非黏結混凝土-ECC復合功能梯度構件彎曲性能研究

袁化強，李洪印，崔志勇，孫仁娟，管延華，葛智

非黏結混凝土-ECC復合功能梯度構件彎曲性能研究

袁化強1，李洪印2，崔志勇3，孫仁娟1，管延華1，葛智1

(1. 山東大學 齊魯交通學院，山東 濟南 250000；2. 齊魯交通發(fā)展集團有限公司，山東 濟南 250000；3. 泰安市交通運輸局，山東 泰安 271000)

為控制保護層裂縫寬度，阻止有害介質侵入混凝土內(nèi)部造成鋼筋腐蝕銹脹等病害，提高結構物耐久性能，提出一種新型非黏結性超高韌性水泥基復合材料功能梯度構件。通過四點彎曲試驗研究層間黏結方式及纖維網(wǎng)增強對功能梯度構件的起裂荷載、極限荷載、跨中位移、裂縫發(fā)展和裂縫寬度等性能的影響規(guī)律及破壞模式。研究結果表明：黏結方式對功能梯度構件的起裂荷載影響不大，對極限荷載影響較大。采用纖維網(wǎng)增強可以彌補非黏結性功能構件承載能力較低的不足。非黏結性功能梯度構件可以對裂縫更好地進行無害化分散，避免了黏結性功能梯度構件出現(xiàn)的局部性裂縫集中現(xiàn)象，構件破壞后保護層平均裂縫寬度不大于0.1 mm，且未貫通保護層，可有效提高構件的耐久性。

非黏結性功能梯度構件；四點彎曲；超高韌性水泥基復合材料；裂縫；纖維網(wǎng)

