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D. S. Vijayan, A. Mohan, J. Jebasingh Daniel, V. Gokulnath, B. Saravanan, P. Dinesh Kumar， ＂玻璃纤维增强聚合物在混凝土柱中的生态友好外包裹试验研究"，材料科学与工程进展， 卷。2021， 文章ID.2909033， 12 页面， 2021． https://doi.org/10.1155/2021/2909033
玻璃纤维增强聚合物在混凝土柱中的生态友好外包裹试验研究
d . s . Vijayan
，1
A. Mohan.，2
J. Jebasingh Daniel.，3.
诉Gokulnath，4
b .萨拉瓦南，5
和
p·迪·库马尔6
1印度，金奈，Paiyanoor, Vinayaka任务研究基金会，Aarupadai Veedu理工学院土木工程系
2印度金奈市Ramapuram的Easwari工程学院土木工程系
3.埃塞俄比亚哈瓦萨大学土木工程系
4印度TN金奈Saveetha医学和技术科学研究所Saveetha工程学院土木工程系
5印度，金奈，Paiyanoor, Vinayaka任务研究基金会，Aarupadai Veedu理工学院土木工程系
6印度泰米尔纳德邦Krishnasamy工程技术学院土木工程系系主任
摘要
在过去的十年中，一种生态友好的纤维增强聚合物(FRP)被用于提高混凝土短柱的强度和变形能力。本研究将3 mm和5 mm厚的FRP布包裹在短柱上，然后确定其抗压强度。本研究采用尺寸为150 mm × 300 mm的矩形柱，浇铸在M20和M40等级下，用3 mm和5 mm厚的玻璃钢片包裹。这些结果在特定厚度的frp缠绕的柱上得到澄清。它提供了最大轴向抗压强度，当与普通混凝土相比时，杨氏模量得到严格提高。本文对不同参数的包覆玻璃纤维增强聚合物(GFRP)进行了实验研究。在M20级中，3 mm包覆试样与5 mm包覆试样比较，5 mm包覆试样比3 mm包覆试样增加了5.182%;在M40级，对0 mm、3 mm和5 mm包覆试样进行比较，5 mm包覆试样比0 mm包覆试样增加了2.47%;5毫米包装达到最大的强度。
1.介绍
纤维增强聚合物(FRP)是一种由聚合物增强基体组成的复合材料。近十年来，人们对玻璃钢柱进行了大量的试验研究。飓风、龙卷风、海啸、地震等自然灾害和意外影响可以在几秒钟内摧毁或损坏二级建筑。另一方面，盐水、化学和冻融循环会导致结构降解的时间更长[1］．许多老建筑和桥梁是按照旧的建筑规范设计的。玻璃钢材料是近年来兴起的一种新技术。因此，这些材料在造船和国防等其他行业已经使用了几十年，为修复衰败的民用基础设施提供了新颖的解决方案。基础设施的不断恶化使人们更加认识到必须采取有效的结构修复程序。在基础设施的复兴过程中，工程师面临的一个特殊的挑战性问题是混凝土结构的修复。最近发展使用外部粘合的玻璃钢片和条，作为修复和加固混凝土结构的有效工具[2］．在强度应用的情况下，发现FRP板与柱的外部粘结提供了巨大的优势:它们易于操作，具有抗电化学腐蚀和抗疲劳性能，具有良好的重量强度比，易于在任何形状和长度的弯曲铸件中使用，并在较小的密度下提供最大的抗压强度。［3.因此，与其他类型的玻璃钢纤维相比，玻璃纤维增强聚合物板正逐渐被用于混凝土结构的修复和升级。抗腐蚀和抗疲劳的强度-重量比通常很高[4］．
简单的混凝土具有低电压和延展性少，耐裂解性。由于抗拉强度低，混凝土中的微裂纹存在。裂缝传播载荷应用导致脆弱的混凝土骨折。在过去的二十年中，使用GFRP作为外部包装的使用，对混凝土结构的加固和修复具有重要的普及。GFRP包装有效地用于改善和增强现有结构和弱钢筋混凝土部件[5］．钢筋混凝土柱外缠绕是一种常用的GFRP加固技术，以提高轴向强度、剪力、刚度和挠度。在本应用中，GFRP片材主要以纤维方向缠绕在柱周围。纤维限制了混凝土覆盖层，增加了强度和刚度。钢筋混凝土柱必须横向约束，以确保在破坏前在施加的荷载下有广泛的变形，并提供足够的承载能力。当gfrp包裹的混凝土柱受到轴向压缩荷载时，混凝土心向外侧延伸。GFRP避免了这种膨胀，混凝土核心转化为三维压应力状态。对于单轴压缩gfrp包裹混凝土柱的作用，已有大量的研究表明纤维应沿水泥芯方向排列。
