基于水泥基復(fù)合材料的混凝土梁修復(fù)加固研究

覃忠源

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530001）

0 引言

鋼筋混凝土材料的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了現(xiàn)代建筑的發(fā)展。鋼筋混凝土受設(shè)計(jì)不當(dāng)、氣候條件或使用年限等因素的影響，結(jié)構(gòu)質(zhì)量日益下降，因此近年來對(duì)加固鋼筋混凝土（RC）結(jié)構(gòu)的需求不斷增加。為提高鋼筋混凝土梁的抗彎強(qiáng)度，許多研究者提出采用鋼筋混凝土夾套、鋼纖維增強(qiáng)混凝土（SFRC）夾套、外部黏結(jié)鋼板和纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）等措施提高混凝土力學(xué)性能［1］。然而，鋼筋混凝土夾套與混凝土的界面結(jié)合強(qiáng)度低，其脆性不適合提高混凝土延性；SFRC護(hù)套與混凝土具有良好的界面黏結(jié)強(qiáng)度，但其延展性也較低［2］；FRP 和鋼板會(huì)導(dǎo)致混凝土表面分層，容易過早失效。因此，為有效地加強(qiáng)RC 結(jié)構(gòu)，必須采用具有延展性的材料，以提高加固效果，提升梁的力學(xué)性能。其中，聚乙烯醇混合纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（ECC）是一種特殊類型的工程水泥基復(fù)合材料，其在壓縮和拉伸狀態(tài)下都具有很高的延展性，并且具有較好耐火性，可以提高建筑物的抗震性能。曹君輝等［3］發(fā)現(xiàn)SPH-ECC 和聚乙烯醇纖維工程水泥基復(fù)合材料（PVA-ECC）與普通混凝土具有相似的界面黏結(jié)強(qiáng)度，然而PVA-ECC 的極限強(qiáng)度和耐火性較低，與單纖維增強(qiáng)ECC 相比，SPH-ECC 等混合纖維可以提供更高的極限強(qiáng)度和更好的耐火性，以及提供更好的鋼筋防腐蝕保護(hù)［4］。然而，目前鮮有研究評(píng)估使用混合纖維加強(qiáng)RC 結(jié)構(gòu)的有效性?；诖?，本文旨在研究采用SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料層和嵌入式鋼筋的全尺寸加固RC 梁在破壞模式、荷載-中跨撓度曲線、開裂模式、界面黏結(jié)滑移、應(yīng)變分布等方面表現(xiàn)出的性能。研究的開展可為提高混凝土梁修復(fù)加固效果及水泥基復(fù)合材料的裂縫寬度控制能力提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣制備

本研究選取1根未加固的RC對(duì)比梁（CB）和3根加固的RC梁（SB-1、SB-2和SB-3），分別采用不同配置的SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料層和內(nèi)嵌鋼筋進(jìn)行四點(diǎn)彎曲荷載試驗(yàn)。這些梁的截面構(gòu)型及其配筋細(xì)節(jié)如圖1 所示。對(duì)比梁［圖1（a）］的尺寸為200 mm（寬）×325 mm（高）×3 500 mm（長(zhǎng)）。未加固的RC 對(duì)比梁被設(shè)計(jì)為下加固方式，在底部放置3 根直徑為16 mm（D16）的鋼筋，在頂部放置2 根直徑為12 mm（D12）的鋼筋作為吊架［5］。為使混凝土具有足夠的抗剪能力，將馬鐙的中心間距分別設(shè)置為100 mm 和125 mm。對(duì)于加固梁，采用3 種不同的SPH-ECC 層結(jié)構(gòu)。

圖1 梁橫截面細(xì)節(jié)（單位：mm）

對(duì)于SB-1［圖1（b）］，在2 根D16 鋼筋的RC 梁部件底部?jī)H應(yīng)用了1 層SPH-ECC 層。對(duì)于SB-2［圖1（c）］，在RC 梁兩側(cè)采用2 層SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料，每側(cè)采用1 根D16 鋼筋。對(duì)于SB-3［圖1（d）］，在RC 梁的兩側(cè)和底部分別施加SPH-ECC 層，形成“U”形包圍圈，底部放置2 根D16 鋼筋；并且，在RC 梁和SPH-ECC層的所有主鋼筋的兩端均進(jìn)行90°的彎曲，延長(zhǎng)長(zhǎng)度為70 mm，實(shí)現(xiàn)混凝土和SPH-ECC 與鋼筋之間的界面結(jié)合。此外，所有測(cè)試的梁均基于實(shí)際應(yīng)用中的全尺寸進(jìn)行澆筑［6］。

