玄武岩纤维布约束混凝土柱体的轴压性能试验研究.pdf

2 0 1 3 年 第 7 期 (总 第 2 8 5 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 1 1 玄武岩纤维布约束混凝土柱体的轴压性能试验研究 邓宗才 ，付建斐 ( 北京工业大学 建筑工程学院，北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要 ： 为了掌握玄武岩纤维( B F R P ) 布对混凝土柱体的约束效果 ， 通过玄武岩纤维布约束混凝土 圆柱体 、 棱柱体的轴压试验 ， 研究 了其破坏形态、 应力一 应变曲线 、 峰值应力及峰值应变。 试验结果表明： 相 比未约束混凝土试件， 玄武岩纤维布粘贴 2 7 层 时 ， 约束 圆柱体和棱柱体试件的抗压强度分别提高了 7 8 8 2 5 5 1 和 1 2 5 1 3 6 5 2 ， 峰值应变分别提高了 3 3 5 2 8 3 9 4 和 4 1 8 9 - 9 5 8 5 ； 混凝土试件的抗压强度与约束层数之间近似线性关系； 纤维布约束层数相同时， 圆柱体试件 的抗压强度高于 棱柱体； 基于试验数据拟合了玄武岩纤维约束混凝土圆柱体和棱柱体 的强度模型 ， 模型与试验数据吻合良好。 关键词： 玄武岩纤维布；混凝土 ；力学性能 ；强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 l 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 3 7 0 4 E x p e r i me n t a l s t u dy o n me c h a n i c a l p r op e r t y o f c on c r e t e c o l u m n s c on f i n e d b y b a s a lt f i b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r un de r a x i a l c omp r e s s i o n DENG Zo n g c a i ， FU J i a n f e i ( T h e C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， B e ij i n g U n i v e r s i t y o f T ech n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e e x p e r i me n t o f c o n c r e t e c i r c u l a r a n d q u a d r a t e c o l u mn s c o n fi n e d b y b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d p o l y me r u n d e r a x i a l c o m p r e s s i o n ， i t a n a l y z e df a i l u r e c o n fi g u r a t i o n ， s t r e s s s t r a i nc u r v e ， b e a r i n gc a p a c i tya n dp e a k s t r a i ni no r d e r t oi n v e s t i g a t e c o n s tr a i n t e ff e c t o f b a s a l t F R P ( B F R P ) f o r c o n c r e t e c o l u mn s E x p e ri me nt a l r e s u l t s s h o wt h a t ： C o m p a r e d w i t h the s p e c i me n s w i t h o u t c o n fi n e m e n t ， t h e b e a r i n g c a p a c i ty o f c i r c u l a r a n d q ua d r a t e s p e c i me n s c o n fin e d b y ba s a l t fib e r r e i n f o r c e d p o l ym e r f r o m t wo t o s e v e n l a y e r s i mp r o ve d b y 7 8 8 - 25 5 1 a n d 1 2 5 1 - 3 6 5 2 r e s p e c t i v e l y， p e ak s t r a i n i mp r o v e s b y 3 3 5 2 8 3 9 4 a n d 4 1 8 9 9 5 8 5 r e s p e c t i v e l y ； ( T h e r e l a t i o n s h i p b e twe e n b e ar- i n g c a p a c i ty o f c o n c r e t e s p e c i me n s a n d t h e l a y e r o f b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d p o l ym e r wa s a l mo s t l i n e a r Wh e n t h e n u mb e r o f l a y e r s o f b a s a l t fib er r e i n f o r c e dp o l ym e r we r e s a me ， t h eb