BFRP-PVC管钢筋自密实再生混凝土轴压短柱试验研究

发布时间：2016-07-03 21:11

1  绪论

1.1  课题研究的背景和意义 
混凝土作为当前国内建筑物的主要使用材料，随着我国经济的发展和沿海城市建设的加速以及城市污水处理的日渐重视，混凝土工作环境的复杂多变，使其在沿海及具有腐蚀性土壤中的应用受到一定的限制，海内外广大学者对混凝土在耐久性方面的研究越来越广泛。纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymers，简称 FRP）因其具有耐腐蚀性好、高温下工作性能变化小、纤维束抗拉强度高、重量小、弹性模量小、热膨胀系数低等特点[1]，将 FRP 与混凝土组合起来不仅能够解决混凝土耐久性不好的问题，还能够增加对混凝土的约束作用，提高混凝土构件的极限承载力和延性，从而降低了维护混凝土不受侵蚀的成本，为 PVC 管混凝土在配筋情况下的应用提供更多可以参考的理论依据。 钢管混凝土是指在成型的钢管内浇灌混凝土的新型组合形式，具有承载力高、塑性和韧性好、浇筑过程简单等特点，与钢管相比耐火性和耐腐蚀性都有很大的改善，并且具有节约材料、增大建筑物使用空间等优点，被广泛应用于厂房立柱、各种支架、術架压杆、高层与超高层建筑、拱桥及组合梁桥结构[2-5]。然而随着对钢管混凝土在实际工程中的应用和分析发现，在钢管内的混凝土存在塑性收缩、自收缩、徐变收缩等重要问题，使得混凝土与钢管壁之间出现空隙，降低钢管对内部混凝土的环向约束，使得混凝土受拉，钢管受压，降低了混凝土和钢管的弹性模量，而且钢管在潮湿环境中还有易腐蚀老化的现象[6,7]。 自密实再生混凝土[8]是指利用建筑垃圾经粉碎清洗后产生的再生骨料代替天然石子而配置的新型自密实混凝土。已有的研究表明再生混凝土虽然在同水灰条件下强度稍低于普通混凝土，但配合比的不断调整是可以满足结构要求的，而且再生混凝土还具有绿色环保节能的优点。 FRP-PVC 管混凝土[9,10]是在 PVC 管外表面粘贴 FRP（纤维增强复合材料）条带后，再向 PVC 管内浇灌混凝土的新型结构形式，这种混凝土构件不但具有 PVC 管耐腐蚀性好的优点，而且充分发挥纤维布强度高、模量大、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等特点。与普通混凝土相比能够提高混凝土的极限承载能力和耐久性，与钢管混凝土相比具有自重小、缩短施工工期、价格低廉、耐腐蚀性好等优点。
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1.2  研究现状
再生骨料混凝土（Recycled  Aggregate  Concrete,RAC）简称再生混凝（Recycled Concrete），它是指将建筑物拆迁后的废弃混凝土块经过破碎、清洗与分级后，按一定的比例与级配混合形成的再生混凝土骨料（Recycled Concrete Aggregate,RCA），简称再生骨料（Recycled Aggregate）；通过部分替代或者全部替代天然骨料（主要是粗骨料）后配制成新的混凝土。再生骨料混凝土技术可实现对废弃混凝土的在加工，从而既能是有限的资源得以再利用，又解决了部分环保问题，是发展绿色混凝土，实现建筑资源环境可持续发展的重要措施之一。发达国家对再生骨料混凝土的基本力学性能研究起步较早[11-23]，近年来我国的一些专家和学者也开展了一系列初步的研究[24-30]，目前众多海内外学者都把再生混凝土作为重点的试验对象和课题方向。 胡波[31]等对使用再生粗骨料配置的混凝土的基本力学性能进行大量试验研究。根据试验结果得出：（1）再生骨料配置的混凝土试件受压、受拉以及受弯折破坏过程和破坏模式与普通混凝土差别不大。由于再生骨料表面通常会包裹有旧的水泥，新旧砂浆之间界面过渡区是再生骨料混凝土的薄弱部位，其破坏往往从新老界面开始。（2）再生粗骨料对混凝土棱柱体和立方体试块的抗压强度影响比较明显，但再生骨料对混凝土抗弯拉强度和混凝土立方体劈裂抗拉强度的影响相对较小。再生混凝土抗拉强度只有立方体抗压强度的 1/15-1/12；抗折强度也只有立方体抗压强度的 1/8 到 1/6，这和普通混凝土的性能非常相似。（3）再生混凝土的弹性模量与普通混凝土相比下降约 8%~15%，再生混凝土的泊松比大致在 0.15~0.22 之间。（4）再生混凝土应力-应变曲线与普通混凝土相似，与普通混凝土相比，再生混凝土应力随应变增长的速率相对较缓，极限应变一般都大于普通混凝土。
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2 BFRP-PVC 管钢筋自密实再生混凝土短柱轴压试验方案 

