超高强钢筋ECC梁受弯性能试验及承载力分析

2021-01-16章一萍李碧雄唐丽娜

建筑科学与工程学报 2020年6期

章一萍，李碧雄，廖桥，周练，唐丽娜

(1. 四川省建筑设计研究院有限公司，四川成都 610000； 2. 四川大学深地科学与工程教育部重点实验室，四川成都 610065； 3. 同济大学土木工程学院，上海 200092)

0 引言

为减少钢筋用量以达到节约资源和保护环境的目的，住房和城乡建设部在《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中增加了HRB500和HRBF500级钢筋，但是配置HRB500和HRBF500级钢筋混凝土梁的控裂能力通常较差[1-2]。对此，有学者提出通过增大保护层厚度来提高梁的控裂能力[3]，然而试验结果表明，这种方法还存在一些问题。工程用水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composites,ECC)作为一种高延性和高韧性的纤维增强水泥基复合材料，其控裂能力、受拉变形能力和受压变形能力都很强。在单轴受拉试验中，ECC表现出多缝开裂和应变硬化的特点，单轴受拉极限应变大于2%[4]。在单轴受压试验中，ECC的峰值压应变可达0.4%～0.5%[5]。尽管ECC的制备成本通常是普通混凝土的数倍，但是根据ECC材料设计理论适当调整ECC中的组分可大幅降低成本[6-8]。

ECC和钢筋的协调变形能力很强[9-10]。此外，Li等[11]对采用HRB335级钢筋增强的ECC梁进行受弯试验研究，发现该类梁的控裂能力和延性性能均较好。薛会青等[12]以HRB500级钢筋和ECC分别作为梁的纵向受拉钢筋和基体材料，发现受弯屈服时梁的裂缝宽度均在0.09 mm以内，远小于规范对梁裂缝宽度的限值。Noushini等[13]将屈服强度为590 MPa的钢筋与ECC组合成梁，发现梁受弯时表现出较强的延性性能。为减小钢筋用量及增强梁的控裂能力和延性性能，基于前述的研究结果[4-5,9-13]，文献[14]提出以超高强钢筋(屈服强度标准值大于等于500 MPa的钢筋)和ECC分别为纵向受拉钢筋和基体材料的超高强钢筋ECC梁(Ultra High Strength Rebar Reinforced Engineered Cementitious Composites Beams, UHSRRE梁)，并建立了该类梁的正截面受弯计算理论。

为进一步研究UHSRRE梁的受弯性能，以便为该类梁的工程应用提供相应指导。本文对3根UHSRRE梁、1根普通强度钢筋增强ECC梁(Reinforced Engineered Cementitious Composites Beams,RECC梁)和1根普通强度钢筋增强混凝土梁(Reinforced Concrete Beams,RC梁)进行弯曲试验，分析弯曲试验现象、ECC应变、延性性能和特征弯矩，并研究纵筋配筋率对UHSRRE梁承载力的影响。

1 试验概况

1.1 试件制备

试验采用的ECC中水泥、粉煤灰、水、细骨料、纤维、高效减水剂配合比为62.48∶137.72∶56.78∶137.72∶5.11∶1。水泥为普通硅酸盐水泥P.O 42.5R，粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰，细骨料为70～120目的石英砂，减水剂为聚羧酸高效减水剂(砂浆减水率Rm≥23%)。纤维采用聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol Fiber,PVA纤维)，纤维性能见表1。混凝土中水泥、水、细骨料、粗骨料、高效减水剂配合比为200∶61.96∶253.62∶365.22∶1。细骨料采用河砂(属于细砂)，粗骨料为粒径5～15 mm的碎石，水泥和减水剂同前。试件主要参数如表2所示，尺寸和配筋见图1，其中F为荷载。

表1PVA纤维性能Tab.1Properties of PVA Fiber

表2试件主要参数Tab.2Main Parameters of Specimens

图1试件的尺寸和配筋(单位：mm)Fig.1Dimension and Reinforcement of Specimens (Unit:mm)

在制备UHSRRE梁和RECC梁的过程中采用振捣棒振捣密实ECC。在温度约为10 ℃的室内环境中洒水养护梁7 d后拆模，接着便以每天洒水2次的养护方式再养护梁21 d。为防止水分蒸发，需使用薄膜覆盖梁。浇筑梁的同时，制作3个边长为100 mm的ECC或混凝土立方体及3个尺寸为300 mm×50 mm×20 mm的ECC薄板，立方体和薄板的养护制度与梁的相同。