e ari n g c a p a c i t yo f c o n c r e t e c i r c u l ar s p e c i me n s wa sh i g h e r than q u a dra t e s p e c i me n s ； ( 墨 ) Ba s e do n e x p e r i me nt a l d a t a s tre ng t hmo de l s o f c o n c r e t ec i r c ul ar a ndq ua dra t ec o l umn s we r ebu i l t wh i c hc or r e s p o ndwi th t hee x pe r i me nta l da t L Ke y wo r d s ： b a s a l t fi b e r r e i n f o r c e d p o l ym e r ； c o n c r e t e ； me c h a n i c a l p r o p e r t y ； s tr e n gth 0 引 言 5 1 2 汶川特大地震后 ， 研究抗震加固技术具有重要的现 实意义 ， 全国众多抗震等级较低的建筑物需要抗震加固， 对抗 震加固技术的需求非常迫切。 纤维增强复合材料( F R P ) 具有轻 质、 高强、 耐腐蚀 、 施工方便等优点哪 ， 已广泛应用于加固领域。 目前加 固工程 中常用 的纤维片材有碳纤维( C F R P ) 、 玻 璃纤维、 芳纶纤维和聚乙烯纤维( P E F I ) 布等。 其中C F R P 的力学和物理性 能最为理想圆 ， 但碳纤 维原丝基本依赖进 口， 价格 较高 ； 玻 璃纤维价格较便宜 ， 但 耐腐蚀性较差 ， 且 弹性模量 较低 ， 使用受到一定 的限制 。 作者 曾研究 了聚乙 烯纤 维布约束混凝土柱 的轴压性能 3 ， P E F R P布约束柱可 以提高其强度和 变形能力 。 玄武 岩纤维( B F R P ) 是一 种新 型纤维， 它具有良好的耐火性、 较高的抗拉强度和弹性模 量 ， 且价格便宜 ， 在加 固领域具有广 阔的发展 前景 4 。 本文 对 B F R P布约束混凝土圆柱体 、 棱柱体试件的轴压性 能进 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 1 1 1 行了试验研究和理论分析， 探讨 了加固层数 、 试件形状等对 约束效果的影响规律， 试验结果为工程加固提供参考数据。 1 试验方案 1 1 试验设计 共有 2 1 个 1 0 0 m mx l 0 0 minx 3 0 0 n u n的棱柱体 ， 2 1 个 直径 1 5 0 m m、 高 3 0 0 m i l l 的圆柱体。 混凝土配合 比为 ： 水泥 4 3 3 k g m3 , 粗骨料 1 2 6 0 k g m 3 , 细骨料 5 9 1 k g m 3 , 水 1 6 5 k g m ， 采用 P 0 3 2 5 级水泥， 碎石最大粒径 2 0 m m。 试件浇筑完 2 4 h 后脱模， 在标准养护室养护 2 8 d ， 取出晾干后粘贴纤维布， 纤 维布粘贴完毕 7 d 后进行轴压试验。 纤维布采用江苏天龙玄武 岩连续纤维高科技有限公司生产的B F R P 布， 其材I生 歹 U 于表 1 。 表 1 玄武岩纤维布材性 37 8 0 7 O 6 0 董5 0 菩 4 o 星 o 暴 2 O l 0 0 1 2 O 1 0 0 8 0 菩6 0 娄 o 2 0 0 轴 向压 应变 ， e ( a ) 2 层B F R P 约束 混 凝 土 圆柱 体 、 棱 柱 体 00 0 5 001 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 02 5 0 0 3 0 0 0 3 5 轴 向压应 变 ， s ( c ) 4 层B F R P 约束混凝土圆柱体、 棱柱体 7 0 60 50 4 O l 30 旧 暴 2 O 1 O 0 0 01 0 0 2 0 0 3 0 0 4 轴 向压应 变 8 ( b ) 3 层B F R P 约 束 混凝 土 圆柱 体 、 棱 柱 体 l 9 O 。 0 重 8 。0 驺 O 0 01 0 0 2 00 3 0 0 4 0 0 5 轴 向压应 变 ， 8 ( d ) 5 层B F R P 约束 混 凝土 圆 柱体 、 棱 柱体 轴 向压 应 l，殳 e 轴 向 压 应 变 e ( e ) 6 层B F RP 约 束混 凝 土 圆柱 体 、 棱 柱 体 ( f ) 7 层B F R P 约束 混 凝 土 圆柱 体 、 棱 柱 体 图 3 B F R P约束混凝土圆柱体、 棱柱体应力一 应变全 曲线 F R P厚度 ； 2 3 2 约束混凝土棱柱体的强度模型 F R P抗拉强度； 当F R P约束混凝土棱柱体时， 其侧向约束力是不均匀 D 混凝土圆柱体的直径 ； 的 ， 在柱 角对 角线附近 约束是最强 的 ， 而柱 角之 间的柱 面 a , b 拟合函数的回归参数。 处约束相对较弱， 如图5 。 为了确定截面形状对约束应力的 许多研究者根据 c F R P约束混凝土的试验结果给出 影响， 需考虑截面形状系数 ， 见式( 3 ) ， 该值取为有效约束 了 0 和 b的值 ： L e m &T e n g 模型取 a = 2 ， b = 1 ts l ； K a r b h a r i 模型 区的面积与 B F R P约束范 围内整个面积 的比值 。 取 3 1 ， b = 0 8 7 t6 3 ； T o m i 模 型取 3 5 ， b = 0 8 5 ； Mi r mi r a n ， b 2 一 1 T R 一 2 2 3 ， 模型取 n = 4 2 6 9 ， b = 0 5 8 7 t 8 1 。 