然而，在现实中，几乎所有的柱都承受着轴向偏心载荷，这种载荷可以在单轴时间内求解[6］．玻璃钢是理想的任何设计方案，需要节省重量，精确的工程，有限的公差，并简化组件的生产和服务。模压聚合物设备比铸造铝或钢设备更便宜，更快，更容易生产，并保持公差和材料强度相同，通常更好[4］．此外，还研究了外部钢筋混凝土的强度、应力应变比、弹性和受压破坏。试验结果表明，FRP约束使混凝土的抗压强度和抗弯强度分别提高了22%和1-2 MPa。天然黄麻纤维(树皮或稻草)可作为外部混凝土圆柱体和棱柱的增强剂，与聚丙烯纤维一样。对于外部混凝土约束，推荐使用天然黄麻玻璃钢[7］．本文还提出了一种改进的压缩场公式，该公式可以近似地计算钢筋混凝土中由于桥墩的作用而产生的剪力。通过引入经验衰减定律，考虑了钢箍筋的屈服。同时考虑了FRP应力剥离和拉应力，充分探讨了应变对FRP加固的影响。结果表明，该模型能较准确地预测试件的抗剪强度。数值分析表明了各关键因素对预测极限抗剪强度的重要意义[8］．
设计了一个新的分析模型来预测frp填充混凝土柱的抗压强度。为此，对几个小型混凝土圆柱体进行了加载，并进行了一系列纯轴压破坏试验。它被塑料增强碳纤维包裹着。模拟了包括卸载工况在内的四种不同水平的现有荷载。分析预测表明，FRP护套的力学作用是有效的，但由于存在广泛的损伤，不能像卸载柱那样利用限制。分析预测和实验结果的比较似乎是一致的，即使需要额外的研究来验证提出的理论[9］．此外，进行了对控制和加强光束的测试。控制梁在剪切中失效，而强化的光束延展性失效，大多数裂缝在弯曲长度突出，表示从剪刀到由集成钢筋的剪刀的故障模式的成功偏移。此外，与光束控制（光束-A）相比，增强梁（光束-B）增加了其强度约为31％左右[10］．
通常，梁用两个轴向载荷进行测试。结果表明，与具有单层或双层Abaca-Fiber复合材料的声学束相比，最大载荷分别为9.78％和9.92％，为剪切培养光束的NFRP材料。Abaca纤维复合NFRP材料分别为单层和两层层压板的最大总剪切载荷的11％和18.57％。另外，外键合的剪切强化梁影响了裂缝图案和偏转值。但是，在两层NFRP剪切强化光束中，发生了NFRP层压板的禁止失效。结果，光束没有最佳地执行[11］．进一步研究了高温对低固体水泥在聚合物碳纤维层(CFRP)中固结行为的影响。在84个标本中，有42个标本被CFRP纤维包裹，42个标本未包裹。圆柱体标本(150 × 300 mm)在100°C至600°C的温度下进行一到两个小时的热暴露。实际部分的研究重点是抗压强度、超声脉冲率、动弹性模量和低强度混凝土失重性能。结果表明，当包裹试样在(200℃)温度下暴露1小时和2小时，其抗压强度分别比未包裹试样提高35%和49%。此外，外部碳纤维布加固起到了保护混凝土的作用，改善了低强度混凝土的性能[12］．
目前的研究考虑的钢筋混凝土柱反映了现实世界的位置，FRP筋是采取在钢筋混凝土柱而不是素混凝土。使用外部粘结FRP复合材料加固和恢复现有混凝土柱可以是恢复或提高其性能的经济选择。虽然大量的研究集中在圆形柱上，但在方形和矩形柱上研究FRP围护对结构效率的影响的工作相对较少。然而，在房子里，大多数柱子都是正方形或长方形的。因此，必须保持建筑设施的强度和恢复。本文就是针对这一努力的。有效的缠绕既能提高水泥的强度，又能提高柱的承载力。本研究旨在测量GFP柔性包裹混凝土柱承载能力的提升效果。对于不同等级的混凝土柱，包裹不同厚度的玻璃钢薄板，并对结果进行分析。对玻璃钢薄板厚度、最大强度、缠绕柱与未缠绕柱进行了对比。
2.材料和方法
2．1．纤维增强聚合物
