不同应变率下碳纤维布约束混...土单轴压缩力学性能试验研究_宋萌萌.pdf

不同应变率下碳纤维布约束混凝土单轴压缩力学性能试验研究：.不同应变率下碳纤维布约束混凝土单轴压缩力学性能试验研究宋萌萌，吴文飞，周 恒（.四川托普信息技术职业学院，成都；.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，成都；.中国三峡建工（集团）有限公司，成都）摘要：碳纤维布对混凝土材料的约束保护作用能够极大提升其力学性能。本文基于试验，采用电液伺服压力机及分离式霍普金森压杆装置（，）对碳纤维布约束混凝土开展不同应变率下的单轴压缩试验，分析应变率、碳纤维布层数及混凝土强度对碳纤维布约束混凝土应力应变曲线、峰值应力、动态增强因子（）及韧性的影响规律。试验结果表明：不同应变率下试件峰值应力均随碳纤维布层数的增加而增大，两者呈指数函数负相关。应变率的增大使得试件 增加，两者呈指数函数正相关，试件存在明显的应变率效应。随着粘贴纤维布层数的增加，混凝土试件应变率效应更加敏感。随着混凝土强度等级的提升，碳纤维布层数对试件 影响程度降低。应变率、混凝土强度等级及碳纤维布粘贴层数的增加均使试件韧性增大。碳纤维布的约束保护作用能够增加试件的延性，防止混凝土结构物产生脆性破坏，对提升结构物的安全性具有重要意义。关键词：碳纤维布；应变率；应力应变曲线；峰值应力；动态增强因子；韧性；复合材料中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，；.，）：，（）（），：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：宋萌萌（），女，硕士，讲师，研究方向为建筑材料与工程造价，.。年 月复合材料科学与工程 前 言当前混凝土仍是世界建筑行业中使用最为频繁的建筑材料，但由于建筑物所处外界环境的复杂性，单纯混凝土结构在某些环境下劣化较为迅速。在混凝土表面粘贴保护材料不仅能够提升结构物的耐腐蚀程度，并且在一定程度上会增强混凝土材料的力学性能。目前在混凝土结构补强加固领域，众多专家学者开展了大量研究。严卫华等对碳纤维布增强钢筋（）混凝土复合梁的力学性能开展试验研究，结果表明碳纤维布的粘贴能够有效减小梁的裂缝开展宽度，提高其抗荷载能力，且粘贴层数越大，试件力学性能提升效果越好。高鹏等对碳纤维布约束型钢混凝土的轴向压缩性能进行研究，试验结果表明加固率的增加增强了试件的加固效果，基于试验结果确定了大尺寸柱强弱约束模式的界限值，并采用叠加法建立了新的多参数约束型钢混凝土的承载力公式。褚少辉等对碳纤维布加固受损混凝土梁的力学性能进行了研究，试验结果表明粘贴碳纤维布使受损混凝土梁极限承载能力提升了.，碳纤维布的粘贴在一定程度上提升了梁结构的承载能力。牟雁翎等利用试验对碳纤维布混凝土界面的剪切力学性能开展研究，试验结果表明碳纤维布层数及混凝土强度等级的增加能够增强试件的极限承载能力及最大剪应力，荷载作用下纤维布的滑移量会随纤维布粘贴面积、层数及混凝土强度的增大而降低。高鹏等对玄武岩纤维布及碳纤维布侧向约束加固高强混凝土的力学性能进行试验研究，结果表明玄武岩纤维布和碳纤维布加固柱的承载能力均存在明显改善效果，且碳纤维布的改善效果更加显著，纤维布约束下试件的脆性降低，延展性显著增强。在众多加固防护材料中，碳纤维布的使用最为广泛，相较于常见的钢纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维等诸多纤维材料，碳纤维有较好的抗拉强度、弹性模量，耐碱，耐热等性能，且碳纤维布的制作及应用工艺较为简单，在工程现场施工较为方便，因此备受青睐。