钢筋超高韧性水泥基复合材料梁的抗剪性能

张秀芳，姬仁楠

(大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连 116024)

钢筋超高韧性水泥基复合材料梁的抗剪性能

张秀芳，姬仁楠

(大连理工大学 建设工程学部， 辽宁 大连 116024)

摘要：随着对超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)各种基本性能的深入研究，UHTCC逐渐被使用和推广。为了探究纤维掺量对钢筋增强超高韧性水泥基复合材料(RUHTCC)梁抗剪性能的影响，文中对3根不同纤维含量的RUHTCC梁进行了集中加载受弯试验，从破坏模式、裂缝扩展形态、荷载-挠度曲线、剪切开裂荷载、极限剪切承载力、最小配箍率几个方面报道了纤维掺量的影响。试验结果表明：所有试验梁均发生典型的剪切破坏，随着纤维参量的增大，RUHTCC梁的剪切开裂荷载、极限抗剪承载力都有所提高。RUHTCC梁面产生的裂缝细密，在正常使用状态下，梁最大斜裂缝宽度小于0.2 mm。

关键词：超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)；纤维掺量；极限剪切承载力；剪切开裂荷载；裂缝宽度

UHTCC是一种新型短纤维增强超高韧性水泥基复合材料，纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5%，拉伸荷载作用下能表现出显著的应变硬化特征，极限拉应变高达3%以上，裂缝控制能力优，产生多条细密裂缝，裂缝宽度可以控制在0.1 mm内，间距为1 mm～2 mm左右[1-3]。

Li等[4]在1994年通过UHTCC材料的Ohno剪切梁试验证明了UHTCC出色的抗剪性能。UHTCC的极限剪切强度为普通混凝土的2倍，基本上与配箍率为0.75%的普通钢筋混凝土梁相近，同时高于纤维含量为1%的钢纤维增强钢筋混凝土。

1998年T. Kanda等[5]开展了RUHTCC梁在周期荷载下的抗剪试验。与相同情况的混凝土梁相比，RUHTCC梁的承载力提高了50%左右，变形提高200%以上。Katsuyuki Shimizu等[6]在2004年也进行了Ohno剪切梁实验。发现RUHTCC梁的抗剪承载力随纤维掺量的增大而提高，其中纤维参量1%的无腹筋RUHTCC梁抗剪承载力和配箍率0.3%的RC梁相当。Gideon P.A.G. van Zijl[7]以纤维掺量为变量研究了320 mm长带“V”字形缺口的UHTCC梁的剪切性能。发现UHTCC梁极限剪切强度约为极限拉伸强度的1.5倍左右。

侯利军等[8]进行了无腹筋RUHTCC梁的受剪试验。结果发现，剪跨比对其极限抗剪能力有较大影响，短梁的极限剪切强度远高于浅梁，而开裂强度基本相当，并且随着剪跨比的减小和纵筋配筋率的增大，梁的破坏形式从弯剪破坏转变为典型的剪切破坏。随后，侯利军等[9]又做了有腹筋RUHTCC梁的受剪试验研究。结果表明，横向箍筋的配置对梁的剪切开裂强度没有显著的影响，只是很小程度的提高了梁的极限剪切强度。

然而，到目前为止针对RUHTCC梁的抗剪试验研究对象大多是Ohno剪切梁，这与实际工程中常见的集中加载的简支梁加载方式有些区别。并且，以往的研究变量多以考虑配箍率、剪跨比等因素为主，纤维掺量对RUHTCC简支梁的抗剪性能的影响更是不多见。本文以纤维掺量为变量，对跨中集中荷载作用下的RHUTCC简支梁进行了受弯试验，研究了RUHTCC简支梁的抗剪性能，包括RHUTCC梁在受力时的破坏模式、发生剪切破坏时候的剪切承载力、裂缝扩展形态、荷载-挠度行为及最小配箍率等方面。

