FRP约束ECC的轴压性能试验与理论研究
邓宗才 贾鹏星. FRP约束ECC的轴压性能试验与理论研究[J]. 建筑结构,2018,48(19):77-81,39.
Deng Zongcai Jia Pengxing. Experimental and theoretical research on axial compression performance of ECC confined by FRB[J]. Building Structure,2018,48(19):77-81,39.
0 引言
基于细观力学设计的高韧性纤维增强水泥基复合材料 (Engineered Cementitious Composite, 简称ECC) 具有应变硬化和多裂缝扩展等特性
目前, 国内外对FRP约束普通混凝土、高强混凝土轴压性能及其应力-应变关系模型进行了较多的研究
1 试验概况
1.1试件设计与材料
试验共制作了36个试件, 其中33个FRP约束试件, 3个未约束试件。ECC圆柱试件高度为200mm, 直径为100mm。FRP种类有:AFRP, BFRP, CFRP和PENFRP。根据美国ASTM试验规程
纤维增强聚合物板的厚度及力学指标表1
FRP板品种 |
厚度 /mm |
抗拉强度 /MPa |
弹性模量 /GPa |
极限应变 /% |
AFRP (AF) | 0.70 | 482.43 | 23.03 | 2.09 |
BFRP (BF) | 0.70 | 364.57 | 13.07 | 2.79 |
CFRP (CF) | 0.65 | 896.92 | 56.94 | 1.58 |
PENFRP (PENF) | 2.30 | 448.00 | 12.01 | 3.73 |
试件编号汇总表2
试件编号 | 纤维种类 |
纤维布 层数 |
FRP总厚度 t/mm |
试件 数量 |
P | — | — | — | 3 |
AF2 | 芳纶纤维 | 2 | 1.4 | 3 |
AF4 | 4 | 2.8 | 3 | |
AF6 | 6 | 4.2 | 3 | |
BF2 | 玄武岩纤维 | 2 | 1.4 | 3 |
BF4 | 4 | 2.8 | 3 | |
BF6 | 6 | 4.2 | 3 | |
CF2 | 碳纤维 | 2 | 1.3 | 3 |
CF4 | 4 | 2.6 | 3 | |
CF6 | 6 | 3.9 | 3 | |
PENF2 |
聚萘二甲酸乙二醇 酯纤维 |
2 | 4.6 | 2 |
PENF3 | 3 | 6.9 | 2 | |
PENF4 | 4 | 9.2 | 2 |
ECC的材料组成和配合比见表3。其中水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥, 密度3.06g/cm3, 比表面积350m2/kg;天然石英砂粒径范围为40~70目, 密度2.63g/cm3;减水剂采用复配的西卡高效聚羧酸减水剂;粗纤维为国产波浪形聚丙烯纤维 (PP粗纤维) , 直径1mm, 长度40mm, 抗拉强度530MPa, 弹性模量5.6GPa;聚乙烯醇纤维 (PVA纤维) 直径20μm, 长度10mm, 抗拉强度1 600MPa。
ECC组份及配合比/ (kg/m3) 表3
水泥 | 石英砂 | 水 | 减水剂 | PP粗纤维 | PVA纤维 |
1 120 | 740 | 336 | 5.6 | 8 | 8 |
1.2试件制作与养护
将内径100mm的PVC管切割为长度200mm的管子, 用木板封堵管子一端。将搅拌均匀的混合料分两次倒入PVC管中, 在振动台上振捣密实。在标准养护室养护3d后用切割机切掉PVC外壳再放入标准养护室养护25d。用打磨机打磨试件两端, 使其平整光滑。在纤维布上涂刷浸渍胶, 将用浸渍胶浸透的纤维布缠绕在ECC圆柱表面, 纤维布搭接长度160mm。放置5d, 再次打磨试件两端并使其平整光滑, 开始试验。试件制作过程见图1和图2。
1.3加载装置与测试设备
在FRP表面中部位置对称粘贴4个应变片, 分别测定试件的环向应变和轴向应变, 同时用位移计测定试件的轴向变形量。用5 000kN的电液伺服机加载, 加载速率100kN/min。正式加载前先预加载至20kN, 如果试件两侧的应变值均在两侧应变平均值的±5%范围以内, 表示试件受荷均匀, 否则重新调整对中, 直至满足要求。对中完毕后, 开始加载直到试件破坏。用计算机数据自动采集系统记录试验数据。
2 试验结果与分析
2.1试件破坏过程及形态
未约束试件破坏过程:加载初期, 试件处于弹性阶段, 当加载时至峰值荷载的40%左右时, 试件中部出现竖向微裂缝;随着荷载的增加, 裂缝向两端延伸, 并在周围出现新的竖向微裂缝, 承载力继续呈非线性增长, 裂缝延伸至端部时斜向发展并出现分叉裂缝, 然后听到试块内部纤维拔出和断裂声;到达峰值荷载后, 承载力不像普通混凝土那样突然下降, 而是缓慢下降, 裂缝继续扩展;当加载至极限荷载时, 由于纤维的桥联作用, 试件并未成碎块, 完整性较好, 未约束试件破坏形态如图3 (a) 所示。由于纤维的增韧阻裂作用, ECC的抗压韧性明显比普通混凝土好。
