芳纶纤维布约束混凝土冻融循环试验与损伤模型研究.pdf
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1、2 0 1 3年第 1 期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i ng 1 29 文 章编 号 : 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 1 2 9 - 0 5 芳纶 纤维布约束混凝 土冻 融循环试 验与损伤模型研究 郝 伟 , 徐英 国 , 曾运财 , 黄命辉 , 付亚伟 ( 1 中国航空港建设第九工程总队, 四川 成都6 1 1 4 3 0 ; 2 空军第六空防工程处, 湖南 衡阳4 2 1 0 0 0 ) 摘要 : 通 过 对 C 2 0 , C 3 0 , C 3 5 , C 4 5 , C 5 0共 5个强 度 等级 的芳
2、纶 纤 维 布 约 束 混凝 土 ( K F F C C ) 进 行 轴 心 受 压强度和快速 冻融循环试验, 利用损伤力学和数学模拟的方法, 研究了 K F F C C的轴心受压力学性能、 冻 融耐久性、 冻融后 内部损伤变量的变化规律及损伤模型。结果表明: K F F对混凝土受压承栽力的提 高效果 非常明显, 在外粘 1 、 2和 3层 K F F的情况下, K F F C C和普通混凝土轴心受压强度 比为 1 9 O 一 5 4 8 、 5 1 9 和 7 3 5 。K F F C C抗冻等级在 F 3 0 0以上, 具有优异的冻融耐久性。以相对动弹性模量为损伤变量 建 立 了 K F
3、F C C冻融损伤模 型 , 发现动 弹模 量 衰减模 型 的拟合 精度优 于冻 融 累积 损伤模 型 , 幂 函数 模 型 比 指数 函数 模型有 更好 的拟 合精度 和相 关性 , 模 型能够较好 地反映 K F F C C的冻 融损 伤规 律和损伤程度 。 关键 词 : 芳 纶纤 维布 约束混 凝 土 轴 心 受压 强度 冻融循 环 动 弹性模 量损 伤模 型 中 图分类 号 : T U 5 2 8 文献 标识 码 : A D O I : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 O 1 3 9 既有 的钢筋混凝土结构建筑物 由于环境恶劣
4、 、 荷 载增加、 结构用途变更 、 设计标准更新和结构可靠度提 高等原因, 存在承载力和耐 久性不足或使用功能不满 足要求等问题 。为了改善这些结构的使 用功能, 提高 承载力 , 延长使用年限 , 迫切需要对其进行加固修复 。 纤维增强聚合物( F i b e r R e i n f o r c e d P o l y me r , F R P ) 由于 其 良好的物理 、 力学性能而广泛应用 于各种既有混凝 土结构的补强和加 固。2 0世纪开始进行 F R P补强加 固技术的研究 , 碳纤维 、 芳纶纤维和 玻璃纤维增强 塑 料 得 到广 泛 应 用 。芳 纶 纤 维 即 芳 香 酰 胺
5、 纤 维 , 商 品名称为凯芙拉 ( K e v l e r ) , 不仅具有 高强、 质轻 、 良好 的抗冲击、 耐疲劳性能和耐腐蚀的特性 , 还具有优 良的 介电性 、 吸能性和减震性 , 同时具有施工工艺简便 、 施 工质量好 、 综合费用低等突出特点 , 因而工程 中越来越 多地采用外粘芳纶布 ( K e v l e r F i b e r f a b r i c , K F F ) 来补强 加固结构 。我国从 2 0世纪 9 0年代中期也开展了碳纤 维布补强加固混凝土结构 、 砌体结构的研究 , 但对 K F F 补强加固技术的研究 , 目前尚处于起步阶段 一 , 积累 的试验数据
