(yīng)變片得到受拉鋼筋應(yīng)力變化情況，為得到試驗(yàn)梁跨中垂直于梁底方向的混凝土荷載-應(yīng)變變化曲線，在試驗(yàn)梁的側(cè)面均勻粘貼3個(gè)混凝土應(yīng)變片；為得到試驗(yàn)梁荷載-撓度變化曲線，在試驗(yàn)梁受拉一側(cè)的中間及兩側(cè)共放置3個(gè)位移計(jì)，梁頂部?jī)蓚?cè)共放置2個(gè)位移計(jì)，用以記錄試驗(yàn)梁撓度變化情況；為方便觀測(cè)試驗(yàn)梁在加載過(guò)程中的破壞形態(tài)以及裂縫開(kāi)展情況，試驗(yàn)前在試驗(yàn)梁的一側(cè)均勻涂刷一層白色涂料，待干燥后用馬克筆畫出100mm×100mm方格網(wǎng)(每個(gè)網(wǎng)格尺寸為5cm×5cm)，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)裂縫開(kāi)展情況，用馬克筆標(biāo)注裂縫開(kāi)展走向以及裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 再生混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度及破壞形態(tài)

圖6 不同鋼纖維體積率的再生混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度折線圖

不同鋼纖維體積率的再生混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度折線圖如圖6所示，摻入鋼纖維體積率為0%，0.5%，1.0%，1.5%的再生混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度分別為26.5，29.4，32.1，29.8MPa。由此可見(jiàn)，摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊比未摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度更高，鋼纖維摻入量為0.5%，1.0%，1.5%的再生混凝土立方體試塊相比于未摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度分別提高了10.94%，21.13%，12.45%，分析其主要原因在于鋼纖維能填充再生混凝土內(nèi)部的細(xì)小縫隙，增強(qiáng)了再生混凝土的密實(shí)度。從圖6中可以看出，當(dāng)鋼纖維體積率小于1.0%時(shí)，再生混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積率的增大而增大；當(dāng)鋼纖維體積率大于1.0%時(shí)，再生混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積率的增大而減?。讳摾w維體積率為1.0%時(shí)，再生混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度為最優(yōu)，此時(shí)鋼纖維在再生混凝土內(nèi)分散性較好，混凝土流動(dòng)性大且密實(shí)度最佳，因而鋼纖維再生混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度最大。

圖7 不同鋼纖維體積率的再生混凝土立方體試塊抗壓破壞形態(tài)

不同鋼纖維體積率的再生混凝土立方體試塊抗壓破壞形態(tài)如圖7所示，與未摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊相比，摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊破壞前無(wú)明顯現(xiàn)象，裂縫也相對(duì)較少，且破壞時(shí)試塊較為完整，只有少量混凝土的剝落。未摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊破壞時(shí)的現(xiàn)象與普通混凝土立方體試塊相似，破壞前均出現(xiàn)大量裂縫，并有大量混凝土剝落，破壞時(shí)試塊不完整。鋼纖維和混凝土之間有一定黏性，較好地保持了再生混凝土破壞時(shí)的完整性。因此，摻入鋼纖維可在一定程度上改善混凝土的脆性。

2.2 蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁受彎性能

2.2.1 平截面假定

圖8為不同荷載等級(jí)下混凝土應(yīng)變隨截面高度變化的結(jié)果。鋼纖維體積率相同時(shí)，隨著荷載增加，4根試驗(yàn)梁的混凝土應(yīng)變持續(xù)增加，相對(duì)于受壓區(qū)，受拉區(qū)混凝土應(yīng)變變化更快。在試驗(yàn)梁加載到一定程度時(shí)，隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土應(yīng)變?cè)龃笏俾始涌欤軌簠^(qū)混凝土應(yīng)變?cè)龃笏俾示徛?。受拉區(qū)與受壓區(qū)再生混凝土的應(yīng)變分布隨著荷載的增大整體表現(xiàn)出三角形狀，試驗(yàn)梁基本符合平截面假定。

