玄武巖纖維增強復材約束的玄武巖纖維混凝土的力學性能*

劉曉峰 張 穎 閻述韜 榮 輝

(1.天津城建大學土木工程學院, 天津 300384； 2.天津城建大學材料科學與工程學院, 天津 300384；3.天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室, 天津 300384)

纖維增強復合材料(FRP)約束混凝土結構目前已廣泛應用于樁基、海上結構、公路架空標志結構和橋梁構件等領域[1]。1996年，Mirmiran等首先提出了FRP管約束鋼筋混凝土的概念[2]，在預制的FRP管內澆筑混凝土即形成FRP管約束混凝土柱[3]。FRP管既可以作為結構模板，簡化施工工藝，加快施工過程[4]，還可以對混凝土芯提供均勻的側向約束，使混凝土在抗壓時處于三向受力狀態，有效地提高混凝土的抗壓強度[5]。Davol等提出了FRP約束混凝土在土建結構應用中作為彎曲構件的概念[6]，當FRP約束混凝土受彎時，混凝土芯體給外側FRP管提供內部支撐，防止了FRP管的局部屈曲破壞[7]。

基于國內外對FRP增強混凝土和短切纖維增韌混凝土的研究，本課題提出探究在混凝土柱外部包裹FRP管與在混凝土中摻加短切纖維協同作用的可能性，以同時提高FRP-短切纖維混凝土體系的抗壓強度、彎曲抗力和斷裂韌性。本課題采用玄武巖纖維增強聚合物(BFRP)管與短切玄武巖纖維(BF)，通過對BFRP層數與BF摻量的組合設計，研究BFRP約束BF混凝土的壓縮性能和彎曲性能。

1 試 驗

1.1 材 料

本課題采用面密度為300 g/m2的平紋編織玄武巖纖維布(海寧安捷復合材料)制備BFRP管，所采用型號為RIMR035C的環氧樹脂和型號為RIHM037的固化劑(瀚森Hexion，美國)按照比例3∶1混合而成。環氧樹脂和BF的材料參數如表1所示。所用水泥為祥潤牌P·O 42.5水泥；砂為普通河沙，細度模數2.8，Ⅱ區中砂；石子為普通碎石，粒徑5～30 mm。

表1 環氧樹脂和BF的材料性能Table 1 Material properties of epoxy resin and BF

1.2 試件制備

制備BFRP管時，將充分浸潤環氧樹脂的纖維布(2層或4層)緊密包裹在鋪有隔離膜的亞克力管上，24 h后脫模，在室溫下靜置1周進行充分固化，圖1為BFRP管。同時，參照美國材料試驗標準ASTM D3039分別制備包含2層或4層纖維布的BFRP矩形標準件(250 mm×25 mm)。

圖1 制好的BFRP管Fig.1 Finished BFRP tubes

混凝土基料配合比為水∶水泥∶砂∶石∶減水劑=475∶660∶1075∶195∶6。BF的體積摻量分別為0%、0.05%、0.1%、0.2%和0.5%?？紤]到混凝土流動性的變化，在基料配合比基礎上，纖維體積每增加0.1%，相應增加水2 kg[13]。標準養護28 d后進行試驗。壓縮試驗試件尺寸為直徑d=100 mm，高h=200 mm，彎曲試驗試件尺寸為直徑d=100 mm，高h=520 mm。

對試件進行編號，如表2所示，其中，末尾編號C表示用于壓縮試驗的試件、B表示用于彎曲試驗的試件，即“2L-0.1B-C”代表混凝土柱外部包裹2層BFRP、內部摻有0.1% BF的用于壓縮試驗的試件。每組包含3個試件，用于重復試驗。

表2 試件編號Table 2 Specimen labels

1.3 力學性能測試

參照ASTM D3039標準，以電子萬能試驗機(島津AGS-X 100 kN)對含有不同層數纖維布的BFRP標準拉伸試件進行拉伸試驗，獲得的BFRP的拉伸性能數據如表3所示。

試件的壓縮試驗參照ASTM C39-10與ASTMtf、df、ff、Ef、和εf分別為BFRP的厚度、密度、拉伸強度、彈性模量和斷裂伸長率。

表3 BFRP拉伸性能Table 3 Tensile properties of BFRP

C469-14標準進行。為了防止試件出現偏壓，預先在試件頂部用高強石膏找平。每個試件布置4個應變片，2個沿試件軸向布置在試件高度中心位置用于測量軸向應變，另外2個與軸向應變片垂直布置用于測量環向應變，如圖2a所示。在力學試驗機(東測YAW-3000 3000 kN)兩個加載面之間布置兩個線性可變差動位移計(LVDT)。采用位移控制加載，設置預載為6 kN，然后按照恒定速率0.3 mm/min加載至試件破壞。荷載、應變和位移由數據采集系統(威懇德WKD3811A)同步采集并保存到計算機中。

