模袋布加固混凝土梁的彎曲韌性試驗(yàn)

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

1 前 言

混凝土是一種抗拉強(qiáng)度低而脆性大的材料，混凝土結(jié)構(gòu)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)一些影響結(jié)構(gòu)安全使用的裂縫[1]，在渠道襯砌應(yīng)用方面更為嚴(yán)重。模袋混凝土結(jié)合了傳統(tǒng)混凝土和模袋布柔性的優(yōu)點(diǎn)，不僅改善了混凝土的力學(xué)性能，而且部分抑制了混凝土的裂縫發(fā)展。

模袋混凝土是將砂漿或自密實(shí)混凝土通過(guò)混凝土泵車(chē)充灌進(jìn)土工織物做成的模袋，用作渠道襯砌和防滲等作用的一種全新施工技術(shù)[2]，最早應(yīng)用于1969年竣工的加拿大多倫多航道試驗(yàn)工程中。我國(guó)于1985年引進(jìn)該技術(shù)，并用于江蘇無(wú)錫澄運(yùn)河南閘段的施工，開(kāi)啟了我國(guó)模袋混凝土技術(shù)的應(yīng)用先河[3]。模袋混凝土具有整體性好、耐久性好和地形適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，服役壽命可達(dá)30余年而且免維修，并可以適應(yīng)在水下鋪設(shè)充灌施工[2,4]。但由于室外的模袋混凝土體積規(guī)模較大，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)的力學(xué)性能研究很難實(shí)現(xiàn)，所以目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)模袋混凝土相關(guān)力學(xué)性能的理論研究還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道，更沒(méi)有一種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)其抗裂能力。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在混凝土梁表面粘貼模袋布來(lái)形成簡(jiǎn)易的模袋混凝土梁，利用模袋布來(lái)約束混凝土裂縫的擴(kuò)展，彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，提高混凝土梁的抗彎強(qiáng)度和韌性[15]。通過(guò)比較等強(qiáng)度條件下素混凝土梁和模袋布加固混凝土梁斷裂前和斷裂時(shí)的彎曲韌性，分析了在不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下模袋布對(duì)混凝土梁彎曲韌性的影響，研究了混凝土開(kāi)裂各階段模袋布對(duì)混凝土梁裂縫擴(kuò)展控制能力，為提高模袋混凝土抗裂性提供實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

實(shí)驗(yàn)選用盾石牌P·O42.5型普通硅酸鹽水泥，細(xì)度為4.2%，比表面積為348m2/kg，安定性合格；粉煤灰為II級(jí)，表觀密度為2250kg/m3；細(xì)骨料為取自陜西渭河的河沙，表觀密度為2627kg/m3，含泥量為1.76%，細(xì)度模數(shù)Mx為2.76，屬于中砂；粗骨料采用渭河卵石，粒徑為5～20mm，表觀密度為2650kg/m3，具有良好的連續(xù)級(jí)配；減水劑為HS-GJS聚羧酸高性能減水劑，引氣劑為HS-YQ引氣減水劑；模袋布面密度為300g/m2，厚度為0.5mm，經(jīng)向斷裂強(qiáng)力為77.9kN/m，緯向斷裂強(qiáng)力為53.6kN/m，彈性模量為3850MPa。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)6組，試件尺寸均為b×h×L=150×150×550mm，跨度為450mm，每一組試驗(yàn)梁共成型6根，剪跨均為150mm，其中3根是素混凝土對(duì)比梁，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取測(cè)試的平均值。模袋布均粘貼在混凝土梁的受拉和受壓面，模袋布尺寸為：150×550×0.5mm(見(jiàn)圖1)。實(shí)驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)分為六級(jí)：C15、C20、C25、C30、C35、C40，固定粗骨料體積分?jǐn)?shù)為0.33，砂率為50%，粉煤灰摻量為膠凝材料總質(zhì)量的20%，通過(guò)調(diào)整減水劑用量保證混凝土拌合物和易性良好，坍落度為220～260mm，擴(kuò)展度為520～560mm，調(diào)整引氣劑的摻量以保證含氣量達(dá)到5.5%～6.5%。為增強(qiáng)試驗(yàn)評(píng)估的合理性，在模袋布加固混凝土梁試驗(yàn)之前，首先進(jìn)行自密實(shí)混凝土(150×150×150mm)立方試件的28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

