聚酯纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料約束混凝土的抗壓性能研究

第1章緒 研究背 1纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）是由增強(qiáng)纖維材料與基體材料經(jīng)過(guò)纏繞，模（1）（2）（3）（4）FRP維分為天然纖維和化學(xué)纖維，化學(xué)纖維分為和和合成纖維。20世紀(jì)20（PEEK合成纖維的分1.1。1.1見(jiàn)合成纖維聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維聚己內(nèi)酰胺纖維6聚己二酰己二胺纖維66聚丙烯纖維聚乙烯醇縮維綸、聚氯乙烯纖維聚氨酯彈性纖維聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯纖維PTT聚酯纖維分子結(jié)構(gòu)及形H(OCH2CCOCO)NOCH2CH2OH（1（2（3聚酯纖維的物理性1.2酯纖維物理）））PET維（1）（2；抗起球性等除改進(jìn)染色性外的其他性能速紡絲法、纖維熱處理一旦實(shí)現(xiàn)了；葉群山[2]等采用動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)和間接拉伸疲勞試驗(yàn)對(duì)聚酯纖維瀝青混凝土凝土的動(dòng)態(tài)模量增強(qiáng)其韌性提抗疲勞開(kāi)裂能力溫度較高時(shí)能增加瀝青混凝土的勁度提抵抗永久變形的能力間接拉伸疲勞試驗(yàn)也說(shuō)明聚酯維在低應(yīng)力情況下可以更加顯著的提高混凝土的疲勞。呈“Z”型走勢(shì)，防治干縮開(kāi)裂的最佳纖維含量0.75×10-3左右，材料在超[4]果表明瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)體在加入0.2%的聚酯纖維時(shí)的疲勞提高了51%，而且得出加入聚酯纖維能夠增強(qiáng)混合料的勁度模量，提高路面的疲勞。25]SiOSiO2能夠有效增強(qiáng)聚酯纖維的阻燃性能和改善聚酯纖維的力學(xué)性能。當(dāng)微膠紅磷的含量為3%、納米SiO22%均達(dá)到最佳。2[6]90d32.5%17.4%，40.9%23.2%，28d21.8%57.1%。[7]結(jié)果表明：在齡期為90d時(shí)，素混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度為45.7MPa，而聚酯纖維和碳纖維磷鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度提高了比其提高了30.6%和17.559.5MPa和53.7MPa，劈裂強(qiáng)度也比同齡期素混凝土提高了41.0%和21.0%，分別為5.85MPa和5.02MPa，碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度都要明顯低于聚酯54.7%22.0%。20%，水0.30，38%，15%，1.5kg/m3。ZhanyongYao[9]等用正交試驗(yàn)和混合比例的設(shè)計(jì)方法，在聚酯纖維混凝土的比例（PETWA/AG）,砂率，聚酯纖維與礦物料的比例（PET/MA）和粗骨料材料PETWA/AG,PET/MA,骨料的聚酯纖維混凝土力學(xué)性能明顯要好很多并聚酯纖維混凝土的最佳配PETWA/AG1/3,35%1~2。SaikiaNabajyoti[10]等分析了三種類(lèi)型的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，也分析確定了PET骨料與混凝土彎曲強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。分析表明：混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展受加入PET骨料的影響有明顯的降低，但提高了混凝土的韌性性能，這種性能主要受PET骨料的形狀FernandoFraternali[11]PETPETPET1%時(shí)，再生PET增強(qiáng)混凝土對(duì)比聚丙烯纖維鋼筋混凝土的壓縮強(qiáng)度和斷裂韌度也是極LiuzA[12]PET砂漿中研究再生PET纖維增強(qiáng)砂漿的物理和力學(xué)性能。研究表明：當(dāng)把含量為0.5%，1.0%，1.5%PETPET1.5%。JongPilWon[13]PET進(jìn)行了研究。具體來(lái)說(shuō)，進(jìn)行了氯離子滲透、反復(fù)的冷凍-解凍和各種化學(xué)環(huán)境CaCl2硫PETPETPETCaCl2配合比，養(yǎng)護(hù)時(shí)間等。