《Journal of Natural Fibers》：Exploring Natural Cotton FRP as a Sustainable Method for Confinement of Concrete Made with Natural and Recycled Aggregates
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近几十年来，地震对世界各地的建筑造成了重大破坏，促使人们采取创新解决方案来提高混凝土结构的抗震能力。本研究探讨了使用天然棉条（NCS）作为天然骨料混凝土（NAC）和再生砖骨料混凝土（ReBAC）的生物基低成本约束方法。研究人员将部分约束（使用条带和中部高度）与
近几十年来，地震对世界各地的建筑造成了重大破坏，促使人们采取创新解决方案来提高混凝土结构的抗震能力。本研究探讨了使用天然棉条（NCS）作为天然骨料混凝土（NAC）和再生砖骨料混凝土（ReBAC）的生物基低成本约束方法。研究人员将部分约束（使用条带和中部高度）与完全包裹进行了对比，以利用当地材料实现经济高效的抗震改进。实验结果显示了一个类似于纤维增强聚合物（FRP）系统的连续失效过程，包括开裂、绳索断裂和芯部压碎。NCS约束在不改变弹性刚度的情况下提高了延性，在圆形试件中产生了三相应力-应变响应，而方形试件由于应力集中表现出有限的有效性。对于NAC，完全包裹实现了2.42和3.1的强度比和应变比；间距20 mm的条带包裹显示出2.18和2.50的比值。在ReBAC中，条带包裹的强度比从1.26增加到1.57；采用100 mm条带时，方形ReBAC试件取得了显著改善，强度比20 mm条带高出19–22%。双层设计持续增强了强度和延性，证实了NCS是一种有效且经济的约束技术。
**论文解读**
**研究背景与问题**
钢筋混凝土（RC）结构因老化和环境因素易发生劣化，表现为开裂、钢筋腐蚀和构件变形，危及结构安全与功能。同时，城市化加速导致天然粗骨料（NCA）资源消耗，推动了再生骨料混凝土（ReBAC）的发展，但其高孔隙率和脆性降低了力学性能。传统纤维增强聚合物（FRP）虽能有效增强混凝土的强度和延性，但其生产成本高（约100 USD/m2每层碳纤维布）、能耗大（每吨碳纤维需300吉焦，排放29,500 kg CO?），且不可回收，不利于可持续发展。近年来，天然纤维基FRP（如黄麻、大麻、剑麻和棉绳）因环保、低成本受到关注，尤其是天然棉条（NCS）具有超过12%的高断裂应变，属于大断裂应变（LRS）FRP，可显著改善延性。然而，现有研究主要针对天然骨料混凝土（NAC），缺乏对ReBAC的NCS约束实验证据，也未提出设计导向的解析模型。本研究旨在填补这些空白，评估NCS对NAC和ReBAC的约束效果，并建立基于回归的应力-应变预测表达式。
**研究内容与结论**
研究人员开展了系统的实验研究，采用天然棉条（NCS）对天然骨料混凝土（NAC）和再生砖骨料混凝土（ReBAC）试件进行约束，比较了完全包裹、条带包裹（20 mm宽）和中部局部包裹（100 mm宽）三种配置，并测试了单层与双层NCS的效果。实验结果表明：NCS约束在不改变弹性刚度的前提下显著提升了延性，圆形试件呈现三相应力-应变响应（初始上升、强度软化、最终上升），方形试件因角部应力集中效率较低。对于NAC，完全包裹达到最高强度和应变比（分别为2.42和3.1）；20 mm条带双层包裹的强度和应变比分别为2.18和2.50。对于ReBAC，条带包裹强度比从1.26（单层）增至1.57（双层），中部100 mm条带表现优于20 mm条带，强度高出19–22%。基于实验结果，研究人员提出了针对NAC的解析模型，通过非线性回归得到了关键点（ftp1、εtp1、ftp2、εtp2、fcu、εcu）关于有效约束比（fle/fco）的表达式，能够准确预测完整应力-应变曲线（R2>0.85）。该研究证实了NCS是一种有效、经济的约束技术，其失效模式与FRP系统相似（开裂→绳断→核心压碎），且多层设计可进一步增强强度和延性。论文发表在《Journal of Natural Fibers》。
**主要关键技术方法**
本研究采用单调轴向压缩试验，试件分为圆形和方形两类：圆形试件仅使用天然骨料，方形试件使用50%再生砖骨料替代天然骨料（样本来源为现场破碎的旧砖结构经清洗筛分）。约束配置包括完全包裹（C300）、20 mm宽条带包裹（C20）和中部100 mm宽条带包裹（C100），分别施加一层或两层天然棉条（NCS）。棉条力学性能：抗拉强度129.20 MPa，极限应变13.34%，弹性模量4.51 GPa。采用湿铺法以聚酯树脂将NCS粘贴于混凝土表面，养护28天后测试。关键方法包括：基于有效约束压力比（fle/fco）的回归分析，以及利用Hoshikuma模型和线性插值重构三相应力-应变曲线。
