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用玻璃纤维聚合物和钢筋增强的超高性能混凝土梁的抗弯性能表现
关键词
纤维增强的超高性能混凝土
玻璃纤维增强聚合物
混杂增强
服务性能
延性
截面分析
摘要
本次研究报告中描述了使用玻璃纤维增强聚合物（GFRP）增强以及混杂增强（钢筋 GFRP）的纤维增强超高性能混凝土（UHPFRC）的抗弯性能情况。分别使用不同配筋率制成的三根GFRP增强混凝土梁和四根混杂增强的混凝土梁已经进行了测试。得益于UHPFRC的应变硬化特性，所有测试梁在裂纹形成后均展现出非常稳定的加载后变形，满足CAN/CSA S806裂纹宽度标准要求。另外，所有测试梁均获得了高于CAN/CSA-S6最低下限的可变形性参数。GFRP配筋率的提高不仅使梁的抗弯性能有所提高，还包括了开裂后刚度，承载能力，以及延展性（可变形性）。但如果改用混杂增强，用一根钢筋代替GFRP的一部分，就会带来钢筋屈服前，梁的更高的开裂后刚度，然而可变形性会降低。基于截面分析，AFGC/SETRA和JSCE都适合用来预测使用GFRP和混杂增强的UHPFRC的瞬时曲率相应：实验和数值分析中得到的最大力矩的平均比率分别为1.12和0.94。
介绍
近年来，纤维增强的超高性能混凝土技术已在多国中得到发展。与传统水泥相比，这种水泥在较低水灰比的情况下，拥有更高的强度，延展性和断裂韧性，优化了产品中颗粒混合物以及与高体积容量的短钢纤维的合并。这种独特的应变硬化特性对民用基础设施尤为有利。根据2003年第四届纤维增强水泥复合材料国际研讨会的讨论结果，纤维增强混凝土（FRC）展现出应变硬化特性的回应，这种特性类似于高性能纤维增强水泥复合材料（HPFRCC），水泥基复合材料（ECC），而且UHPFRC被认为比应变软化FRC在力学性能上表现更好，因此，这些复合材料对那些受弯的结构物来说是很有利的。对于UHPFRC的材料特性，已经进行了很多研究，其中包括有其力学强度，纤维分布特性，收缩表现，粘结性能，耐久性，以及不同增强方案下的结构性能。
为了增强传统钢筋混凝土在恶劣环境中的耐蚀性，纤维增强聚合物钢筋（FRP）已经得到工程师们和研究者们的关注。FRP钢筋的高强度和和低重特性可以减少结构物重量，而且其低弹性模量有助于提高那些高自收缩量的混凝土的约束收缩性能，例如UHPFRC。然而，在正常使用状态下，和观察钢筋混凝土梁所得结果相比较，也是由于FRP的低弹性模量，FRP钢筋增强的混凝土梁通常会展现出更高的挠度和更大的裂纹宽度。为了克服这些缺点，有研究者尝试使用FRP、钢筋和应变硬化的UHPFRC的混杂增强方案看是否有突破。Lau和Pam和Yoon实验性地证实了当使用了有钢筋的混杂增强后，FRP增强混凝土构件的低延展性和大挠度的情况都有所改善。另外，Ferrier注意到用了FRP筋的UHPFRC可以提高梁的抗拉强度，由此可得到更高的抗拉强度，而且展现出和典型钢筋混凝土梁一样，在受压和受拉情况下混凝土开裂和失效的表现。然而，就笔者所知，目前还没有研究报告指出使用应变硬化材料,例如采用FRP和钢筋混杂增强的UHPFRC,造出的梁的抗弯性能表现。
本报告中，笔者探究了使用玻璃纤维增强聚合物钢筋（GFRP）和混杂增强方案（钢筋 GFRP钢筋）的UHPFRC梁的弯曲响应。为此，我们造出了三根用同一种GFRP钢筋增强的梁样品，和另外四根用钢筋和GFRP钢筋组合增强的梁样品，并对它们进行了测试。除此以外，我们根据AFGC/SETRA和JSCE推荐资料，通过作截面分析，对使用GFRP钢筋和混杂增强方案增强的UHPFRC梁的弯曲响应进行了预测。
- 对于增强UHPFRC原理的最新研究状况的综述