混凝土具有抗壓強度高，原材料廣泛等優(yōu)點，廣泛應用于土木建筑行業(yè)。但由于混凝土本身抗拉強度及韌性低，現(xiàn)有的普通鋼筋混凝土結構的保護層在荷載作用下會產(chǎn)生較大的宏觀裂縫[1]，造成周圍環(huán)境中的有害介質侵入混凝土結構內(nèi)部，引起鋼筋銹脹、混凝土凍脹等病害，導致保護層剝落，降低混凝土的耐久性和結構物的使用壽命，造成資源浪費和經(jīng)濟損失[2]。在混凝土中添加纖維可提高混凝土的延性和韌性，并能較好地解決由于早期收縮和荷載作用引起的混凝土開裂，提高結構物耐久性。近年來各種纖維混凝土的研究和應用已經(jīng)取得了豐碩的成果[3?6]。20世紀90年代，LI等[7?10]采用聚乙烯纖維作為增強材料，以水泥砂漿為基體提出了超高韌性水泥基復合材料(Engineered Cementi- tious Composite-ECC)。相比于普通纖維混凝土，ECC具有更為優(yōu)異的性能，無論是在拉伸還是彎曲荷載作用下都表現(xiàn)出明顯的應變硬化特征，可以將傳統(tǒng)水泥基材料在彎拉荷載下單一裂紋的宏觀開裂模式轉化為多條細密裂紋的微觀開裂模式，具有良好的裂縫控制能力，極限拉應變可穩(wěn)定地達到3%以上[3, 11?12]?；贓CC優(yōu)異的抗拉性能，部分學者提出采用ECC替換鋼筋混凝土構件中受拉區(qū)鋼筋的保護層，從而提出復合功能梯度梁。Maalej等[13?14]對超高韌性水泥基復合材料控裂功能梯度梁進行試驗研究后發(fā)現(xiàn): 超高韌性水泥基復合材料功能梯度梁和普通的鋼筋混凝土梁當梁內(nèi)鋼筋發(fā)生屈服時荷載值基本相同，但前者的極限承載荷載值比后者高約1/10。徐世烺等[15]率先開展超高韌性復合材料控裂功能梯度復合梁受彎性能的研究工作，根據(jù)功能梯度的概念對鋼筋混凝土結構進行優(yōu)化設計，制備了控裂功能梯度復合梁以此來提高鋼筋混凝土的耐久性。CAI等[16]采用簡化的 ECC 本構模型對鋼筋增強 ECC及混凝土構件的彎曲性能進行非線性有限元分析，結果表明使用壽命內(nèi)鋼筋增強的ECC 構件其裂縫可以控制在 0.4 mm內(nèi)。YAN等[17]對鋼筋增強的 ECC 雙筋梁正截面提出不同階段承載力計算方法，發(fā)現(xiàn)提高 ECC 抗壓強度有益于改進梁彎曲性能，提高 ECC 極限受壓應變可以改進構件的極限曲率和延性但對彎曲承載力影響較小。GE等[18]提出復合功能梯度構件彎曲承載能力簡化計算公式，有利于理論分析構件的承載能力，為構件的設計提供指導意義。ZHENG等[19]采用纖維網(wǎng)增強的ECC對混凝土梁進行加固，構件的極限承載能力和延性都有進一步的提高，同時構件的裂縫寬度減小。喬治等[20]提出采用ECC制作U型永久性模板，與混凝土形成外包式ECC/RC組合梁，開展了3種不同界面處理方式的ECC/RC組合構件的彎曲性能試驗研究，提出ECC/RC組合構件極限狀態(tài)下彎曲撓度的簡化計算方法，得到組合構件完全開裂截面的慣性矩計算公式。但目前常用的超高韌性水泥基復合材料功能梯度構件，其混凝土層與ECC保護層黏結為一個整體，兩層之間不允許相對滑動。在荷載作用下，共同受力ECC保護層與混凝土構件一同變形，所以仍會出現(xiàn)局部性裂縫集中現(xiàn)象[21]，而在ECC保護層上也會出現(xiàn)較大的貫通裂縫，水、氯鹽等有害介質可以通過貫通裂縫進入混凝土內(nèi)部，從而造成鋼筋的銹蝕等病害，進而影響結構物的耐久性能。本文提出一種新型非黏結性超高韌性水泥基復合材料功能梯度構件，通過將混凝土層與ECC保護層進行層間分離，消除層間黏結力，使2層可相對滑動。通過超高韌性水泥基復合材料在混凝土層兩端的錨固，將構件受拉區(qū)在荷載作用下所承受的拉力均勻傳遞到ECC保護層中，利用其優(yōu)異的裂縫控制能力，在ECC保護層上形成大量的微細裂縫，進而避免貫通裂縫的產(chǎn)生，有效抑制裂縫寬度擴展，抵抗水和有害物質的滲入，保護鋼筋免于銹蝕，進而改善構件的耐久性，延長結構物使用壽命。同時非黏結性功能梯度構件能夠在較大的跨中撓度下產(chǎn)生裂縫而不發(fā)生斷裂，構件雖然不再具備承載能力，但構件各部分依舊連接成為整體。故該類型構件同樣適用于地震帶建筑或者超高層建筑，當建筑物在突然的巨大荷載作用下破壞后，產(chǎn)生的危害較小。試驗 采用4點彎曲試驗研究黏結方式及采用纖維網(wǎng)增強對功能梯度構件受彎性能的影響規(guī)律及其破壞模式。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗材料

試驗原材料包括濟南產(chǎn)P.O.425水泥，濟南產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰、精細石英砂、一般粗砂、優(yōu)質碎石(粒徑5~10 mm：10~15 mm為6:4)、水、外加劑、及PVA纖維。ECC具體配比見表1，PVA纖維性能參數(shù)見表2。試驗配制強度等級為C30的普通混凝土用于澆筑功能梯度構件，具體配比見表3。功能梯度構件采用的配筋為8號鍍鋅鐵絲，抗拉強度410 MPa，配筋率0.63%。