圖1 試件尺寸圖Fig.1 Details of test beams (a) side view; (b) top view

NumberWater-binder ratioWaterCementFly ash dosageStoneSandPolycarboxylic acidAir content/%Compressive strength/MPaC150.65 17021053874.5874.51.58 6.319.89 C200.56 16824060874.5874.51.80 624.01 C250.49 16527068874.5874.52.03 5.629.02 C300.43 16330075874.5874.52.25 5.934.69 C350.38 16034085874.5874.52.55 5.839.07 C400.34 15837694874.5874.52.82 644.65

實(shí)驗(yàn)前梁底面模袋布上貼3片應(yīng)變片，用以測(cè)量模袋布的應(yīng)變；在“純彎段”內(nèi)梁側(cè)面貼3片應(yīng)變片，用以測(cè)量混凝土的應(yīng)變；在梁跨中安裝百分表，用以測(cè)量梁跨中的位移。具體位置見(jiàn)圖1，目測(cè)觀察梁上裂縫的分布和開(kāi)展情況。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的主要內(nèi)容有：荷載位移曲線、模袋布和混凝土梁側(cè)面的應(yīng)變、裂縫情況。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

所有試驗(yàn)梁均為簡(jiǎn)支，梁的凈跨為450mm，加載方式為三分點(diǎn)兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)加載法。為了確定預(yù)先施加荷載的大小，1根對(duì)比梁用來(lái)確定極限荷載。所有試驗(yàn)梁均采用分級(jí)加載制度，由于混凝土抗拉強(qiáng)度較低，在達(dá)到達(dá)極限荷載以前加載速率應(yīng)盡量小[6]。采用DH3818靜態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變，跨中撓度由百分表測(cè)量。在每一級(jí)載荷下，采集模袋布以及混凝土梁側(cè)面的應(yīng)變數(shù)值，并記錄每級(jí)載荷下的跨中位移。

3 結(jié)果及分析

3.1 裂縫及破壞形態(tài)

實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)梁加載至破壞時(shí)，素混凝土梁和模袋混凝土梁均出現(xiàn)彎曲裂縫，破壞時(shí)只有一條“可見(jiàn)”裂縫且出現(xiàn)在試驗(yàn)梁的純彎曲線段，素混凝土梁破壞時(shí)伴有較響的破壞聲，裂縫從上至下貫穿整個(gè)試驗(yàn)梁；與素混凝土梁相比，模袋混凝土梁破壞表現(xiàn)為混凝土梁底部出現(xiàn)一條微細(xì)短裂縫，裂縫沒(méi)有貫穿試驗(yàn)梁，混凝土與模袋布之間的剝離現(xiàn)象未發(fā)生，說(shuō)明模袋布對(duì)試驗(yàn)梁裂縫的展開(kāi)起到了很好的約束作用，并降低了混凝土的脆性，表現(xiàn)出延性破壞特征，見(jiàn)圖2。從圖可見(jiàn)，試驗(yàn)梁破壞表現(xiàn)形式為破壞面整齊、無(wú)壓碎痕跡，這主要由混凝土抗拉強(qiáng)度較低，破壞時(shí)由于達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變而產(chǎn)生的，破壞很突然，從模袋混凝土梁的側(cè)面和斷面處觀察,模袋布與普通混凝土粘結(jié)試件未發(fā)現(xiàn)沿界面滑移的現(xiàn)象[6-8]。

圖2 梁裂縫及破壞形貌圖(a) 梁裂縫對(duì)比圖; (b) 模袋混凝土梁裂縫破壞形貌圖Fig.2 Crack and breakage patterns of beam (a) Comparison of cracks of beam； (b) Crack and breakage patterns of mould-bag beam

3.2 跨中撓度

試驗(yàn)梁跨中撓度與荷載之間的關(guān)系曲線如圖3所示。與素混凝土梁相比，同強(qiáng)度的模袋混凝土梁在同一荷載作用下的位移均有所降低，表明模袋布可以有效地約束混凝土梁的變形并提高梁的抗彎強(qiáng)度。從圖可見(jiàn)，在加載初期，同強(qiáng)度的模袋混凝土和素混凝土試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線差別很小，此時(shí)模袋布還未發(fā)揮明顯的作用。隨著荷載的增加，由于模袋布的約束作用，模袋混凝土梁的跨中撓度發(fā)展明顯比素混凝土梁的慢。破壞時(shí)，模袋混凝土梁和素混凝土梁的跨中位移即跨中撓度相差很小，可見(jiàn)模袋布可以降低混凝土梁的撓度，并改善梁的整體性。此外，比較不同強(qiáng)度混凝土梁，發(fā)現(xiàn)在模袋布加固量相同的條件下，模袋混凝土梁撓度增長(zhǎng)速率隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而有減小的趨勢(shì)[9-12]。