FRP是一种由聚合物增强基体组成的复合材料。不同类型的玻璃钢分为有机玻璃钢和无机结构。各种类型的有机和无机纤维层合板结构如图所示1和2．
粗纱是一组纱线，它们是比较统一的产品。机织粗纱提供了一种廉价的方法对大面积、平坦的区域进行层压，用于快速施工和高强度加固。它与需要一致性的应用程序不兼容。编织粗纱层压片的材料如图所示3.．
这些是二维随机排列的短链。带短切毡的梭织粗纱在加固其他材料时很常见，在修补时尤其有用。CSM与环氧树脂不兼容，只能与聚酯或乙烯基酯树脂使用。CHM层压板的材料如图所示4．
根据所需输出纤维的类型，几种形式相互结合。Combi毡是将梭织织物与一层短切线缝合在一起制成的，通常被称为“梭织粗纱Combi毡”。它还可与一定不饱和度的聚酯、乙烯酯树脂、环氧树脂以及多酚类材料兼容[13］．编织粗纱组合垫片如图所示5．
2．1．1．水泥和骨料
水泥最重要的形式是波特兰火山灰。按照IS 4031-1988, 28天PPC按强度分为三级。如果28天强度不小于33n /mm2，它被称为33级水泥，相当于明智的水泥。如果强度不小于43 N/mm2，称为43级水泥。在今后的试验中，我们考虑使用53个等级的波特兰火山灰水泥[14］．在本研究中，43级水泥是根据以往研究人员的推荐使用的。
2.2。测试水泥
水泥的试验可分为两类。
2．3.实地测试
（一世）测试是在现场进行的，对小型工程来说已经足够了。(2)打开袋子，仔细看看水泥。(3)不应该有任何可见的肿块，颜色应该是绿灰色。(iv)当手被放入水泥袋时，感觉是不可思议的。用手指捏一撮水泥，如果是光滑无砂粒的水泥，就把它放在装满水的桶里。
2.4。实验室测试
下面的工作通常在实验室进行:（一世）细网应平整，并与用树脂的混凝土试样配合使用。室温固化28天。固化后对试样进行测试，并根据细网的厚度对测试结果进行分析。(2)应该做一个标准的一致性测试。(3)应检查水泥比重。
2．5．细度测试
细粒水泥影响水化速率、强度增长速率和热增长速率。水泥样品的最大颗粒数应小于100微米。3微米以下的零件对功率的影响最大，而3 - 25微米的零件对28天的强度影响显著。该测试是根据水泥细度的标准指南进行的干筛(is: 4031-Part 1-1996)。
2．6．标准的一致性测试
标准的稠度测试设计允许直径10毫米和50毫米的VICAT柱塞穿透深度33。模具顶部直径35毫米。VICAT系统可以检测达到标准水泥稠度所需的水的百分比。测试按照is代码4031的标准指导方针进行。
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2.7。一致性测试程序
（一世）取500克左右的水泥，计划在第一次试验中加入水(水泥重量的24%)。(2)膏体必须定期准备，模具上的Vic必须在3 - 5分钟内归档。充满模具后，摇动模具以排除空气。(3)安装一个直径10毫米、直径50毫米的标准长柱塞，如果它在测试块中，则将其定位到表面，并迅速释放，以便它可以由于其重量落入膏体。取柱塞的穿透深度为零。(iv)进行第二个（25％水）测试以确定柱塞的渗透程度。类似地，每天进行电导率，水泥生产以获得更高百分比的水和水泥，直到柱塞从顶部渗透到33-35mm的深度的指定百分比。桌子1显示水泥测试值。
2.8。粗骨料试验
聚集体的大小比4.75mm更大，被认为是粗骨料和骨料的主要来源。它增加了表面积，促进了可加工性，并计算粗聚集体吸收的水量，同时进行该实验。测试结果如表所示1．测试是在标准指导下进行的，按照代码383的聚合体。
2.9。细骨料试验
整体尺寸小于4.75毫米被认为是完美的[15］．细集料的主要来源是来自河流或海边的坑砂。河道或岸床砂类型为圆形，坑砂为不规则或部分圆形。集料试验结果如表所示1．根据代码383 [1970]以用于聚集体，测试在标准规范下进行测试。
2.10。水
水是混凝土的主要成分，因为它强烈地参与了水泥的化学反应。与水泥参与化学反应的数量和稠度[16］．必须非常仔细地研究水量和一致性。具有pH值的便携式水的优化在6和8之间，水无有机物质。随着标准缓冲溶液的比较，估计水的pH值为12.3。
