碳纤维混凝土受弯构件抗弯性能试验研究.pdf
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1、2 0 1 3年 第 8期 (总 第 2 8 6 期 ) Nu mb e r 8 i n2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 C0NCRETE PR0DUCTS 碳纤维混凝土受弯构件抗弯性能试验研究 王晓初 ,刘洪涛 ( 1 辽宁省环境岩土工程重点实验室 ,辽宁 沈阳 1 1 0 0 4 4 ;2 沈阳大学 ,辽宁 沈阳 1 1 0 0 4 4 ) 摘要 : 通过 5 根碳纤维混凝土( C F R C ) 梁正截面抗弯承载力试验 , 研究了碳纤维长度 、 配箍率对 C F R C梁挠度 、 应变的影 响, 试验结果表
2、明, 随着碳纤维长度的增加 , 其破坏挠度也相应增加 ; 配箍率对 C F R C梁的挠度、 应变影 响很小 , 碳纤维可以有效地改 善混凝土梁的脆性破坏;并且在梁的同一截面位置混凝土与钢筋 的受力过程应变协调一致。 基于已有研究推导了 C F R C抗拉强 度的计算公式 , 并应用于 C F R C梁开裂荷载的计算 , 计算结果与试验结果吻合较好。 关键词: C F R C;挠度;应变 ;破坏形态;抗拉强度 ;开裂荷载 中图分类号 : T U5 2 8 5 7 2 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 1 2 9 0 4 E x
3、p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n f l e x u r a l m e c h a n i c a l b e h a v i or o f c a r bo n f i b r i l r e f o r c e d c o n c r e t e f l e x u r a l me m b e r s WANG Xi ao c hu, LI UHo n gt a o ( 1 Li a o n i n gP r o v i n c i a l Ke yL a b o r a t o r yo f Ge o e n v i r o n me n
4、 t a l E n g i n e e r i n g , S h e n y a n g 1 1 0 0 4 4, C h i n a 2 S h e n y a n g Un i v e r s i t y, S h e n y a n g 1 1 0 0 4 4 , Ch i n a ) Ab s t r a c t : Ba s e d o n t h e c r o s s s e c t i o n b e n d i n g o f 5 c a r b o n fi b e r c o n c r e t e b e a ms , t h e me c h a n i s m
5、o f d e fl e c ti o n a n d s t r a i n o f c a r b o n fib e r c o nc r e b e a m we r e s t u di e d c o n s i d e r i n g t h e v a r i ati o n o f the l e n g t h of c a r b o n fib e r a n d s tir r u p r a t i o Th e e x p e r i me n t al r e s u l t s s h o we d tha t t h e d e fl e c t i o n
6、 o f d e s t r u c t i o n i n c r e a s e d wi th t h e i n c r e a s e o f the l e n gth o f the c arb o n f e r , a n d t h e e f f e c t o f s t i r r u p r a t i o o n d e fl e c t i o n and s t r a i n o f b e a ms wa s n o t o b vi O t i S Th e c arbo n fi be r c o u l d e f f e c t i v e l y
7、 i mp r o v e the b r i t t l e f a i l u r e of c o nc r e t e b e a m , a nd t he s t a i n of c o nc r e t e a c c o r d e d wi th tha t s t e e l bar a t t h e s a me h e i g h t Ac c o r d i n g t o the e x i s t i ng t e s t mo d e l , the t h e o r e t i c a l c a l c ul a t i ng f o r mul a