本文采用最小二乘法对试验数 6 一 R 据进行线性 回归 ， 拟合出 B F R P约束混凝土 圆柱体的强度 由于拐角处 F R P 存在较大的应力集中， 故纤维布都是在 计算公式如下 ： 拐角处首先被撕裂。 研究表明， 随着拐角半径 与方柱边长 6 s比直的增大， 约束效果增强。 为了解决拐角的应力集中问题， 引 L 2 J 进了拐角应力集中降低系数 计算见式( 4 ) ， 其中k F 0 2 1 2 1 凹 。 将试验测得的强度值、 本文模型及根据已有模型求得的 ，I f 1、 ， I 2 R 、 ， l 强度值列于表5 o 可见， 试验值与已有模型计算值有一定差 广 Il卜丁 l 十 丁 I ( 4 ) 距， 原因是已有模型多是根据碳纤维布约束混凝土柱体的试 本文 B F R P约束混凝土棱柱体抗压强度模型采用下 验结果建立的， 不能更好地反映玄武岩纤维布约束柱体的特 述形式 ： 性。 试验值与本文模型计算值的比值 的平均值为 0 9 9 7 ， 标准 一 1 L 。 以 r 差为 0 0 5 2 ， 可见试验值与本文模型计算值吻合 良好。 39 表 3 B F R P约束混凝土圆柱体的峰值应力、 纵向峰值应变 表 4 约束混凝土棱柱体的峰值应力、 纵向峰值应变 式中： 。 强度约束系数 ； B F R P侧向约束力， 且 ； D 等效圆的直径， 取为截面对角线长度。 根据试验数据 ， 采用最小二乘法进行线性 回归 ， 拟合 出 B F R P约束混凝土棱柱体的强度 约束系数为 9 1 O ， 抗压 强度计算公式为： 丛 ： 1 + 9 1 0 ( 2 = = 0 9 6 9 2 ) ( 6 ) 试验值与拟合值对比见表 6 ， 试验值与拟合值吻合良好。 3结 论 ( 1 ) 试验测得 2 7层 B F R P布约束 混凝土 圆柱体 、 棱 柱体试件的应力一 应变全 曲线 ， 曲线 由上升段 、 强化段和下 降段组成 ， 混凝土为膪 I生 破坏。 ( 2 ) 随着 B F R P层数增加 ， 约束混凝土抗压强度增加 ， 抗压强度与约束层数之间近似线性关系。 相比未约束混凝 土试件， B F R P约束圆柱体和棱柱体的峰值应变分别提高 了 3 4 8 4和 4 2 9 6 倍 。 山 性 鲢 积 出 0 1 2 3 4 5 6 7 约束层 数 图4 B F R P约束混凝土圆柱体、 棱柱体约束层数 与抗压强度的关系曲线 非有效约 束 区 表 5 已有强度模型计算值与试验值比较 4 0 下转第 4 9页 ( 3 ) 陶瓷细骨料再生混凝土的碳化速度与混凝土强度 反相关关 系 ， 而与混凝 土龄期成正相关关系 。 对 于同一 强 度 等级 的混凝土来说 ， 碳化深度随龄期 的增长 而增 大 ； 对 于同一 龄期 的混凝土来说 ， 混凝土强度等级越低 ， 其碳化 程度越 大。 ( 4 ) 采用 回弹法检测陶瓷细骨料再生混凝 土的抗压强 度可 以取得 比较理想 的试验 结果 ， 但 是 ， 回弹值反映 的仅 仅是混凝土 的表面硬度 ， 而表面硬度不仅与混凝土强度有 关 ， 还跟混凝土的碳化情况有关 ， 因此 ， 用 回弹检测混凝土 强度时碳化对混凝土表面硬度 的影响 。 基于大量 的试验数 据 ， 通 过 回归分析 ， 得到粗骨料为碎石 而细 骨料用 2 5 的 陶瓷取代砂时的混凝土超声回弹测强 曲线的方程是 ： = 0 0 5 5 0 6 4 R 吼1 0 t0 2 2 2 0 5 d ， 相关系数 R Z = 0 9 6 8 ， 相对标准误差 e u9 8 8 ； 平均 相对误 差 S - 7 4 7 ； 该方程达到 J G J T 2 3 2 0 1 1 回弹法检测混凝土抗压强度规程 规定 的要求 ， 是有 效 的， 可以作为陶瓷再生混凝土的推算公式。 参考文献 ： 1 】吴新璇 混凝土无损检测技术手册【 M】 _ E 京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 H0 3 2 】余红发 混凝土非破损测强技术研究 MJ E 京 ： 中国建材工业出 版社 ， 1 9 9 9 工业出版社 ， 2 0 0 8 ( 1 ) 6 G B T 5 0 0 8 0 - - - 2 0 0 2 ， 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 S 1 E 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 ( 1 ) f 7 】J G J T 2 3 2 0 l 1 ， 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 S 北京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 1 8 】肖建庄， 李佳彬 ， 兰阳 再生混凝土技术最新研究进展与评述【 J J _ 北京 ： 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 0 ) ： 1 7 2 0 ， 5 4 9 孙振平 ， 谭国强 ， 王新友 再生混凝土技术 混凝土 ， 1 9 9 8 ( 5 ) ： 3 6 40 【 1 0 吴德义 龄期对回弹法检测混凝土强度的影0 N J 安徽建筑工业 学院学报： 自然科学版， 2 0 0 5 ， 1 3 ( 5 ) ： 5 - 7 1 1 肖建庄， 李佳彬等 回弹法检测再生混凝土抗压强度研究【 J 1 四 川 ： 四川建筑科学研究 ， 2 o o 4 ( 1 O ) 1 2 】 李为杜j 昆 凝土无损检测技术【 M】 上海 ： 同济大学出版社 ， 1 9 8 9 1 3 】 侯宝隆， 蒋之峰 混凝土的非破损检测 M 北京： 地震出版社， 1 9 92 1 4 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准s