在对碳纤维布加固混凝土结构物的研究中，仇泽等依托于隧道改扩建工程研究了碳纤维布加固混凝土梁的极限承载能力，结果表明碳纤维的粘贴加固作用能够有效提高混凝土梁的承载能力，并减缓裂纹的生成与扩展，碳纤维布加固作用对混凝土结构的稳定性存在显著提升作用。肖德后等利用试验对胶粘贴碳纤维布加固混凝土柱轴向压缩性能进行研究，结果表明无机胶粘贴下碳纤维布加固混凝土柱轴压力学性能及抗变形能力均存在提升。倪铁权等对碳纤维布加固震损钢管混凝土框架结构抗震性能进行研究，结果表明碳纤维布加固钢管混凝土结构的极限承载能力、延展性、耗能效果及抗震效果均存在显著提升。董江峰等对外贴碳纤维布加固混凝土断裂性能进行试验研究，结果表明粘贴纤维布能够显著提升钢筋混凝土梁的极限承载能力及变形能力，加固作用对梁结构刚度存在显著提升效果。吕闹等对碳纤维布加固高强砂浆在动载作用下的力学性能进行研究，结果表明纤维布的加固作用能够提升试件的承载能力，与普通砂浆相比，其动态增强效应更大，碳纤维布的存在抑制了裂纹的扩展。现有研究成果中对碳纤维布约束混凝土力学性能的研究基本停留在静载作用下，很少涉及到动荷载作用下结构的安全性，而建筑结构物在服役期间会承受各种动荷载作用，因此研究不同荷载作用下碳纤维布加固混凝土力学性能有重要意义。本文采用电液伺服压力机及 试验装置对碳纤维布加固混凝土在不同应变率下的单轴压缩力学性能变化进行研究，分析应变率、碳纤维布层数及约束混凝土强度对加固混凝土力学性能的影响规律，研究成果可补充碳纤维布约束混凝土在不同荷载形式下性能变化规律的相关空白。试 验.原材料及配合比试验中胶凝材料选用海螺牌 .普通硅酸盐水泥，其物理力学性能如表 所示。选用细度模数为.的中砂为细骨料，其密度为 ，粗骨料为 连续级配碎玄武岩，拌合水取自实验室不存在有害物质的自来水，为使混凝土流动度能满足试验要求，选用减水率为 的高效减水剂。表 普通硅酸盐水泥部分物理力学性能 水泥凝结时间 初凝终凝抗压强度 抗拉强度 年第 期不同应变率下碳纤维布约束混凝土单轴压缩力学性能试验研究 试验选用三种不同强度等级的混凝土，设计强度分别为、与，其中 混凝土水泥、沙子、石子、水的质量比为 .，混凝土水泥、沙子、石子、水的质量比为 .，为高强混凝土，配置方法主要是提高水泥强度和减小水灰比，其水泥、水、砂子、石子的配合比为.，减水剂掺量均为胶凝材料质量的。采用相关模具将不同强度混凝土浇筑成 立方体及直径为、高度为 的圆柱体标准试件，经拌合、浇筑、养护后选取纵波波速相近的试件进行试验，静态单轴压缩试验选取三个平行试件，设计强度分别为、与，试件的抗压强度均值分别为.、.及.。将碳纤维布粘贴在混凝土材料的外表面，使用湿粘法粘贴纤维布，首先将试件外表面打磨平整，然后将环氧树脂胶均匀涂抹至试件外层表面，最后迅速将碳纤维布粘贴至试件表面，涂刷时顺着纤维布一个粘贴方向涂抹压实，反复挤压并排出纤维布与试件间的气泡。碳纤维布的部分基本参数如表 所示。对不同强度等级的试件分别粘贴、层碳纤维布，粘贴结束后放置于室温环境 使其粘贴牢固。表 试验选用碳纤维布部分物理力学性能 重量（）厚度 抗拉强度 弹性模量 延伸率 .试验方法使用电液伺服压力机作为静态加载装置，以获取不同应变率下试件轴向压缩性能。采用位移加载方式进行加载，其应变率计算如式（）所示。（）式中：为试件获取应变率，；为加载速率，；为试件高度，。高应变率获取方式选用直径为 的 试验装置，杆件材料为合金钢，密度为 ，弹性模量为 ，波速为 。试验系统由冲击子弹、入射杆、透射杆、阻尼装置及数据采集系统构成，其中冲击子弹、入射杆、透射杆的长度分别为.、.、.，入射杆及透射杆上均粘贴电阻值为（），灵敏度系数为.的电阻应变片采集信号，最终测出电阻值转化为电压信号被数据采集系统收集。