约束试件破坏过程:加载初期, 约束ECC试件处于弹性阶段, FRP环向应变很小, 约束作用甚小。当荷载超过未约束试件承载力后, 核心ECC逐渐向外膨胀, FRP约束作用逐渐被激活, 加载过程伴随着胶体“啪啪”的响声。加载至最大荷载时, FRP中部突然断裂, 发出较大响声, 试件中部明显外鼓。约束试件破坏形态如图3 (b) ~ (e) 所示。
试验结果表4
试件编号 | fl/MPa | fl/fco′ | fcc′/MPa | εcu (εco) | εh, rup | fcc′/fco′ | εcu/εco | HPCεcu (εco) |
P | — | — | 45.1 | (0.004 0) | — | — | — | (0.002 2) |
AF2 | 13.51 | 0.300 | 88.7 | 0.015 0 | 0.013 7 | 1.966 | 3.75 | 0.005 4 |
AF4 | 27.02 | 0.599 | 123.7 | 0.021 0 | 0.016 1 | 2.743 | 5.25 | 0.006 3 |
AF6 | 40.53 | 0.899 | 147.8 | 0.024 2 | 0.013 7 | 3.278 | 6.05 | 0.009 5 |
BF2 | 10.21 | 0.226 | 79.9 | 0.008 5 | 0.008 0 | 1.771 | 2.13 | 0.004 8 |
BF4 | 20.42 | 0.453 | 105.2 | 0.017 1 | 0.014 6 | 2.332 | 4.27 | 0.007 0 |
BF6 | 30.63 | 0.679 | 119.2 | 0.023 0 | 0.014 0 | 2.644 | 5.75 | 0.009 3 |
CF2 | 23.32 | 0.517 | 104.9 | 0.010 8 | 0.005 1 | 2.326 | 2.70 | 0.005 3 |
CF4 | 45.11 | 1.000 | 164.6 | 0.015 8 | 0.005 2 | 3.649 | 3.95 | 0.007 8 |
CF6 | 67.66 | 1.500 | 206.7 | 0.022 1 | 0.006 8 | 4.584 | 5.53 | 0.009 7 |
PENF2 | 41.22 | 0.914 | 145.7 | 0.027 5 | 0.026 3 | 3.230 | 6.88 | — |
PENF3 | 61.82 | 1.371 | 191.3 | 0.036 3 | 0.028 9 | 4.241 | 9.08 | — |
PENF4 | 82.43 | 1.828 | 248.2 | 0.041 4 | 0.027 1 | 5.504 | 10.34 | — |
2.2试验数据与分析
试验结果列于表4。表中fcc′, εcu分别为约束试件的抗压强度和极限应变, εh, rup为FRP环向断裂应变, εco为无约束试件的峰值应变;fl/fco′为约束比;fcc′/fco′为强度约束效应;εcu/εco为极限应变约束效应。约束应力fl用下式计算:
式中:fh为FRP抗拉强度;t为FRP厚度;D为核心ECC直径。
由表4可知, FRP的约束作用显著提高了圆柱体的抗压强度和极限应变, 纤维布层数越多, 提高幅度越大。与未约束试件相比, 2, 4, 6层AFRP约束试件抗压强度分别提高96.6%, 174.3%和227.8%;2, 4, 6层BFRP约束试件抗压强度分别提高77.1%, 133.2%和164.4%;2, 4, 6层CFRP约束试件抗压强度分别提高132.6%, 264.9%和 358.4%;2, 4, 6层PENFRP约束试件抗压强度分别提高223.0%, 324.1%和550.4%。
将本文极限应变的试验值与本课题组测得的FRP约束高性能混凝土 (HPC)
2.3约束ECC试件应力-应变曲线
图4绘制了各种类FRP约束ECC试件的轴向应力σc-轴向应变εc和轴向应力σc-环向应变εh关系曲线。可看出, 约束ECC试件应力-应变曲线表现出明显的两端为线性段、中间为曲线过渡连接的特征。加载初期, 变形曲线与无约束试件相近;加载超过无约束ECC试件强度时, ECC试件膨胀变形增加, FRP约束作用逐渐被激活, 侧向约束应力持续增加, 试件进入弹塑性变形阶段 (非线性过渡段) ;荷载再增加, FRP的约束作用被完全激活, 试件进入线性强化阶段, 直到试件破坏。由于ECC的弹性模量较普通混凝土低, 本文中ECC弹性模量仅为15.1GPa, 所以FRP约束ECC的应力-应变曲线初始斜率较普通混凝土小。
3 FRP约束ECC本构模型
3.1抗压强度
Samaam