溝張村位于中牟縣刁家鄉西部，北距縣城22 km，東距鄉政府1.5 km。全村共367戶，人口1 652人。主要以種植業為主，其中耕地面積160 hm2，主要種植大蒜、小麥、玉米、花生等，其他經濟作物有紅蘿卜、包菜、西瓜。

試件的彎曲試驗參照ASTM C78-15標準進行。在彎曲試驗中，將3個應變片沿縱向布置在試件的跨中，用于測量試件的縱向應變，另外3個應變片與縱向應變片垂直布置，用于測量橫向應變。在試件跨中底部放置1個LVDT，用于測量試件撓度變化，如圖2b所示。采用位移控制加載，按照恒定速率0.3 mm/min加載至破壞。采用與壓縮試驗相同的采集系統記錄數據。

a—壓縮試驗示意； b—彎曲試驗示意。圖2 力學性能試驗示意 mmFig.2 Schematic diagrams of mechanical tests

2 結果與討論

2.1 力學性能

2.1.1壓縮性能

圖3為試件在軸向壓縮荷載下的應力-應變曲線，大體可分為三個階段，即線性階段、力維持階段和破壞階段。在第一階段，無論是否摻加BF，BFRP管約束試件的應力-應變曲線形狀與相應的無約束試件相似，應力隨應變的增加幾乎線性增加，直線的斜率與BFRP層數有關，層數越多斜率越大。對于不摻加BF的無約束試件，當應變達到混凝土的極限壓應變時，應力迅速下降，試件很快壓潰。對于約束試件，由于BFRP的作用，試件抗壓強度大幅提高，當BFRP管的環向應力達到BFRP的極限拉伸強度時，BFRP開始出現破壞，但試件仍保持完整性，曲線進入力維持階段。在此階段，不摻加BF的2層BFRP約束試件的應變發展較少，而4層BFRP約束試件在應力幾乎不變的情況下，可以發生較大變形，這可能是由于進入力維持階段后，雖然4層BFRP約束試件外部的BFRP也會發生部分破壞，但不同層的破壞可能不是同時發生，相對更多層數的BFRP可以在更長時間或更大軸向應變范圍內維持軸壓強度基本不變。在摻加BF后，無論是否有BFRP約束以及BFRP層數多少，都出現明顯的力維持階段，區別只在于該階段應力的下降程度及應變的大小，表明摻入BF提高了混凝土的韌性。在BFRP斷裂后，曲線進入第三階段，試件主要由混凝土柱承載，其承載能力迅速下降，當混凝土被壓潰后，應力急劇下降，試件失效。當摻加BF后，試件的極限壓應變提高，尤其是無約束及2層BFRP約束的試件。

由表4可知：相對0L-0-C，2L-0-C和4L-0-C的抗壓強度分別提高了88%和108%，極限壓應變分別增加了24%和79%。相對0L-0.1B-C，2L-0.1B-C和4L-0.1B-C的抗壓強度分別提高了71%和92%，極限壓應變分別增加了52%和74%?？梢?，隨著BFRP層數增加，試件的抗壓強度明顯提高，極限壓應變也明顯增加。

表4 壓縮試驗結果Table 4 Compression test results

fcc、εcu分別是試件的極限抗壓強度和軸向極限壓應變。

圖4為摻入不同量BF的試件的抗壓強度。對于無約束試件，摻加BF后，試件的抗壓強度逐漸提高，當摻量為0.1%時，抗壓強度提高最多，相對0L-0-C提高了18%，當BF摻量繼續增加時，抗壓強度反而下降。2層BFRP約束的試件表現出相似的趨勢，當BF摻量為0.1%時，試件的抗壓強度最高，比2L-0-C的抗壓強度提高8%。

圖5為壓縮試件的破壞情況。對于無約束試件，0L-0-C破壞后裂開成兩部分，失去結構完整性，摻加BF后試件在壓縮后的完整性得以保持。其中，0L-0.1B-C試件上只有幾條較窄的裂縫(圖5b)，主要是BF的橋接作用阻止了裂縫的擴展。對于BFRP約束試件，除去BFRP管后，觀察混凝土芯體的破壞情況，發現2L-0-C的芯體明顯斷裂成兩部分，4L-0-C芯體也出現明顯的破碎，而2L-0.1B-C與4L-0.1B-C的芯體雖出現裂紋但未發生明顯破碎，只出現幾條裂縫，可見摻加BF可以限制試件裂縫的發展，在一定程度上抑制脆性破壞。對于摻加BF的試件，摻入0.1%的BF，不僅試件強度最高，而且阻裂效果最好。