2.11。GFRP表
GFRP是一个普通的名字，就像碳纤维或钢，在商业上有不同的化学成分。玻璃纤维由E、S和c三组组成，E-glass用于电气，S-glass用于更高的功率。c型玻璃具有很高的耐腐蚀性能，在土木工程中并不出名。在三种纤维中，e -玻璃纤维是民用应用中最常见的增强元件[2］．建议在应用于不同类型的混凝土之前，需要对玻璃纤维的许多特性进行全面的研究。
常用的纤维是硅基的，含有一系列其他的钙、硼、钠、铝和铁的氧化物(50-60%的SiO)2）。玻璃纤维具有高抗拉强度和弹性模量。各种增强系统的材料选择是一个重要的过程[17］．
纤维和树脂用于合作。用于一种加固系统的树脂在另一种加固系统中不能正常工作。由此推断，定性评价系统是用来提高强度的。胶粘剂的目标是在混凝土表面和材料之间创造一个连续的连接，以确保完全的复合作用[18］．这是通过将剪切应力传递到胶合板的厚度上而产生的。GFRP的物理化学特性表2和3.．
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3.玻璃钢包装的方法与制备
3．1.磨的列
除了连接点之外，尖锐角度的可能性可以忽略不计，并且需要磨削和制备光滑的表面;否则，包装纤维时可能会发生气泡。磨削活动是必须去除灰尘和水泥松散的层[11］．数字6描述用网格机进行圆柱磨削。
3．2．玻璃钢片材的选择
玻璃钢的包装涉及多种技术。选择单向缠绕是由于纤维的取向。这些纤维通常排列均匀。因此，为了达到强化效果，需要选择合适的薄板。数字7代表混凝土中使用的玻璃钢薄板。
3．3.混合树脂
树脂在GFRP包装中起着至关重要的作用。树脂混合物应用于每一层柱子，以密封GFRP片材[19］．与混凝土混合时，加入几滴树脂被认为是最具挑战性的[20.］．环氧树脂的主要作用是使表面硬化，如图所示8．
(一)
(b)
3．4．GFRP-Wrapped列
在施加树脂的混合物后，包装工作中的下一步骤将GFRP板具有合适的厚度，并且片材的设置通常需要3小时。在设置包裹色谱柱的活动之后，将切割顶部的不必要的浪费，并且GFRP包裹的列如图所示6．
铸造试件用玻璃钢包裹，如图所示9．立柱的铸件分为M20和M40两个等级。柱子的尺寸为150毫米× 300毫米。包装的厚度约为3毫米和5毫米。现在测试柱的抗压强度，然后分析结果:缠绕厚度是否能达到最大强度[8］．对已包装的列和未包装的列进行比较[21］．混凝土梁的测试工作进行了28天。
4.结果和讨论
试验结果为M20级柱和M40级柱。首先，采用M20等级的横梁。试件由三根柱组成，其中两根梁分别用厚度为3mm和5mm的玻璃钢包裹;有一根横梁没有被任何床单包裹。现在测试梁的抗压强度[9］．这里，当与未缠绕梁相比时，缠绕梁将获得最大的抗压强度。将试验结果与两种厚度的柱进行了比较，并对柱的最大抗压强度进行了评价。对M40级混凝土进行了重复试验。
4．1.gfrp包装柱的测试
玻璃钢薄膜的包装保持48小时不变。试件准备好测试，引伸计与柱一起固定，试件放置在压缩试验机中[22］．荷载是逐渐施加的，挠度是要注意的。数字10 ()显示了实验装置的安排，(b)描述了测试试样的实验装置。
(一)
(b)
4．2．gfrp包裹的M20级混凝土柱的测试
在M20等级下浇铸柱，28天后进行试验，立方体抗压强度约为236kn。在M40等级下浇铸柱，28天后进行测试。立方体的抗压强度约为387 kN。这个量是沿轴的应力与钩律应力的比值[23］．桌子4使用0 mm笔划显示年轻的M20模块，以及图11为0 mm包覆M20混凝土的应力-应变分析。
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gfrp包裹的M40级混凝土柱的测试。
杨氏模量为0 mm包装的M40的等级显示在表格中5，应力-应变分析曲线如图所示12．