對(duì)于CB 梁，鋼筋籠在澆筑混凝土之前制作，然后放置在模板中?；炷亮涸?4 h 后脫模，并在自動(dòng)控制濕度和溫度的霧室中養(yǎng)護(hù)55 d，然后進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于加固型鋼，其RC 型鋼部分按照與CB 型鋼相同的方式進(jìn)行澆注，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d，將RC 梁部件分別移入模板中。然后，按照?qǐng)D1（a）所示的配置，在RC梁的現(xiàn)澆表面涂抹50 mm厚的SPH-ECC 層。對(duì)于SB-1 和SB-3，在澆注鋼筋和SPH-ECC 層之前，將RC 梁進(jìn)行上下旋轉(zhuǎn)［7］。對(duì)于SB-2，由于鋼筋和SPHECC 層能容易地放置在梁的兩側(cè)，因此不需要旋轉(zhuǎn)。加固后的梁在24 h 后脫模，并在測(cè)試前再進(jìn)行27 d的養(yǎng)護(hù)。

1.2 試驗(yàn)方法

4根梁均在四點(diǎn)彎曲下進(jìn)行試驗(yàn)，純彎曲跨和剪切跨的長(zhǎng)度均為1 000 mm，在位移控制速率為1 mm/min的情況下施加垂直荷載，直到梁頂表面出現(xiàn)明顯的混凝土破碎和剝落。在純彎曲跨內(nèi)安裝3臺(tái)線性變差變壓器（LVDT），測(cè)量梁跨中及各荷載點(diǎn)的撓度。對(duì)于加固梁，在支撐端附加了額外的LVDT，以捕獲SPH-ECC層與RC梁部分之間界面的黏結(jié)滑移。各梁的LVDT 布置根據(jù)加固方案的配置進(jìn)行設(shè)計(jì)［8］。為測(cè)量梁的上、下表面的應(yīng)變情況，需要安裝應(yīng)變片（如圖2 所示），采用數(shù)字圖像（DIC）技術(shù)，利用3 臺(tái)覆蓋整個(gè)梁的高分辨率單反相機(jī)捕捉混凝土的損傷和裂紋擴(kuò)展歷史。

圖2 設(shè)置LVDT用于測(cè)量界面結(jié)合滑移

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 破壞模式及荷載-跨中變形曲線

圖3 為試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線，圖4 為試驗(yàn)梁的破壞模式。從試驗(yàn)結(jié)果和圖3 可以看出，CB、SB-2 和SB-3 的荷載-跨中撓度曲線總體上呈現(xiàn)出3個(gè)不同的發(fā)展階段，即未開裂階段、開裂階段、最終破壞階段。在未開裂階段，荷載隨跨中撓度線性增大。開裂階段是在微裂縫形成后開始，荷載-跨中撓度曲線斜率略有減小，然后曲線以幾乎恒定的斜率繼續(xù)發(fā)展，直到縱向鋼筋屈服［9］。在開裂階段結(jié)束時(shí)，曲線的斜率幾乎減至0，此時(shí)開始到達(dá)最終破壞階段。在最終破壞階段，跨中撓度逐漸增大，但持續(xù)荷載沒有進(jìn)一步增加，直至CB、SB-2 和SB-3 純彎跨頂面混凝土破碎，導(dǎo)致梁破壞［如圖4（a）、圖3（c）、圖3（d）所示］。對(duì)于SB-1，雖然撓度曲線也大致呈現(xiàn)如上3 個(gè)不同的階段，但是在開裂階段開始后不久，RC 梁部件與ECC 層之間的界面就發(fā)生過早的剝離，導(dǎo)致持續(xù)載荷突然下降和撓度曲線斜率降低。對(duì)于SB-2，當(dāng)載荷為110 kN 時(shí)，觀察到SPH-ECC 層出現(xiàn)第一條裂紋，但當(dāng)載荷在55～65 kN 時(shí)，RC 梁實(shí)際已經(jīng)形成裂紋，因此會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致載荷-撓度曲線斜率變化，并且當(dāng)負(fù)載達(dá)到約55 kN時(shí)，SB-2的開裂階段結(jié)束。

