鋼筋ECC/混凝土復(fù)合梁承載力試驗(yàn)研究

周明楊,王煥芳，陳衛(wèi)峰

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.黃河科技學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南 鄭州 454000；3.中通鋼構(gòu)股份有限公司，山東 聊城 252000)

近年來，混凝土結(jié)構(gòu)由于具有良好的承載能力、耐久、耐高溫、便于施工且經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類國防工程的建設(shè)和基礎(chǔ)性設(shè)施中，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]。但混凝土也存在著韌性差、易開裂的缺點(diǎn)，這將會直接影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。因此，傳統(tǒng)的混凝土材料已不能完全滿足現(xiàn)代建筑的需要[2]，急需要尋求一種新型的建筑材料以改善混凝土的性能。目前，纖維增強(qiáng)混凝土是研究最多和應(yīng)用最廣的材料之一[3]。

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Engineering fiber reinforced Cementitious Composites，簡稱ECC)具有超高的抗拉性能和韌性，能夠顯著改變傳統(tǒng)水泥基材料的脆性特征。此外，ECC具有良好的裂縫控制能力，能夠有效解決普通混凝土易開裂及開裂后裂縫寬度難以控制的缺點(diǎn)[4]。Li V C等[5]對ECC的單軸拉伸性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，其極限拉伸應(yīng)變可達(dá)3% ～ 7%，且受拉時表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特性和多微縫開裂特征。PAN J L等[6]對鋼筋增強(qiáng)ECC梁的受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，與RC梁相比，鋼筋ECC梁的極限承載力提高了24.8%，延性系數(shù)提高了1.3倍。蔡景明等[7]對鋼筋增強(qiáng)ECC梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，ECC的存在可明顯提高梁的抗彎承載力和抗裂性能，在梁中用ECC代替受拉區(qū)部分混凝土可有效延緩裂縫的發(fā)展，且裂縫可以有效控制在0.4 mm。李艷等[8]研究了鋼筋ECC/混凝土復(fù)合梁的受彎性能，結(jié)果表明，纖維摻量的增加能夠明顯提高復(fù)合梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載，且使復(fù)合梁的裂縫變得更細(xì)密。Maalej M等[9]對用ECC材料替換受拉區(qū)混凝土的復(fù)合梁進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明，與普通混凝土梁相比，復(fù)合梁的承載能力和變形能力都有一定的提高，且裂縫寬度發(fā)展十分緩慢，裂縫寬度只有普通鋼筋混凝土梁的1/5。

由此可見，ECC優(yōu)異的性能能夠克服普通混凝土的缺點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位用ECC代替普通混凝土預(yù)期能夠明顯改善結(jié)構(gòu)的性能。因此，本文采用同等強(qiáng)度、不同厚度的ECC代替普通鋼筋混凝土梁受拉區(qū)部分混凝土，分析不同ECC層厚度對ECC/RC復(fù)合梁承載力的影響，為實(shí)際工程的應(yīng)用提供依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

本試驗(yàn)共設(shè)計了6根矩形截面梁，其中1根為普通鋼筋混凝土對比梁(編號RC)，1根為鋼筋ECC對比梁(編號ECC)，4根為鋼筋ECC/混凝土復(fù)合梁(按ECC層厚度20 mm、40 mm、60 mm和80 mm分別編號E1～E4)。梁截面尺寸均為b×h=120 mm×200 mm，總長2 000 mm，計算跨度1 800 mm，保護(hù)層厚度20 mm。試驗(yàn)梁中縱向受拉主筋采用2φ12的HRB400級螺紋鋼筋，架立筋采用2φ8的HPB300級鋼筋，箍筋也采用HPB300級鋼筋，除梁中間純彎段600 mm內(nèi)不布置箍筋外，其余部分按φ8@100沿梁全長布置?；炷梁虴CC設(shè)計強(qiáng)度等級均為40 MPa。試驗(yàn)梁的尺寸及配筋情況見圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)梁尺寸及配筋

1.2 試驗(yàn)原材料

混凝土所用材料有：P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；普通河砂，最大粒徑5 mm；粒徑5 ～ 25 mm的碎石；普通自來水。凝土配合比及其28 d立方體抗壓強(qiáng)度值見表1所示。

表1 混凝土配合比及其28d立方體抗壓強(qiáng)度值

ECC所用材料有：P.O42.5級普通硅酸鹽水泥；I級粉煤灰；小浪底細(xì)河砂，最大粒徑0.6 mm；聚羧酸高效減水劑；日本Kuraray 公司生產(chǎn)的K-IIREC15型PVA纖維，體積摻量均為2.0%；普通自來水。ECC配合比及其28 d立方體抗壓強(qiáng)度值見表2所示。

表2 ECC配合比及其28d立方體抗壓強(qiáng)度值

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用3點(diǎn)加載的方式，加載裝置如圖2所示。用千斤頂進(jìn)行自動加載，所加荷載的大小可以通過與荷載傳感器相連的靜力測力儀直接讀出。梁的撓度采用百分表讀數(shù)測量，在試件的兩支座和跨中處各放置并固定一塊百分表，跨中實(shí)際撓度等于跨中位移值減去兩支座位移的平均值。