1试验概况

1.1　试件形式

试验共设计了3根RUHTCC梁，截面尺寸为140 mm×200 mm，试件长度为1 200 mm。试验以纤维掺量Vf为变量，选取1.6%、2.0%、2.4%三种。配箍率选取0.316%,对应的配箍间距分别为150 mm。箍筋采取直径为6.5 mm的HPB235钢筋。根据《混凝土结构设计规范》[10](GB50010-2010)中对截面高度在150 mm～300 mm范围内的RC梁的箍筋间距配置要求，可以算得本文RC试验梁的构造配箍率为0.316%。箍筋间距为150 mm的RC梁的配箍率恰为构造配箍率。为了确保所有试件发生剪切破坏，根据文献[11]提出的RUHTCC梁界限配筋率公式和《混凝土结构设计规范》[10](GB50010-2010)中RC梁的界限配筋率公式，将试验梁设计为超筋梁，纵筋配筋率ρ为4.38%(2Ф25HPB400钢筋)。图1给出了试验梁的断面几何尺寸及配筋设计。试件编号见表1，其中“U”代表UHTCC，后面的数字代表纤维掺量。例如，试件U1.6表示剪跨比为3、配箍率为0.316%、纤维掺量为1.6%钢筋增强UHTCC梁。

图1　梁几何图形及配筋型式

1.2　材料与试件浇筑

UHTCC砂浆基体配比为m(复合材料)∶m(水)=1∶0.2416 ，其中复合材料是由普通硅酸盐水泥、精细砂、粉煤灰及矿物掺合料按一定比例混合而成，取自常州固邦复合材料科技有限公司。UHTCC中使用的增强纤维为日本Kuraray公司生产的聚乙烯醇(PVA)纤维。纤维直径为0.04 mm，长度为12 mm，拉伸弹性模量为40 GPa，拉伸强度为1 600 MPa。为了确保纤维均匀分散于基体，UHTCC搅拌过程中添加了苏州弗克科技有限公司提供的干粉状聚羧酸减水剂，剂量大约为0.0516%。

所有试验梁均采用分层浇筑的方式在钢模中浇筑，每浇完一层后用振动棒振捣密实。在浇筑完毕后，对试件进行抹面处理，在初凝前需两次抹面压实，并用塑料薄膜盖住梁面。拆模后，继续浇水养护试件，并覆盖梁面，促进水化。此外，试验浇筑了70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的UHTCC立方体伴随块，并与试验梁置于同一环境进行相同的养护30 d。实测UHTCC立方体抗压强度如表1所示。

1.3　加载装置及测量方案

试验的加载装置见图2。所有梁在1 000 t电液伺服万能试验机上施加跨中位置集中荷载，采用荷载控制和位移控制相结合的加载方式。荷载分级加载时，每级10 kN。加载到每级荷载，持载若干时间用以描绘相应的裂缝扩展轨迹，同时选取有代表性的裂缝，用Supereyes数码电子放大仪器测量选定位置的裂缝宽度并拍照保存。荷载分级加载之后，采用位移加载到梁破坏，加载速率控制在(0.2±0.025)mm/min，并在峰值荷载时刻测量最大斜裂缝宽度。

在梁的跨中位置和左右支座处各布置一个LVDT，用来测量梁的跨中挠度和支座沉降，两者的差值即为跨中净挠度。在梁的上表面加载点处放置一对中间带滚轴的铁板，同时在左右支座处各放置一块铁板，以防止试件在外荷载或支座反力作用下发生局部压碎。如图1所示，为了监测钢筋的应变变化，在试验梁纵筋和箍筋选定位置上粘贴标距2mm的电阻应变片。试验过程总，利用IMC动态数据采集系统与电脑相连同步采集试验数据。