1.2 材料性能

ECC和混凝土的单轴受压峰值强度分别为26.5 MPa和66.83 MPa，后者约为前者的2.5倍。这是因为养护时间短及养护的温度和湿度低，使得ECC中的粉煤灰发生二次水化反应偏难，粉煤灰在早龄期主要充当惰性填充料[15]。另一方面，ECC中的胶凝材料主要为粉煤灰，水泥质量仅为粉煤灰的45%左右。通过应变片测得ECC的单轴受压峰值应变为0.36%。

经三点弯曲试验测得ECC薄板的荷载-跨中挠度曲线，如图2所示。开裂前，荷载与跨中挠度呈正比关系，ECC处于弹性受力阶段。随跨中挠度的增加，ECC进入稳态开裂阶段，曲线呈“锯齿”状，挠度硬化明显。值得注意的是，荷载-跨中挠度曲线每波动一次基本对应着新裂缝产生或旧裂缝扩展。在试验结束后卸载时，可明显观测到ECC薄板发生弹性恢复变形。ECC薄板受拉面的裂缝分布见图2，所有裂缝均分布在薄板跨中附近，ECC多缝开裂的特点明显，缝宽均小于100 μm(不包含主裂缝)，ECC控裂能力突出。为便于确定ECC单轴受拉极限应变，密歇根大学的Qian等[16]建议通过ECC的弯曲试验结果来计算得到单轴受拉极限应变。本文采用与此类似的方法(文献[17]建议的公式)来确定ECC的单轴受拉极限应变，算得ECC单轴受拉极限应变为2.61%。

图2ECC薄板的荷载-跨中挠度曲线及裂缝分布Fig.2Load-midspan Deflection Curve and Crack Pattern of ECC Sheet

钢筋力学性能见表3。由于HRB500级钢筋强度最大，所以断后伸长率最小，受拉变形能力最弱。

1.3 试验方案

在梁的侧面设置6个80 mm×2.5 mm的应变片，顶面布设3个80 mm×2.5 mm的应变片，底面设置5个50 mm×3 mm的应变片。在纵向受拉钢筋表面设置4个5 mm×3 mm的应变片。应当指出的是，以上应变片均被布置在梁的纯弯段内。为测定梁的跨中挠度，在支座和跨中分别设置数显千分表。试验过程中，采用HC-CK101裂缝宽度观测仪读取裂缝宽度。

表3钢筋的力学性能Tab.3Mechanical Properties of Steel Bars

加载示意图如图3所示，通过微机控制电液伺服万能试验机对表2中5根梁分别进行弯曲试验。对试件CON335-2采用分级加载，每级荷载约为试验梁预估极限荷载的5%。对余下4根梁采用荷载-位移混合控制加载，即在梁的纵向受拉钢筋开始屈服前，以每级荷载约为试验梁预估极限荷载的5%进行分级加载，之后采用位移控制加载，其速率为0.25 mm·min-1。

图3加载示意图Fig.3Loading Diagram

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

5根梁均发生的是弯曲破坏，其典型破坏形态见图4。UHSRRE梁和RECC梁的纵向受拉钢筋首先屈服，之后梁受压区边缘ECC的应变大于ECC单轴受压峰值应变，梁顶面出现压缩“褶皱”。另一方面，同RC梁相比，UHSRRE梁和RECC梁的控裂能力很强。当RC梁发生破坏时，其纯弯段的裂缝数量仅为6条，并且每条裂缝的宽度都大于0.2 mm。当UHSRRE梁和RECC梁出现破坏时，纯弯段的裂缝数量在40条以上，平均裂缝宽度小于0.2 mm。分析认为，由于PVA纤维的有效桥接作用，ECC具有突出的控裂能力，在单轴受拉条件下ECC的裂缝宽度约为60 μm[18]，这使得大裂缝可被细化成微细裂缝。另一方面，ECC和钢筋的协调变形能力很强[9-10]，裂缝处的钢筋能有效地发挥作用。与RECC梁相比，尽管UHSRRE梁受弯破坏时的平均裂缝宽度略大，但UHSRRE梁的裂缝数量更多。以上表明，UHSRRE梁并未因采用超高强钢筋而使构件的控裂能力明显降低。

图4梁的典型破坏形态Fig.4Typical Failure Modes of Beams

2.2 ECC应变

图5不同截面高度处ECC的应变Fig.5ECC Strains at Different Section Heights

图5为UHSRRE梁不同截面高度处ECC的应变。随着荷载增加，UHSRRE梁截面的应变相应增大，截面应变和高度也基本呈线性关系，所以UHSRRE梁截面应变基本符合平均应变的平截面假定。此外，图5表明，随着纵筋配筋率的提高，UHSRRE梁的受压区高度增加。

