文献速读
Composite Structures：轴向压缩作用下玄武岩纤维ECC加固腐蚀钢筋混凝土柱
题目
题目：Corroded reinforced concrete columns strengthened with basalt fibre reinforced ECC under axial compression
轴向压缩作用下玄武岩纤维ECC加固腐蚀钢筋混凝土柱
关键字
关键字：纤维工程水泥基复合材料 (FRECC)；腐蚀；钢筋混凝土柱；工程水泥基复合材料 (ECC)；纤维效率比；加固
来源
出版年份：2023
来源：Composite Structures
课题组：武汉大学李杉课题组
研究背景
钢筋混凝土（RC）结构暴露在含氯离子（Cl-）环境中会导致钢筋锈蚀。钢筋锈蚀会对钢筋本身的截面、强度和延展性产生影响，进而影响RC柱的性能。此外，钢筋锈蚀的产物会加剧混凝土裂缝的形成和扩展，从而减少小了混凝土的有效截面积。为了解决上述问题带来的影响，研究人员提出并展开了不同的加固技术，其中纤维增强复合材料（FRP）由于具有重量轻、抗拉强度高、对不规则表面的通用性强以及易于应用等优点，已经获得了广泛的认可，并且进行了大量的实际应用。此外，FRP在恶劣的环境中不具有腐蚀性，故与传统的加固系统（如RC护套）相比具有一定的优势。然而，FRP的有机粘合剂难以应用于潮湿的表面，且其在低温下反应较差，会在一定程度上减小外部粘接的FRP系统在海洋或寒冷环境中腐蚀柱子的适用性。为了克服上述缺点，该研究开发了一种新的复合材料，称为纤维增强水泥基质（FRCM）。FRCM由一层或多层水泥基质与纤维增强组成，已经有研究验证了其在改善RC构件性能方面的有效性。但是需要注意的是，由于普通水泥基材料的脆性较大，FRCM无法延长有害物质渗入钢筋表面的时间。
研究出发点
ECC作为一种采用离散纤维增强的水泥基基体，由于其优异的性能，已经被引入到FRCM的应用中。与传统砂浆相比，ECC构件的裂缝较小。因此，ECC具有较强的抗腐蚀能力。近年来，已经有研究人员证明了ECC-FRCM复合材料在提高RC梁和RC柱的轴向性能方面的有效性。研究结果表明，ECC-FRCM复合材料对混凝土圆柱的延展性和承载能力都有很大的改善。然而，关于ECC应用于受腐蚀的RC柱的研究尚不多见。当将FRECC应用于受腐蚀的RC柱时，其加固效果将受到内部钢筋和外部FRECC系统之间相互作用的影响，并将进一步受到钢筋腐蚀的影响。
研究内容
全文通过试验评估了FRECC系统在改善受腐蚀RC柱的抗压行为方面的加固效果。考虑了仅纵向钢筋的腐蚀、仅箍筋的腐蚀、纵向钢筋和箍筋的腐蚀。测试了腐蚀率、玄武岩纤维层数以及箍筋间距。将这些参数对抗压的影响在失效模式、峰值载荷、延展性和刚度方面进行了比较。此外，还测量了箍筋和玄武岩纤维上的拉伸应变，从而更好地了解不同条件下柱子的约束发展和钢-FRECC的相互作用。
图1 FRECC复合材料加固腐蚀柱的工艺流程：（a）拆除腐蚀损坏的混凝土盖板；（b）安装玄武岩纤维和ECC；（c）用于保证加固系统厚度的PVC模具
图2 FRECC对轴向载荷-轴向缩短的影响
图3 仅箍筋腐蚀对轴向载荷-轴向缩短的影响
图4 仅纵筋腐蚀对轴向载荷-轴向缩短的影响
图5 箍筋和纵筋腐蚀对轴向载荷-轴向缩短的影响
主要结论
（1）FRECC在提高RC柱抗压强度的峰值荷载和延性方面表现较好。在未腐蚀的情况下，加固柱获得了5%-18%的增长。仅箍筋腐蚀、仅纵筋腐蚀及两者腐蚀均出现增加。仅箍筋腐蚀时增加了14%-42%，仅纵筋腐蚀时增加了31%-62%，两者的腐蚀时增加了59%-72%。峰值负荷的增加主要是由于新的ECC覆盖和FRECC的约束。
（2）FRECC对提高混凝土柱变形的能力高于峰值荷载。加固柱在峰值载荷下的轴向缩短和延展性分别增加了44%-293%和60%-415%，显著缓解了锈蚀钢筋混凝土柱的脆性。这种现象可归因于FRECC的约束和纤维的逐渐失效。
（3）受损的混凝土覆盖层及退化的钢筋，导致未加固柱钢腐蚀的刚度、峰值荷载和变形能力大幅降低。其中，箍筋和纵筋共同腐蚀所导致的结构性能退化比仅箍筋和仅纵筋腐蚀情况更严重。
（4）FRECC可有效缓解钢筋腐蚀对加固柱的不利影响。FRECC系统几乎恢复了仅箍筋腐蚀的柱的峰值荷载，实际腐蚀率高达23.43%，但延性降低高达15.6%；几乎可以消除23.02%的实际腐蚀率对仅有纵筋腐蚀的柱变形能力的不利影响，但对于较低的实际腐蚀率只能恢复峰值荷载；然而，对于两者都有腐蚀的柱子，至少需要两层玄武岩纤维才能使腐蚀率较低，以此来将峰值荷载恢复到原始未加固柱子的水平。
（5）纤维中箍筋的监测反映了纤维效率比和FRECC约束随钢筋腐蚀的变化。仅箍筋腐蚀导致峰值载荷下玄武岩纤维的拉伸应变较高，但之后增量较小，而纵向钢筋腐蚀降低了峰值载荷下玄武岩纤维的应变。峰值载荷和85%峰值载荷下的拉伸应变分别为试样测试断裂应变的10%-48%和25%-62%。
本期编者简介
翻译：
冯晨潞 博士生 深圳大学
审核：
耿松源 博士生 深圳大学
排版：
唐 杰 硕士生 深圳大学
本期学术指导
何 闯 博士后 深圳大学
龙武剑 教 授 深圳大学
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116328
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