图2　加载装置及测量仪器布置

2试验结果及讨论

2.1　破坏模式

所有梁均发生剪压破坏。对于剪压破坏，例如试件U2.4，梁在加载初始阶段，首先会在弯剪区段的受拉区边缘产生若干竖向细裂缝，继续加载，裂缝沿着竖向延伸一小段长度后，一方面会有部分弯曲裂缝偏离初始方向而斜向向加载点方向扩展形成剪切斜裂缝；另一方面在梁腹截面高度中部会直接出现若干剪切斜裂缝，并随着不断加载，新的斜裂缝不断出现，腹部斜裂缝的上尖端向着加载点延伸，下尖端朝着支座方向或者受拉纵筋表面发展。梁表面裂缝细长，分布密集，近乎平行。当加载到一定阶段后，斜裂缝中的某一条突然变宽成为主斜裂缝，此后裂缝的扩展主要集中表现在临界斜裂缝的长度和宽度的增长上，其他斜裂缝变化轻微。临界斜裂缝出现后迅速向着加载方向延伸，梁斜截面剪压区高度不断减小，直至剪压区压剪抵抗能力不足而被压碎，试件加载到极限剪切承载力。

2.2　裂缝形态

从图3和图4可以发现，纤维掺量从1.6%变化到2.4%对RUHTCC梁的剪切开裂后的裂缝形态并未产生明显影响。所有RUHTCC梁在剪跨段内均匀密布着若干条近乎平行的剪切斜裂缝，呈现出分布细密的多缝开裂模式，而从以往的混凝土梁抗剪试验，我们发现RC梁在剪跨段仅有1条或可数的几条剪切斜裂缝出现，这说明，在剪切荷载作用下UHTCC有着卓越的裂缝分散能力。

图3所有梁在极限剪切状态下的裂缝扩展形态

图5给出了不同纤维掺量下RUHTCC梁加载到一定荷载所测得的裂缝宽度演变情况。《混凝土结构设计规范》[10](GB50010-2010)对钢筋混凝土结构在严酷环境下的裂缝宽度限值为0.2 mm。如图5所示，本试验的RUHTCC梁U2.4、U2.0、U1.6在正常使用情况下(0.6Pu)的最大裂缝宽度分别约为0.185 mm、0.102 mm、0.141 mm左右，都小于0.2 mm。说明纤维掺量从1.6%增长到2.4%的RUHTCC梁在严酷环境下也能满足上述规范对结构裂缝宽度的要求。UHTCC局部替换混凝土可以用来提高结构构件关键部位抗剪能力和耐久性。

图5RUHTCC梁斜裂缝宽度随荷载增长的曲线

2.3　荷载-挠度曲线

图6绘制了不同纤维掺量下梁的荷载-挠度曲线。由图6中知，所有RUHTCC梁的荷载-挠度曲线在斜裂缝扩展过程中没有出现突变，直至达到最终的极限剪切状态。所有曲线荷载上升阶段都较为平稳，在加载初期均表现为线性增长行为，随着荷载的增大，逐步转变为非线性变形特征。加载初期梁的初始刚度相近，剪切开裂后梁的刚度逐渐降低，但是纤维掺量高的梁刚度也较大。

2.4　剪切开裂荷载

剪切开裂荷载是指试验过程中产生第一条剪切裂缝时的荷载值。通过观察可以发现，RUHTCC梁剪切开裂表现为剪切裂缝首先出现在剪跨段梁腹截面高度的中部附近或者是由受拉区弯曲裂缝斜向发展演变而成。图7给出了RUHTCC梁典型的剪切开裂裂缝形态图。随着纤维掺量从1.6%增大到2.4%，梁的剪切开裂荷载从30 kN增大到50 kN。

图7RUHTCC梁开裂荷载和极限剪切荷载

2.5　极限剪切荷载

从表2和图7中可以看出，纤维掺量直接影响RUHTCC梁极限剪切承载力的高低。随着纤维掺量从1.6%增大到2.4%，RUHTC梁的极限剪切承载力Pu从梁U1.6的121.3 kN到梁U2.0的148.2 kN再到梁U2.4的219.8 kN，分别提高了22.18%和32.58%。UHTCC材料很高的抗拉强度和变形能力很大程度上归功于材料内的PVA纤维的特性，纤维含量从1.6%进一步提高到2.4%的过程中能够很大的影响UHTCC的抗剪性能进而影响到RUHTCC构件的抗剪能力。