圖3 試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線

圖4 試驗(yàn)梁的破壞模式

2.1.1 SB-1梁

對(duì)于SB-1，在開裂階段開始后不久，SPH-ECC水泥基復(fù)合材料層和RC 梁之間的界面脫黏發(fā)生在5.26 mm 的跨中撓度處（如圖3 所示）。界面脫黏主要發(fā)生在梁的左手側(cè)（LHS）剪切跨度，在LHS支撐端觀察到明顯的黏結(jié)滑移（如圖5 所示），其中在RC 梁拱腹處應(yīng)用水泥基復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)聚合物的嵌入條作為增強(qiáng)層。當(dāng)測(cè)試的RC 梁通過SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料以類似于SB-1 的配置進(jìn)行加固，但沒有任何嵌入鋼筋時(shí)，沒有出現(xiàn)脫黏現(xiàn)象。此外，SB-1在脫黏前的剛度（15.22×103kN/m）遠(yuǎn)高于CB（8.88×103N/m）［10］。因此，可以得出結(jié)論，SB-1 中的界面脫黏的原因可能是因嵌入鋼筋引起的SPH-ECC 層剛度增加，以及可用于抵抗產(chǎn)生的界面應(yīng)力的相對(duì)較小的接觸面積。脫黏后，混凝土剛度降至9.89×103kN/m，僅略高于CB，這是因?yàn)镾PH-ECC 水泥基復(fù)合材料層是獨(dú)立彎曲的。脫黏后，在SB-1 的RC 梁底部立即觀察到拉伸裂紋。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，發(fā)現(xiàn)RC 梁部件的破壞模式與CB 的破壞模式非常相似，并且在SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料層中觀察到的損傷很小，最大載荷為213.4 kN，僅比CB的載荷高26.6%。

圖5 滑移梁失效

2.1.2 SB-2梁

對(duì)于SB-2，當(dāng)載荷達(dá)到約55 kN 時(shí)，未開裂階段結(jié)束，在此之后，裂紋階段開始，在純彎曲跨度內(nèi)的SPH-ECC 層中出現(xiàn)多個(gè)微裂紋。當(dāng)施加的荷載達(dá)到270 kN 時(shí)，這些裂紋在接近開裂階段結(jié)束時(shí)變寬且越來越明顯。當(dāng)施加的荷載達(dá)到270 ～310 kN 時(shí)，SPH-ECC 中的鋼筋屈服導(dǎo)致剛度逐漸降低，最終加速了SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料層的拉伸應(yīng)變軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致裂縫局部化。當(dāng)跨中撓度從17.5 mm 增加到22.4 mm 時(shí)，梁的承載力基本保持不變。此后，跨中頂面混凝土壓應(yīng)變達(dá)到混凝土破碎應(yīng)變的0.33%（如圖6所示），進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土負(fù)載能力的逐漸下降，峰值負(fù)荷為310 kN，為CB荷載的184%。

圖6 SB-2和SB-3梁壓縮應(yīng)變

對(duì)于SB-3，其在RC 梁周圍形成“U”形包層，其顯示出354 kN 的峰值載荷，為CB 荷載的210%，是所有加固梁中最高的。當(dāng)載荷約為75 kN 時(shí)，SB-3 的未開裂階段結(jié)束，而開裂階段持續(xù)到約320 kN 的載荷。然后在純彎曲跨度中，SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料底層內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)可觀察到的裂紋，當(dāng)跨中撓度約20 mm時(shí)，達(dá)到峰值荷載，荷載幾乎保持不變，出現(xiàn)裂紋局部化，直到梁在跨中撓度為46 mm 時(shí)失效。當(dāng)失效發(fā)生時(shí)，跨中頂面的應(yīng)變達(dá)到0.33%的混凝土壓碎極限（如圖6 所示）。與SB-1 和SB-2 不同，SB-3 即使在混凝土發(fā)生壓碎后，也沒有觀察到明顯的界面脫黏。