2.1  引言 
目前众多学者对 FRP 包裹 PVC 管混凝土柱的试验和模拟分析主要集中在 FRP-PVC管普通混凝土短柱轴心受压力学性能试验、中长柱偏心受压稳定性试验以及在腐蚀环境中的耐久性试验，但未见 BFRP-PVC 管钢筋自密实再生混凝土短柱相关研究成果。本章主要介绍试验材料的性能参数、试件设计及制作方法、试验加载方案及应变测量点的布置位置。
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2.2  混凝土力学性能及试验材料参数
本文采用的混凝土是建筑垃圾经粉碎、清洗、分级后得到的再生骨料全替代天然骨料而配置的自密实再生骨料混凝土。目前国内外对再生混凝土和自密实混凝土的配合比设计方法已经有了大量的研究，但对使用再生骨料替代天然骨料配置自密实再生混凝土的研究鲜有人做，根据自密实混凝土以及再生骨料混凝土各自的特点设计混凝土中各材料的配比。自密实混凝土是指不经振动和浇捣，在自重作用下自动流动并填充模板空间进而包裹钢筋的混凝土，经过合理的配合比设计，这种混凝土能够达到不泌水、不离析的标准，而且成型的混凝土表面平整，没有蜂窝、麻面的现象，具有良好的密实性，可用于施工作业面小，造型复杂，配筋密集的结构中，还可以用于夜晚城市中心工程的建设，避免夜晚施工对周围居民的噪声危害，而且还能解决施工过程中过分振捣和漏振等问题，提高文明施工水平。 自密实混凝土因其流动性比较大，为了保证混凝土的高流动性和稳定性，现有的天然骨料混凝土的配合比设计理论已经不适用。国内外学者通过对自密实混凝土的配合比进行了大量的理论分析和试验，目前自密实混凝土配合比的设计方法主要有简易配合比法、参数法、骨料比表面积法、固定砂石体积法、全计算法、改进全计算法六种。再生混凝土是以建筑物拆除后的混凝土经破碎筛选分级后作为石子配置的混凝土，已有的研究表明，再生骨料与天然骨料相比，质量轻、压碎值大、吸水率高，因此配置的再生混凝土具有用水多、强度低、弹模小、收缩变形大、抗冻性小等特点，已有的研究表，通过掺加粉煤灰和减水剂的方法，合理设计配合比，自密实混凝土的强度和工作性是可以满足使用要求。 
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3 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱轴压试验结果分析 ..... 26 
3.1  引言 ..... 26 
3.2 BFRP-PVC管混凝土短柱的破坏形态 ...... 26
3.3 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱极限应变 .... 29 
3.4 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱应力-应变关系分析 ........ 32 
3.5  本章小结 .... 38 
4  条带间距和配筋率对短柱轴压性能的影响 ....... 39 
4.1  引言 ..... 39 
4.2  无筋 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱 .......... 39 
4.3 1.1%配筋率 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱 ...... 40
4.5 BFRP 条带间距对三组试件核心混凝土强度提高幅度对比 ...... 43 
4.6  配筋率对试件核极限承载力提高率的影响 .... 44 
4.7  本章小结 .... 44 
5 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱承载力模型 .......... 45 
5.1  引言 ..... 45 
5.2  钢管混凝土承载力模型 ........ 45
5.3 FRP 约束混凝土承载力模型 ........ 47 
5.4 FRP-PVC 管约束混凝土的强度模型 ......... 49
5.5  计算值与试验值对比 ..... 55 
5.6  本章小结 .... 56 

