CFRP筋-低强度珊瑚混凝土梁抗弯性能试验研究

王 磊，陈 武，段志刚，易 金

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004；2.海军研究院海防工程设计研究所，北京 102202；3.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004)

以自然堆积或人工疏浚得到的珊瑚碎屑代替碎石、河沙，海水代替淡水拌养的珊瑚混凝土，对降低远海岛礁建设成本，缩短工期具有重要意义。目前，国内外部分学者对珊瑚混凝土开展了许多研究，并逐渐应用于实际工程。由于珊瑚碎屑含大量盐分，以及湿热海洋环境，极易造成钢筋锈蚀，珊瑚混凝土大多以素混凝土的形式应用在混凝土垫层、防波堤等低档次层面[1]。采用具有耐腐蚀、高强、轻质等特点的CFRP(碳纤维复合材料)筋制作CFRP筋-珊瑚混凝土构件可以有效解决钢筋锈蚀问题。然而，有研究表明[2-5]，与钢筋相比，CFRP筋相对较低的弹性模量以及与混凝土间的黏结性能，会导致CFRP筋-普通混凝土梁在开裂后刚度降低明显，产生较大的裂缝和挠度，影响结构正常状态下使用。此外，受珊瑚碎屑多孔轻质材料特性以及施工过程控制难度较大的影响，采用常规方法配制的珊瑚混凝土强度偏低且离散性较大[6-7]，实际工程应用中有可能出现珊瑚混凝土强度明显低于设计值的情况。因此，有必要对CFRP筋-低强度珊瑚混凝土构件性能进行研究。本文设计了3组不同配筋率的CFRP筋-低强度珊瑚混凝土试验梁，进行了抗弯性能试验研究，分析其破坏形态、裂缝发展情况以及挠度变形特征，以进一步推动FRP(纤维复合材料)筋珊瑚混凝土构件的性能研究和工程应用。

1 试验概况

1.1 试验材料

本试验采用碳纤维质量率为60%～65%的表面环绕螺纹带痕形式的CFRP筋，名义直径分别为8，10，和12 mm，如图1所示，试验确定的主要力学性能如表1所示。采用中国广西北海涠洲岛上分布的天然普通碎石型轻骨料珊瑚碎屑；细骨料采用细度模数为2.53的普通中粗河砂；采用兴安水泥有限责任公司生产的海螺牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；拌合用水为淡水，珊瑚混凝土的配合比及物理力学性能指标见表2。

图1 CFRP筋

表1 CFRP筋规格及力学性能指标

表2 珊瑚混凝土配合比及基本力学性能指标

1.2 试验梁配筋及试验方案

本文试验共制作编号为CRL-1，CRL-2和CRL-3的3组珊瑚混凝土试验梁，每组2根。受拉纵筋分别采用直径8，10和12 mm的CFRP筋(筋材在试验梁端部伸出)，架立筋采用直径6 mm的CFRP筋，箍筋采用直径为8 mm的CFRP筋。试验梁尺寸为l×b×h＝2 300 mm×120 mm×250 mm，梁纵筋保护层厚度为25 mm。受拉CFRP纵筋上每隔200 mm布置应变片，珊瑚混凝土梁跨中侧面竖向每隔50 mm布置应变片。试验梁简支，采用三分点分级方式加载，每级荷载3 kN，持荷2 min，待荷载与变形稳定后记录各试验数据。梁的挠度由布设在支座、加载点、跨中的5个百分表测得，CFRP筋与珊瑚混凝土的相对滑移值由梁端的位移千分表测量，如图2所示。

图2 试验梁加载装置及梁的配筋(单位:mm)

2 试验结果与分析

2.1 试验现象分析

静荷载作用下的CFRP筋-珊瑚混凝土试验梁(以下简称试验梁)虽然没有明显的屈服阶段，但在破坏前产生明显裂缝和大的弯曲变形，仍然具有显著的延性破坏特征。整体来说，配筋率越大承载能力越高，试验梁主要力学特征如表3所示。除试验梁CRL-3-2表现为受压区珊瑚混凝土被压碎破坏外，其余各梁均发生剪压破坏，如图3所示，试验梁受力和破坏过程大致可以分为2个阶段:

1)开裂前阶段:加载初期，与钢筋混凝土梁相同，试验梁处于全截面工作状态，其荷载-挠度曲线呈线性状态，CFRP筋和珊瑚混凝土的应变随荷载的增大呈正比增长，截面应变分布符合平截面假定。

2)裂缝开展至破坏阶段:当试验梁底部珊瑚混凝土达到极限拉应变后，试验梁跨中纯弯段底部开始产生短而细的垂直裂缝，跨中挠度也开始加速增大。随荷载继续增加，试验梁底部裂缝变宽并逐渐向上发展，同时弯剪段开始出现竖向斜裂缝，且逐渐向加载点处延伸。继续增加荷载，试验梁弯剪段斜裂缝贯通至试验梁的加载点处，且该斜裂缝的宽度大于纯弯段竖向裂缝，此时试验梁跨中挠度急剧增大，弯曲变形显著，直至加载点处珊瑚混凝土被压碎，试件发生剪压破坏。

表3 梁的受弯破坏特征参数

图3 试验梁破坏形态

CRL-1，CRL-2和CRL-1试验梁的CFRP筋在抗弯试验过程中所受最大拉应力分别为其极限抗拉强度的74%，60%和43%，配筋率越小，CFRP筋的强度利用率越低。这主要是因为本文试验中珊瑚混凝土强度较低，在承载能力极限状态下首先发生破坏，CFRP筋强度未充分发挥。试验结束卸荷后，除宽度较大的裂缝外大多数裂缝基本闭合，与普通钢筋混凝土梁相比，其挠度变形恢复显著，如图3(c)所示。这是由于CFRP筋的线弹性材料特征，卸荷后其变形几乎完全恢复，并通过与珊瑚混凝土间的黏结作用使珊瑚混凝土裂缝闭合，试验梁挠度恢复。

2.2 裂缝

试验梁裂缝的发展和分布情况如图4所示，试验梁的裂缝开展机理与FRP筋混凝土梁的基本相同。在弯曲拉应力的作用下，珊瑚混凝土试验梁的裂缝首先出现在纯弯段，随着配筋率的增加，试验梁的开裂荷载增大，裂缝深度变小，裂缝条数增多且分布均匀，旁边伴生斜裂缝，出现树根状裂缝。随着荷载的增大，裂缝进一步延伸并变宽，其中的一条或几条发展成为主裂缝，靠近试验梁两端支座处的的剪跨区逐渐出现斜裂缝，配筋率较大试验梁的斜裂缝分布更为密集。

图4 试验梁抗弯试验中对应荷载下裂缝开展情况

从裂缝宽度和裂缝开展情况及所对应的荷载来看，在相同荷载条件下，配筋率越高的试验梁，平均裂缝宽度和最大裂缝宽度越小；随着荷载的增大，配筋率越小，裂缝宽度增长速率越快，特别是试验梁破坏主裂缝表现得尤为明显，如图5所示。试验梁破坏时大部分裂缝宽度约为1.1 mm，最大值小于2.3 mm，若以裂缝宽度发展至0.4 mm时的荷载作为控制标准，试验梁的荷载[F1]仅为极限荷载的27%～46%。在一定范围内提高CFRP筋的配筋率，可以提高珊瑚混凝土梁的抗裂能力，满足正常使用极限状态对裂缝宽度的要求，但CFRP筋强度利用率对应下降。

2.3 挠度

试验梁静力加载的荷载-挠度曲线如图6所示。以开裂荷载为界限，将曲线分为近似直线的2段，加载后期不存在像钢筋一样的屈服台阶。开裂前阶段曲线斜率都较大，开裂后斜率减小，这是由于试验梁开裂后，受拉区珊瑚混凝土开始退出工作，梁截面刚度减小所致，表现出挠度增大，同时也反映出CFRP筋线弹性的特点。