—0層BFRP； —2層BFRP。圖4 摻入不同量BF的試件的抗壓強度Fig.4 Compressive strength of specimens with different BF contents

a—0L-0-C； b—0L-0.1B-C； c—2L-0-C； d—4L-0-C； e—2L-0-C芯體； f—2L-0.1B-C芯體； g—4L-0-C芯體； h—4L-0.1B-C芯體。圖5 壓縮試驗試件破壞情況Fig.5 Failure modes of specimens under compression

2.1.2彎曲性能

圖6為試件彎曲試驗的力-位移曲線，其中，BFRP約束混凝土試件的力-位移曲線出現多次突然波動(力值突然下降),主要是由加載過程中混凝土芯體的斷裂以及混凝土芯體與BFRP管之間的滑移導致。結合表5可知：與0L-0-B相比，2L-0-B和4L-0-B的最大彎曲抗力分別提高了1.5倍和4.5倍，最大撓度分別提高了7.4倍和8.6倍。對于摻入BF的試件，2L-0.1B-B和4L-0.1B-B與0L-0.1B-B相比，最大彎曲抗力分別提高了1倍和2.5倍，最大撓度提高了5倍和6.3倍；而與0L-0-B相比，2L-0.1B-B和4L-0.1B-B的最大彎曲抗力則分別提高了2.6倍和5.3倍，最大撓度提高了7.9倍和9.9倍?？梢?，BFRP的約束可以提高混凝土試件的最大彎曲抗力和最大撓度，且這種影響對未摻加BF的試件更加明顯；同時進行BFRP約束和摻加BF則可進一步極大地提高混凝土試件的抗彎承載能力和抗變形力。

圖7為摻入不同量BF的試件的最大彎曲抗力。相對于無約束試件，摻加BF顯著提高了試件的最大彎曲抗力，當BF摻量為0.05%、0.10%、0.20%和0.50%時，相對未摻加BF的試件，最大彎Fpeak、w分別為最大彎曲抗力、最大撓度。

a—不摻加纖維；b—摻加0.1%BF。圖6 彎曲試驗力-位移曲線Fig.6 Force-displacement curves of specimens under four-point bending

表5 彎曲試驗結果Table 5 Test results of four-point bending

曲抗力分別提高了40%、80%、60%和40%。BF摻量為0.10%時，最大彎曲抗力提升幅度最大。2層BFRP約束的試件表現出相似的趨勢，當BF摻量為0.10%時，試件的最大彎曲抗力比未摻加BF的試件提高了46%。由表5可知：對于無約束試件，當BF摻量為0.05%、0.10%、0.20%和0.50%時，相對未摻加BF的試件，最大撓度分別提高了19%、49%、37%和31%；對于2層BFRP約束的試件，摻入0.10%的BF，最大撓度提高了6%?？梢?，當考慮試件的抗彎性能時，0.10%是BF的最佳摻量。

—0層BFRP； —2層BFRP。圖7 摻入不同量BF的試件的最大彎曲抗力Fig.7 Flexural resistance of specimens with different BF contents

圖8為試件受彎破壞情況。其中，無約束混凝土試件的破壞發生在純彎區域，試件突然斷裂成兩部分；BFRP約束試件的破壞均是因彎區混凝土底部的BFRP管被拉斷所引起，裂縫開始出現在BFRP管的底部，然后垂直向上部延伸，最終導致試件破壞。所有試件都是純彎曲破壞，在集中加載點未觀察到壓縮破壞。如圖8a所示，無約束且未摻加BF的試件在彎曲抗力達到峰值后突然斷裂為兩部分，承載力和變形都極小。摻加BF的試件(圖8b、8f)表現出了較強的抗彎變形能力，這主要是由于BF散布在混凝土中可以起到橋接作用，阻止裂紋擴展，提高試件的抗變形能力，大幅提高試件的彎曲性能。圖8d和8f為2L-0-B與2L-0.1B-B破壞后混凝土芯體破壞情況，對比觀察斷裂處可以看出，摻加BF后試件裂縫發展方向變得更加曲折?？赡艿脑蛟谟冢簱郊覤F后，BF在混凝土中呈無規則分布而且可以承受一定的拉應力，從而改變了裂縫的延伸路徑，試件撓度增加，抵抗彎曲變形的能力增強。

2.2 BF增強與增韌機理分析

a—0L-0-B； b—0L-0.1B-B； c—2L-0-B； d—2L-0-B芯體； e—4L-0-B； f—2L-0.1B-B芯體。圖8 彎曲試驗試件破壞情況Fig.8 Failure modes of bending test specimens

a—0.05%； b—0.10%； c—0.50%。圖9 試件斷裂面的超景深顯微照片Fig.9 Digital microscopic images of fracture surfaces for specimens