6、、 工程经验还较少 , 涉及冻融循环条件下芳 纶纤 维 布约 束 混 凝 土 ( K e v l e r F i b e r F a b r i c C o n f i n e d C o n c r e t e , K F F C C) 的损伤规 律与模型 的研究更少。而 冻融损伤是导致寒冷地区混凝土结构性能劣化的主要 因素 , 对混凝土结构的耐久性 和安全性造成 巨大的威 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 4 1 5 ; 修 回 日期: 2 0 1 2 1 0 2 0 基金项 目: 军 队重点科研项 目( Z H 0 8 0 0 7 ) 作者简介 : 郝伟( 1 9 8 2 一) ,
7、 男 , 山东栖霞人 , 工程师 , 博士 。 胁 , 因此这一 问题受 到学术 界 和工程 界广 泛 的重 视 。 作为断裂力学的必要发展和重要补充 , 损伤力学 是材料结构变形与破坏理论的重要组成部分 , 它着重 考察 的是损伤对材料宏观力学性质的影响和材料及结 构损伤演化的过程和规律 。这与传统破坏理论只注重 由变形至破坏 的起点终点式的研究截然不同, 损 伤的研究方法将是使人们对材料的力学性质的认识更 深刻和更趋于合理的重要途径 , 建立混凝土材料的损 伤模型可解析其 细观结构对外部荷载的响应 。因此, 运用损伤理论来研究 K F F C C材料的冻融损伤规 律是 合 理 可行 的 。
8、 本文通过对 K F F C C进行轴心受压强度和快速冻 融循环试验 , 对 A S C的轴心受压力学性能和冻融循环 耐久性进行系统研究 , 并利用损伤力学和数学模拟的 方法 , 结合冻融循环试验结果建立 了 A S C冻融损伤模 型 , 为新型高性能混凝 土材料 的研究应用和损伤预测 提供理论基础和技术支持。 1试验材料与方法 1 1 试验材料 试验用水泥为陕西耀县秦岭牌 4 2 5 P O水泥 , 密 度 3 1 0 g c m ; 粗骨料采用级配 52 0 mm泾阳石灰 岩碎石 ; 细骨料为灞河 中砂 , 细度模数为 2 7 3 ; K F F采 用北京卡本公司生产 的 C A S -
9、4 1 5型芳纶纤维 布及其 配套 的 C F S R A B型浸渍 树脂胶 , K F F厚 度为 0 2 7 6 mm, 实测抗 拉极 限强 度为2 2 0 6 1 MP a , 弹性模量 为 1 3 0 8 G P a , 断裂延伸率为 1 7 , 配套树脂为 2 5下 l 3 O 铁道建筑 可操作时间 4 0 m i n的树脂胶 。 1 2试 验方 法 为了进行加固效果的对 比, 本试验设计了两种类 型的试件 : 第一类为未粘贴 K F F加固的圆柱体, 即对 比试件 ; 第二类为粘贴 K F F加 固圆柱体。加 固试件 的 制备步骤为: 养护 2 8 d后 , 先将 圆柱体 四周打磨
10、光滑 , 去掉 1 2 m m 表 面 浮层 , 并 将 浮 灰 清 除 干净 , 再 用 丙 酮清洗包裹面 , 待试件干透后 , 涂上一层均匀饱满的环 氧树脂 , 最后将浸渍过环氧树脂 的 K F F环绕包裹圆柱 体 , 使 K F F与混凝土表面紧密粘结 , 待环氧树脂干透 进行 试验 。 试验规定 K 0为对 比试件 , K 1为粘贴 1层 K F F的 加 固试件 , K 2为粘 贴 2层 K F F的加 固试件 , K 3为粘贴 3 层 K F F的加固试件 , 通过两类试件的对比试验 , 考察 K F F的粘 贴层 数对 加 固试 件强 度性 能 的影 响规 律 。 采用 绝对 体
11、积 法 进行 混 凝 土 的配 合 比设 计 , 共 确 定 5个 强度 等级的基准混 凝土 ( C 2 0, C 3 0 , C 3 5 , C 4 5 , C 5 0 ) 配合比, 其中 C 3 5的配 比成型 4组 ( 每组 3根 ) 4 , 5 o m m 3 0 0 mm的圆柱体试件 , 其余 4个配 比分别 成型 2组同样 的试件 。试验根据 普通混凝土力学性 能试验方法标准 ( G B T 5 0 0 8 1 2 o 0 2 ) 进行轴心抗压 强度试验( 结果取 3根试件的平均值) 。根据 普通混 凝土 长期 性 能 和 耐 久性 能试 验 方 法 标 准( G B T 5 0