1.2 試驗過程

1.2.1 試驗方案

首先研究不同黏結方式對素混凝土及配筋混凝土功能梯度構件抗彎性能的影響規(guī)律。然后針對非黏結性功能梯度構件承載能力較低的不足，對保護層采用纖維網(wǎng)增強來進一步研究其極限承載能力和裂縫控制能力。試驗共對5種不同類型的構件進行研究，構件的具體類型見表4。

表1 超高韌性水泥基復合材料(ECC)配合比

表2 PVA纖維參數(shù)

表3 C30混凝土配合比

表4 構件的類型

注釋：黏結性指ECC保護層與混凝土黏結在一起；非黏結性指ECC保護層與混凝土層之間設置薄膜類隔離層。

1.2.2 試件設計

制備的功能梯度構件尺寸400 mm×100 mm×100 mm。其中ECC作為保護層，鋼筋布置在混凝土中；對于纖維網(wǎng)增強功能梯度構件，纖維網(wǎng)鋪設于ECC保護層厚度一半處，保護層厚度均為20 mm，對于非黏結性功能梯度構件，錨固端復合材料高度為50 mm。構件的具體結構類型如圖1和圖2所示。

1—混凝土層；2—受拉鋼筋；3—超高韌性水泥基復合材料保護層；4—纖維網(wǎng)。

1—混凝土層；2—受拉鋼筋；3—超高韌性水泥基復合材料保護層；4—纖維網(wǎng)；5—錨固端。

1.3 加載方案

試驗采用WDW-100E實驗機加載，首先加載至0.5 kN后持載100 s，然后按照0.5 mm/min速率加載至構件破壞。在構件跨中處布置LVDT來采集構件的跨中撓度，并按圖3所示在構件的不同位置布置應變片來檢測其應變。構件加載結束后使用ZBL-F800裂縫綜合測試儀測量ECC保護層的裂縫寬度，對裂縫數(shù)量和裂縫寬度進行統(tǒng)計。

圖3 功能梯度構件應變片布置位置示意圖

2 試驗結果分析

2.1 黏結方式對功能梯度構件性能影響

2.1.1 極限承載力與跨中撓度

圖4為2種不同黏結方式的配筋功能梯度構件荷載?跨中撓度曲線?？梢钥吹讲煌そY方式的配筋功能梯度構件的試驗曲線基本相似。對于非黏結性配筋功能梯度構件，點為混凝土層起裂點，在混凝土起裂前曲線幾乎為一條直線；起裂后由于鋼筋和ECC保護層可以繼續(xù)承擔彎曲拉力，在局部放大圖中可觀察到曲線斜率略有減小，但以線性方式繼續(xù)增長，此為裂縫發(fā)展階段；在點處鋼筋屈服，此后承載能力增長緩慢，段為鋼筋強化階段，ECC保護層與鋼筋共同承擔拉應力，ECC保護層發(fā)展許多細小密裂縫；點對應構件極限荷載值，此后試驗力開始下降，段為構件破壞階段。非黏結功能梯度構件各階段加載的照片見圖5。黏結性配筋功能梯度構件各個階段與非黏結性配筋功能梯度構件相對應。由圖4可得黏結性配筋功能梯度構件的極限荷載為23.1 kN，最大跨中撓度值為1.4 mm；非黏結性配筋功能梯度構件的極限荷載為18.8 kN，最大跨中撓度值2.9 mm。非黏結性功能梯度構件的極限荷載值下降18.6%，跨中撓度值可提高107.1%，非黏結性配筋功能梯度構件承載能力較低但具有更大的延性。