对采集数据选用三波法进行处理，求得试验所得应变率、应变与应力，其计算公式如下：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）|（）式中：（）、（）、（）为对应 时刻的入射应变、反射应变、透射应变，无量纲；为试件厚度，；为压杆的纵波波速，；为压杆的弹性模量，；、分别为压杆和试件的横截面积，。由数据采集系统所采集的原始电压信号如图 所示，在数据处理过程中需要对每一组数据进行应力平衡验证，典型应力平衡曲线如图 所示。图 数据系统采集原始波形图.图 应力平衡验证曲线.试验流程混凝土选用、与，试件养护结束后将碳纤维布粘贴在混凝土环面，粘贴层数分别为、年 月复合材料科学与工程、，试件制备完成后利用电液伺服压力机对试件开展静态单轴压缩试验，利用 装置对试件开展高应变率下的动态单轴压缩试验，电液伺服压力机选用加载速率为.，冲击气压分别选取.、.、.以获取不同应变率，冲击试验过程中将试件置于入射杆与透射杆间并涂抹适量的凡士林以减小端面的摩擦效应，为降低试件离散性对试验结果的影响，每组试验选取三个平行试件，最终选取应力最接近平均值的一组数据进行分析。结果与分析.应力应变曲线利用电液伺服压力机及 试验装置对碳纤维布约束混凝土开展不同应变率下的单轴压缩试验，试验结果如表 所示。粘贴 层碳纤维布、不同设计强度的混凝土试件静态应力应变曲线如图 所示，混凝土、.冲击气压下不同粘贴层数碳纤维布约束混凝土试件应力应变曲线如图 所示。表 不同应变率下碳纤维布约束混凝土力学性能测试结果 试件编号平均应变率 峰值应力 韧性（续表）试件编号平均应变率 峰值应力 韧性 注：，代表混凝土设计强度为 ，代表冲击气压为 ，代表纤维布粘贴层数为。年第 期不同应变率下碳纤维布约束混凝土单轴压缩力学性能试验研究图 层碳纤维布约束混凝土静态应力应变曲线.图 不同粘贴层数试件动态应力应变曲线.结合表 及图、图 可知，混凝土强度、应变率及碳纤维布层数均对试件力学性能存在极大的影响。由图 可知，层碳纤维布约束混凝土试件峰值应力随着混凝土强度的增大而增大，混凝土强度的增大可增强试件自身抗荷载能力，在外荷载作用下其自身力学性能得到显著提升，且由试件应力应变曲线可以看出碳纤维布约束下试件表现出极大的延性。由于碳纤维布自身的抗拉强度较高，在外荷载作用下能够限制试件的横向变形，在混凝土自身产生损伤后，碳纤维布仍能对试件起到约束保护作用，保持试件的整体性，而素混凝土试件在达到峰值应力后会产生突然破坏，从而不能保持自身完整性，可见碳纤维布的约束效果增大了试件的延性。对比静载作用下试件应力应变曲线与动荷载下试件应力应变曲线可以看出，应变率的变化使试件曲线产生改变。静态应力应变曲线中，试件曲线前端斜率较低，随着荷载作用时间的增长，试件斜率显著增大，而动态应力应变曲线中，在冲击荷载一开始作用下试件曲线斜率较大，这是由于高应变率下，试件内部原生裂隙来不及被压缩而直接进入弹性变形阶段，随着荷载作用时间的继续增长，试件进入塑性变形阶段，直至进入破坏阶段。由表、图 可以看出，相同应变率下，随着碳纤维布粘贴层数的增加，试件峰值应力增大，混凝土在.气压下，相较于粘贴 层碳纤维布约束混凝土，粘贴、层试件峰值应力增幅分别为.、.、.、.。碳纤维布层数的增加使试件峰值应力增大，且层数越多，试件峰值应力越高，说明碳纤维布约束作用增强了试件抵抗外荷载的能力，但随着层数的不断增多，试件应力增幅逐渐减小；层碳纤维布约束下试件强度增幅最大，随着纤维布层数的进一步增加，试件强度增幅将不再明显。.峰值应力变化规律碳纤维布粘贴层数及混凝土强度等级对试件峰值应力存在极大的影响，混凝土试件峰值应力随粘贴碳纤维布层数变化规律如图 所示，静、动荷载下试件峰值应力与混凝土设计强度的关系如图 所示。图 碳纤维布层数与峰值应力的关系.（）静载 年 月复合材料科学与工程（）图 混凝土强度与试件峰值应力的关系.