8、o f CF RC wa s p r o p o s e d an d a p pl i e d f o r the c r a c k i n g l o a d c a l c u l a t i o n e x p r e s s i o n o f CRFC b e a ms a nd t he o r e tic a l c a l c u l a t e d r e s u l t s a g r e e we l l wi t h e x p e r i me n t a l r e s u l t s K e y w o r d s : CF RC; d e fl e c t
9、i o n; s t r a i n ; f a i l u r e mo d e ; t e n s i l e s t r e n g t h ; c r a c k i n g l o a d 0 引 言 随着我国建设设施 的快速发展 , 混凝土的裂缝 问题相 当普遍, 不仅严重影响混凝土的整体性 1 , 还影响到钢筋混 凝土构件的使 用寿命 。 碳纤维可以有效地提高混凝 土的抗 裂性能 , 8 0 年代 已应用于巴格达的建筑 中, 相继在美国 、 日 本等国广泛使用 , 并取得 良好 的效果 。 我国在这方 面起步较 晚 , 随着研究的深入 , 碳纤维采用应用 于混凝土的性能得 到进一
10、步发展翻 。 C F R C是将一定体积 、 一定长度的碳纤维加入到混凝 土中 , 经充分搅拌均匀 , 而形成的新型混凝土材料。 碳纤维 在混凝土中成三维乱向分布, 可有效地抑制混凝土各个方 向因收缩而形成 的裂缝 。 由于混凝 土的破坏都是从裂缝开 始的, 因此有效地抑制混凝土裂缝 的形成与扩展可以提高 混凝土强度。 同时裂缝也是影响混凝土构件使用寿命 的重 要因素, 由于裂缝的开展导致钢筋的锈蚀 , 严重影响构件 的承载力。 目前 , 国内外对普通混凝土和碳纤维加 固方 面的 研究较多。 而对 C F R C梁的研究较少。 为此本研究通过 5 根 C F R C梁进行试验 , 主要研究其工
11、作原理 、 破坏形态 、 跨中挠 度和受力钢筋与荷载的变化、 梁的开裂荷载及公式表达式。 1试 验 概 况 本试 验共设计了五根碳纤维钢筋 昆 凝 土梁 , 其梁 的尺 寸为 2 0 0 m m 3 0 0 m mx 3 0 0 0 r r u Y l , 如图 1 ( a ) 所示 。 主要技 术参数 , 见表 l 。 试验所用的材料是 : C 3 0 混凝土 ; 日 本东丽 生产 的碳 纤维 ; 分散剂是 山东威斯化工有 限公 司生产 的羧 丙基 甲基纤维素( C Mc) ; 消泡剂是沈阳市新化试剂厂生产 的磷酸三丁酯 。 ( a ) 试验试件 ( b ) 破坏试件详图 图 1 试 验图
12、收稿 日期 :2 0 1 3 - 0 2 - 2 1 基金项目:辽宁省科技计划( 2 0 1 2 2 3 0 0 0 5 ) ; 沈阳市科技计 J ( v 1 2 0 4 5 2 0 0 ) ; 博士启动基金( 2 0 1 1 1 0 1 8 ) 1 2 9 制作试件时在受力钢筋的跨中 、 加载点及支点处 , 粘贴 相应 的钢筋应变片 , 并用环氧树脂处理后 , 再浇筑混凝土 。 试验时在梁的跨 中及梁 的两端位置安置位移计和百分表 , 以便测量梁的挠度变形 , 在混凝土的表面粘贴相应的应变 片 , 用动静态应变仪测量钢筋和混凝土的应变 。 加载时 , 先 预加载 , 消除试验机间的空隙及检验
13、试验机和应变片的同 步性 ; 正式加载, 采用的计算机程序设定 自动分级加载 , 每 次荷载值不得超过预计极限荷载 的 1 0 。 本试验采用的是 5 k N一级。 为了准确测定 C F R C梁的开裂荷载 , 达到预计开 裂荷载的 9 0 时, 每级荷载值变为 2 k N, 直到出现第一道 裂缝 , 然后变为 5 k N一级 , 当达到预计极限荷载的 8 0 时 , 每级荷载变为 4 k N, 直到试验梁破坏。 表 1 主要技术参数与结果 2 试 验结果分析 2 1 试验现 象与破坏形 态 通过对普通混凝土梁及不同长度 的纤维 混凝土梁 的 加载试验 , 测定梁 的开裂抗弯承载力 , 本试验
14、对梁 的剪弯 区配制的箍筋较多 , 保证试验梁不会在斜截面发生破坏 。 预加载 阶段 , 随着压力 的增加 , 跨中的百分表下降 的 比较快 , 而梁两端的百分表先降低后增加 , 这是 因为梁本 身受压后有 很小变形 ; 当正式加载初期 , 梁 的变形并没有 明显变化 , 当加载 到梁的极 限荷载 的 2 O 左右时 , 在梁 的 受力底面会出现一些微小的裂缝 , 但 C F R C梁 出现裂缝 的 相对荷载值 比素混凝土梁大。 加载过程中可 以听到梁内有 零星响声 , 说 明混凝土内部裂缝在扩展或碳纤维 已被拉 断 或被拔 出, 此时从跨 中的百分 表可 以看 出 , 素混凝 土梁 的 挠度
