鋼筋和FRP筋混合配筋ECC-混凝土復(fù)合梁受彎性能試驗(yàn)研究*

姜 景, 張素康, 王 儀, 葛文杰,, 嚴(yán)衛(wèi)華, 孫傳智, 曹大富

(1 江蘇建研建設(shè)工程質(zhì)量安全鑒定有限公司，南京 210008；2 江蘇省蘇科建設(shè)技術(shù)發(fā)展有限公司，南京 210008；3 揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127；4 江蘇省裝配式建筑與智能建造工程研究中心，宿遷 223800)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能一直是工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要研究課題之一[1]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中常因鋼筋銹蝕導(dǎo)致許多橋梁、建筑物提前破壞,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋(fibre-reinforced polymer tendon,簡(jiǎn)稱FRP筋)具有良好的抗腐蝕性能及材料力學(xué)性能。鋼筋混凝土的銹蝕問(wèn)題促進(jìn)了對(duì)FRP筋及FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究,近年來(lái),FRP筋及其應(yīng)用的研究在國(guó)際上非常活躍,國(guó)內(nèi)外對(duì)于FRP筋的材料受拉性能及FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)展的很多,并制定了相應(yīng)的一系列技術(shù)規(guī)程[3-4],且在多個(gè)實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。

我國(guó)對(duì)FRP筋用于混凝土結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)展較晚,但發(fā)展十分迅速[5-11]。呂志濤等[12]對(duì)FRP筋的短期長(zhǎng)期力學(xué)性能、FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)、FRP筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、FRP拉索斜拉橋的設(shè)計(jì)和建造及FRP筋錨固體系、FRP筋應(yīng)變檢測(cè)方法等方面開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作,設(shè)計(jì)并建成了中國(guó)第一座高性能CFRP索斜拉橋。

但是,FRP筋為線彈性材料,不存在類似于鋼筋的屈服平臺(tái),所以FRP筋混凝土梁的彎曲破壞表現(xiàn)為脆性破壞,延性較差。相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)指南一般都建議將FRP筋梁設(shè)計(jì)成超筋梁,利用受壓區(qū)混凝土的塑性變形來(lái)獲得構(gòu)件的延性。更重要的是,除CFRP筋具有較高的彈性模量外,其他種類的FRP筋彈性模量均較低,與配置相同受拉縱筋面積的鋼筋混凝土梁相比,FRP筋梁表現(xiàn)出更大的撓度和更寬的裂縫寬度,故構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下的性能要求常成為設(shè)計(jì)控制因素,FRP筋的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮,限制了FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。

工程用水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composite,簡(jiǎn)稱ECC)克服了傳統(tǒng)水泥基材料在抗拉荷載下的軟化性能,表現(xiàn)出與金屬材料類似的偽硬化特征,可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)水泥基材料單一裂紋宏觀開(kāi)裂發(fā)展模式向多重微細(xì)裂紋穩(wěn)態(tài)開(kāi)裂模式的轉(zhuǎn)變,具有顯著的非線性變形、優(yōu)良的韌性和能量吸收能力[13]。Maalej和Li[14]提出使用超高韌性ECC代替圍繞縱向受拉鋼筋的部分混凝土,并進(jìn)行了一根ECC增強(qiáng)RC復(fù)合梁的試驗(yàn)研究。研究表明,與普通RC梁相比,ECC增強(qiáng)RC復(fù)合梁在承載能力和變形能力方面有一定的提高,但幅度較小;但在使用狀態(tài)即鋼筋屈服前,裂縫寬度小于0.05mm,為普通RC梁的1/5。馮乃謙等[15]認(rèn)為當(dāng)裂縫寬度小于0.05mm時(shí)對(duì)防水、防腐蝕與承重的影響均可忽略不計(jì)。因此,使用ECC可顯著提高混凝土梁的耐久性。

將受拉FRP筋周?chē)钠胀ɑ炷劣肊CC代替形成ECC-FRP筋混凝土復(fù)合梁,使受拉區(qū)形成多而密的細(xì)裂縫模式,可減少正常使用情況下的裂縫寬度,提高受拉縱筋的應(yīng)力水平,使FRP筋高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮,減小縱向受拉筋用量,節(jié)約資源。且ECC-FRP筋混凝土復(fù)合梁受拉區(qū)形成的多而密的細(xì)裂縫模式,可延緩侵蝕性汽體、液體對(duì)縱向受拉縱筋的腐蝕,提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