**研究结果**
**Failure behavior of specimens（试件破坏行为）**：所有试件均在中部高度发生棉绳断裂。初始裂缝出现在NCS间未保护区域，随荷载增加裂缝扩展、表面剥落，最终棉绳突然断裂并伴随核心压碎。多层NCS导致更严重的压碎，全裹或宽条带则发生中部突然断裂。
**Stress vs. strain curves（应力-应变曲线）**：圆形试件表现出典型三阶段响应：初始抛物线上升至峰值（ftp1），随后强度软化至第二转折点（ftp2），最后强度再次上升至极限点（fcu、εcu）。方形试件仅呈现下降阶段，无强度恢复，因角部应力集中降低了约束效率。所有试件弹性刚度未受NCS影响。
**Compressive strength and strain summary（抗压强度与应变总结）**：全裹试件C-C300-2L达到最高强度比2.42和应变比3.1；20 mm条带双层（C-C20-2L）强度比2.18、应变比2.50；中部100 mm双层（C-C100-2L）强度比2.01、应变比2.6。对于ReBAC方形试件，20 mm条带双层强度比1.57，100 mm条带双层强度比1.79，且100 mm条带较20 mm条带强度增益高19–22%。
**Effect of the confinement configuration（约束配置的影响）**：圆形NAC试件中，约束面积越大强度增益越高（全裹>20 mm条带>中部100 mm条带）。方形ReBAC试件中相反，中部100 mm条带效率更高，因其33%的粘结面积却优于47%的20 mm条带。
**Effect of confinement ratio（约束比的影响）**：引入有效约束压力比（fle/fco）统一评估。圆形试件中，强度比ftp1/fco、应变比εtp1/εco等参数随约束比增加而提升。方形试件因C100配置的异常表现（约束比低但效率高），未能进行统一解析建模，需未来研究探索机制。
**Mechanical interpretation（力学解释）**：NCS的低模量和高断裂应变导致约束作用在较大侧向膨胀后才激活，故前期弹性刚度不变。三阶段响应对应：第一阶段未受约束混凝土行为；第二阶段约束部分参与；第三阶段约束完全发挥。方形截面中角部应力集中降低整体效率，但中部局部约束可推迟断裂、增强应变能力。
**Analytical modeling（解析建模）**：基于非线性回归得到6个表达式：ftp1/fco=1+2.606(fle/fco)^1.13 (R2=0.97)；εtp1/εco=1+3.130(fle/fco)^0.855 (R2=0.85)；ftp2/ftp1=1-0.257(fle/fco)^-0.437 (R2=0.74)；εtp2/εco=1+34.331(fle/fco)^1.569 (R2=0.93)；fcu/fco=-0.143+3.469(fle/fco) (R2=0.85)；εcu/εco=1+80.954(fle/fco)^0.651 (R2=0.97)。结合Hoshikuma模型和线性插值重构完整曲线，预测值与实验数据吻合良好。
**总结与讨论**
研究人员在讨论中强调，NCS约束的失效机制与FRP系统相似，但其高断裂应变使其更适合抗震改造中延性优先的场景。中部局部约束在方形ReBAC试件中表现优异，挑战了传统45°抛物线约束效率衰减假设，暗示需重新评估此类配置的约束机制。解析模型仅适用于NAC圆形试件，方形试件因几何效应未纳入，未来需研究不同角半径和长宽比的影响。本研究存在局限：仅涉及短期单调轴向压缩，未考虑循环荷载、长期耐久性和环境退化，且表达式仅在实验参数范围内有效。
**结论翻译**：本研究探究了天然棉条（NCS）作为生物基约束技术对天然骨料混凝土（NAC）和再生砖骨料混凝土（ReBAC）的加固效果。实验揭示了渐进式破坏机制（表面开裂→绳断→核心压碎）。NCS显著提升了延性而不改变弹性刚度，圆形试件呈现三相应力-应变响应，方形试件因应力集中效率较低。对于NAC，全裹达到最高强度和应变比（2.42和3.1），20 mm条带双层分别为2.18和2.50；对于ReBAC，条带包裹强度比从1.26增至1.57，中部100 mm条带较20 mm条带强度增益高19–22%。双层面料持续改善强度和应变。基于回归的解析表达式能准确预测NAC约束混凝土的完整应力-应变曲线，为初步设计提供了工具。然而，研究结果限于短时单调加载，未来需评估循环荷载、耐久性和环境影响。
