CFRC復合梁力學性能試驗研究

任 慧 韜, 吳 英 伯, 韓 少 楠, 王 立 成

( 大連理工大學 建設工程學部, 遼寧 大連 116024 )

CFRC復合梁力學性能試驗研究

任 慧 韜*, 吳 英 伯, 韓 少 楠, 王 立 成

( 大連理工大學 建設工程學部, 遼寧 大連 116024 )

碳纖維混凝土(CFRC)復合梁是在普通混凝土梁中摻入短切碳纖維，以此改善混凝土的性能．碳纖維彈性模量高，將其摻入混凝土中能改善混凝土的韌性并起到增強阻裂的效果．通過四點加載試驗，研究普通混凝土梁與不同纖維層厚度、不同纖維長度的復合梁的彎曲破壞機理、荷載撓度行為、裂縫形態等．試驗結果表明，在混凝土梁的受拉區摻入短切碳纖維可以有效改善其變形能力；碳纖維對混凝土裂縫擴展的抑制、裂縫形態的改善效果較好；纖維層厚75 mm、纖維長度10 mm的復合梁性能最優．最后提出了CFRC彎曲構件極限承載力的計算公式．

碳纖維混凝土(CFRC)；復合梁；抗彎性能；裂縫抑制

0 引 言

混凝土已經廣泛應用于工程結構中，但其抗拉強度低、變形能力弱等缺點使其在大型復雜結構中的使用受限[1-2]．纖維混凝土是混凝土向高抗拉、高韌性、高阻裂、高耐久、材料智能性發展的產物．碳纖維屬于高模量纖維，與其他纖維(鋼纖維、玻璃纖維等)相比，碳纖維性質更穩定，在環境中耐腐蝕、耐老化、耐溫差效果更好．此外碳纖維密度小，采用碳纖維混凝土(CFRC)可以使構件更加輕質、施工簡便．在成本上，碳纖維的抗拉強度在3 500 MPa以上，達到增強效果所需的纖維摻量普遍低于其他纖維．除了以上力學性質優良外，CFRC還在電磁屏蔽、熱電除冰、結構健康自檢測、鋼筋陰極保護等方面有廣闊前景．近年來碳纖維價格的持續走低使CFRC的研究備受矚目[3]．

然而目前的研究大多針對全截面碳纖維復合材料的力學性能[4-5]．研究表明，碳纖維的摻入對混凝土抗拉強度、韌性均有較大提高，但是對抗壓強度影響不大[6]．若只在受彎構件的受拉區摻入碳纖維，那么既可提高纖維利用率又能縮減材料成本[7]．Rahimi等[8]研究了局部鋼纖維砂漿的受彎性能，得出當纖維層厚為梁高的16%時，試件的抗折強度有較大提高，且與全截面增強砂漿試件相比降幅不大．Sri Ravindrarajah等[9]研究了不同纖維層高比的鋼纖維復合梁抗彎強度，發現抗彎強度隨著層高比的增加而增加，但達到某一限值后增強效果減弱．

本文的研究借鑒當前最新的研究成果，設計7組復合梁試件，探討不同因素下碳纖維對復合梁靜態受彎性能的增強效果．

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗所用材料為P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、瓜子石(粒徑5～10 mm)、河砂、自來水、碳纖維分散劑(甲基纖維素)、高效減水劑、消泡劑(磷酸三丁酯)和短切碳纖維．鋼筋強度等級為HRB400．短切碳纖維的性能指標見表1．

表1 短切碳纖維性能指標

1.2 配合比

為使纖維層與混凝土層的界面接觸、分層效果良好，試驗配制了C40自密實混凝土，配合比見表2．周樂等[10]研究得出，當碳纖維摻量為0.24% 時，對混凝土的阻裂作用最佳．因此纖維混凝土配比是在此基礎上摻入0.24%的碳纖維，膠凝材料為質量0.7%的分散劑和0.1%的消泡劑．配制碳纖維混凝土時，應適量提高減水劑的摻量以達工作度要求．