将本文的强度预测公式、Samaan模型、Toutanji模型、Lam-Teng模型的计算结果与试验结果进行对比, 如图5所示。由图5可看出Toutanji模型强度预测值明显大于试验值, 而Lam-Teng模型和Samaan模型强度预测值明显小于试验值, 本文强度公式预测值与试验结果吻合良好。
3.2极限应变
用 Samaan模型、Lam-Teng模型和Toutanji模型分别计算了各类试件的极限应变值, 并与试验值进行了比较, 结果见表5。
文献
由表5看出, 纵向极限应变试验值与Samaan模型预测值之比最大为0.873 9, 最小为0.251 0, 平均为0.568 7。极限应变试验值与Lam-Teng模型预测值之比最大为0.755 2, 最小为0.262 1, 平均为0.514 8。极限应变试验值与Toutanji模型预测值之比最大为0.324 9, 最小为0.129 6, 平均为0.195 6。可见三个模型预测的极限应变明显大于试验值。这是由于三个模型都是基于普通混凝土提出的。
极限应变预测模型预测结果对比表5
试件 编号 |
Samaan模型 | Lam-Teng模型 | Toutanji模型 | |||
εcu (计算值) |
εcu (计算值) |
εcu (计算值) |
||||
AF2 | 0.032 9 | 0.455 9 | 0.023 4 | 0.641 0 | 0.046 2 | 0.324 9 |
AF4 | 0.035 7 | 0.588 2 | 0.048 4 | 0.433 9 | 0.080 0 | 0.262 5 |
AF6 | 0.035 3 | 0.685 6 | 0.056 1 | 0.431 4 | 0.111 3 | 0.217 5 |
BF2 | 0.034 0 | 0.251 0 | 0.011 3 | 0.755 2 | 0.045 8 | 0.186 1 |
BF4 | 0.040 7 | 0.419 9 | 0.027 4 | 0.623 7 | 0.079 4 | 0.215 2 |
BF6 | 0.042 7 | 0.539 0 | 0.035 7 | 0.644 7 | 0.110 5 | 0.208 4 |
CF2 | 0.029 7 | 0.364 2 | 0.016 0 | 0.676 1 | 0.058 4 | 0.185 2 |
CF4 | 0.027 4 | 0.576 6 | 0.025 4 | 0.622 0 | 0.099 3 | 0.159 1 |
CF6 | 0.025 3 | 0.873 9 | 0.047 8 | 0.462 5 | 0.138 5 | 0.159 6 |
PENF2 | 0.051 4 | 0.535 7 | 0.079 2 | 0.347 6 | 0.178 9 | 0.153 9 |
PENF3 | 0.051 3 | 0.707 6 | 0.131 1 | 0.276 9 | 0.250 8 | 0.144 7 |
PENF4 | 0.050 0 | 0.827 2 | 0.157 8 | 0.262 1 | 0.319 2 | 0.129 6 |
Lam-Teng模型考虑FRP实测断裂应变和约束刚度 (
式中:Efrp为FRP的弹性模量;Eseco为未约束ECC的割线模量, 本文中Eseco=11 275MPa。
3.3应力-应变模型
经过分析比较, 发现Samaan
式中n为无量纲指数。
f0计算公式表6
FRP种类 | f0 |
AFRP | f0=1.45fco′+0.89fl |
BFRP | f0=1.02fco′+0.78fl |
CFRP | f0=0.51fco′+0.56fl |
PENFRP | f0=1.02fco′+0.71fl |
E2为第二个直线段的斜率
在Samaan模型中, n值为曲线过渡段的影响系数。本文取n为2.5时, 模型曲线与试验曲线吻合较好。E2和f0分别用式 (5) 和表6中公式预测, 抗压强度用式 (2) 预测, 极限应变用式 (3) 预测, 得到本文修正参数的Samaan模型曲线, 如图6所示。从图中看出本文修正参数的Samaan模型预测曲线与试验曲线最为接近, 而Lam-Teng模型与原Samaan模型预测曲线与试验曲线相差较大, 且都在试验曲线的下方, 这是由Lam-Teng模型与原Samaan模型预测的FRP约束ECC的强度偏小而极限应变偏大造成的。
4 结论
(1) FRP约束ECC的抗压强度与约束比呈线性关系, 约束比越大, 抗压强度越高。
(2) FRP约束ECC的变形能力比FRP约束普通混凝土和高性能混凝土强, 韧性更好。
(3) FRP约束ECC的极限应变与约束比和约束刚度均有关, 约束比及约束刚度越大, 被约束试件的极限应变越大。
(4) 据FRP种类回归得到了计算f0的公式, 本文建立的修正参数的Samaan模型能较好地预测FRP约束ECC的应力-应变曲线。
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