在过往的研究中，为了探究在不同加载条件下（弯曲，剪切，扭转，冲击等），增强后UHPFRC的结构性能究竟如何，进行了很多试验。Yang基本上测出了低于0.02加筋率的UHPFRC梁的抗弯性能表现。他们报告中指出了所有被测试的梁样品均展现出延性指数从1.60到3.75的延展特性，而这使到如果混凝土放置在梁的末端会比放置在梁的跨距中点有更好的屈服表现。Ferrier研究了一种新类型的用木料胶合板和UHPFRC木板，还有钢筋和FRP钢筋做成的混合梁，他还提及到当这种木材混合了UHPFRC木板，梁的抗弯刚度和极限承载力会比单单只使用纯木材构件有有显著的提高。Yoo和Yoon进行了用不同类型钢筋纤维加固的UHPFRC梁的抗弯性能的实验和数值研究。他们注意到额外添加的2%体积率的钢筋纤维能有效提高构件的开裂后刚度和极限承载力，还有如果使用长直的或者扭曲的钢纤维会比用短直的钢纤维得到更高的延展性。这和Yang得到的研究结果相反，高体积含量的钢纤维加入会导致延展性的有所降低，和不加入纤维相比来说，这是由于裂纹定位特性所致。Ferrie最近探究出用碳纤维筋和玻璃纤维筋增强的UHPFRC梁的结构响应，总结出加入碳纤维筋比玻璃纤维筋更能有效提高抗弯刚度，减少跨中的挠度，由于前者有更大的杨氏模量。
Voo探究了不用箍筋的预应力UHPFRC I-梁的抗剪强度。他们指出剪切强度将随着纤维体积分数增加同时剪跨比减少而提高，混凝土塑性理论为他们的剪切设计部分提供了很好的基本原则。B和H的报告中亦得到同样的研究成果；和不用纤维的情况相比，2.5%的钢纤维的加入可将破坏荷载提高177%，而且当剪跨比从3.5到4.4变化，抗剪承载力减少了10%。另外，他们指出当有效预应力增加20%，构件的抗剪强度大约增加12-14%，而就尺寸效应来说，梁高比腹板厚度对剪切强度有着更显著的影响。Baby探究了对加筋或预应力的UHPFRC梁的抗剪承载力应用修正压场理论的可行性。根据其分析结果，MCFT已经确定是可用来预测抗剪性能表现，通过有效估计荷载增加后压杆的重定位。
Fehling和Ismail研究了不同体积分数钢纤维的UHPFRC构件的扭转特性。他们指出钢纤维的加入能有效提高扭转性能，也就是裂缝和极限扭转承载力，扭转延性，开裂后刚度，以及韧性。另外，纵筋和箍筋的使用能显著地提高扭转性能。Empelmann和Oettel也观察到钢纤维的加入（1.5%和2.5%）可引起构件更好的开裂行为，也就是更小的裂缝宽度和更多的裂缝数量，更大的开裂扭矩，还能提高扭转刚度和极限扭矩；而且，不管钢纤维的体积分数是多少，倾角都大约是45°。Yang等人指出了增加纤维的体积分数可以提升初始开裂和极限扭矩，箍筋和纵筋率的提高也能提升极限扭矩。然而，在他们的研究中，斜压力角范围在27-53°，同时是受箍筋和纵筋的数量影响。
Fujikake等人[23]和Yoo等人[24]使用落锤冲击试验机进行实验探究了钢筋增强或者预应力的UHPFRC梁的耐撞性，而且利用截面分析和单自由度系统（或多自由度）预测了跨中挠度响应。Yoo等人[24]指出在增加纵向钢筋数量的情况下，构件会在冲击荷载下有更好的性能表现，也就是说，会有更低的最大值和更小的残余变形，同时更高的偏移复原能力。Aoude等人[25]使用震波器测定了经过不同爆炸脉冲组合作用后的自密实混凝土（SCC）柱和UHPFRC柱的抗爆性能。他们注意到增强的UHPFRC柱相比增强的自密实混凝土柱来说，表现出更高的抗爆性，就是降低了最大值和残余变形，增强了容许损伤，还消除了二次爆破的碎片。而且，Astarlioglu和Krauthammer[26]用数值分析了普强混凝土柱和UHPFRC柱的抗爆性，并注意到和前者相比，后者展现出更低的跨中位移并且能承受超过四倍的脉冲。
- 实验方案
3.1材料，混合比，力学试验
详细的混合比例已在表格1总结。第一类的波兰水泥和硅粉被用来作胶结性材料。颗粒大小在0.5mm以下的硅砂被用作混合物中的细骨料，而用作填料的是其中98%的二氧化硅大小在2mu;m的硅粉。水胶比为0.2，还掺入了2%的聚羧酸减水剂来提供适当的流动性和粘性。还有，另外增加了占体积2%的直钢纤维（直径:0.2mm，长度：13mm），其性质在表格2中已列出。
制作可流动的UHPFRC，要预先混合水泥，硅灰，硅砂和硅粉待10分钟。其后，将已和高效减水剂混合的水倒入已经干燥混合物，继续待10分钟。当混合物有足够的流动性和粘性后，将钢纤维分散地加入到流动的混合物中，让其混合5分钟。
由于压缩实验要求，根据ASTM C39[32],已准备了三根直径100mm，长度200mm的圆柱形样品并对其进行了实验，图1(a)已展示。实验前，所有样品均被金刚石叶片磨削过来提供并行加载面。荷载是通过最大加荷能力达3000KN的万能试验机(UTM)施加，平均压应变则由配备了三个位移传感器(LVDT)的压缩计测出。