表2 混凝土配合比

1.3 試件制作

試驗共設計了7組試件，每組2個，變量參數包括拌入纖維層厚度和纖維長度．表3為試件分組情況，圖1為試件尺寸及配筋方式．試件采用熱澆法，即在CFRC層初凝前完成自密實混凝土的澆筑．澆筑完成后用塑料保鮮膜包裹澆筑面，防止水分流失．試件在室內標準養護至28 d齡期．

表3 試件分組表

圖1 梁的配筋圖

1.4 試驗裝置

試驗在1 000 t電液伺服試驗機上進行，采用荷載等級為5 kN的分級加載方式．跨中撓度用兩個LVDT對稱測量，支座處布置兩個LVDT測量支座位移．

2 試驗結果與討論

2.1 破壞模式

復合梁的破壞過程分為3個階段．彈性階段：此時試件的荷載撓度曲線為線性，碳纖維的作用還未體現．屈服階段：初裂后，拉應力由碳纖維與鋼筋共同承擔．當碳纖維與基體的黏結應力達到其黏結強度時，二者脫黏，隨著加載過程的持續，纖維在基體中產生滑移，消耗了一定的能量．破壞階段：受拉鋼筋屈服后，裂縫向受壓區擴展，此時撓度增長較快，受壓區產生明顯的塑性變形，隨著裂縫的不斷擴展，大部分碳纖維被拔出，受壓區混凝土出現鱗片狀凸起，直至壓碎，碳纖維的增強作用基本消失．

所有試件破壞模式均為正截面受彎破壞且界面均未出現剝離，可見熱澆法能有效避免復合梁的剝離破壞．RC梁與復合梁破壞模式基本相同，說明碳纖維層的加入對梁的最終破壞形態影響不大．

2.2 荷載-撓度行為

圖2為纖維層厚度相同、纖維長度不同的梁試件荷載位移曲線對比情況．結果表明，從開始加載到屈服，復合梁都比RC梁的斜率更大．5 mm與15 mm長度碳纖維復合梁在屈服前斜率與RC梁對比增加相對較小，而10 mm碳纖維梁試件斜率相對RC梁增加較大．由此可知：在荷載相同條件下，復合梁的跨中撓度小于普通鋼筋混凝土梁，并隨著荷載的增加，差異更為明顯，碳纖維的加入會對梁的后期剛度產生明顯改善作用，其中10 mm 碳纖維對混凝土的改善效果要優于其他兩種長度的碳纖維．

圖3給出了纖維長度相同時，纖維層厚度不同的荷載位移曲線．3圖表現出相同趨勢：試件屈服以前，曲線斜率隨纖維層厚度的增大而增大；屈服點以后，復合梁曲線幾乎包絡RC梁曲線．結果表明，在纖維長度相同的條件下，75 mm厚纖維層復合梁的剛度、屈服荷載、極限荷載提高效果要比40 mm的更好．

表4為試件的開裂、屈服和極限荷載試驗結果，由表中數據可知：碳纖維對試件的開裂荷載影響不大，這是由于開裂荷載主要取決于基體的極限拉應變；摻入碳纖維的復合梁屈服荷載普遍高于RC梁．當纖維層厚度為75 mm時，與對比試件相比，纖維長度為10 mm的試件屈服荷載提高幅度最大，為26.59%．纖維長度為15 mm的試件屈服荷載提高幅度有所降低．初步分析可能是由于長纖維在混凝土拌和過程中無法完全分散所致．纖維層厚度同樣影響復合梁的屈服荷載．試件CFRC-40-05、CFRC-75-05屈服荷載分別提高1.65%、17.03%；試件CFRC-40-10、CFRC-75-10屈服荷載分別提高22.24%、26.59%；試件CFRC-40-15、CFRC-75-15屈服荷載分別提高12.27%、15.58%．