圖2 加載裝置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

RC梁加載到9.9 kN時，在試件純彎段跨中附近最先出現(xiàn)裂縫，寬度約為40 μm，隨著荷載的增加，新的裂縫不斷出現(xiàn)，當(dāng)荷載達(dá)到36 kN時，裂縫數(shù)量基本穩(wěn)定，跨中附近最大裂縫寬度達(dá)到0.15 mm；繼續(xù)施加荷載，裂縫逐漸向受壓區(qū)擴(kuò)展，寬度也隨之增大；當(dāng)荷載達(dá)到46.4 kN時，縱筋發(fā)生屈服，裂縫擴(kuò)展速度加快；當(dāng)荷載達(dá)到50.5 kN，受壓區(qū)混凝土被壓碎，梁達(dá)到極限承載力發(fā)生彎曲破壞，破壞時純彎段可見5條間距大致相等的裂縫，最大裂縫寬度達(dá)1.56 mm。RC對比梁裂縫發(fā)展形態(tài)如圖3(a)所示。

ECC/混凝土復(fù)合梁在加載前期，ECC層底部最先出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度20 μm左右，隨著荷載的增加，新的裂縫不斷出現(xiàn)，裂縫向混凝土部分?jǐn)U展，但寬度增長緩慢；加載中期，混凝土部分開始出現(xiàn)裂縫，寬度40 μm左右，繼續(xù)增加荷載，裂縫向上部擴(kuò)展，寬度逐漸增大，部分混凝土裂縫向下擴(kuò)展至ECC層；加載后期，混凝土裂縫數(shù)量不再增加，寬度和高度繼續(xù)擴(kuò)展，而ECC層仍繼續(xù)出現(xiàn)許多細(xì)微裂縫，且裂縫寬度均低于混凝土部分裂縫，當(dāng)荷載達(dá)到復(fù)合梁的屈服荷載后，梁變形速度加快，撓度急劇增加；最終，受壓區(qū)混凝土被壓碎，復(fù)合梁達(dá)到其極限承載力發(fā)生彎曲破壞，且ECC厚度越大，復(fù)合梁所達(dá)到的破壞荷載越大。各復(fù)合梁裂縫發(fā)展形態(tài)見圖3(b)～(e)所示。

ECC梁在加載到15.6 kN時，試驗(yàn)梁底部首先出現(xiàn)第一批裂縫，寬度均為20 μm左右，隨著荷載增大，梁中裂縫不斷擴(kuò)展，數(shù)量不斷增加，但裂縫寬度增加速度較慢，加載至54.6 kN時，鋼筋發(fā)生屈服，此時梁中最大裂縫寬度達(dá)0.12 mm，梁體受壓區(qū)有明顯的塑性變形；繼續(xù)加載，梁中裂縫寬度繼續(xù)增大，受拉區(qū)纖維不斷被拉斷或拔出，加載至67.2 kN時，ECC受壓區(qū)出現(xiàn)水平裂縫和鱗片狀凸起，試件破壞。ECC對比梁裂縫發(fā)展形態(tài)見圖3(f)所示。

圖3 試驗(yàn)梁裂縫發(fā)展形態(tài)

2.2 特征荷載值分析

各試驗(yàn)梁特征荷載值及處理結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)梁特征荷載值及處理結(jié)果

注：表中荷載增幅值指各試驗(yàn)梁實(shí)測荷載值與混凝土對比梁相應(yīng)荷載值的比值。

由表3可知：ECC/混凝土復(fù)合梁的各特征荷載值較普通混凝土對比梁均有明顯的提高。其中，復(fù)合梁的開裂荷載提高幅度最大，達(dá)到了41% ～ 64%，而屈服荷載與極限荷載的增幅相對較小，屈服荷載的增幅達(dá)到了13% ～ 26%，極限荷載的增幅為18% ～ 29%。這是因?yàn)樵嚰_裂前，拉力主要由ECC部分承擔(dān)，ECC中纖維的橋連作用很好的抑制了裂縫的開展，因此復(fù)合梁的開裂荷載較對比梁提高較大。當(dāng)試件開裂后，纖維仍能承擔(dān)部分拉力，但隨著荷載的增加，更多的拉力由縱筋承擔(dān)，因此，復(fù)合梁的屈服荷載和極限荷載較混凝土梁也有不同程度的提高，但增幅小于開裂荷載。

各試驗(yàn)梁荷載特征值增幅對比圖如圖4所示。

由圖4可知：隨著ECC厚度的增加，復(fù)合梁及ECC對比梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載也隨之增大。此外，結(jié)合表3及圖4可知，E2梁(ECC層厚度為40 mm)特征荷載值較普通混凝土梁的增幅分別為53%、23%和26%，E3梁(ECC層厚度為60 mm)的特征荷載值較普通混凝土梁的增幅比E2梁分別增加了7%、2%和0，ECC對比梁(ECC厚度為200 mm)的特征荷載值較普通混凝土梁的增幅比E2梁分別增加了17%、6%和7%，說明隨著ECC層厚度的增加，實(shí)驗(yàn)梁的特征荷載值提高幅度開始減小。由于ECC材料中纖維的成本昂貴，因此在采用ECC代替普通混凝土梁受拉區(qū)混凝土部分時，ECC厚度以40 mm為宜。

圖4 試驗(yàn)梁荷載特征值增幅對比圖

3 結(jié)論

(1)采用ECC代替普通混凝土受拉區(qū)部分制成的ECC/混凝土復(fù)合梁，可明顯提高復(fù)合梁的各特征荷載值，其中開裂荷載提高幅度最大；

(2)隨著ECC厚度的增加，復(fù)合梁及ECC對比梁的開裂荷載、屈服荷載和極限荷載也隨之增大；

(3)當(dāng)ECC層厚度超過40 mm時，荷載特征值的增幅不再明顯，綜合考慮經(jīng)濟(jì)等因素，復(fù)合梁中受拉區(qū)ECC厚度以40 mm為宜。

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