本針對(duì)這些因素進(jìn)行了方案的設(shè)計(jì)，對(duì)不同層數(shù)加固279聚酯纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（PET）本文研究的意FRP第2PFRP拉伸性能研聚酯纖維作為化學(xué)纖維的一種，從廠家過(guò)來(lái)的材料往往只提供材料的成分，結(jié)果處理，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有ISO527《sticsDeterminationoftensileproperties（JISR7601、JISK7112A）等，國(guó)內(nèi)可參考的相關(guān)規(guī)范為GB/T1446-199和GB/T1447-20052.156個(gè)樣品，分別是不涂膠聚酯纖維布一層一組，1層，2層，4層，640mm×20mm×1mm的鋁片，防止試樣端部在拉伸過(guò)程中造成局部破壞。具體試樣的尺寸粘貼加固等，其物具有良好的化學(xué)性能和機(jī)械性能，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為GB50728-CH-1AABA組：B組7CH-1A粘接能 本試驗(yàn)采用的是湖南大學(xué)土木建筑工程檢測(cè)的MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)驗(yàn)是按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T1446-2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》規(guī)定的試驗(yàn)條530個(gè)構(gòu)件進(jìn)行了編號(hào)，其中P11層聚酯纖維布，P、P、P、P61層，2層，4層，6層聚酯纖維布，度為mm測(cè)試的力學(xué)性能包括斷裂強(qiáng)度斷裂伸長(zhǎng)率等試樣的如下表所示。表NP-123456YP-123456YP-123456YP-123456YP-123456NNi，S nn 斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)NP-YP-YP-YP-YP-圖聚酯纖維拉伸性能3PFRP本次試驗(yàn)分為12組實(shí)驗(yàn)組，其中有3組對(duì)照組，共計(jì)受壓試件36個(gè)。試件300m150mmC20，C30，C40PREP2層，4層，6層，最外層搭接長(zhǎng)度1/4圓弧長(zhǎng)度。具體試件設(shè)計(jì)參數(shù)如下表所示。表PFRP123243363423543663723843963030303PFRP28d后脫模。的裁剪一定要方正，切忌將聚酯纖維布的縱向纖維絲不剪斷00片是浙江黃巖測(cè)試儀器廠型號(hào)0AA敏感柵尺寸為mm×mm。02水，保護(hù)膠是AB膠。普通的式材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸壓試驗(yàn)?zāi)軌蜉^容易獲得素混凝土和PFRP約束混凝土的應(yīng)力-fc后，構(gòu)件會(huì)由對(duì)普通試驗(yàn)機(jī)加以改進(jìn)，使試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中的剛度達(dá)到預(yù)期要求，本試驗(yàn)采用的是第1種方法，借助了長(zhǎng)沙市城市建設(shè)科學(xué)1000KN剛性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)由華龍測(cè)試儀器生產(chǎn)，試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為YJW-1000,試件受力形式為受壓加載方式為位移控制加載0.2mm/min。1000KN應(yīng)變儀器為JM3812靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，如下圖所示JM3812根據(jù)GB/T50081-2002試件就位。在壓力機(jī)底板鋪上一層石英砂，將試件緩慢放置在壓剪試感器以及應(yīng)變儀器的讀數(shù)調(diào)整試件的位置，直到構(gòu)件是受壓。.mmmn加載過(guò)程中構(gòu)件和試驗(yàn)儀器讀數(shù)的變化，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。20%即停止加載。本次試驗(yàn)共進(jìn)行了9個(gè)素混凝土試件和27個(gè)PFRP約束混凝土的抗壓PFRP對(duì)不同σ.cσ（..c義。當(dāng)應(yīng)力下降至σ≈.2c時(shí)，停止加載。素混凝土最終的破壞形態(tài)如下圖所示。PFRPPFRP約束的混凝土短柱的破壞多首先發(fā)生在中部，然后向兩端延伸。當(dāng)試件應(yīng)力較小，即σ<0.6fc時(shí)，試件的變始出現(xiàn)PFRP的膨脹，并間斷性的伴隨有，但沒(méi)有出現(xiàn)纖維的明顯拉斷。達(dá)到極限荷載后，PFRP開(kāi)裂并伴有一聲巨響，從PFRP開(kāi)裂處觀察到混凝土力下降至σ≈0.2fc時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)聚力已幾乎耗盡，對(duì)于有側(cè)向約束的混凝土已失去結(jié)構(gòu)的意義，停止加載。PFRP約束混凝土柱的最終破壞形態(tài)如下圖所示。圖PFRP素混凝土試件及PFRP約束混凝土試件的軸力-4PFRP當(dāng)FRPFRP4.1FRP dtfrp d2/

