高韌性混凝土損傷容限特性研究

傅柏權(quán)，蔡向榮

（1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院 沈陽市 110167；2.遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院 沈陽市 110005）

高韌性混凝土損傷容限特性研究

傅柏權(quán)1，蔡向榮2

（1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院 沈陽市 110167；2.遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院 沈陽市 110005）

通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了高韌性混凝土的損傷容限特性。研究結(jié)果表明，高韌性混凝土具有優(yōu)秀的控制裂縫發(fā)展的能力以及抵抗由缺陷、裂紋或其它損傷而導(dǎo)致破壞的能力。與基體相比，高韌性混凝土的起裂荷載提高了約4倍，峰值荷載提高了約5倍，峰值荷載對(duì)應(yīng)的裂縫口張開位移提高了約50倍，高韌性混凝土試件的荷載-裂縫口張開位移曲線更加豐滿，其破壞模式為多縫開裂的延性破壞。

高韌性混凝土；初始裂縫；多縫開裂；損傷容限

1　引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為重要的結(jié)構(gòu)形式之一被廣泛地應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域。隨著我國(guó)土木工程建設(shè)的不斷發(fā)展，大量早期建設(shè)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入或即將進(jìn)入老齡化階段。由于長(zhǎng)期使用過程中的環(huán)境侵蝕、凍融、碳化甚至外力損傷等引起鋼筋銹蝕，形成混凝土裂縫，嚴(yán)重影響建筑物及構(gòu)筑物的安全和使用功能，急需進(jìn)行修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)處理［1-2］。高韌性混凝土作為一種同時(shí)具有高延性、高韌性和優(yōu)秀裂縫控制能力的新型纖維增強(qiáng)混凝土材料，在抗震結(jié)構(gòu)、抗沖擊結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)裂縫控制和結(jié)構(gòu)修復(fù)工程中有著廣泛應(yīng)用前景［3-4］。本文通過試驗(yàn)研究了高韌性混凝土在存在初始裂縫情況下的損傷容限特性，研究成果將為高韌性混凝土在修復(fù)工程中的應(yīng)用提供基本材料特性和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2　試驗(yàn)概況

2.1原材料

膠凝材料采用P.II.52.5R水泥和Ⅰ級(jí)粉煤灰，骨料采用特制精細(xì)砂，外加劑采用聚羧酸鹽類高效減水劑，拌和水采用飲用自來水，纖維采用REC15 PVA纖維，有關(guān)性能參數(shù)見表1，纖維體積摻率為2%。

表1　PVA纖維參數(shù)表

2.2試件制作

高韌性混凝土的試件制作流程如下：首先將膠凝材料和精細(xì)砂放入攪拌機(jī)中攪拌均勻；然后將水和高效減水劑加入拌和物中，并繼續(xù)攪拌直至拌和砂漿具有良好的流動(dòng)性和適宜的粘聚性，最后人工加入PVA纖維，并攪拌均勻。同時(shí)制作未添加纖維的純水泥砂漿基體試件作為對(duì)比試件。試件尺寸均采用40mm×40mm×200mm的棱柱體，每組三個(gè)試件。所有試件均鋼模成型，36h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d后取出。試驗(yàn)前采用約2mm寬的碳化鈣鋸在凈跨的中部鋸出缺口。缺口深度分別為10mm（即初始縫高比為0.25）和16mm（即初始縫高比為0.40）。

2.3試驗(yàn)加載

采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試高韌性混凝土的損傷容限特性。試驗(yàn)加載示意圖如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)采用30t的閉環(huán)液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)，基體的加載速率采用0.02mm/min，高韌性混凝土的加載速率采用0.3mm/min。采用夾式引申計(jì)測(cè)量裂縫口張開位移，采用荷載傳感器測(cè)量荷載。通過在試件表面粘貼電阻應(yīng)變計(jì)的方法測(cè)量起裂荷載。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的基體和高韌性混凝土在初始縫高比為0.25和初始縫高比為0.40時(shí)的荷載-裂縫口張開位移曲線（P-CMOD曲線）如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，高韌性混凝土的PCMOD曲線無論是荷載坐標(biāo)軸還是裂縫口張開位移坐標(biāo)軸均比基體的P-CMOD曲線的相應(yīng)坐標(biāo)軸高一個(gè)數(shù)量級(jí)，高韌性混凝土試件的荷載-裂縫口張開位移曲線下所包圍的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體試件，說明纖維的添加非常顯著地改善了基體的韌性性能，提高了材料的斷裂韌性和耗能能力，并使高韌性混凝土具有優(yōu)秀的抗震性能。而且，基體的P-CMOD曲線在荷載達(dá)到最大值之前荷載隨著裂縫口張開位移的增大呈線性增長(zhǎng)，沒有表現(xiàn)出明顯的塑性性能，且在荷載達(dá)到最大值后曲線迅速下降到零點(diǎn)，表現(xiàn)出明顯的脆性性能；相比較而言，高韌性混凝土的P-CMOD曲線則顯得更為豐滿，在加載的初始階段，荷載隨著裂縫口張開位移的增大呈線性增長(zhǎng)，隨著荷載的增加，曲線的斜率逐漸變小，荷載-裂縫口張開位移曲線開始呈現(xiàn)出塑性增長(zhǎng)，直至荷載達(dá)到最大值。這與基體在荷載達(dá)到峰值前的彈性增長(zhǎng)明顯不同。而且在峰值荷載后，隨著裂縫口張開位移的增加，荷載緩慢下降，說明高韌性混凝土與基體相比，具有非常顯著的裂縫控制能力，以至于峰值后的裂縫發(fā)展非常緩慢。

