CFRP筋-低強度珊瑚混凝土梁抗彎性能試驗研究

王 磊，陳 武，段志剛，易 金

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林 541004；2.海軍研究院海防工程設計研究所，北京 102202；3.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林 541004)

以自然堆積或人工疏浚得到的珊瑚碎屑代替碎石、河沙，海水代替淡水拌養的珊瑚混凝土，對降低遠海島礁建設成本，縮短工期具有重要意義。目前，國內外部分學者對珊瑚混凝土開展了許多研究，并逐漸應用于實際工程。由于珊瑚碎屑含大量鹽分，以及濕熱海洋環境，極易造成鋼筋銹蝕，珊瑚混凝土大多以素混凝土的形式應用在混凝土墊層、防波堤等低檔次層面[1]。采用具有耐腐蝕、高強、輕質等特點的CFRP(碳纖維復合材料)筋制作CFRP筋-珊瑚混凝土構件可以有效解決鋼筋銹蝕問題。然而，有研究表明[2-5]，與鋼筋相比，CFRP筋相對較低的彈性模量以及與混凝土間的黏結性能，會導致CFRP筋-普通混凝土梁在開裂后剛度降低明顯，產生較大的裂縫和撓度，影響結構正常狀態下使用。此外，受珊瑚碎屑多孔輕質材料特性以及施工過程控制難度較大的影響，采用常規方法配制的珊瑚混凝土強度偏低且離散性較大[6-7]，實際工程應用中有可能出現珊瑚混凝土強度明顯低于設計值的情況。因此，有必要對CFRP筋-低強度珊瑚混凝土構件性能進行研究。本文設計了3組不同配筋率的CFRP筋-低強度珊瑚混凝土試驗梁，進行了抗彎性能試驗研究，分析其破壞形態、裂縫發展情況以及撓度變形特征，以進一步推動FRP(纖維復合材料)筋珊瑚混凝土構件的性能研究和工程應用。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

本試驗采用碳纖維質量率為60%～65%的表面環繞螺紋帶痕形式的CFRP筋，名義直徑分別為8，10，和12 mm，如圖1所示，試驗確定的主要力學性能如表1所示。采用中國廣西北海潿洲島上分布的天然普通碎石型輕骨料珊瑚碎屑；細骨料采用細度模數為2.53的普通中粗河砂；采用興安水泥有限責任公司生產的海螺牌P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥；拌合用水為淡水，珊瑚混凝土的配合比及物理力學性能指標見表2。

圖1 CFRP筋

表1 CFRP筋規格及力學性能指標

表2 珊瑚混凝土配合比及基本力學性能指標

1.2 試驗梁配筋及試驗方案

本文試驗共制作編號為CRL-1，CRL-2和CRL-3的3組珊瑚混凝土試驗梁，每組2根。受拉縱筋分別采用直徑8，10和12 mm的CFRP筋(筋材在試驗梁端部伸出)，架立筋采用直徑6 mm的CFRP筋，箍筋采用直徑為8 mm的CFRP筋。試驗梁尺寸為l×b×h＝2 300 mm×120 mm×250 mm，梁縱筋保護層厚度為25 mm。受拉CFRP縱筋上每隔200 mm布置應變片，珊瑚混凝土梁跨中側面豎向每隔50 mm布置應變片。試驗梁簡支，采用三分點分級方式加載，每級荷載3 kN，持荷2 min，待荷載與變形穩定后記錄各試驗數據。梁的撓度由布設在支座、加載點、跨中的5個百分表測得，CFRP筋與珊瑚混凝土的相對滑移值由梁端的位移千分表測量，如圖2所示。

圖2 試驗梁加載裝置及梁的配筋(單位:mm)

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象分析

靜荷載作用下的CFRP筋-珊瑚混凝土試驗梁(以下簡稱試驗梁)雖然沒有明顯的屈服階段，但在破壞前產生明顯裂縫和大的彎曲變形，仍然具有顯著的延性破壞特征。整體來說，配筋率越大承載能力越高，試驗梁主要力學特征如表3所示。除試驗梁CRL-3-2表現為受壓區珊瑚混凝土被壓碎破壞外，其余各梁均發生剪壓破壞，如圖3所示，試驗梁受力和破壞過程大致可以分為2個階段:

1)開裂前階段:加載初期，與鋼筋混凝土梁相同，試驗梁處于全截面工作狀態，其荷載-撓度曲線呈線性狀態，CFRP筋和珊瑚混凝土的應變隨荷載的增大呈正比增長，截面應變分布符合平截面假定。

2)裂縫開展至破壞階段:當試驗梁底部珊瑚混凝土達到極限拉應變后，試驗梁跨中純彎段底部開始產生短而細的垂直裂縫，跨中撓度也開始加速增大。隨荷載繼續增加，試驗梁底部裂縫變寬并逐漸向上發展，同時彎剪段開始出現豎向斜裂縫，且逐漸向加載點處延伸。繼續增加荷載，試驗梁彎剪段斜裂縫貫通至試驗梁的加載點處，且該斜裂縫的寬度大于純彎段豎向裂縫，此時試驗梁跨中撓度急劇增大，彎曲變形顯著，直至加載點處珊瑚混凝土被壓碎，試件發生剪壓破壞。

表3 梁的受彎破壞特征參數

圖3 試驗梁破壞形態

CRL-1，CRL-2和CRL-1試驗梁的CFRP筋在抗彎試驗過程中所受最大拉應力分別為其極限抗拉強度的74%，60%和43%，配筋率越小，CFRP筋的強度利用率越低。這主要是因為本文試驗中珊瑚混凝土強度較低，在承載能力極限狀態下首先發生破壞，CFRP筋強度未充分發揮。試驗結束卸荷后，除寬度較大的裂縫外大多數裂縫基本閉合，與普通鋼筋混凝土梁相比，其撓度變形恢復顯著，如圖3(c)所示。這是由于CFRP筋的線彈性材料特征，卸荷后其變形幾乎完全恢復，并通過與珊瑚混凝土間的黏結作用使珊瑚混凝土裂縫閉合，試驗梁撓度恢復。

2.2 裂縫

試驗梁裂縫的發展和分布情況如圖4所示，試驗梁的裂縫開展機理與FRP筋混凝土梁的基本相同。在彎曲拉應力的作用下，珊瑚混凝土試驗梁的裂縫首先出現在純彎段，隨著配筋率的增加，試驗梁的開裂荷載增大，裂縫深度變小，裂縫條數增多且分布均勻，旁邊伴生斜裂縫，出現樹根狀裂縫。隨著荷載的增大，裂縫進一步延伸并變寬，其中的一條或幾條發展成為主裂縫，靠近試驗梁兩端支座處的的剪跨區逐漸出現斜裂縫，配筋率較大試驗梁的斜裂縫分布更為密集。

圖4 試驗梁抗彎試驗中對應荷載下裂縫開展情況

從裂縫寬度和裂縫開展情況及所對應的荷載來看，在相同荷載條件下，配筋率越高的試驗梁，平均裂縫寬度和最大裂縫寬度越??；隨著荷載的增大，配筋率越小，裂縫寬度增長速率越快，特別是試驗梁破壞主裂縫表現得尤為明顯，如圖5所示。試驗梁破壞時大部分裂縫寬度約為1.1 mm，最大值小于2.3 mm，若以裂縫寬度發展至0.4 mm時的荷載作為控制標準，試驗梁的荷載[F1]僅為極限荷載的27%～46%。在一定范圍內提高CFRP筋的配筋率，可以提高珊瑚混凝土梁的抗裂能力，滿足正常使用極限狀態對裂縫寬度的要求，但CFRP筋強度利用率對應下降。

2.3 撓度

試驗梁靜力加載的荷載-撓度曲線如圖6所示。以開裂荷載為界限，將曲線分為近似直線的2段，加載后期不存在像鋼筋一樣的屈服臺階。開裂前階段曲線斜率都較大，開裂后斜率減小，這是由于試驗梁開裂后，受拉區珊瑚混凝土開始退出工作，梁截面剛度減小所致，表現出撓度增大，同時也反映出CFRP筋線彈性的特點。