圖4 配筋功能梯度構件荷載-跨中撓度曲線

圖6為2種不同黏結方式的素混凝土功能梯度構件荷載?跨中撓度關系。由圖6可知，非黏結性素混凝土功能梯度構件的極限荷載值要低于黏結性素混凝土功能梯度構件，但是破壞時的跨中撓度值更大。對比圖4和圖6可以明顯觀察到，素混凝土功能梯度構件中由于沒有配置鋼筋試驗曲線缺少鋼筋強化階段，裂縫發(fā)展階段結束時構件已經(jīng)達到極限荷載值，此后試驗力開始下降，構件破壞。綜上所述，配筋功能梯度構件和素混凝土功能梯度構件表現(xiàn)出非黏結性功能梯度構件的極限荷載值有所下降，但構件破壞時的跨中撓度值有明顯提高，避免構件在較大撓度值情況下突然斷裂，提高了構件的使用安全性能。考慮目前結構物中大多使用鋼筋混凝土構件，故以下內(nèi)容僅對配筋功能梯度構件進行分析以探討非黏結性功能梯度構件的性能。

(a) 裂縫發(fā)展階段；(b) 鋼筋強化階段；(c) 構件破壞階段

圖6 素混凝土功能梯度構件荷載-跨中撓度曲線

2.1.2 起裂荷載確定

通過比較構件底面03和側面06，07號應變片測值的變化可以確定構件的起裂荷載、起裂的位置和起裂先后次序。圖7為黏結性配筋功能梯度構件荷載?應變關系。由于混凝土極限拉應變小于ECC極限拉應變，最先達到起裂荷載所以混凝土層最先起裂。從圖中可以觀察到當荷載值達到2.7 kN時混凝土層的07號應變片測值最先出現(xiàn)了水平段，表明混凝土起裂。同時由于混凝土與ECC保護層黏結在一起共同受力協(xié)調(diào)變形所以黏貼在ECC保護層底面的03號應變片位置和貼在ECC保護層側面的06號應變片位置緊隨其后開始起裂。裂縫在混凝土起裂的位置處不斷向下開展，保護層出現(xiàn)細密的裂縫。

圖8為非黏結性配筋功能梯度構件荷載?應變關系。從圖中可以看出當外荷載達到1.56 kN混凝土層和ECC保護層基本同時起裂，錨固端將彎曲拉應力傳遞到ECC保護層，保護層出現(xiàn)細密裂縫。荷載達到2.3 kN時06號應變片出現(xiàn)水平段，表明此時ECC保護層的裂縫有沿高度向上發(fā)展。但是觀察試驗曲線發(fā)現(xiàn)起裂后06號應變片的測值基本沒有變化，試驗曲線接近垂直，表明裂縫寬度基本沒有增加。當荷載值達到極限荷載值的64%接近鋼筋屈服點時，06號應變片的測值開始增加，表明裂縫寬度開始增長。可見加載前期非黏結性功能梯度構件ECC保護層裂縫基本不會沿高度向上發(fā)展而是不斷出現(xiàn)新的裂縫，這樣可以避免保護層貫通裂縫的出現(xiàn)，從而有利于阻斷有害介質進入混凝土內(nèi)部通道，減少混凝土構件病害的發(fā)生。

圖7 黏結性配筋功能梯度構件荷載-應變曲線

對比圖7和圖8，對于黏結性功能梯度構件當荷載值達到6.3 kN時混凝土層的應變值為128.2 με，而非黏結性功能梯度構件荷載值達到7.4 kN時混凝土層的應變值僅為105.7 με?？梢姺丘そY性功能梯度構件在更大的試驗力下，混凝土層的變形相比之下更小，故混凝土層裂縫擴展得到了有效的抑制，體現(xiàn)了非黏結性功能梯度構件對混凝土層裂縫寬度的控制能力。同時混凝土層的裂縫寬度減小可以進一步減小保護層裂縫寬度，提高構件的耐 久性。

圖8 非黏結性配筋功能梯度構件荷載-應變曲線

2.1.3 ECC保護層變形分析

通過研究構件底面的不同位置的應變片測值可以分析構件保護層的變形情況。圖9為黏結性配筋功能梯度構件底面不同位置處應變片的荷載?應變曲線。由圖9可知，位于支座附近01和02號應變片隨著荷載的增加應變值變化很小。由于01號應變片位于支座右側，所以在加載過程中不會受到荷載作用，圖像為一條豎線。02號應變片位于支座右側靠近支座位置，受到的拉應力較小，圖像為一條斜率很大的直線。相比之下位于構件純彎曲段的03號應變片測值隨荷載增加不斷地變大。