12、0 8 2 -2 0 0 9 ) 对 5个 配 比的粘 贴 1层 K F F C C试件 利 用 T D R 1 6 V型微 机 控 制混 凝 土 快速 冻 融试 验 机进 行 冻融 循环 试验 。试件 采用 1 0 0 m m 1 0 0 mm 4 0 0 m m 的棱柱体 , 以 6个为 1组 , 共 3 0个试块 。在规定试验 龄期前 4 d将试 件从标准养护 室取 出, 放 进 1 5 2 0 的水 中浸泡 4 d 。到试验龄期时 , 从水 中取出试 件 , 擦除表面水分 , 进行外观检查 , 称重并测量其横向 基频的初始值 , 以后每冻融循环 2 5次对试件重量和动 弹模量测量 1次
13、 , 计算质量损失和相对动弹性模量 , 然 后将试件调头重新装入试件盒 , 继续试验 。每次冻融 循环应在 2 4 h内完成 , 融化时间不得小于整个冻融 时 间的 1 4 , 冻 结 和 融 化 温 度应 分 别 控 制 在 (一1 7 2 ) 和 ( 8 2 ) o C。当 遇 到 以下 3种 情 况 之 一 即可 停 止试验: 已达到 3 0 0次冻融循环 ; 相对动弹性模量 下降至初始值的 6 0 以下; 质量损失率达 5 。 相对动弹性模量按下式计算 P = n 1 。 。 ( 1 ) 式中, P 为 n次冻融循环后试件相对动弹性模量 ; f o 为试件冻融循 环前 的 自振频率 ,
14、 H z ; 为试件冻融 n 次循 环后 的 自振频率 , H z 。 质量损 失 率按下 式计算 W = ( G 。一G ) G 。1 0 0 ( 2 ) 式 中 , 为 n次冻融 循环 后试 件质量 损 失率 ; G 。 为冻 融前的试件质量 , g ;G 为 n次冻融循环后 的试件 质 量 , g 。 t 昆 凝 土 的抗冻 耐久性 以混 凝土所 能经 受 的最大快 速冻融循环次数表示 , 所能经受 的快速冻融循环次数 应 以 同时满 足 相对 动 弹 性 模 量 不 小 于 6 0 和 质 量损 失率不超过 5 时的最大循环次数表示 。 2 试验 结果与分析 2 1 KF F C C
15、的轴心 受压 性能 5 个配合 比的混凝 土轴心受压强度试验结果见表 1 。 表 l 混凝 土轴心受压强度试验结果 表 1中的强度比( 表征 K F F对基准混凝土的增强 幅度 ) 计算 公式 为 R = ( 一 f o ) 1 0 0 ( 3 ) 式 中 , 为 强 度 比 ; 为 粘 贴 n层 K F F的 试 件 强 度 , MP a ; f o 为未 粘贴 K F F的试 件强 度 , MP a 。 由表 1可知 , 在外粘 1层 K F F的情况下, K F F对 混凝 土 轴 心 受 压 承 载 力 提 高 的 幅 度 在 1 9 0 5 4 8 范围内。同时由表 1中不同强度等级
16、的 K 0和 K1 试 件试验 结 果 可 知 , 在 K F F粘 贴 层 数 相 同 的 情 况 下, 混凝土的强度等级越高 , 强度提高的幅度越小 , 即 强度 比越小 , 这 说 明 K F F对混 凝 土抗 压 构件 的加强 效 果与混凝土 自身的强度有关 。混凝土的抗压破坏是四 周的膨胀破坏 , 变形较大, 且混凝土 的强度越高 , 其破 坏时的变形越大 , 强度很高 的混凝土还会 出现脆性破 坏现 象 , 即没有 明显 的塑性 应变 。 表 1中 C 3 5等级 的混 凝 土 共成 型 了 4组试 件 , 分 别 为粘 贴 0 , 1 , 2 , 3层 K F F的 圆 柱 体
17、, 由试 验 结 果 叮 2 0 1 3年第 1 期 郝 伟等: 芳纶纤维布约束混凝土冻融循环试验与损伤模型研究 知 , K 1 , K 2 , K 3分 别 比 K 0的强 度 提 高 了 3 8 3 、 5 1 9 和 7 3 5 , 其 中 K 3比 K 1和 K 2分 别 提高 了 2 5 4 和 1 4 2 , K 2比 K 1提高了 9 8 , 这说明随着 K F F粘贴 层数 的增 加 , 混 凝 土 的强 度 比 , 即 K F F对 混 凝土的轴心受压强度增强幅度越来 越大 , 这是 由于粘 贴层数增加 , K F F对混凝土的约束作用更强 , 从而大大 提高了混凝土的轴心受
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