利用鋼筋和FRP筋混合配筋,以及具有優(yōu)良受拉性能的ECC替代部分混凝土,形成FRP/鋼筋混合配筋ECC-混凝土復(fù)合梁,可改善結(jié)構(gòu)抵抗裂縫和變形的性能。本文研究了配筋類型及配筋率、ECC替代高度對(duì)復(fù)合梁承載能力、變形、裂縫和破壞形態(tài)的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

采用C35商品混凝土、Ⅰ級(jí)粉煤灰無(wú)定形超細(xì)硅質(zhì)粉體材料SiO2、100～200目特細(xì)石英砂;水泥、粉煤灰、硅灰質(zhì)量比為0.7∶0.1∶0.2,砂膠比0.36,水膠比0.4;減水劑用量0.19;砂膠比、水膠比、減水劑用量為與膠凝材料(水泥、粉煤灰、硅灰三者之和)的質(zhì)量比。纖維為日本可樂(lè)麗公司生產(chǎn)的RECS15*12型PVA纖維,長(zhǎng)度為12mm,直徑為40μm,抗拉強(qiáng)度為1 560MPa,彈性模量為41GPa,材料密度為1.3g/cm3,伸長(zhǎng)率為6.5%;采用聚羧酸減水劑,當(dāng)?shù)刈詠?lái)水拌合。

ECC受拉性能測(cè)試及應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。開(kāi)裂拉應(yīng)力fetc=2.0N·mm-2,極限拉應(yīng)力ftu=2.4N·mm-2,彈性模量Ee=8.2×103N·mm-2,初裂拉應(yīng)變?chǔ)舉tc=0.23×10-3,極限拉應(yīng)變?chǔ)舉tu=0.025。

圖1 ECC受拉性能

ECC受壓性能測(cè)試及應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示,峰值應(yīng)力fecp=31.4N/mm2,峰值應(yīng)變?chǔ)舉cp=0.003 6,極限應(yīng)變?chǔ)舉cu可取1.5εecp=0.005 4。

圖2 ECC受壓性能

混凝土采用C40商品混凝土,實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為47.0MPa,混凝土保護(hù)層厚度為20mm,采用預(yù)制砂漿墊塊控制。受力主筋采用直徑12mm的HRB400螺紋鋼筋和直徑8mm的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)筋,架立鋼筋為直徑10mm的HRB400螺紋鋼筋,箍筋為8mm的HRB400螺紋鋼筋。筋材受拉性能測(cè)試及應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3,力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 筋材受拉力學(xué)性能

圖3 筋材受拉性能測(cè)試

1.2 試件設(shè)計(jì)

試件設(shè)計(jì)尺寸寬×高×長(zhǎng)(b×h×l)為150×200×1 500,制作了4組不同配筋構(gòu)件,每組有4根不同ECC替代高度分構(gòu)件,共16根,構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。各組試件編號(hào)1、2、3和4分別表示該構(gòu)件替代高度率rh分別為0、0.28、0.56和1.12。構(gòu)件配筋示意圖見(jiàn)圖4(以編號(hào)為HG的構(gòu)件為示例),其中l(wèi)m、lmv和lf分別表示構(gòu)件純彎段、彎剪段和外挑段長(zhǎng)度,分別為400、500、50mm;he為ECC替換高度;as為受拉筋材截面中心至截面受拉邊緣距離。

表2 構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 構(gòu)件配筋與加載測(cè)試示意圖

1.3 加載測(cè)試方案

試驗(yàn)采用兩點(diǎn)對(duì)稱加載,如圖4所示。使用油壓千斤頂加載,荷載傳感器監(jiān)測(cè)荷載數(shù)值,TDS-530數(shù)據(jù)采集儀采集。構(gòu)件先進(jìn)行預(yù)加載,檢驗(yàn)各儀器是否正常,之后卸載,開(kāi)始正式加載。在構(gòu)件支座處上方、加載點(diǎn)和跨中下方布置百分表以監(jiān)測(cè)支座沉降和構(gòu)件在荷載作用下的變形。在跨中截面沿高度方向布置5組千分表,測(cè)量試件跨中截面在各級(jí)荷載作用下的變形,計(jì)算得到其應(yīng)變分布。人工尋找裂縫,用裂縫讀數(shù)儀KON-FK(B)觀測(cè)裂縫寬度,并用黑色記號(hào)筆描繪裂縫發(fā)展趨勢(shì)。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