由图 可以看出，碳纤维布层数的增加使试件峰值应力增大，两者呈指数函数负相关。在外荷载作用下，一方面碳纤维布粘贴在混凝土表面可对混凝土环向起到约束作用，限制试件的环向变形，增强试件整体性能；另一方面碳纤维布的高抗拉强度能够承担部分外部荷载，增强试件抵抗外荷载能力，试件峰值应力随之增加。静载作用下，相较于未粘贴碳纤维布试件，粘贴、层试件峰值应力增幅分别为.、.、.、.，纤维布层数的增加增大了对混凝土的约束力，增强了试件的整体性，试件轴向抗压能力随之增大。但随着碳纤维布层数的增加，试件应力增速减缓，说明在一定厚度下碳纤维布的约束能力对试件强度存在显著增强作用，当纤维厚度超过一定值后，对试件强度的增幅将不再显著，因此应选择合理厚度碳纤维布粘贴，以便显著提升对混凝土材料的加固与防护性。由图 可知，静、动荷载下，试件峰值应力随着约束混凝土强度的增加而增大，这是由于碳纤维布约束混凝土体系中混凝土材料自身强度的增加可增强试件整体性能，其抵抗外荷载强度随之增大。对比静、动荷载下试件应力增幅可以看出，动载作用下随着混凝土设计强度的增大，试件峰值应力增幅更加显著，说明动载作用对试件应力影响更加显著。.应变率效应由于混凝土材料应变率效应的存在，静、动荷载作用下试件抵抗外荷载能力存在不同，且碳纤维粘贴层数及混凝土强度对试件应变率效应也存在影响。混凝土不同应变率下试件 变化规律如图 所示，不同强度等级混凝土粘贴碳纤维层数与试件 间的关系如图 所示。图 不同应变率下 试件 变化规律.（）（）（）图 粘贴不同碳纤维布层数试件 变化规律.年第 期不同应变率下碳纤维布约束混凝土单轴压缩力学性能试验研究 由图 可知，试件 随着应变率的增大而增大，两者呈良好的指数函数正相关。应变率的增大会带动试件内部原生细裂纹在短时间内产生扩展，试件抵抗外荷载能力随之增大，也随之增加。结合图 可以看出，随着粘贴纤维布层数的增加，混凝土试件 明显增大，说明此强度下碳纤维布约束混凝土应变率效应更加敏感，且纤维布粘贴层数越多，应变率效应敏感性越强。、混凝土试件 随着碳纤维层数的增加存在小幅降低，但整体变化幅度较小，随着混凝土强度等级的提升，碳纤维布层数的增加对试件 影响程度降低。.韧 性韧性为材料在一定荷载下具有的变形能力，是材料延性和强度的综合性能。从宏观角度讲，韧性可定义为材料从加载到失效过程中所吸收能量的能力。描述材料韧性的方法很多，现选用最直接的能量法，即用应力应变曲线与坐标轴所围成图形的面积来表示材料的韧性，其计算公式见式（）。（）式中：为外荷载作用下试件韧性，；为试件应力，；为试件应变，无量纲。不同应变率下碳纤维层数与试件韧性间的关系如图 所示。（）（）（）图 不同强度混凝土纤维层数与韧性间的关系.由图 可知，不同强度等级下碳纤维布约束混凝土试件韧性随着冲击气压及碳纤维布层数的增加而增大。相较于静载作用下试件韧性变化，素混凝土在.、.、.冲击气压下韧性增幅分别为.、.、.，素混凝土在.、.、.冲击气压下韧性增幅分别为.、.、.，素混凝土在.、.、.冲击气压下韧性增幅分别为.、.、.，由于混凝土材料存在应变率效应，外部冲击荷载的增大使试件强度增加，变形程度增大，其韧性也随之增大。相同应变率下，试件韧性随着碳纤维层数的增加而增大，混凝土在.冲击气压下，相较于未粘贴碳纤维布试件，粘贴、层试件韧性增幅分别为.、.、.、.。碳纤维布的约束保护作用会增强试件的整体性，一方面使试件抵抗外荷载能力增强，另一方面由于纤维布存在极大的抗拉强度，即使混凝土材料本身发生损坏，但碳纤维布的约束保护作用仍能使试件保持整体性而不产生破坏，在达到极限承载能力后试件仍能够承担部分外荷载，使试件呈现“坏而不散”的状态，增大试件延展性，这对建筑结构物在受到强荷载作用下其本身的安全性能具有重要意义，因此碳纤维布约束混凝土在实际工程应用中存在良好的应用推广性。