圖10為非黏結性配筋功能梯度構件底面不同位置處應變片的荷載?應變曲線。在荷載不斷增大的過程中，3個位置的應變片測值均在不斷增大。02號應變片在荷載較小時，由于支座的作用應變片處于受壓狀態(tài)但測值較小，當荷載增大后02號應變片位置的保護層開始受拉，測值增加。貼在支座左側的01號應變片由于構件錨固端的作用在開始加載時該位置就處于受拉狀態(tài)，加載初期，該位置的應變測值甚至要大于跨中03號應變片的測值。

對比分析圖9和圖10，可以發(fā)現(xiàn)黏結性配筋功能梯度構件ECC保護層裂縫發(fā)展主要集中在構件的純彎曲段內(nèi)，而支座附近以及支座外側的保護層基本不受拉應力或者所承擔的彎曲拉應力相對較小。這樣就無法高效利用ECC材料優(yōu)異的性能來提高構件的耐久性，造成了材料的浪費。相比之下非黏結性配筋功能梯度構件通過將彎曲應力傳遞到構件的2個錨固端，再分散到整個ECC保護層，結合PVA纖維的橋聯(lián)作用使整個保護層共同承擔彎曲拉應力，可以通過增大保護層的開裂范圍達到減小保護層裂縫寬度的目的來提高構件的耐久性。

2.2 纖維網(wǎng)對功能梯度構件性能影響

結合纖維網(wǎng)與ECC材料二者的優(yōu)勢，功能梯度構件可以獲得更為優(yōu)良的抗裂和裂縫控制的能力,不但能夠對混凝土裂縫進行無害化分散，還能提高其承載力[22]。

圖11為3種不同類型非黏結性功能梯度構件荷載?跨中撓度曲線。從圖中可以觀察到，從A到C，其極限荷載有明顯增加，構件破壞時的跨中撓度值也相應有所增加。素混凝土功能梯度構件(A)由于沒有設置鋼筋，相比于其他2種類型加載過程中缺少鋼筋強化階段，導致最終保護層的細小裂縫也相對較少。當混凝土出現(xiàn)大裂縫后試驗力急劇下降，在ECC承擔一部分拉應力后構件接近破壞；ECC保護層采用纖維網(wǎng)增強后(C)，構件極限荷載值達到21.3 kN，相比非黏結性配筋功能梯度構件極限荷載值提高了13.3%，接近黏結性配筋功能梯度梁的極限荷載值，同時構件破壞時跨中撓度值為4.7 mm，較非黏結性配筋功能梯度構件提高62.1%，可以證明纖維網(wǎng)對于構件的承載能力提高有顯著作用。同時構件破壞后的裂縫統(tǒng)計表明，纖維網(wǎng)也能更有效地對裂縫進行無害化分散，減小了保護層的裂縫寬度。

圖11 非黏結性梯度構件荷載-跨中撓度曲線

2.3 破壞模式

為了探討極端條件下，構件的破壞模式，試驗力加載至構件的極限使用狀態(tài)。黏結性功能梯度構件最終破壞形式如圖12所示，其混凝土層大裂縫對應位置的ECC保護層會開裂形成許多細小的密集裂縫，體現(xiàn)了ECC的多裂縫開裂特性。但是在加載后期，這些裂縫會逐漸貫通，有害物質便可以通過貫通的裂縫進入混凝土內(nèi)部從而引起相應的病害，ECC保護層失去對構件的保護作用。