2.1 混凝土平均應(yīng)變沿高度分布

試件跨中截面混凝土應(yīng)變沿高度分布情況如圖5所示(以HG組為例),hd表示測(cè)點(diǎn)距截面底邊的垂直高度。

圖5 跨中截面混凝土應(yīng)變沿試件高度分布

從圖5中可以看出,跨中截面混凝土應(yīng)變沿試件高度分布近似成直線分布,符合平截面假定;隨著荷載的增加,中和軸逐漸上移,受壓區(qū)高度逐漸減小;ECC-混凝土復(fù)合梁和ECC梁截面受壓區(qū)高度較混凝土梁大,且試件HG3受壓區(qū)高度大于HG2的,說(shuō)明用受拉性能好的ECC替代混凝土,可以延緩裂縫向上延伸。因ECC材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量低于混凝土,導(dǎo)致試件HG4的受壓區(qū)高度小于試件HG3。

2.2 荷載-撓度曲線

各試件實(shí)測(cè)的跨中荷載-撓度曲線如圖6所示,荷載與變形特征值見(jiàn)表3,其中M為荷載;d為撓度;Mcr、My和Mu分別為試件開(kāi)裂、屈服和極限彎矩;Mq1為各組試件中混凝土試件的彎矩效應(yīng)準(zhǔn)永久值,此處取極限彎矩的64%[16-17];dq1為Mq1作用下的撓度;ωq1為Mq1作用下的裂縫寬度;dlim為正常使用狀態(tài)下的撓度限值(考慮荷載效應(yīng)長(zhǎng)期作用影響,此處應(yīng)為4.5mm)[18-19];Mdlim為dlim對(duì)應(yīng)的彎矩;ηd為撓度限值確定的承載力利用系數(shù),即由正常使用極限狀態(tài)撓度限值控制的彎矩與試件極限彎矩的比值,ηd=Mdlim/Mu;ωlim為正常使用狀態(tài)裂縫寬度限值(考慮荷載效應(yīng)長(zhǎng)期作用影響后,對(duì)于鋼筋組試件和混合配筋組試件為0.20mm,對(duì)于FRP筋組試件為0.30mm)[19-20];Mωlim為ωlim對(duì)應(yīng)的彎矩;ηω為裂縫寬度限值確定的承載力利用系數(shù),即由正常使用極限狀態(tài)裂縫寬度限值控制的彎矩與試件極限彎矩的比值,ηω=Mωlim/Mu。

表3 構(gòu)件荷載與變形、裂縫寬度對(duì)比

圖6 試件跨中荷載-撓度曲線

從圖6和表3中可以看出,鋼筋組試件(HB)和混合配筋組試件(HE和HG)的荷載-撓度曲線分為明顯的三折線,從開(kāi)始加載到試件開(kāi)裂,從開(kāi)裂到鋼筋屈服,從鋼筋屈服到試件破壞,但鋼筋組試件鋼筋屈服后變形迅速增大,而混合配筋組試件在鋼筋屈服后撓度隨荷載的增加而增大;FRP筋組試件(HK)的荷載-撓度曲線為二折線,從開(kāi)始加載到試件開(kāi)裂,從開(kāi)裂至試件破壞。ECC-混凝土復(fù)合梁和ECC梁的開(kāi)裂、屈服和極限彎矩均大于混凝土梁,開(kāi)裂、屈服和極限彎矩分別提高了2.6%～31.5%、1.3%～51.6%和1.3%～27.5%,說(shuō)明受拉性能良好的ECC可有效提高構(gòu)件的承載能力。

鋼筋組(HB)試件和混合配筋組(HG)試件在正常使用狀態(tài)下的撓度值小于規(guī)范限值,FRP筋組(HK)試件和混合配筋組(HE)試件在正常使用狀態(tài)下的撓度值大于規(guī)范限值;ECC-混凝土復(fù)合梁和ECC梁的變形均小于混凝土梁,但因?yàn)镋CC抗壓強(qiáng)度與彈性模量低于混凝土,導(dǎo)致ECC梁的變形大于ECC-混凝土復(fù)合梁。說(shuō)明ECC材料可提高梁在彎曲荷載作用下抵抗變形的能力。鋼筋組(HB)試件撓度限值確定的承載力利用系數(shù)最大,FRP筋組(HK)最小,混合配筋組(HE和HG)介于兩者之間,且HG組高于HE組。因此,混合配筋亦可提高受彎構(gòu)件抵抗變形的能力,且抵抗能力隨著配筋截面含鋼率的提高而增大。

2.3 破壞形態(tài)

部分試件破壞形態(tài)如圖7所示。從圖7可以看出,鋼筋組(HB)和混合配筋組(HG)試件均發(fā)生明顯的彎曲破壞。構(gòu)件破壞時(shí),混凝土梁和ECC-混凝土梁受壓區(qū)混凝土壓碎現(xiàn)象較明顯,部分試件(HG1、HG2和HG3)發(fā)生混凝土崩裂,而ECC梁(HB4、HG4和HK4)因基體中的纖維具有良好的橋接作用,受壓ECC僅發(fā)生基體壓碎,未發(fā)生崩裂。FRP筋組(HK)試件在彎剪段產(chǎn)生由支座指向加載點(diǎn)的主裂縫而破壞,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視,予以避免。