圖5 不同配筋率試驗梁荷載-裂縫寬度曲線

圖6 試驗梁荷載-撓度曲線

由圖6可以看出，試驗梁撓度fCRL-3＜fCRL-2＜fCRL-1。配筋率越高的試驗梁在同等荷載條件下剛度越大，縱向受拉CFRP筋應變越小，梁的彎曲變形也就越小。此外，配筋率較大的試驗梁其CFRP筋直徑較大，與珊瑚混凝土的黏結面積相應增加，相同荷載作用下CFRP筋與珊瑚混凝土能保持較好的界面黏結性能[8]，并使2種材料保持較好的協同工作能力，有利于減緩剛度的衰減。需要特別指出的是，隨著荷載不斷增加，CFRP筋與珊瑚混凝土間開始出現相對滑移。CFRP筋從梁端向中間滑移縮進而拉應力損失，界面之間力的傳遞方式發生了改變。受壓區珊瑚混凝土因拉應力急劇增大而進一步開裂，促進了試驗梁抗彎剛度的降低，撓度增大。CRL-1和 CRL-2組試驗梁端CFRP筋最大滑移量可達7 mm，如圖7所示。造成這種現象的原因主要包括兩個方面:其一，珊瑚混凝土較低的強度不足以提供良好的黏結性能，在荷載較大時黏結面處的珊瑚混凝土開始發生破壞；其二，本文試驗梁兩端的錨固區僅有100 mm(加載支座至梁端部)，當荷載增加到一定程度時，端部的錨固作用逐漸減弱并失效。

圖7 CFRP筋與珊瑚混凝土發生相對滑移

在允許最大撓度限值f＝l0/200時，對比文獻[9]中GFRP筋-普通混凝土梁[F2]僅取到極限荷載的40%，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的荷載[F2]取到極限荷載的37%～67%。隨配筋率增大，[F2]/Fu呈上升趨勢，如圖8所示。雖然可以通過提高CFRP筋的配筋率的方法，使珊瑚混凝土梁極限抗彎能力得到發揮，滿足工程要求，但CFRP筋材強度利用率相應降低。與CFRP筋混凝土結構對應的普通鋼筋混凝土梁，通常在允許最大撓度限值時能達到屈服，[F2]/Fu可高達90%。

圖8 試驗梁在允許最大撓度限值時荷載[F2]及與極限荷載比值[F2]/Fu

參考 FRP筋-普通混凝土梁的設計理論研究[10-12]，在一般情況下，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的截面配筋同樣應由正常使用極限狀態控制，而非承載力極限狀態?？梢酝ㄟ^合理選用CFRP筋直徑，優化CFRP筋表面形態以及提高珊瑚混凝土的強度等級的方式，提高CFRP筋與珊瑚混凝土的界面黏結性能，進而滿足珊瑚混凝土構件的工程適用性。

3 結論

1)CFRP筋-珊瑚混凝土梁破壞前產生裂縫和大的彎曲變形，有較為明顯的預兆，類似于適筋梁破壞，具有較好的延性。卸荷后，由于CFRP筋的線彈性材料特征，通過與珊瑚混凝土間的黏結作用使原珊瑚混凝土裂縫出現不同程度的閉合，試驗梁變形恢復明顯。

2)CFRP筋-珊瑚混凝土梁的裂縫開展機理與CFRP筋混凝土梁的基本相同，裂縫條數較多且分布均勻。在剪跨區的斜裂縫分布較為密集，在一定范圍內提高珊瑚混凝土梁CFRP筋的配筋率，可以提高其抗裂能力，滿足正常使用極限狀態對裂縫寬度的要求。

3)CFRP筋-珊瑚混凝土梁的荷載-撓度曲線以開裂荷載為界限分為近似直線的兩段，加載后期不存在像鋼筋一樣的屈服臺階。CFRP筋與珊瑚混凝土之間的界面黏結性能是保證試驗梁抗彎剛度較慢衰減的重要條件。

4)在一般情況下，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的截面配筋應由正常使用極限狀態控制，而非承載力極限狀態控制。珊瑚混凝土強度過低不利于CFRP筋強度的發揮，此外，對CFRP筋珊瑚混凝土受彎構件，應當增加CFRP筋錨固區長度，避免發生滑移破壞。