(a) RC梁與纖維層厚度40 mm復合梁對比

(b) RC梁與纖維層厚度75 mm復合梁對比

圖3 纖維層厚度對荷載-位移曲線的影響

表4 CFRC復合梁的彎曲試驗結果

試驗結果表明，加入碳纖維對于復合梁極限荷載有一定提高，但幅度小于屈服荷載．所有試件的極限荷載提高幅度在7%～14%．這是因為復合梁在達到屈服后，隨著受拉區混凝土裂縫寬度的增大，碳纖維被拔出或者拉斷，不能繼續橋接裂縫，因此碳纖維對極限荷載的提高與屈服荷載相比幅度較低．

2.3 抗彎承載力計算

碳纖維混凝土梁的計算可以參考鋼纖維混凝土梁的計算原理[11]，結合碳纖維的增強作用機理，計算復合梁的極限承載力．首先建立梁的平衡方程：

ffcmbx=fyAs-f′yA′s+fftbbxt

(1)

(2)

式中：ffcm為普通混凝土等效應力圖抗壓強度；fftb為纖維混凝土等效應力圖抗拉強度；fy、f′y為鋼筋拉、壓屈服強度；As、A′s為鋼筋拉、壓截面面積；b為復合梁的寬度；Mfu為復合梁的極限抗彎承載力；as、a′s為拉、壓鋼筋合力點到拉、壓邊緣距離；hf、h0為纖維層高度、截面有效高度；x為等效受壓區高度；xt為等效受拉區高度，這里取xt=hf．國內外的學者對纖維混凝土彎曲抗拉強度fftb做過較多研究[12-13]，趙國藩等認為可以采用下式計算：

fftb=βtbλfft

(3)

實際上，采用式(3)計算fftb時，βtb的確定較為分散，導致計算結果差異較大．因此fftb通常用劈裂抗拉強度的轉換與修正間接得到．在計算fftb時，還應考慮纖維特征參數λf和纖維亂向增強效率ηf．fftb可按下式計算：

此處譯者并沒有補充解釋老子和莊子、屈原和宋玉。首先，譯文最直接的目標受眾是對中國文化感興趣的外國游客，有可能對諸子百家有所耳聞；再者，文中這些名人只是意在說明楚文化包羅宏富，并不是文本的關鍵信息，讀者從中能夠得知他們是哲學家和愛國文人就足夠了。

fftb=0.85(1+λfηf)ftc

(4)

(5)

其中lfcrit為纖維臨界長度，根據Heim等[14]采用的碳纖維雙倍搭接試驗，取碳纖維臨界長度為52 mm；ftc為100 mm立方體劈拉強度．

表5是采用本文給出的公式計算的復合梁極限承載力與試驗結果的對比．由對比結果可知，采用式(4)能較好地表達碳纖維對復合梁的增強效應．

表5 極限承載力理論值與試驗值的對比

Tab.5 Comparison between theoretical value and experimental value of ultimate bearing capacity

梁類型極限荷載試驗值F1/kN極限荷載理論值F2/kN誤差/%RC82．0679．902．6CFRC-40-0588．1785．103．5CFRC-40-1088．7085．273．9CFRC-40-1592．1784．058．8CFRC-75-0588．9087．731．3CFRC-75-1094．9288．017．3CFRC-75-1592．0086．366．1

2.4 裂縫分析

2.4.1 裂縫寬度分析 試件在分級加載過程中，每個荷載等級對應的裂縫最大寬度變化如圖4所示．在同級荷載下，復合梁的裂縫寬度更?。f明碳纖維層可以提高構件的抗裂能力，延緩裂縫開展．其中10 mm碳纖維較5、15 mm碳纖維對裂縫的抑制效果更明顯；75 mm纖維層比40 mm纖維層效果更好．

(a) 40 mm纖維層

(b) 75 mm纖維層

圖4 纖維長度對裂縫寬度-荷載曲線的影響

Fig.4 Effect of fiber length on crack width-load curves

所有試件中，5 mm碳纖維試件對裂縫改善的效果最弱，幅度在11%～13%．這是由于5 mm碳纖維長度較短，遠小于臨界長度，裂縫截面上纖維錨固長度不足，過早被拔出，導致纖維的利用率低，增強效果不明顯．