由P-CMOD曲線得到的基體和高韌性混凝土的起裂荷載、峰值荷載、峰值荷載對(duì)于裂縫口張開位移以及計(jì)算得到的名義起裂強(qiáng)度、名義峰值強(qiáng)度以及名義起裂強(qiáng)度和名義峰值強(qiáng)度的比值如表2所示。高韌性混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)與基體各項(xiàng)性能指標(biāo)的比值如表3所示。從表中數(shù)值可以看出，盡管初始縫高比不同，但是與基體相比，高韌性混凝土的起裂荷載提高了約4倍，峰值荷載提高了約5倍，峰值荷載對(duì)應(yīng)的裂縫口張開位移提高了約50倍。試驗(yàn)結(jié)果說明與基體相比，高韌性混凝土抵抗由初始裂紋而導(dǎo)致破壞的能力明顯增強(qiáng)，損傷容限特性顯著提高。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

表3　兩種材料各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

試驗(yàn)得到的基體和高韌性混凝土的裂縫形式如圖4和圖5所示。試驗(yàn)中觀測(cè)裂縫發(fā)展情況，可以發(fā)現(xiàn)基體試件在達(dá)到峰值荷載后裂縫迅速發(fā)展，試件沿初始裂縫向上迅速斷開，出現(xiàn)單一裂縫破壞模式。高韌性混凝土在峰值荷載前，裂縫開始從初始裂縫位置向上逐漸擴(kuò)展，隨著荷載的增加，初始裂縫上方的裂縫逐漸從單一裂縫發(fā)展成多條裂縫，且裂縫寬度均較小，荷載持續(xù)增加。當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載后，初始裂縫正上方的裂縫開始擴(kuò)展，裂縫寬度逐漸增大，荷載緩慢下降，直至最后試件在初始裂縫的上方形成較大的破損裂縫，試件失效。直至試件喪失承載能力，高韌性混凝土的試件也沒有出現(xiàn)完全斷開，試件依靠裂縫面上的纖維連接仍然保持著一個(gè)單體（如圖5所示）。這也充分體現(xiàn)了高韌性混凝土控制裂縫發(fā)展的能力以及抵抗由裂紋而導(dǎo)致破壞的能力。

4　結(jié)論

本文通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了高韌性混凝土的損傷容限特性。通過對(duì)本文的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）與基體相比，高韌性混凝土試件的荷載-裂縫口張開位移曲線更加豐滿，峰值荷載前存在非線性變形階段，荷載-裂縫口張開位移曲線下所包圍的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基體試件，說明高韌性混凝土的韌性性能顯著提高，控制裂縫發(fā)展和擴(kuò)展的能力明顯增強(qiáng)。

（2）與基體相比，高韌性混凝土的起裂荷載提高了約4倍，峰值荷載提高了約5倍，峰值荷載對(duì)應(yīng)的裂縫口張開位移提高了約50倍，說明與基體相比，高韌性混凝土抵抗由初始裂紋而導(dǎo)致破壞的能力明顯增強(qiáng)，損傷容限特性顯著提高。

（3）峰值荷載后基體出現(xiàn)單一裂縫的脆性斷裂破壞，高韌性混凝土在存在初始裂縫的情況下，仍然產(chǎn)生多縫開裂，且能有效地控制裂縫的發(fā)展。因此，高韌性混凝土具有優(yōu)秀的控制裂縫發(fā)展的能力以及抵抗由裂紋而導(dǎo)致破壞的能力。

［1］ 程念高.我國(guó)壩工建設(shè)的發(fā)展、展望和挑戰(zhàn)［J］.大壩與安全，2001（2）：20-22.

［2］ 魯一暉，孫志恒.水工混凝土建筑物的病害檢測(cè)與修補(bǔ)技術(shù)進(jìn)展［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2003，1（1）：70-74.

［3］ Kunieda M.and Rokugo K.Recent Progress on HPFRCC in Japan［J］.Journal of advanced concrete technology，2006，4（1）：19-33.

［4］ Lepech M D and Li V C.Durability and Long Term Performance of Engineered Cementitious Composites［J］.Restoration of buildings and monuments，2006，12（2）：119-132.

Damage Tolerance Characteristics Study of High Toughness Concrete

FU Bai-quan1，CAI Xiang-rong2
（1.Shenyang Urban Construction University，Shenyang 110167，China；2.Building Science Research Institute of Liaoning Province，Shenyang 110005，China）

In this paper，the damage tolerance characteristics of high toughness concrete are studied by three point bending test.The test results show that high toughness concrete has the ability to control the development of crack and the ability to resist the damage caused by cracks.Compared with the matrix，the initial cracking load of high toughness concrete increases about 4 times，and the peak load increases about 5 times，and the crack mouth opening displacement corresponding to the peak load increases about 50 times.The load-crack opening displacement curve of high toughness concrete specimen is more plentiful，and the failure mode is the ductile failure with multi-cracking characteristic.

High toughness concrete；Initial crack；Multi-cracking；Damage tolerance

U414.1+8

A

1673-6052（2016）03-0001-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.001

※遼寧省教育廳項(xiàng)目（L2014569）