3.3 跨中截面應(yīng)變分布

圖4示出了不同強(qiáng)度等級(jí)的模袋混凝土梁跨中純彎段截面各個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同荷載條件下的平均應(yīng)變分布。所有試驗(yàn)梁的應(yīng)變數(shù)據(jù)通過(guò)DH3816靜態(tài)應(yīng)變儀采集，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。從圖4可看出當(dāng)荷載較小時(shí)，梁的中和軸在截面中部附近，隨著荷載的增大，中和軸逐步向受壓區(qū)移動(dòng)。 本次試驗(yàn)在各受力階段跨中截面上的平均應(yīng)變分布可采用平截面假定[13-15]。

3.4 粘結(jié)強(qiáng)度

粘結(jié)強(qiáng)度由抗剪粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉粘結(jié)強(qiáng)度組成[15]，本試驗(yàn)中模袋布與混凝土的粘結(jié)界面主要考慮承受面內(nèi)應(yīng)力作用，故本文研究抗剪強(qiáng)度，且著重研究混凝土梁斷裂前粘結(jié)強(qiáng)度的變化。試驗(yàn)中由模袋布表面的應(yīng)變片監(jiān)測(cè)模袋布的應(yīng)變，根據(jù)模袋布底面從左至右3個(gè)毗鄰應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)i、j和k得到的應(yīng)變值εi、εj和εk，再采用公式(1)分別計(jì)算出3個(gè)測(cè)點(diǎn)間的剪切強(qiáng)度τij、τjk，取其平均值得平均剪切強(qiáng)度τu，本試驗(yàn)由平均剪切強(qiáng)度來(lái)表征粘結(jié)應(yīng)力。

(1)

式中，tp，Ep和lij分別表示模袋布的厚度，彈性模量和兩測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片的中心間距[16]。

圖5為粘結(jié)應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化的規(guī)律。從圖可見(jiàn)，當(dāng)荷載較小時(shí)，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件的模袋布與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力基本相等；隨著荷載的增加，試件縱向粘貼的模袋布上應(yīng)變的增長(zhǎng)梯度隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)增大而增大，即粘結(jié)應(yīng)力隨之增大。以C15強(qiáng)度的混凝土試件粘結(jié)強(qiáng)度峰值為基準(zhǔn)，C20、C25、C30、C35和C40強(qiáng)度的混凝土試件粘結(jié)應(yīng)力

圖3 試驗(yàn)梁荷載-撓度曲線圖(a) C15； (b) C20； (c) C25； (d) C30； (e) C35； (f) C40Fig.3 Load-deflection curves of test beam (a) C15; (b) C20; (c) C25; (d) C40; (e) C35;(f) C40

圖4 試驗(yàn)梁跨中截面應(yīng)變分布圖(a) C15； (b) C20； (c) C25； (d) C30； (e) C35； (f) C40Fig.4 Strain distribution over the cross section of test beam (a) C15; (b) C20; (c) C25; (d) C40; (e) C35;(f) C40

圖5 模袋混凝土梁的荷載-粘結(jié)應(yīng)力曲線圖Fig.5 Load-bond stress curves

峰值分別是C15強(qiáng)度的1.31倍、1.81倍、2.16倍、2.39倍和2.77倍，即粘結(jié)應(yīng)力隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大，但粘結(jié)應(yīng)力在混凝土梁斷裂時(shí)較小。這是因?yàn)椋夯炷翆儆诖嘈圆牧?，其抗拉?qiáng)度較小，混凝土梁破壞時(shí)的產(chǎn)生的剪力不足以使模袋布與混凝土剝離，所以本試驗(yàn)測(cè)出的粘結(jié)強(qiáng)度較小。

模袋布與混凝土之間的粘結(jié)機(jī)理初步闡述如下：當(dāng)荷載較小時(shí)，模袋布通過(guò)與混凝土自身的范德華力和機(jī)械咬合力粘結(jié)一起，變形一致；隨著荷載的增加，粘結(jié)應(yīng)力逐漸增大，混凝土中拉應(yīng)力也不斷增長(zhǎng)；當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力將達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，局部混凝土淺層由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻而在薄弱處被拉裂，在該位置處首先出現(xiàn)裂縫，混凝土試件發(fā)生脆性破壞，同時(shí)模袋布與混凝土梁的粘結(jié)界面破壞，但模袋布并未剝離[17]。