15、会迅速增加 , 而 C F R C变化的 比较平缓 , 当梁将要达 到极限荷载时 , 梁的变形会迅速增 加 , 跨中梁的裂缝会迅 速达到 1 5 mm。 标志着混凝土梁已经破坏 , 此时构件为了 达到平衡状态 , 作用在梁上的荷载有所下降 , 最终破坏形 态见图 1 ( b ) 。 2 2 荷载与挠度 分析 通过试验得到 C F R C梁的荷载( k N) 与挠度曲线( mm) 的关系曲线, 如图2所示。 从图中可以看出: C F R C受弯构 件的荷载一 挠度曲线可以分为三个阶段。 梁受力初期曲线 的斜率比较大 , 各梁处于弹性阶段, 其变化不大; 当荷载 当道极限荷载的 2 0 时, 不同
16、参数的梁将发生变化, 跨中 挠 度的增加速 度明显快 于前一 阶段 ; 当荷 载达到极 限荷 载时, 各梁的荷载值不再增加, 并且有下降的趋势 , 而梁 的挠度在持续增加 , 梁底的裂缝宽度也在增加, 直到梁发 生破坏 。 1 3 0 8O 7 O 60 z 5 0 京4 0 耀 3 0 2 0 1 0 U 1 0 20 30 0 l 0 2U 3U 挠 度 mm 挠 度 ram ( a ) 不同碳纤维长度 ( b ) 不同配箍率 图 2 荷载一 挠度曲线 通过图 2的研究与分析可以得到以下结论 : ( 1 ) 由试验可以得到不 同碳纤维长度的荷载一 挠度 曲 线 , 见 图 2 ( a )
17、。 从 图中可以看 出, C F R C梁与素混凝 土梁 的 最大不同在 以下两个阶段 : I I1 I 载初期与达到极限荷载时 的挠度变化。 在加载初期 , 同一荷载作用 下 , C F R C梁 的挠 度 比普通混凝土梁挠度稍大 ; 同时 由于碳纤维 的增韧和阻 裂作用 , 使梁的变形 比较均匀 , 因此在达到极 限荷载之前 , 梁的荷载一 挠度曲线比较缓和 , 没有较大的转折点 , 而普通 混凝土梁在极限荷载的 2 0 左右时 , 发生了明显的转折。 当 达到极限荷载时 , 随着挠度增加 , C F R C构件荷载稍微下降。 C F R C梁达到破坏时的挠度随着碳纤维长度增加 而增加 。
18、 这也说明了碳纤维可以有效的改善混凝土 的脆性破坏。 ( 2 ) 由试验可 以得到不 同配箍率下梁 的荷载 一 挠度 曲 线 , 见 图 2 ( b ) , 从 图中可 以看 出, 箍 筋并不是影响荷载一 挠 度曲线的主要因素。 在未达到极限荷载时, 两者的区别并不 明显 , 达到极限荷载值后 , 构 件 R F C B 5 荷 载值并没有 出 N- V 降趋势, 而是随着挠度的增加而增加。 同时达到破坏时 , 构件 R F C B 5 和构件 R F C B 3 的挠度值基本相 同。 2 3 荷载与应 变分析 由试验可 以得到不 同碳纤维长度及不 同配箍率 下的 荷载一 受力钢筋应变曲线 ,
19、 见图 3 所示 , 图 3 ( a ) 表示不 同碳 纤维长度下的混凝土梁荷载与应变的关系 , 其碳纤维长度 为 0 、 1 0 、 3 0 、 5 0 n l lT l 。 图 3 ( b ) 表示不同配箍率条件下混凝土 受弯构件荷载与钢筋应变关系 。 8 : 60 稼 1 0 O 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 挠度 mm 挠度 mm ( a ) 不同碳纤维长度 ( b ) 不同配箍率 图 3 荷载一 钢筋应变曲线 通过对图 3 的分析可以得 出以下结论 : 在加载初 期 , 碳 纤维的长度影 响
20、了混凝土的荷载一 应 变曲线 , 由 3 ( a ) 图可知 , 在极 限荷载的 3 0 左右时, 随着纤 维长度增加, 荷载一 钢筋应变曲线斜率在依次降低。 由此可 知加 载初期在 相同荷 载作用 下 C F R C梁应变 比素混凝土 梁的应变大一些。 当达到开裂荷载之后, 试验梁的荷载与 应变增长速度相同, 这说 明了纤维在梁 的开裂之前起作用 , 而 在梁开裂之后 的作用不 明显 。 由 3 ( b ) 图可知 , 配箍率对 梁受力钢筋 的变化不是很明显 , 在开裂之前 梁 R F C B 3与 R F C B 一 5 的变化值基本一致 , 只有开裂之后两者才有所变化 , 但是曲线还是平
21、行分布的。 这说明配箍率不是影响梁受力 钢筋的主要因素。 3 CF RC抗拉 强度模 型 3 1 已有试验模型 混凝土除了具有独特 的抗压强度外 , 在有些构件中也 受到一定的拉力作用 , 例如在钢筋混凝土中将会保护钢筋 , 以防钢筋锈蚀, 但是普通混凝土的抗拉作用很小。 将碳纤维 加入混凝 土中 , 可 以有效 的改善混凝土 的抗拉性能 , 其 阻 裂效果受多种因素影响。 D J H a n n a n t 3 1 和 J R L i n t o n t 4 1 在 大量 的试 验基础上 , 提 出了一种预测碳纤维水泥基复合材料的抗拉强度的计算式 : f = 叼 l 2 o r f v f
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