至于弯曲实验，通过在梁的四角放置混凝土，已造了三根横截面尺寸为100mm*100mm以及长度为400mm的UHPFRC梁。通常，梁会从它们铸件的位置旋转90°，以此来减少铸件表面粗糙度引起的偏心距效应。然而，在本研究中，为了可以根据铸造的方向来适当考虑纤维分布特征，被测试的梁都是没有经过旋转，而是用金刚石叶片削平了铸造表面。为了得到最优的拉力软化曲线（TSC），根据JCI-S-002-2003标准，对在中长位置有一个30mm缺口的梁进行了三点弯曲试验，如图1(b)所示。使用最大加荷能力达250KN的万能试验机进行单轴加荷来控制变形。为了测量平均跨中挠度并且避免支座沉降，在梁的两边半高处嵌入了两个分别配备了两台位移传感器(LVDT)的钢框架。跨中缺口处还放置了一个10mm测量容距的夹片测量器来得到裂纹开口距离(CMOD)。
根据以往的一个研究，对一个有缺口的狗骨式样品进行了直接拉伸试(图1(c))[34]。为了获得开裂后的荷载裂纹开口距离曲线，在样品的两边都弄了10mm的缺口，并分别设置了夹片测量器。依据Kanakubo[35]以前一个研究的结果，为了可以将二次弯曲应力最小化，将试验装置都设计成销钉式固定末端。在试验前用铅锤仔细确认过狗骨式样品的对准，而单轴荷载通过万能试验机施加，和做弯曲试验完全一样，都通过位移控制。
3.2实验样品和仪器的详细说明
用GFRP纤维和混合增强方案增强而且不同加筋率的七根大型UHPFRC梁被制造出来并用以试验。为了研究使用不同GFRP加筋率对样品弯曲性能的影响，用到了三根加筋率不同的梁样品（rho;=0.53%，1.41%，1.71%）；而且，为了评估增加钢筋和用钢筋代替GFRP后产生的影响，同时也分析了用混合增强方案(GFRP 钢筋)的四根梁样品。为了提供均匀的纤维分布特征，将混凝土放置在梁的末端并允许其流动。所有测试的梁样品均有200*270mm的矩形断面，长度为2900mm，这和以前的一个研究的情况很相似[14]。截面形状和增强情况的详细情况在图2(a)有展示并总结在表格3。梁样品用了一或两层的加固，其中是一种或两种纤维类型，可能只有GFRP或者是GFRP 钢筋。外层和内层的有效深度分别是240mm和205mm。样品可归纳为两种——一种梁只用GFRP增强(UH-GX)，另一种梁使用混合增强(UH-SXGX)。字母UH,S,G,和X分别代表了UHPFRC，钢筋，GFRP，和纤维的数量。例如，样品UH-S2G3是由内层两根钢筋和外层三根GFRP纤维组成。所用纤维的性质在表格4有总结。
根据以前一个报告所得，当钢筋嵌入长度是其直径的两倍，就会在钢筋拔出前屈服。另外，Yoo等人提出了一条公式来计算嵌入了GFRP的UHPFRC的伸展长度（对于拔出失效的情况）：Ld,pullout=drfu/3.4(fcrsquo;)0.5,Ld,pullout是指伸展长度，dr纤维直径，fu是纤维的极限强度，fcrsquo;是抗压强度。因此，对于本研究中所用到的材料（fcrsquo;=197.3MPa，dr=12.7，fu=1182MPa），伸展长度得到大约是314.3mm。因此，即使没有纵筋端钩的作用，所有测试梁的钢筋和GFRP纤维的伸展长度均满足要求。
对于所有测试梁均使用最大加荷能力达2000KN的万能试验机进行了三点静载荷测试，如图2(b)示。荷载以小增量单调增加，其大小，以及挠度和应力均被同时记录下来。在每一个加载台（20KN为一个间隔），裂纹的宽度，数量，还有平均裂纹间距也被记录着。跨中挠度和支座沉陷是使用线性差动变压器测量所得，而净跨中挠度即除去梁支座的沉陷是通过减去测得的跨中挠度中的支座沉陷所得。应变计装在所有纵向增强纤维的中点处来测量其应变。
为了测定中性轴的深度，在梁的端面，离极限拉力和压力纤维30mm的地方也设置了两个应变计。
- 实验结果及讨论
4.1力学性质
压缩，弯曲，张拉实验的结果在图3展示并在表格5总结。三个样品的平均测试结果是通过线性插值获得。详细的平均化过程在文献[12]有描述。如图3(a)所示，UHPFRC的应力应变曲线在到达构件破坏前非常接近线性，而平均抗压强度，应变量，弹性模量分别测定为197.3MPa，0.0044，47.8GPa。所
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