d

fl

d

frpf2

frp—FRPfl—FRP對(duì)混凝土/ffrp—FRPtfrp—FRP（mm；fco：未約束混凝土/未約束自然纖維混凝土 抗壓強(qiáng)度f(wàn)cc：FRP約束混凝土/FRP約束自然纖維混凝土 抗壓強(qiáng)度co：未約束混凝土/未約束自然纖維混凝土 抗壓極限應(yīng)變cc：FRP約束混凝土/FRP約束自然纖維混凝土 抗壓極限應(yīng)變l：FRPEl：FRP環(huán)向拉伸模量，MPaFRP大量的試驗(yàn)研究表明，F(xiàn)RP加固混凝土短柱可以不同程度的提高構(gòu)件的延性FRP90種不同類(lèi)型FardisandKhalili[15]l1928年Richart等[16]提出了一個(gè)計(jì)算恒定側(cè)壓應(yīng)力f下混凝土強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)lf'f'k 1l1972年等[17]提出了一個(gè)非線性表達(dá)式來(lái)考慮高側(cè)壓應(yīng)力f下低約束lf

0cc13.7lf f' coFardisandKhalili分別基于以上兩式提出FRP約束混凝土峰值應(yīng)力f fcc14.1lf f' co

0.0020.001Efrptf'f'Saadatmanesh等[18]Saadatmanesh等將ManderFRP17.9417.94ff'cc f'

2flf'f' f cc15cc f Miyauchi等[19]1997年，MiyauchiFRPf fcc13.485lf f' co只針對(duì)兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，提出了計(jì)算與峰值應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變cc的經(jīng)驗(yàn)

0cc110.6l （f

30MPa f' co

0cc110.5l （f

50MPa f' coSamaan等[20]1998年，Samaan等基于Richart和About在1975年約束混凝土雙線性四FRP約束混凝土的峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變由下式確定：f f0cc16.0 ff ff f'

0 Eft

co（22

245.61f

DToutanji等[21]Toutanji模型是在考慮應(yīng)力應(yīng)變曲線由混凝土側(cè)向膨脹較小與無(wú)約束混凝土類(lèi)似FRP開(kāi)始發(fā)生作用兩段曲線組成而提出了如下峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的計(jì)算：f

0cc13.5lf f' co

ff'1(310.57l1.9)(ccff'SpoelstraandMonti等[22]f

0cc0.23lf f' co

21.25Ecofff'lXiaoandWu等[23]XiaoandWu提出了FRP約束混凝土雙線性應(yīng)力應(yīng)變模型，并在此基礎(chǔ)上給出了 f f' fEcc fE

f'f

l0f07(co

LamTeng的模型LamTengFRP約束混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)FRPf'f f f cc12lcc13.3ffff'ffff

1.75

f'fl)(l f'

)0或

1.75

fl)(l

)0f'總的來(lái)說(shuō)，這些峰值應(yīng)力，峰值應(yīng)變的設(shè)計(jì)模型是在Richart計(jì)算峰值應(yīng)f'f kccc1k1ff'ff

kf'f其中c1、c2k1、k2FRPMarques等[25]f f0cc16.7 ff ff f0cc11340 f2 f2Albansel等[26]1' 1'

f'fff3.609l（fff3.609l（0.7 fcc118.045l（cc0.7ffff

Teng等[27]Huang等在采用增量數(shù)值方法得到應(yīng)力-應(yīng)變的基礎(chǔ)上上提出了峰值強(qiáng)度和峰值 f cc13.5ff ff

fl12f)f)Xiao等[28]f'ff'f

3.24(fl)0f'f'

117.4(f'f

)1總的來(lái)說(shuō)，研究人員使用最為常用的分析模型峰值應(yīng)力是由Mander[29]如下所示的。這是基于WillamandWarnke[30]表達(dá)式，并經(jīng)過(guò)ElwiandMurraydeng的校準(zhǔn)和修正變形后更進(jìn)一步。17.9417.94ff'cc f'

2flf'f'峰值應(yīng)變的常用形式是由Richart[32]等如下所示的 f cc15cc f PFRP為研究PFRP值進(jìn)行對(duì)比，并提出最適合PFRP約束混凝土的極限強(qiáng)度模型。PFRPPFRP約束混凝土試件在軸向受壓作用下的極限強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從表FRP層數(shù)的增多，PFRP約表PFRPfffffPFRP約束混凝土的峰值強(qiáng)度計(jì)算模型，本文將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別代入上FardisSamaanLamXiao值值值值值表建議PFRPf ccbkff ff 計(jì)算得知，當(dāng)b=1.06,k=0.35時(shí)，所得得擬合模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值較為接近。f cc1.060.35ff ff LamLam--------------------------------PFRPPFRPPFRP約束混凝土試件在軸向受壓作用下的極限應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果。從表FRP層數(shù)的增多，PFRP約為找到最適合PFRP約束混凝土短柱的極限應(yīng)變模型，本文選取部分所羅列的已給的極限應(yīng)變的計(jì)算進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析總結(jié)。FardisSamaanLamXiao建議PFRPccab(fl)(l f