10 mm碳纖維試件隨著裂縫寬度的增大，對應荷載提高率在13.81%～26.02%．這是由于梁剛開裂時，裂縫寬度很小，纖維沒有被“拉緊”，界面的黏結應力沒有發揮，因此對裂縫的抑制作用較??；隨著荷載的增大，裂縫寬度不斷擴展，纖維對于裂縫的抑制作用增強，相應的裂縫寬度對應的荷載提高率增大．

2.4.2 裂縫開展情況討論 對比試件RC梁在開裂后，梁體表面出現一條或兩條裂縫并隨著荷載的增大迅速向受壓區發展，接近屈服荷載時裂縫寬度急劇增大以致破壞．復合梁在開裂后直到屈服荷載前，纖維層中的碳纖維會發揮作用限制裂縫的擴展，并且受力過程中，復合梁不會像RC梁一樣形成寬度很大、條數很少的主裂縫，而是形成多條間距較小的細裂縫．復合梁在達到屈服荷載后才會出現寬度較大、發展較迅速的幾條主裂縫，在試件整個受力過程中，復合梁的裂縫發展速度較RC梁緩慢，直到屈服荷載前經常有新的裂縫產生．表6記錄了7組試件在破壞時產生的裂縫條數，圖5為部分試件的裂縫形態．由圖可見RC梁達到破壞時，一般形成2～4條的寬裂縫，細裂縫較少，裂縫條數平均為10左右，平均間距為8.00 cm；而復合梁達到破壞時出現的裂縫條數明顯多于RC梁，為12～17條，裂縫形態是細而密的均勻裂縫，平均間距為5.29～7.20 cm．

表6 試驗梁破壞時裂縫條數

(b) CFRC-40-10

(c) CFRC-75-15

圖5 裂縫形態

Fig.5 Crack pattern

3 結 論

(1)在混凝土梁受拉區摻入短切碳纖維能有效提高其屈服荷載．針對本文試驗選用的3種纖維長度，長度為10 mm的梁試件，屈服荷載提高幅度最大．

(2)碳纖維的加入對混凝土梁極限荷載也有提高，但提高幅度相對屈服荷載有所降低．主要原因是由于裂縫擴展貫通纖維層后，纖維退出工作而不能繼續承受拉應力．纖維層對最終破壞形態影響不大．在計算復合梁極限承載力時，纖維混凝土等效應力圖抗拉強度可以按照式(4)計算．

(3)在荷載相同條件下，復合梁的跨中撓度均小于混凝土對比梁，且隨著荷載的增加，改善作用更為明顯，說明加入碳纖維會對梁的后期剛度有明顯的改善．

(4)碳纖維的加入對混凝土梁的裂縫發展具有明顯改善作用，具體表現是：相同荷載下裂縫寬度更??；相同裂縫下，對應的荷載更大．碳纖維加入可以改善混凝土梁受彎裂縫的形態，與對比試件相比，裂縫表現出更細和更密的特點，這對提高混凝土梁的耐久性具有很大意義．

[1] 侯利軍,陳 達,孫晉永,等. RC/UHTCC復合梁的彎曲與界面性能試驗研究[J]. 水利學報, 2014,45(s1):100-107.

HOU Lijun, CHEN Da, SUN Jinyong,etal. Flexural and interface responses of RC/UHTCC beams [J].JournalofHydraulicEngineering, 2014,45(s1):100-107. (in Chinese)

[2] ARYA C, CLARKE J L, KAY E A,etal. TR 55:Design guidance for strengthening concrete structures using fibre composite materials: a review [J].EngineeringStructures, 2002,24(7):889-900.

[3] BADANOIU A, HOLMGREN J. Cementitious composites reinforced with continuous carbon fibres for strengthening of concrete structures [J].CementandConcreteComposites, 2003,25(3):387-394.

[4] 彭 勃,陳志源,王立華. CFRC中碳纖維長度分布對強度和電阻率的影響[J]. 建筑材料學報, 2002,5(3):235-239.