4 彎曲韌性

4.1 以德國(guó)纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)(DBV1998)為基礎(chǔ)的彎曲韌性評(píng)價(jià)方法

借鑒德國(guó)纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)(DBV1998)中等效抗彎強(qiáng)度和變形能的概念，以等效抗彎強(qiáng)度f(wàn)eq為指標(biāo)，分析素混凝土梁和模袋混凝土梁的彎曲韌性[18]，通過(guò)對(duì)比評(píng)價(jià)其抗裂能力。

混凝土梁所吸收的能量D(N·mm)為：

(2)

抗彎強(qiáng)度f(wàn)(MPa)為：

f=Mw/W=FuL/bh2

(3)

式中，F(xiàn)u為梁跨中撓度在0.1mm范圍內(nèi)的最大承載力(kN)，L、b、h分別為梁跨度(mm)、梁截面寬度(mm)和高度(mm)。

相應(yīng)于δ0處的等效抗彎強(qiáng)度f(wàn)eq按下式計(jì)算：

(4)

式中：feq為跨中撓度為δ0時(shí)的等效抗彎強(qiáng)度(MPa)，δ0為與Fu相應(yīng)的變形(mm)，D0為當(dāng)跨中撓度為δ0時(shí)模袋布對(duì)混凝土梁所貢獻(xiàn)的能量吸收值。

測(cè)得的不同強(qiáng)度等級(jí)試驗(yàn)混凝土梁的荷載-撓度曲線如圖3所示。利用式(2)～(4)計(jì)算得到相關(guān)參數(shù)的結(jié)果列于表2。

從表可知：當(dāng)跨中撓度為0.1mm時(shí)，同等強(qiáng)度下，模袋混凝土梁的承載力、抗彎強(qiáng)度和能量吸收值較素混凝土梁都有一定幅度的提高。其中，模袋混凝土梁的承載力和抗彎強(qiáng)度約是素混凝土梁的1.11倍，而能量吸收值約是1.17倍，等效抗彎強(qiáng)度為正值?？梢?jiàn)，模袋布對(duì)混凝土梁的承載力和彎曲韌性的提高是有利的，模袋布可以降低混凝土的脆性。 這是因?yàn)槟４嫉睦w維材料能夠承受部分外力荷載，而且還會(huì)阻止混凝土內(nèi)部一些微裂縫的產(chǎn)生，使混凝土梁斷裂時(shí)裂縫細(xì)小，并提高混凝土抵抗變形的能力，較素混凝土梁，表現(xiàn)出延性破壞特征[19]。

從表2還可見(jiàn)，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，不論是模袋混凝土梁還是素混凝土梁，其承載力和抗彎強(qiáng)度均有顯著提高，而模袋布對(duì)混凝土梁承載力和抗彎強(qiáng)度的提高幅度與混凝土強(qiáng)度等級(jí)呈現(xiàn)波動(dòng)的曲線關(guān)系，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)≤C30時(shí)，極限承載力和抗彎強(qiáng)度的提高幅度約在17%；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)>C30時(shí)，極限承載力和抗彎強(qiáng)度的提高幅度約在11%，雖然模袋布對(duì)梁的承載力和抗彎強(qiáng)度的提高幅度有減小的趨勢(shì)，但總體上變化規(guī)律保持穩(wěn)定。

表2 混凝土梁的韌性計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of the tough evaluation of the clotting beam

隨著混凝土強(qiáng)度的提高，混凝土梁吸收能量值總體均有顯著提高，而模袋布能量吸收值和等效抗彎強(qiáng)度則先增加后減小。過(guò)低的混凝土強(qiáng)度等級(jí)下模袋布對(duì)模袋布能量吸收值和等效抗彎強(qiáng)度都不利，在DBV 1998標(biāo)準(zhǔn)下，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30時(shí)，模袋混凝土梁的能量吸收值和等效抗彎強(qiáng)度比較理想，此時(shí)模袋布對(duì)混凝土梁彎曲韌性提高最有利，對(duì)混凝土抗裂性的提高也最強(qiáng)。

雖然DBV標(biāo)準(zhǔn)能夠通過(guò)確定0.1mm范圍內(nèi)的荷載最大值，避免了確定裂縫的產(chǎn)生時(shí)對(duì)應(yīng)的跨中位移，但無(wú)法評(píng)價(jià)混凝土試驗(yàn)梁斷裂時(shí)全過(guò)程的彎曲韌性，不能系統(tǒng)和全面反映模袋布對(duì)混凝土抗裂能力的影響。