2.1

fl)(l

)0f'f'

Lam

Lam

本章將PFRP約束混凝土短柱的極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果與已有的典型的PFRP的最終模型，PFRP約束混凝土極限應(yīng)變的主要因素有混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、PFRP層外包PFRPPFRP約束混凝土短柱的應(yīng)力-在FRP加固柱的設(shè)計(jì)中尤其是在偏壓柱和柱的抗震加固時(shí)需要可靠的FRP約理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，最后提出一種最適合PFRP約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變模型。FardisandKhalili模型，強(qiáng)度分別為34.4MPa和31MPa的混凝土短柱進(jìn)行了試驗(yàn)的研究，并提出FRP約束混凝土短柱的應(yīng)力-應(yīng)變模型，其表達(dá)式如下所示： f'1(f'

1SaadatmaneshandEhsani模型型直接用于FRP約束混凝土，其中，1994年，SaadatmaneshFRP約束混

r( r1(r

EcccfccSamaan等模型1998年，Samaan30305mm×152.5mm的加固混凝土圓柱進(jìn) (EcE2[1((EcE2)n

Ec

)f E245.61ff ，

Elt of0.827fo

0.371

6.258Miyauchi等的模型Miyauchi通過(guò)試驗(yàn)研究和進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)分析后給出了應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算模型f上升段 f

2

f'()(

f'[2(/)(/)2](0 f'()(f'f')/()( 其中，2/(2f 1[2f'()

4f'(f'

2f'

f'2)]

co

coco

cu（f'是約束混凝土對(duì)應(yīng)于極限應(yīng)變f

f'）

[1(15.870.093f')(

/f')024600064f'

Toutanji18305mm×76mm12個(gè)構(gòu)件外包有連續(xù)包裹的碳纖維和玻璃纖維，F(xiàn)RP約束混凝土不存在下降段。最終作者推導(dǎo)出的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型是基于AhmadandShah箍筋約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系1982年，AhmadandShah應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型如下AXBXY1CXDX1(Ec

2EuaEcua

f

（2 f2

f'[10.0178(2Eltfrp)085

2Elt

'0 f''

]，Eua0.3075co XiaoandWu模型圓柱體抗壓性能實(shí)驗(yàn)研究，其中設(shè)置了9個(gè)對(duì)比試件，重點(diǎn)了外包纖維的變模型的計(jì)算如下所示：2E[1 l

（f'之前 '1.1f'4.1E0.75f'2)[0.00057(fco)0 （f'

之后E El其中c為混凝土的初始泊松比，約取值為0.18LamandTeng模型基于對(duì)已有模型的總結(jié)分析和匯總的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)，LamangTeng2002年（a）（b）（c）（d）（e）因此，在上述假定的基礎(chǔ)上，LamandTengFRP約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模

E2E E44

f'cof'f'f 2f其中，E2 co

Ec應(yīng)力-E2 模型

2flFRP約束混凝土圓柱0.7f co,0.7f'2(k

, f')；

1

1

1 1 ,f'