图5 不同配筋率试验梁荷载-裂缝宽度曲线

图6 试验梁荷载-挠度曲线

由图6可以看出，试验梁挠度fCRL-3＜fCRL-2＜fCRL-1。配筋率越高的试验梁在同等荷载条件下刚度越大，纵向受拉CFRP筋应变越小，梁的弯曲变形也就越小。此外，配筋率较大的试验梁其CFRP筋直径较大，与珊瑚混凝土的黏结面积相应增加，相同荷载作用下CFRP筋与珊瑚混凝土能保持较好的界面黏结性能[8]，并使2种材料保持较好的协同工作能力，有利于减缓刚度的衰减。需要特别指出的是，随着荷载不断增加，CFRP筋与珊瑚混凝土间开始出现相对滑移。CFRP筋从梁端向中间滑移缩进而拉应力损失，界面之间力的传递方式发生了改变。受压区珊瑚混凝土因拉应力急剧增大而进一步开裂，促进了试验梁抗弯刚度的降低，挠度增大。CRL-1和 CRL-2组试验梁端CFRP筋最大滑移量可达7 mm，如图7所示。造成这种现象的原因主要包括两个方面:其一，珊瑚混凝土较低的强度不足以提供良好的黏结性能，在荷载较大时黏结面处的珊瑚混凝土开始发生破坏；其二，本文试验梁两端的锚固区仅有100 mm(加载支座至梁端部)，当荷载增加到一定程度时，端部的锚固作用逐渐减弱并失效。

图7 CFRP筋与珊瑚混凝土发生相对滑移

在允许最大挠度限值f＝l0/200时，对比文献[9]中GFRP筋-普通混凝土梁[F2]仅取到极限荷载的40%，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的荷载[F2]取到极限荷载的37%～67%。随配筋率增大，[F2]/Fu呈上升趋势，如图8所示。虽然可以通过提高CFRP筋的配筋率的方法，使珊瑚混凝土梁极限抗弯能力得到发挥，满足工程要求，但CFRP筋材强度利用率相应降低。与CFRP筋混凝土结构对应的普通钢筋混凝土梁，通常在允许最大挠度限值时能达到屈服，[F2]/Fu可高达90%。

图8 试验梁在允许最大挠度限值时荷载[F2]及与极限荷载比值[F2]/Fu

参考 FRP筋-普通混凝土梁的设计理论研究[10-12]，在一般情况下，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的截面配筋同样应由正常使用极限状态控制，而非承载力极限状态。可以通过合理选用CFRP筋直径，优化CFRP筋表面形态以及提高珊瑚混凝土的强度等级的方式，提高CFRP筋与珊瑚混凝土的界面黏结性能，进而满足珊瑚混凝土构件的工程适用性。

3 结论

1)CFRP筋-珊瑚混凝土梁破坏前产生裂缝和大的弯曲变形，有较为明显的预兆，类似于适筋梁破坏，具有较好的延性。卸荷后，由于CFRP筋的线弹性材料特征，通过与珊瑚混凝土间的黏结作用使原珊瑚混凝土裂缝出现不同程度的闭合，试验梁变形恢复明显。

2)CFRP筋-珊瑚混凝土梁的裂缝开展机理与CFRP筋混凝土梁的基本相同，裂缝条数较多且分布均匀。在剪跨区的斜裂缝分布较为密集，在一定范围内提高珊瑚混凝土梁CFRP筋的配筋率，可以提高其抗裂能力，满足正常使用极限状态对裂缝宽度的要求。

3)CFRP筋-珊瑚混凝土梁的荷载-挠度曲线以开裂荷载为界限分为近似直线的两段，加载后期不存在像钢筋一样的屈服台阶。CFRP筋与珊瑚混凝土之间的界面黏结性能是保证试验梁抗弯刚度较慢衰减的重要条件。

4)在一般情况下，CFRP筋-珊瑚混凝土梁的截面配筋应由正常使用极限状态控制，而非承载力极限状态控制。珊瑚混凝土强度过低不利于CFRP筋强度的发挥，此外，对CFRP筋珊瑚混凝土受弯构件，应当增加CFRP筋锚固区长度，避免发生滑移破坏。