圖8 試驗(yàn)梁混凝土應(yīng)變分布

2.2.2 破壞形態(tài)及抗彎承載力

試驗(yàn)梁受彎破壞形態(tài)如圖9所示。從圖9中可看出，4根試驗(yàn)梁的破壞結(jié)果基本相似，均屬于正截面受彎破壞。開(kāi)裂前4根試驗(yàn)梁均無(wú)明顯變化，當(dāng)荷載達(dá)到開(kāi)裂荷載時(shí)，在試驗(yàn)梁底部受拉區(qū)域中部會(huì)出現(xiàn)一條垂直裂縫；隨著荷載的增加，裂縫擴(kuò)展并向上延伸，同時(shí)伴有其他細(xì)小裂縫出現(xiàn)。當(dāng)荷載值小于20kN時(shí)，4根試驗(yàn)梁的主裂縫數(shù)量沒(méi)有明顯區(qū)別；當(dāng)荷載大于30kN時(shí)，相比未摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁，摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁的細(xì)小裂縫數(shù)量有所增加，但主裂縫數(shù)量減少。鋼纖維和混凝土之間的黏性延緩了混凝土的破碎。從主裂縫的數(shù)量來(lái)看，鋼纖維的摻入能在一定程度上抑制裂縫的發(fā)展。

試驗(yàn)梁的抗彎承載力如表2所示，試驗(yàn)梁開(kāi)裂前由混凝土承擔(dān)主要的拉應(yīng)力，此時(shí)鋼纖維承擔(dān)了一部分拉應(yīng)力，因而鋼纖維試驗(yàn)梁開(kāi)裂荷載比未摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁高，鋼纖維體積率越大，試驗(yàn)梁開(kāi)裂荷載提高越明顯。混凝土開(kāi)裂后，由GFRP筋和鋼纖維承擔(dān)主要拉應(yīng)力。鋼纖維摻入量越多，試驗(yàn)梁的極限荷載提高越明顯。

試驗(yàn)梁抗彎承載力 表2

2.2.3 GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線

不同鋼纖維體積率試驗(yàn)梁中的GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，加載初期，混凝土處于彈性工作階段，主要由混凝土和鋼纖維承擔(dān)主要的拉應(yīng)力。隨著荷載的增加，GFRP筋的荷載-應(yīng)變曲線基本呈線性上升趨勢(shì)。當(dāng)混凝土開(kāi)裂退出工作后，由GFRP筋和鋼纖維承擔(dān)主要拉應(yīng)力，鋼筋應(yīng)變驟然增大，此時(shí)GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線有一個(gè)突變，斜率減小。隨荷載進(jìn)一步增加，GFRP筋應(yīng)變隨之增大，此時(shí)荷載-應(yīng)變曲線斜率基本保持不變。相同荷載下，相比未摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁，摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁的GFRP筋應(yīng)變較小，原因在于鋼纖維在整個(gè)加載過(guò)程中分擔(dān)了一部分拉應(yīng)力。相比未摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁，鋼纖維摻入量為0.5%，1.0%，1.5%的試驗(yàn)梁GFRP筋的應(yīng)變分別降低了25.8%，20.16%，6.8%。

2.2.4 試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度曲線

圖11為試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度變化曲線?？梢钥闯?，4根試驗(yàn)梁在加載初期的跨中撓度變化曲線基本相似，呈直線變化趨勢(shì)。當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁跨中撓度曲線變化較為平緩，未摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁跨中撓度曲線變化較快，曲線斜率增大。從最大跨中撓度來(lái)看，由于摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁極限荷載增大，因此摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁跨中撓度均有所增大，其中跨中撓度最大的為L(zhǎng)-G-1.5試驗(yàn)梁，比未摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁跨中撓度提高了40.92%。在未達(dá)到使用荷載時(shí)，相同荷載下?lián)饺脘摾w維的試驗(yàn)梁跨中撓度更小。鋼纖維與混凝土之間有一定黏性，抑制了裂縫的發(fā)展，提高了試驗(yàn)梁的剛度和延性。

圖10 不同鋼纖維體積率試驗(yàn)梁中的GFRP筋荷載-應(yīng)變曲線

圖11 不同鋼纖維體積率試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線

圖12 鋼纖維影響系數(shù)擬合分析

3 撓度驗(yàn)算分析

由2.2.1節(jié)可知，試驗(yàn)梁在荷載作用下符合平截面假定，根據(jù)相關(guān)構(gòu)件計(jì)算方法，本試驗(yàn)梁的最大撓度計(jì)算公式為：

(1)