E 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 【 1 5 盛骤， 谢式干， 潘承毅 概率论与数理统计 M E 京： 高等教育出 版社 ， 2 0 0 8 ( 6 ) 3 俞宝民 高性能混凝土无损检测技术试验研究 D J 上海 ： 同济大 作者简介 学 ， 2 0 0 3 4 14 J G J 5 2 2 O 0 6 ， 普通混凝土用砂、 石质量及检验方法标准 s E 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 7 ( 1 2 ) 5 】J G J 5 5 2 0 o 0 ， 普通混凝土配合比设计规程 s 北京 ： 中国建筑 上接第 4 0页 表 7 再生骨料的针片状颗粒含量 编号k 。 k 。 试验值 MP a 拟合值 MP a 试验值 拟合值 ( 3 ) 纤维布层数相 同时 ， B F R P布约束 圆柱体试件的抗 压强度 比棱柱体高 ， 原 因是棱柱体 四角应力集 中， 外包纤 维布容易在棱角处发生撕裂破坏 ， 约束效率稍低于圆柱体 。 ( 4 ) 采用最小二乘法对试验数据进行拟合 ， 得到了B F R P 布约束混凝土圆柱体和棱柱体的抗压强度模型 。 参考文献 ： I 】邓宗才， 牛翠兵， 卡 土 1 力， 等 F R P 加固混凝土结构耐久性研究叨北 京工业大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 2 ) ： 1 3 3 1 3 7 2 】滕锦光， 陈建飞， 史密斯 S T ， 等 F R P加固混凝土结构 M 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 5 ： 3 - 5 【 3 】邓宗才， 阚德新， 杜修力， 等 聚乙烯纤维布约束混凝土短柱轴 压性能的试验 工业建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 1 0 ) ： 6 9 7 2 联 系地址 联系电话 陆盛武( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 工程师， 讲师， 硕士研究生， 主要 从事混凝土等方面的研究。 厂西8 D O 0 q l 市广西生态工程职业技术学院建筑工程 系 ( 5 4 5 0 0 3 ) 1 8 0 77 2 1 8 6 81 4 】谢尔盖 玄武岩纤维的特性以及在中国的应用前景 J 玻璃纤 维 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 4 4 4 8 5 】L A M L ， T E NG J GS t r e n g t h mo d e l s o f fi b e r - r e i n f o r c e d p l a s t i c c o n - fi n e d c o n c r e t e J J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l En g i n - e e r i n g ， 2 0 0 2， 1 2 8 ( 5 ： 61 2 -6 23 【 6 】K ARB HAR I V M， G AO Y C o mp o s i t e j a c k e t e d c o n c r e t e c o n fi n e d u n - d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i o n - v e r i fi c a t i o n o f s i mp l e d e s i g n e q u a t i o n s J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s i n Ci v i l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 7 ， 9 ( 4 ) ： 1 8 5 1 9 3 【 7 TO UT AN J I H AS t r e s s s t r a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e c o l u mn s e x t e r n a l l y c o n fi n e d w i t h a d v a n c e d fi b e r c o mp o s i t e s h e e t s l J 1 A C I M a t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 3 ) ： 3 9 7 4 0 4 【 8 MI R MI RAN A， S HA HAWY M B e h a v i o r o f c o n c r e t e c o l u mn s c o n fi n e d b y fi b e r c o m p o s i t e s J 1 9 8 2 ， 1 2 3 ( 5 ) ： 5 8 3 - 5 9 0 【 9 邓宗才， 徐永朝 I H F R P布约束混凝土棱柱轴压力学性能试验 研究公路 ， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 1 9 3 1 9 7 作者简介 联系地址 联系电话 邓宗才 ( 1 9 6 1 一 ) ， 男 ， 教授， 研究方向： 主要从事土木工 程材料与结构的研究。 北京市朝阳区平乐园 1 0 0号 北京工业大学( 1 0 0 1 2 4 ) 1 3 58 1 9 2 5 93 1 4 9