2.6　最小配箍率

设置最小配箍率是为了保证梁在剪切开裂后能有足够的富余剪切承载能力及正常使用状态下斜裂缝宽度满足要求[12]。其中，富余剪切承载力可以通过Pu/Pcr来表示。从表2可看出，发生剪压破坏的梁U2.4、U2.0、U1.6的Pu/Pcr分别为4.396、3.705、4.403。也就是说在剪切开裂后，RUHTCC梁仍然能够继续承担至少2.705倍的剪切开裂荷载，而通过以往的试验可知普通的混凝土梁在剪切开裂后基本上接近极限剪切承载力，这体现了RUHTCC梁较优的开裂剪切承载能力。再者，本试验所有RUHTCC梁在正常使用情况下(约0.6Pu)对应的最大裂缝宽度都小于0.2 mm，满足《混凝土结构设计规范》[10](GB50010-2010)对混凝土结构在严酷环境下裂缝宽度要求。因而，在实际工程设计中RUHTCC构件可以不受最小配箍率的限制。

3结论

(1) 纤维掺量从1.6%提高到2.4%，所有RUHTCC简支梁在剪切荷载作用下都发生剪压破坏。

(2) 纤维掺量的提高能够明显改善剪切开裂后RUHTCC梁的刚度，掺量越大，开裂后梁的刚度越大。

(3) 纤维掺量直接影响RUHTCC梁的极限剪切承载力和剪切开裂荷载的高低。随着纤维掺量从1.6%提高到2.0%、2.4%，RUHTCC梁的极限剪切荷载分别提高了22.18%和32.58%。

(4) 纤维掺量对RUHTCC梁剪切开裂后的裂缝形态没有明显影响，均都表现出稳态的多缝开裂模式。正常使用情况下(约0.6Pu)对应的最大裂缝宽度仅约0.18 mm，满足严酷环境下《混凝土结构设计规范》[10](GB50010-2010)对混凝土结构裂缝宽度限值。

(5) 纤维掺量从1.6%变化到2.4%，所有RUHTCC梁具有很高的富余抗剪承载力，荷载作用下产生的裂缝细密，实际工程设计中RUHTCC构件可以不受最小配箍率的限制。

参考文献：

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DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.04.034

收稿日期：2015-03-16修稿日期：2015-04-11

作者简介：张秀芳(1976—)，女，山西忻州人，副教授，主要从事混凝土断裂力学、高性能混凝土材料及其结构应用的研究工作。E-mail: sarahdlut@126.com

中图分类号：TU375.1

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2015)04—0168—05

Shear Performances of Steel Reinforced Ultrahigh Strength Cementitious Composite Beams

ZHANG Xiufang, JI Rennan

(FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

Abstract：Ultrahigh toughness cementitious composite (UHTCC) is used and popularized gradually with the in-depth study about its basic performance. In order to understand the effect of volume percentage of PVA fiber on the shear behavior of reinforced composite (RUHTCC) beams, three RUHTCC beams with different volume percentage of PVA fiber were tested under a concentrated loading at mid-span. The effect of volume percentage of PVA fiber was discussed in terms of the failure mode, the crack propagation, the load-deflection curve, the shear cracking load, the ultimate shear capacity as well as the minimum stirrup ratio. The experimental results showed that all beams failed in typical shear failure modes. The ultimate shear capacity and the shear cracking load of RUHTCC beams increased with the volume percentage of PVA fiber. The RUHTCC beams presented the stable propagation of multiple fine diagonal cracks, with the maximum crack width below 0.2 mm under the normal service condition.

Keywords:ultrahigh toughness cementitious composite (UHTCC); volume percentage of PVA fiber; the ultimate shear capacity; shear cracking load; crack width