圖12 黏結性配筋功能梯度構件破壞

非黏結性配筋功能梯度構件最終破壞形式如圖13所示，由左圖可以明顯觀察到構件的最終破壞形式表現(xiàn)為構件兩端的錨固端脫落或者在錨固端處出現(xiàn)大裂縫，從而導致試件不再具備承載能力。由右圖可見，構件的混凝土層最終在跨中位置產(chǎn)生很大的裂縫，但是對應的ECC保護層位置只有細小的且未貫通保護層的裂縫出現(xiàn)。故避免了類似于黏結性功能梯度構件中出現(xiàn)的混凝土層的裂縫以直線方式延伸至保護層形成貫通裂縫，所以可以避免結構物突然破壞，提高了結構物的安全 性能。

圖13 非黏結性配筋功能梯度構件破壞

圖14為非黏結性配筋功能梯度構件破壞后底面裂縫照片，構件破壞后的裂縫平均寬度為0.1 mm且這些裂縫未貫通ECC保護層。采用纖維網(wǎng)增強不但可以承擔一部分荷載提高構件的承載能力同時能夠將彎曲拉應力更為均勻地進行分散，進一步減小了保護層的裂縫寬度，構件破壞后的保護層平均裂縫寬度僅為0.09 mm。2種非黏結性功能梯度構件的裂縫寬度均不大于0.1 mm，滿足環(huán)境對混凝土保護層裂縫寬度的要求，所以非黏結性功能梯度構件能夠提高構件的耐久性。

圖14 非黏結性功能梯度構件裂縫照片

3 結論

1) 黏結方式對混凝土的起裂影響不大，但對構件的承載能力和跨中撓度有明顯作用。非黏結性配筋功能梯度構件極限荷載值降低18.6%，但破壞時跨中撓度值提高107.1%，構件具有更大的延性，鋼筋屈服后荷載不會急劇下降，構件不會突然斷裂破壞。可以將非黏結性功能梯度構件用于地震帶或高層建筑物，來降低結構物在突然地巨大荷載作用下突然破壞造成的損失，以此提高結構物的使用安全性能。

2) 采用纖維增強后，構件的極限荷載提高13.3%，且破壞時跨中撓度值提高62.1%。在提高承載能力的同時，減小了ECC保護層的裂縫寬度，進一步提高構件的耐久性。

3) 非黏結性配筋功能梯度構件，可以將彎曲拉應力更充分地分散到ECC保護層中，對混凝土裂縫進行無害化分散，構件極限破壞時ECC保護層平均裂縫寬度不大于0.1 mm且未貫通，低于環(huán)境對構件的裂縫寬度要求，依舊對構件具有保護作用。

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The flexural behavior of unbounded concrete-ECC functional composite beam

YUAN Huaqiang1, LI Hongyin2, CUI Zhiyong3, SUN Renjuan1, GUAN Yanhua1, GE Zhi1

(1. School of Qilu Transportation Shandong University, Jinan 250000, China; 2. Qilu Transportation Development Group, Jinan 250000, China; 3. Tai’an Transportation Bureau, Tai’an 271000, China)

The paper proposed a new unbounded concrete-ECC functional composite beam. It intended to control concrete crack width and to prevent the intrusion of aggressive agents into concrete which can cause rebar corrosion and so on. So it can be used to improve the durability of structure. The four-point bending test was conducted to investigate the effects of interface bonding condition, fiber mesh reinforcement and failure pattern on the flexural behavior of the functional composite beam. The initial cracking strength, ultimate flexural strength, mid-span deflection, cracking propagation and cracking width under loading were investigated. The results show that the bonding condition had little influence on initial cracking strength, but significant effect on the ultimate flexural strength. The unbounded composite beam could facilitate the crack distribution and avoid the cracking concentration at localized position of the bounded composited beam. The average width was less than 0.1mm for cracks in the protection layer. None of cracks penetrated the protection layer, it could improve bridge durability.

unbounded composite functional beam; four-point bending; engineered cementitious composite; crack; fiber mesh

TU528.572

A

1672 ? 7029(2019)07? 1765 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.022

2018?09?25

山東省自然科學基金資助項目(ZR2016EEM03)

孫仁娟(1972?)，女，山東煙臺人，副教授，博士，從事道路結構與材料研究；E?mail：sunrenjuan@sdu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)