l、 fcc當(dāng)FRPf cc12.0ff ff 當(dāng)FRPf cc13.0ff ff 當(dāng)FRP管約束混凝土圓柱體時(shí)，其取值按如下進(jìn)行近似計(jì)算f cc12.5ff ff fl的取值方式有的是根據(jù)FRP參考文[1],,周靜宜等.聚酯纖維的染色改性[J].聚酯工業(yè),2000,（13:1-5葉群山,,等.聚酯纖維瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量與疲勞性能研究[J].柳志軍,卞正富,等.聚酯纖維對(duì)水泥碎石干縮開(kāi)裂影響的試驗(yàn)研[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,02:155-,,俞遠(yuǎn)征.聚酯纖維瀝青混凝土路面的疲勞計(jì)算[J].沈陽(yáng),,等.聚酯纖維的阻燃及力學(xué)性能研究[J.玻璃鋼/復(fù)合材料,2013,02:65-68,.玻璃纖維和聚酯纖維混凝土力學(xué)性能的研究[J].工程建設(shè)與,,等.聚酯纖維和碳纖維硫鋁酸鹽水泥混凝土力學(xué)性能的,,等.聚酯纖維和玻璃渣改善高性能混凝土力學(xué)性能的研 工程技術(shù),2013,02:146-ZhanyongYao,XiaomengZhang,ZhiGe,JieHan,etal.MixproportiondesignandmechanicalpropertyofrecycledPolyethyleneterephthalateconcrete.RecentDevelopmentsinEvaluationofPavementsandPavingSaikiaNabajyot，DeBritoJorge.WastePolyethyleneasanAggregateinConcrete.Materialsresearch-ibero-americanjournalofmaterials,2013,16(2),341-350FernandoFraternali，Vincenzoaa，RosariaChechilea，etal.Experimentalstudyofthethermo-mechanicalpropertiesofrecycledfiber-rein Strutures20119（92368-LuizA，PereiradeOliveira，JoaoP,CastroGomes.PhysicalandmechanicalbehaviourofrecycledPETfibrereindMaterials，2011，25（4，1712-WonJong-Pil，JangChang-Il，Lee,Sang-Woo，etal.Long-termperformanceofrecycledPETfibre-reindcementMaterials，2010,24（5，660-過(guò)鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理與分析[M].：FardisMN,KhaliliH.FRP-encasedconcreteasastructuralmaterial.MagConcrRes1982;34(122):191–202.RichartFE,BrandtzaegA,BrownRL.Astudyofthefailureofconcreteundercombinedcompressivestresses.Illinois:EngineeringExperimentStationNo.185,1928,K,and,JB,Failuretheoriesanddesigncriteriaforinconcrete,Proceedings,InternationalEngineeringMaterialsConferrenceonStucture,SolidMechanicsandEngineeringDesign,(Southampton,1969),WileyInterscience,NewYork,Part2:963-SaadamaneshH.andEhasaniM.R,Strengthandductilityofconcreteexternallyreindwithfibercompositestraps,ACIStructural[19]Miyauchi,Nishibayashi,Inoue,Estimationofstrengtheningeffectswithcarbonfibersheetforconcretecolumn.PrcoceedingsoftheThirdInternationalSymposium(FRPRCS-3)on-Metallic(FRP)ReinmentforConcreteStructures,Sapporo,Japan,14-16October1997.Vol1:217-[20]Samaan,Mirmiram,Shahawy,ModelofConcreteConfinedbyFiberComposites.ASCEJStructureEng1998；124（9）:1025-31[21]Toutanji,Stress-strainCharacteristicsofConcreteColumnsExternallyConfinedwithAdvancedFiberCompositeSheets.ACIMaterialsJournal,1999;96(3):397-404Spoelstra,Monti,FRP-ConfinedConcreteModel,JournalofCompositesforConstruction,1999;3(3):143-50pressiveBehaviorofConcreteConfinedbyCarbonFiberCompositeJackets.JournalofMaterialsinCivilEngineering,[24]L.LamandJ.G.Teng,ANewStress-StrainModelforFRP-confinedConcrete,CICE2001,FRPCompositesinCivilEngineering,P283-293MarquesSPC,MarquesDCSC,daSilvaJL,CavalcanteMAA.Modelforysisofshortcolumnsofconcreteconfinedbyfiberreindpolymer.JCompositesConstruction2004;8(4):332–40.AlbanesiT,NutiC,VanziI.ClosedformconstitutiverelationshipforconcretefilledFRPtubesundercompression.ConstructionBuildMater2007;21(2):409–27.HuangYL,YeL,LamLandTengJG,AUnifiedysis-orientedModelforConfinedConcreteandItsApplications,ProceedingsofInternationalSymposiumonConfinedConcrete,June12-14,2004XiaoQ,TengJG,YuT.Behaviorandmodelingofconfinedhigh-concrete.ASCEJComposConstrManderJB,PriestleyMJN,ParkR.Theoreticalstress–strainmodelforconfinedconcrete.ASCEJStructEng1988;114(8):1804–26.WillamKJ,WarnkeEP.Constitutivemodelforthetriaxialbehaviourofconcrete.In:P.associationforbridgeandstructuraleng.;1975.ElwiAA,MurrayDW.A3Dhypoelasticconcreteconstitutiverelationship.ASCEJEngMechDiv1979;105(4):623–41.RichartF