使用超景深顯微鏡(基恩士KEYENCE，VHX-600 s)對不同BF摻量試件的斷裂面進行觀察。如圖9所示，BF在混凝土中呈無規則分布，摻量為0.05%的試件的纖維數量較少，摻量為0.10%的試件中纖維分布相對更加均勻，當摻量為0.50%時纖維結團現象嚴重。當BF摻量適當時(如0.1%)，由于BF與混凝土的主要成分都是硅酸鹽材料，具有良好的相融性，攪拌時易于結合，得到的混凝土和易性能良好、體積穩定，同時由于BF經水泥漿包裹與骨料緊密結合，可以與混凝土協同受力，提高混凝土的壓縮與彎曲性能；而當纖維摻量較高時(如0.50%)，部分纖維結團，不能保證單根纖維均被水泥漿充分包裹，從而影響纖維與水泥基材料的結合，不利于形成內部嵌入構造，反而使混凝土內部缺陷增加，降低了試件的密實度，進而限制了混凝土的壓縮和彎曲性能的進一步提高。因此，混凝土的力學性能不隨纖維摻量增加而持續提高，而是存在最佳摻量。此外，BF在混凝土中同時起到增韌作用。增韌效果主要體現為對混凝土初期裂縫開展的抑制及在試件破壞時所表現出的韌性破壞特點。在混凝土中摻加纖維后，纖維連接裂縫兩端，相當于在裂縫處施加了一個反向的應力，與外力產生的應力疊加后，使外力產生的應力得以降低，緩解了裂縫處的應力集中，使裂縫的發展減緩[14]，從而使混凝土的韌性得到提高。

2.3 協同效應分析

對于2層BFRP約束的摻入0.1%BF的混凝土試件(2L-0.1B-C)，其抗壓強度比無約束且未摻BF的試件(0L-0-C)提高107%，而無約束試件(0L-0.1B-C)和未摻BF試件(2L-0-C)相對0L-0-C的抗壓強度分別提高了18%和88%；對于彎曲試驗，2L-0.1B-B、0L-0.1B-B和2L-0-B相對0L-0-B的最大彎曲抗力提高了260%、80%和147%。對于4層BFRP約束的摻入0.1%BF的混凝土試件(4L-0.1B-C)，其抗壓強度比無約束且未摻BF的試件(0L-0-C)提高127%，而無約束試件(0L-0.1B-C)和未摻BF試件(4L-0-C)相對0L-0-C的抗壓強度分別提高了18%和108%；對于彎曲試驗，4L-0.1B-B、0L-0.1B-B和4L-0-B相對0L-0-B的最大彎曲抗力分別提高了533%、80%和447%。以上結果表明:BFRP約束摻入BF的混凝土表現出比單獨BFRP約束或單獨摻加BF的混凝土具有更高的抗壓強度和最大彎曲抗力，且混凝土具有更高的韌性。

BFRP約束混凝土的抗壓強度、最大彎曲抗力與未約束試件相比提升明顯，但BFRP并沒有改善混凝土的自身性能，所以在達到峰值載荷后，試件仍會發生脆性破壞。在混凝土中摻加BF可以明顯改善混凝土的韌性，摻加的BF在混凝土試件受力過程中，對變形起到了約束作用。BF的加入使試件的破壞模式由脆性破壞向塑性破壞轉變。

因此，在以BFRP約束混凝土的同時向混凝土中摻入BF不僅可以改善試件的壓縮性能和彎曲性能，而且改變了試件的破壞形式，使其向塑性破壞轉變，具有更大的能量吸收能力，有利于同時提高結構的承載能力和安全性。

3 結束語

以BFRP制備的圓管包裹混凝土柱進行外部約束，同時在混凝土制備原料中摻加BF改善混凝土的性能，試驗研究了試件的壓縮性能和彎曲性能，比較分析了BFRP中纖維布的層數、BF的摻量對性能的影響，獲得的主要結論如下。

1)BFRP約束混凝土能顯著提高試件的極限抗壓強度和極限壓應變，且兩者均隨BFRP層數的增加而增加。摻加BF后，試件抗壓強度提高，當BF體積摻量為0.10%時，抗壓強度達到最大值，BF顯著影響試件的破壞情況，減輕試件的破壞程度。

2)BFRP約束混凝土試件的最大彎曲抗力和撓度明顯提高，且隨BFRP層數增加而增大。摻加BF的試件的彎曲和變形性能均明顯提升，且當BF的體積摻量為0.10%時，試件的彎曲性能最優。

3)顯微鏡成像表明BF在混凝土中呈三維隨機分布。BF在混凝土中起到了橋接作用，限制裂縫的發展，同時使混凝土的破壞形式由脆性向塑性轉變，對混凝土同時起到增強和增韌的作用。

4)對混凝土柱同時進行BFRP約束與摻加BF，兩者的協同作用不僅可以改善試件的壓縮和彎曲性能，而且可以使試件的破壞形式由脆性向塑性轉變，提高結構的安全性。