2.2 界面黏結(jié)行為

加固層與RC 梁構(gòu)件之間的界面黏結(jié)是影響加固體系性能的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度不足時(shí)，可能因脫黏而發(fā)生過早破壞。因此，對(duì)于加固梁，在試驗(yàn)期間連續(xù)監(jiān)測(cè)SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料層與RC 梁構(gòu)件之間的界面黏結(jié)滑移。使用LVDT 記錄SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料層相對(duì)于RC 梁部分的位移。在加固梁的2 個(gè)支撐端記錄的界面黏結(jié)滑移值，然后與跨中撓度及荷載-跨中撓度曲線繪制在圖7中。對(duì)于SB-1 及SB-2，從圖7 中可以看出，當(dāng)外加荷載約119 kN 時(shí)，LHS剪切跨界面黏結(jié)滑移從幾乎為0跳變至0.9 mm，同時(shí)外加荷載突然下降。之后，LHS黏結(jié)滑移逐漸增大，直至被破壞，而右側(cè)（RHS）黏結(jié)滑移基本為0。

圖7 界面黏結(jié)滑移

2.3 應(yīng)變分布

使用DIC 和應(yīng)變片獲得的最佳擬合數(shù)據(jù)繪制了不同加載水平下測(cè)試梁的應(yīng)變分布沿梁深的發(fā)展情況（如圖8 所示），未繪制SB-1 的應(yīng)變分布，是因?yàn)镾PH-ECC層的底表面過早脫黏而出現(xiàn)拉伸應(yīng)變的進(jìn)一步增大。鋼筋屈服應(yīng)變（0.31%）和混凝土峰值壓應(yīng)變（0.33%）也分別用實(shí)線和虛線表示。圖8 中的破壞荷載為混凝土發(fā)生破碎時(shí)的荷載水平?？傮w而言，從SB-2 和SB-3 獲得的DIC 和應(yīng)變片數(shù)據(jù)來看，應(yīng)變沿截面深度呈線性分布。圖8（a）顯示，CB 為未加固鋼筋，在荷載達(dá)到130 kN（峰值荷載168.5 kN 的77%）之前屈服。對(duì)于SB-2［如圖8（b）所示］，SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料層內(nèi)嵌鋼筋在峰值荷載（310 kN）之前屈服，而RC 梁部分嵌鋼筋在峰值荷載之后屈服。從圖8（b）可以看出，SPH-ECC水泥基復(fù)合材料層和RC梁部件鋼筋屈服后不久，混凝土在頂面發(fā)生了壓碎。這種破壞非常接近試驗(yàn)預(yù)期的平衡破壞，主要是在梁上添加了2根額外的鋼筋，而沒有增加梁的整體剛度。對(duì)于SB-3，如圖8（c）所示，SPH-ECC 層鋼筋屈服于320 kN 左右（峰值荷載354 kN 的90%）。這里應(yīng)該指出的是，即使在達(dá)到峰值荷載之后，也直到實(shí)現(xiàn)了更大的撓度才會(huì)發(fā)生混凝土破碎，表明梁的加固仍然不足，這主要是由于使用了“U”形外殼和底部SPH-ECC水泥基復(fù)合材料層內(nèi)的鋼筋位置較低導(dǎo)致的，從而增加了梁截面中性軸的深度。

3 結(jié)論

本文為進(jìn)一步提高混凝土梁修復(fù)加固效果，提出使用鋼筋和聚乙烯醇混合纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（SPH-ECC）和嵌入式鋼筋對(duì)鋼筋混凝土（RC）梁的彎曲加固效果，研究結(jié)論如下：①SB-1由于具有明顯的界面脫黏而導(dǎo)致過早失效。對(duì)于SB-2 和SB-3，其最終的抗彎破壞是由純彎曲跨度內(nèi)的頂面混凝土破碎引起的。對(duì)于SB-2，在混凝土破碎后不久，出現(xiàn)了少量的界面黏結(jié)滑移。對(duì)于SB-3，即使發(fā)生混凝土破碎，也幾乎沒有觀察到界面黏結(jié)滑移。②SB-2 和SB-3 的應(yīng)變沿截面深度呈線性分布，并且SPH-ECC水泥基復(fù)合材料層內(nèi)嵌鋼筋在峰值荷載（310 kN）之前屈服，而RC 梁部分嵌鋼筋在峰值荷載之后屈服。結(jié)果表明，SPH-ECC 水泥基復(fù)合材料具有良好的裂縫寬度控制能力，其對(duì)RC 梁部分的裂縫具有有效的抑制作用。