结 论（）静载作用下，相较于未粘贴碳纤维布试件，粘贴、层试件峰值应力增幅分别为.、.、.、.，碳纤维布层数的增加增 年 月复合材料科学与工程大了对混凝土的约束力，增强了试件的整体性，其轴向抗压能力随之增大。（）碳纤维布约束混凝土试件应变率与 呈指数函数正相关。随粘贴纤维布层数的增加，混凝土试件 明显增大，纤维布厚度的增加使试件应变率效率更加显著。随着混凝土强度等级的提升，碳纤维布层数的增加对试件 影响程度降低。（）碳纤维布的约束保护作用一方面增强了试件抵抗外荷载能力，另一方面能使试件保持整体性而不产生破坏，混凝土在.冲击气压下，相较于未粘贴碳纤维布试件，粘贴、层试件韧性增幅分别为.、.、.、.，纤维布的约束保护作用增强了试件的延展性，对混凝土建筑结构物的安全性具有重要意义。参考文献 陈潋 纤维布加固混凝土的轴压力学性能研究 合成材料老化与应用，（）：刘泽平，张腾腾，王传林 碳纤维布与玄武岩纤维布加固混凝土圆形短柱轴压试验对比研究 工程抗震与加固改造，（）：曹玉贵，王琨，应允辉，等 不同应变速率下 约束混凝土方形与矩形柱的承载能力试验研究 武汉理工大学学报，（）：惠迎新，王文炜，朱忠锋 复合约束混凝土圆柱反复受压力学性能 复合材料学报，（）：赵辉，曹玉贵，王攀峰，等 不同应变速率下 约束混凝土方柱的力学性能 复合材料学报，（）：严卫华，韩沐阳，葛文杰 碳纤维布增强 混凝土复合梁受弯性能分析 建筑科学，（）：高鹏，曾学波，吴宜龙，等 碳纤维布约束型钢混凝土矩形柱轴压承载力 浙江大学学报（工学版），（）：，褚少辉，付士峰 粘贴钢板或碳纤维布加固受损混凝土梁效果对比试验研究 建筑结构，（）：牟雁翎，贾彬，陈柏帆，等 碳纤维布混凝土界面剪切性能试验研究 工业建筑，（）：高鹏，黄镜渟，周安，等 玄武岩纤维布和碳纤维布加固高强混凝土柱轴压性能试验研究 工业建筑，（）：，刘玉娟，王丽娟 短切碳纤维增强混凝土动态抗拉性能研究 复合材料科学与工程，（）：，卢春玲，袁国华，黄东发，等 自锁 楔片式锚具下碳纤维布加固 圆柱预应力损失 复合材料科学与工程，（）：夏伟，陆松，许金余，等 碳纳米管 碳纤维对混凝土静力特性的影响及微观机理分析 化工新型材料，（）：罗锐祺，刘勇琼，廖英强，等 碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能影响因素的研究进展 材料导报，（）：张政哲，吉庆 碳纤维混凝土的制备及其力学性能研究 合成纤维工业，（）：仇泽，李伟平，王激扬，等 碳纤维布加固混凝土梁的极限承载力试验研究 混凝土，（）：肖德后，徐明，陈忠范 无机胶粘贴碳纤维布加固混凝土柱的轴压性能试验研究 工业建筑，（）：，倪铁权，许成祥，赵斌，等 碳纤维布加固震损方钢管混凝土框架抗震性能试验研究 武汉理工大学学报，（）：董江峰，王清远，邱慈长，等 外贴碳纤维布加固混凝土梁断裂特性的试验研究 土木工程学报，（）：吕闹，汪海波，宗琦 碳纤维布加固高强砂浆动态压缩试验研究 材料导报，（）：吴伟，冯虎 碳纤维混凝土动态力学特性试验研究 复合材料科学与工程，（）：赵庆新，许宏景，闫国亮 应力损伤对混凝土抗碳化性能的影响 建筑材料学报，（）：李敏，孟庆腾，陈凤山 混凝土的动态抗压性能试验及数值模拟 混凝土，（）：卢振宇，李文彬，姚文进，等 不同应变率下两种岩石的压缩破碎特征试验研究 高压物理学报，（）：赵建军，闫长旺，刘曙光，等 纤维混凝土力学性能试验研究与分析 武汉理工大学学报，（）：徐福泉，刘明学，关建光 碳纤维布约束混凝土长方柱轴心受压的试验研究 工程抗震与加固改造，（）：李夕兵 岩石动力学基础与应用 北京：科学出版社，张华，郜余伟，李飞，等 高应变率下聚丙烯纤维混凝土动态力学性能和本构模型 中南大学学报（自然科学版），（）：年第 期