PENG Bo, CHEN Zhiyuan, WANG Lihua. Length distribution of carbon fibers in CFRC and its influence on the resistivity and strength [J].JournalofBuildingMaterials, 2002,5(3):235-239. (in Chinese)

[5] XIN Yuan, ZHU Guohua, YU Liang. Freeze/thaw durability of carbon fiber reinforced concrete [J].AppliedMechanicsandMaterials, 2012,174-177:816-820.

[6] ZHENG Q, CHUNG D D L. Carbon fiber reinforced cement composites improved by using chemical agents [J].CementandConcreteResearch, 1989,19(1):25-41.

[7] WANG Wei, DAI Hongzhe, WU Sigang. Mechanical behavior and electrical property of CFRC-strengthened RC beams under fatigue and monotonic loading [J].MaterialsScienceandEngineeringA, 2008,479(1/2):191-196.

[8] RAHIMI M M, KESLER C E. Partially steel-fiber reinforced mortar [J].JournaloftheStructuralDivision, 1979,105(1):101-109.

[9] SRI RAVINDRARAJAH R, TAM C T. Flexural strength of steel fibre reinforced concrete beams [J].InternationalJournalofCementCompositesandLightweightConcrete, 1984,6(4):273-278.

[10] 周 樂,王曉初,劉洪濤. 碳纖維混凝土力學性能與破壞形態試驗研究[J]. 工程力學, 2013,30(s1):226-231.

ZHOU Le, WANG Xiaochu, LIU Hongtao. Experimental study of mechanical behavior and failure mode of carbon fiber reinforced concrete [J].EngineeringMechanics, 2013,30(s1):226-231. (in Chinese)

[11] 中國工程建設標準化協會. 鋼纖維混凝土結構設計與施工規程: CECS 38:92 [S]. 北京:中國建筑工業出版社, 1992.

China Association for Engineering Construction Standardization. Specification for Design and Construction of Steel Fiber Reinforced Concrete Structures: CECS 38:92 [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 1992. (in Chinese)

[12] 高丹盈. 鋼纖維鋼筋混凝土梁正截面強度的計算[J]. 工業建筑, 1991,21(10):9-14.

GAO Danying. The calculation of the positive section strength of steel fiber reinforced concrete beams [J].IndustrialConstruction, 1991,21(10):9-14. (in Chinese)

[13] 林長青,彭少民. 鋼纖維鋼筋混凝土梁正截面承載能力分析[J]. 重慶交通學院學報, 1992,11(2):36-41.

LIN Changqing, PENG Shaomin. Analysis of steel fiber reinforced concrete beams [J].JournalofChongqingJiaotongInstitute, 1992,11(2):36-41. (in Chinese)

[14] HEIM D, HARTMANN M, NEUMAYER J,etal. Novel method for determination of critical fiber length in short fiber carbon/carbon composites by double lap joint [J].CompositesPartB-Engineering, 2013,54(1):365-370.

ExperimentalstudyofmechanicalpropertiesofCFRCcompositebeams

RENHuitao*,WUYingbo,HANShaonan,WANGLicheng

(FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Carbon fiber reinforced concrete (CFRC) composite beam is a kind of concrete beam which is reinforced with short carbon fiber to improve the performance of concrete. CFRC toughness and crack resistance ability can be enhanced by high elastic modulus carbon fiber. The failure mechanism, load deflection behaviors, crack pattern of concrete beams and composite beams with different fiber layer thickness and fiber length are studied by four-point bending test. The results show that the deformation ability of concrete beams can be effectively improved by the short carbon fiber in the tension zone. The carbon fiber shows positive effect on restraining crack propagation and changing crack distribution in concrete matrix. Composite beam with 75 mm fiber layer thickness and 10 mm fiber length shows the best performance. Finally, the design formula for ultimate bearing capacity of CFRC bending member is proposed.

carbon fiber reinforced concrete(CFRC); composite beams; flexural properties; crack propagation restraint

1000-8608(2017)06-0601-06

TU528.024

A

10.7511/dllgxb201706008

2017-04-05；

2017-09-20．

國家自然科學基金資助項目(51378090).

任慧韜*(1973-)，男，博士，副教授，E-mail:renht@dlut.edu.cn.