4.2 模袋混凝土全過(guò)程彎曲韌性評(píng)價(jià)方法

模袋布對(duì)混凝土彎曲韌性的改善與混凝土受力的全過(guò)程有一定關(guān)系，因此，在現(xiàn)有彎曲韌性評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，采用等效抗彎強(qiáng)度提高幅度評(píng)價(jià)模袋混凝土的彎曲韌性。

feq為混凝土梁等效初始彎曲強(qiáng)度(MPa)，計(jì)算公式為：

(5)

式中：Dp為峰值撓度δp前荷載-撓度曲線下的面積(N·mm)，可利用式(2)求得。不同強(qiáng)度等級(jí)試驗(yàn)混凝土梁的荷載-撓度曲線見(jiàn)圖3。利用式(2)～(5)計(jì)算相關(guān)參數(shù)的結(jié)果列于表3。

表3 凝土梁彎曲韌性計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of the tough evaluation of the clotting beam

注：Fp表示極限承載力；ftm表示等效初始彎曲強(qiáng)度

從表3可知：與素混凝土梁相比，同等強(qiáng)度下模袋混凝土梁的極限承載力、抗彎強(qiáng)度約是素混凝土梁的1.1倍，等效抗彎強(qiáng)度提高了約18.4%，能量吸收值的提高幅度約是16.48%?？梢?jiàn)，模袋布在一定程度上可以提高混凝土梁的極限承載力，對(duì)彎曲韌性的提高有影響并可以提高混凝土的抗裂能力。

從表還可見(jiàn)，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，模袋混凝土梁極限承載力的增益比基本不變，但提高幅度逐漸減小，說(shuō)明模袋布對(duì)混凝土梁極限承載力提高有減弱的趨勢(shì)，即模袋布對(duì)混凝土梁極限承載力的提高幫助不大。

模袋混凝土梁的能量吸收值和等效抗彎強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度等級(jí)呈現(xiàn)遞增關(guān)系，而梁的能量吸收值提高幅度、等效抗彎強(qiáng)度的提高幅度與混凝土強(qiáng)度呈波動(dòng)的曲線關(guān)系。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35時(shí)，模袋混凝土梁的梁斷裂能量吸收值提高幅度和等效抗彎強(qiáng)度的提高幅度能維持較高的水平。這是由于隨著混凝土強(qiáng)度的提高，模袋布改善混凝土脆性的作用逐漸體現(xiàn)出來(lái)，彎曲韌性逐漸增強(qiáng)，對(duì)混凝土抗裂性能力的提高更為明顯。

與之前方法相比，該彎曲韌性評(píng)價(jià)方法不僅避開(kāi)了確定初裂點(diǎn)的困難，而且更能真實(shí)地反映模袋混凝土試驗(yàn)梁全過(guò)程的彎曲韌性水平，滿足實(shí)際工程結(jié)構(gòu)計(jì)算的需要。該方法能夠全面地評(píng)價(jià)模袋布對(duì)混凝土抗裂能力的影響。

5 結(jié) 論

素混凝土梁的裂縫貫通整個(gè)試驗(yàn)梁，試驗(yàn)梁破壞過(guò)程中出現(xiàn)較大的響聲，模袋混凝土梁的裂縫窄而短且未貫通整個(gè)試驗(yàn)梁，破壞過(guò)程未出現(xiàn)較大的響聲，模袋布對(duì)混凝土裂縫的發(fā)展有抑制作用。

與素混凝土梁相比，粘貼模袋布材料后，梁的極限荷載承載力有略微的提高，約是素混凝土梁的1.1倍，梁的極限承載力隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加而增大，且基本成線性比例。相同荷載下模袋混凝土梁的撓度均小于素混凝土梁，這說(shuō)明模袋布約束了梁的變形并提高了梁的抗彎剛度。

實(shí)驗(yàn)所測(cè)出的粘結(jié)強(qiáng)度較小，僅能代表模袋布與混凝土粘結(jié)界面的粘結(jié)強(qiáng)度，粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度等級(jí)呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)。

與素混凝土梁相比，模袋布能明顯提高混凝土的彎曲韌性，采用第二種彎曲韌性計(jì)算方法時(shí)，提高幅度約在18%左右，這表明模袋布材料提高混凝土構(gòu)件抗裂能力的方法是有效的，且彎曲韌性與混凝土強(qiáng)度等級(jí)呈波動(dòng)的起伏關(guān)系。