圖7 試件破壞形態(tài)

從破壞后的試件形態(tài)可以看出,FRP筋組(HK)試件殘余變形最大,混合配筋組(HG)試件次之,鋼筋組(HB)試件最小;ECC梁(HB4、HG4和HK4)截面形成的裂縫多而密,混凝土-ECC復(fù)合梁截面裂縫次之,混凝土梁(HB1、HG1和HK1)截面裂縫少而稀疏。

綜上所述,在混凝土梁截面受拉區(qū)引入受拉性能優(yōu)異的ECC和采用鋼筋和FRP筋混合配筋,可有效改善受彎構(gòu)件抵抗裂縫和變形的能力。

2.4 裂縫寬度及平均間距

實(shí)測(cè)的各試件跨中荷載-最大裂縫寬度曲線如圖8所示,其中ω為裂縫寬度。

圖8 試件跨中荷載-最大裂縫寬度曲線

從圖8和表3中可看出,鋼筋組(HB)試件在正常使用狀態(tài)下的裂縫寬度小于規(guī)范限值;混合配筋組混凝土試件(HE1和HG1)大于規(guī)范限值,但隨著ECC替代高度率的增大,裂縫寬度逐漸減小,HE組和HG組復(fù)合梁和ECC梁除HE2試件不滿足要求外,其他試件均滿足規(guī)范限值;FRP筋組試件在正常使用狀態(tài)下的裂縫寬度均大于規(guī)范限值,但復(fù)合梁和ECC梁裂縫寬度僅為混凝土梁的40%。由裂縫寬度限值確定的承載力利用系數(shù)分布規(guī)律與由撓度限值確定的承載力利用系數(shù)分布規(guī)律相同。因此,在受拉區(qū)用ECC替代混凝土或采用混合配筋均可提高受彎構(gòu)件抵抗裂縫發(fā)展的能力,且抵抗能力隨著ECC替代高度和配筋截面含鋼率的增大而提高。

實(shí)測(cè)的試件裂縫條數(shù)ncr與平均裂縫間距l(xiāng)cr見(jiàn)圖9,其中ECC-混凝土復(fù)合梁和ECC梁的裂縫未計(jì)入細(xì)密裂縫。從圖9可看出,FRP筋試件的裂縫條數(shù)最少、平均裂縫間距最大;混合配筋組介于兩者之間,且HG組裂縫條數(shù)多于HE組;隨著ECC替代高度率的增大,裂縫條數(shù)逐漸增加,裂縫平均間距逐漸減小;鋼筋組試件的裂縫條數(shù)最多、平均裂縫間距最小。

圖9 試件裂縫數(shù)量及平均間距

3 結(jié)論

對(duì)FRP筋和鋼筋混合配筋ECC-混凝土復(fù)合梁受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到如下結(jié)論:

(1)FRP筋和鋼筋混合配筋ECC-混凝土復(fù)合梁跨中截面混凝土應(yīng)變分布亦符合平截面假定,ECC與混凝土具有良好的粘結(jié)性能;用受拉性能好的ECC替代混凝土,可以延緩裂縫向上延伸,延緩截面受壓區(qū)高度的減小。

(2)鋼筋組試件和混合配筋組試件(HE和HG)的荷載-撓度曲線分為明顯的三折線,加載到試件開(kāi)裂、鋼筋屈服和試件破壞,但鋼筋組試件鋼筋屈服后變形迅速增大,混合配筋組試件在鋼筋屈服后變形隨荷載的增加而增大;FRP筋組試件荷載-撓度曲線為二折線,從開(kāi)始加載到試件開(kāi)裂,至試件破壞。受拉性能良好的ECC可有效提高構(gòu)件的承載能力。

(3)ECC材料和混合配筋可提高梁在彎曲荷載作用下抵抗變形和裂縫發(fā)展的能力,且抵抗能力隨著ECC高度替代率和配筋截面含鋼率的提高而增大。

(4)ECC基體中的纖維具有良好的橋接作用,ECC梁發(fā)生彎曲破壞時(shí),僅發(fā)生基體壓碎破壞,未發(fā)生崩裂?；炷亮汉虴CC-混凝土梁發(fā)生破壞時(shí),混凝土壓碎現(xiàn)象較明顯,部分試件混凝土崩裂。