式中：f為梁的最大撓度；M為跨中最大彎矩；l0為構(gòu)件計(jì)算跨度；Bfs為鋼纖維再生混凝土梁短期荷載下的剛度。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[18-19]，GFRP矩形截面梁短期剛度Bs的計(jì)算公式為：

(2)

式中：h0為截面有效高度；Es為鋼筋彈性模量；φ為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，φ=1.1-0.65ftk/ρteσfk，其中ftk為鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，ρte為以有效受拉混凝土截面面積Ate計(jì)算的有效縱向鋼筋配筋率，σfk為縱向受拉鋼筋的應(yīng)力，當(dāng)φ<0.2時(shí)取φ=0.2，當(dāng)φ>1時(shí)取φ=1；?E為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，即Es/Ec；ρ為縱向受拉鋼筋配筋率，ρ=As/bh0，其中As為縱向受拉鋼筋的截面面積，b為截面寬度。

根據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(ECS 38∶2004)[19](簡(jiǎn)稱纖維混凝土規(guī)程)，受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫的纖維混凝土矩形截面受彎構(gòu)件的短期剛度Bfs計(jì)算公式為：

Bfs=Bs(1+βBλf)

(3)

式中：λf為鋼纖維含量特征值；βB為此鋼纖維對(duì)蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土受彎構(gòu)件短期剛度的影響系數(shù)，根據(jù)纖維混凝土規(guī)程，鋼纖維再生混凝土強(qiáng)度等級(jí)在C20～C80時(shí)，取βB=0.35。

正常使用情況下,正截面受彎承載力大概是受彎承載力Mu的50%～70%，因此取0.7Mu作為彎矩最大值進(jìn)行計(jì)算，將試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)代入公式(1)，可得出計(jì)算撓度，將撓度試驗(yàn)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，具體如表3所示。

撓度值對(duì)比分析 表3

從表3可以看出，試驗(yàn)撓度與計(jì)算撓度之比的平均值為1.32,標(biāo)準(zhǔn)差為0.068 2,變異系數(shù)為5.17%，4根試驗(yàn)梁的撓度試驗(yàn)值比計(jì)算值大。其原因可能在于鋼纖維的加入提高了試驗(yàn)梁的極限荷載值，增強(qiáng)了試驗(yàn)梁的延性，GFRP筋替代鋼筋作為受拉筋也一定程度上提高了試驗(yàn)梁的撓度。因此，公式(1)計(jì)算得出的GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁撓度較保守。

以鋼纖維的體積率η為自變量，對(duì)蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁最大撓度影響系數(shù)μ進(jìn)行擬合分析，如圖12所示。

由圖12可得，蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁最大撓度影響系數(shù)μ的擬合公式為：

μ=-0.104η+1.398

(4)

將鋼纖維體積率數(shù)值代入到公式(4)中，可得到修正后的計(jì)算撓度值，將修正后的計(jì)算值、試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

撓度對(duì)比分析 表4

從表4中可看出，試驗(yàn)撓度與修正后計(jì)算撓度之比的平均值為1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.030 8，變異系數(shù)為3.08%，4根試驗(yàn)梁的撓度試驗(yàn)值與計(jì)算值基本吻合。

4 結(jié)論

(1)鋼纖維能有效提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，改善混凝土的脆性，以鋼纖維摻入量為1.0%時(shí)的再生混凝土抗壓強(qiáng)度為最優(yōu)。

(2)鋼纖維體積率越大，蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁的開(kāi)裂荷載和極限荷載值越大、主裂縫數(shù)量減小，微裂紋的數(shù)量增加，添加鋼纖維可有效抑制裂縫的發(fā)展。

(3)不同鋼纖維體積率的蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁基本符合平截面假定。蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁受彎時(shí)，鋼纖維承擔(dān)了一部分的拉應(yīng)力，摻入鋼纖維試驗(yàn)梁的GFRP筋的拉應(yīng)變比未摻入鋼纖維的更小，GFRP筋的拉應(yīng)變隨著鋼纖維體積率的增大而減小。

(4)當(dāng)試驗(yàn)梁均達(dá)到極限荷載時(shí)，摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁因其極限荷載增大，則極限撓度更大。在試驗(yàn)梁均未達(dá)到使用荷載之前，摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁比未摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁撓度值更小，鋼纖維可一定程度上降低試驗(yàn)梁的撓度。

(5)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行修正，提出對(duì)蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁最大撓度影響系數(shù)μ與鋼纖維含量之間的模型。