5 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱承载力模型 

5.1  引言 

本章在试验的基础上，结合已有的钢-混凝土结构模型，对 BFRP-PVC 自密实再生混凝土轴心受压短柱进行平截面假定，利用极限平衡条件，考虑自密实再生混凝土与普通混凝土的差异，研究了条带间距和配筋率对试件承载力的影响，提出 BFRP-PVC 自密实再生混凝土短柱轴心受压作用下的承载力计算公式。关于钢管混凝土的承载力计算方法主要集中在两个方面。一种是把钢管和混凝土组合看成一种材料，利用钢管混凝土材料的组合轴压强度与钢管混凝土截面面积的乘积来表示钢管混凝土的轴心受压承载力，这种理论被称为统一理论；另外一种是叠加原理，分别考虑钢管和混凝土各自的承载力，建立平衡方程，求得钢管混凝土的轴心受压承载力。 

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结论 

本文主要对 BFRP-PVC 管钢筋自密实再生混凝土短柱轴心受压进行试验研究和承载力计算公式的推导，得到的主要结论如下： 
（1）无 BFRP 包裹试件裂缝开展迅速，试件破坏时没有明显的征兆，在 PVC 管开裂的同时试件即瞬间破坏，属于脆性破坏。FRP 包裹试件破坏过程缓慢，破坏时先听到噼啪噼啪 BFRP 纤维条带和环氧树脂胶被拉伸的声音，最终 BFRP 条带被拉断，PVC 管局部完全开裂，核心混凝土被压碎，破坏过程具有明显可预判性，属于延性破坏。BFRP条带断裂标志着试件达到其极限状态。 
（2）BFRP-PVC 管能够对核心自密实再生混凝土产生一定的约束作用，能够改善混凝土的极限承载力和极限应变。BFRP 条带间距和配筋率是影响 BFRP-PVC 管混凝土短柱承载力的重要因素，当 BFRP 环箍间距逐渐增加时，构件的极限承载力和极限应变逐渐降低。随着配筋率的增加，构件的极限承载力也逐渐变大，配筋率对构件极限承载力的影响基本上呈直线上升。 
（3）BFRP-PVC 管自密实再生混凝土柱与 PVC 管自密实再生混凝土柱相比极限承载力提高了 13.4%~29.2%，BFRP-PVC 管钢筋自密实再生混凝土柱与 PVC 管自密实再生混凝土无筋柱相比极限承载力提高了 25.5%~50.9%。BFRP 包裹柱的极限应变也一定程度的提高，本次试验中提高幅度在 13.6%~133.7%。 
（4）根据 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土短柱轴心受压时的应力-应变关系曲线可知，BFRP 包裹试件破坏过程可以分为三个阶段，第一阶段为弹性阶段，这一阶段 BFRP所起到的约束作用较小；第二阶段为过渡阶段，这一阶段 BFRP 对 PVC 管内混凝土的约束效果逐渐增强；第三阶段为破坏阶段，这一阶段应力增加缓慢而应变急速增大。 
（5）根据已有的 FRP-PVC 管混凝土极限承载力计算公式，本文通过对已有的配筋条件下钢管混凝土承载力计算公式的分析，综合考虑纵向钢筋和箍筋约束对极限承载力的影响，给出了 BFRP-PVC 管自密实再生混凝土配筋短柱极限承载力计算公式，将本文试验值与计算值进行对比可知，试验值和计算值吻合较好，本文提出的公式对工程实际具有重要的参考价值。 
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参考文献(略)

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本文编号：65368