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4．3．gfrp包裹的M20级混凝土柱的测试
M20级带3mm包覆的杨氏模量见表6，应力-应变分析曲线如图所示13．将立柱浇铸，固化后包裹GFRP片，厚度为3mm，等级为M20。然后在压缩试验机中对试件进行测试，其荷载为1184kn。
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gfrp包覆M20级混凝土柱5mm包覆试验
5 mm包覆的M20级杨氏模量见表7，应力-应变分析曲线如图所示14．柱浇铸，固化后，对M20级以下的GFRP片材进行5 mm厚的包裹。试件在压缩试验机中测试后，其荷载为1073 kN。
gfrp包裹的M40级混凝土柱的测试。
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M40级3mm包覆的杨氏模量见表8，应力-应变分析曲线如图所示15．将立柱浇铸，固化后缠绕M40级以下的GFRP布，厚度为3mm。试件在压缩试验机中测试后，试件的载荷为1171 kN。
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4.4。用5毫米包装的GFRP包装M40级混凝土柱测试
M40级带5mm包覆的杨氏模量见表9，应力-应变分析曲线如图所示16．将立柱浇铸，固化后缠绕GFRP片，厚度为5mm，等级为M40。试件在压缩试验机中测试后，其荷载为1235kn。
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在M20等级中，3mm的厚度达到最大载荷，在M40等级中，5mm的厚度达到最大载荷。对于M20级，我们将未包裹试件与3 mm包裹试件柱进行对比，比未包裹试件柱增加了80.06%。在M20等级下，我们将未缠绕试样与5 mm缠绕试样进行对比，发现缠绕柱比未缠绕柱增加78.00%。在M20级中，3 mm包覆试样与5 mm包覆试样比较，3 mm包覆试样比5 mm包覆试样增加9.375%。在M40等级下，我们将未包裹的样品与3 mm包裹的样品进行比较，包裹的柱比未包裹的柱增加了66.96%。在M40级中，与5 mm包覆试件相比，包覆柱比未包覆柱增加68.66%。
5.结论
本研究中进行的实验工作主要集中于确定填充增强聚合物玻璃纤维的混凝土柱的有效性。通过体外e -玻璃纤维复合材料加固混凝土柱的承载力和应变试验得到了试验结果。在M40等级下，将3 mm包覆试样与5 mm包覆试样进行比较，5 mm包覆试样比3 mm包覆试样增加5.182%。在M40级，对0 mm、3 mm和5 mm包覆试样进行比较，5 mm包覆试样比0 mm包覆试样增加了2.47%;5毫米包装达到最大的强度。
5.1。未来的工作
（一世）GFRP材料没有提供令人满意的蠕变和重持续载荷的令人满意的结果，因此增加厚度或增加足够的材料作为抵抗蠕变的载体。(2)冲击荷载对GFRP混凝土结构构件的破坏更大。因此，提供延展性细节可能是未来研究的最佳解决方案。(3)玻璃钢在高温下效果较差，应改进玻璃钢的设计以适应不同的环境变化。(iv)GFRP的弹性模量明显小于钢和混凝土。如果能在这方面开展研究，提高弹性模量将是更好的选择。(v)由于纤维的使用会改变混凝土的强度，因此应制定适当的规范规定来固定混凝土中纤维的比例。
数据可用性
用于支持本研究结果的数据可根据要求提供。
的利益冲突
作者声明本文的发表不存在利益冲突。
致谢
手稿的研究成果得到了印度钦奈Krishnasamy工程技术学院土木工程系的支持。作者还想对Aarupadai Veedu理工学院、金奈SRM Easwari工程学院和Saveetha工程学院的作者和非技术人员表示感谢，感谢他们提供所需的技术支持。
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