UHSRRE梁和RECC梁受压区边缘ECC的应变-跨中挠度的关系见图6。当跨中挠度小于4 mm时，ECC应变与跨中挠度呈线性关系，并且4根梁的应变-跨中挠度曲线基本重合。当跨中挠度大于4 mm后，ECC应变与跨中挠度呈非线性关系。由UHSRRE梁的截面应力分布图[14]可知，受压区ECC合力需与纵筋和受拉区ECC的合力平衡。因此，随着纵筋配筋率的提高，梁受压区高度增加(图5)，受压区边缘ECC的应变增大。UHSRRE梁和RECC梁受压区边缘的应变峰值均明显大于ECC的单轴受压峰值应变，并且在受压区边缘ECC的应变超过单轴受压峰值应变后，UHSRRE梁所承受的荷载无明显降低。试验中发现，ECC应变达到峰值后便开始降低，这是因为试验加载后期梁顶面有压缩“褶皱”，使得应变片向平面外凸起，导致应变片出现受拉变形。

图6梁受压区边缘ECC的应变-跨中挠度关系Fig.6Relationship Between ECC Strains and Midspan Deflection at Edge of Compression Zone of Beams

图7为UHSRRE梁和RECC梁弯曲试验过程中所测得的梁受拉区边缘ECC拉应变最大值。RECC梁受拉区边缘ECC拉应变最大值小于ECC单轴受拉极限应变，表明RECC梁受拉区的ECC不退出工作。这与文献[19]在建立RUHTCC梁受弯计算理论时认为受拉区ECC不退出工作的假定吻合。UHSRRE梁受拉区边缘ECC拉应变最大值也小于ECC单轴受拉极限应变，即UHSRRE梁的受拉区ECC也不退出工作。根据UHSRRE梁的截面应力分布图[14]可知，纵筋和受拉区ECC的合力需与受压区ECC合力平衡，纵筋配筋率的提高将使受压区ECC合力增加，受压区ECC应变相应变大，从而使受拉区ECC应变也增加。因此，随着纵筋配筋率的提高，UHSRRE梁受拉区边缘ECC拉应变最大值增加，ECC优异的受拉变形能力得到进一步发挥。

图7梁受拉区边缘ECC拉应变最大值Fig.7Maximum Tensile Strains of ECC at Edge of Tensile Zone of Beams

2.3 延性性能

衡量受弯构件延性性能的指标有很多种，如能量延性系数和位移(或曲率)延性系数。能量延性系数不但能反映构件的变形储备，而且可反映其承载力储备[20]。此外，试验梁的纵筋配筋率变化范围较大(0.42%～2.39 %)，各梁之间的承载力存在明显差异(表4)，所以采用能量延性系数μ来评价梁的延性性能。能量延性系数计算式为

μ=Eu/Ey

(1)

式中：Ey为受弯构件屈服时的变形能；Eu为极限变形能。

UHSRRE梁和RECC梁的能量延性系数如表4所示。随着纵筋配筋率的增加，UHSRRE梁的能量延性系数先增后减。虽然UHSRRE梁的承载力随着配筋率的提高而增加，但梁的变形能力下降。因此，UHSRRE梁的能量延性系数随着配筋率的增加最后出现减小。与RECC梁相比，试件ECC500-2的能量延性系数提高了25.71 %，表明当UHSRRE梁具有适当的纵筋配筋率时，其延性性能将优于RECC梁的延性性能。

表4梁的受弯试验结果Tab.4Flexure Test Results of Beams

2.4 特征弯矩

5根梁的特征弯矩见表4。由于RC梁的纵筋配筋率和混凝土的单轴受压峰值强度均很高，加之试验采用的HRB335级钢筋的极限强度约为其屈服强度的2倍，故试件CON335-2的特征弯矩最大，且屈服后其抗弯承载力尚有明显的提高。与此相反的是，试件ECC500-1的配筋率最低，ECC单轴受压峰值强度也偏低，所以该试件的特征弯矩最小。随着配筋率的增加，UHSRRE梁的特征弯矩(除开裂弯矩)增大。值得注意的是，尽管混凝土的单轴受压峰值强度是ECC的2.5倍，但RC梁和RECC梁的极限弯矩非常接近，后者约为前者的0.91倍，这是因为RECC梁受拉区边缘ECC拉应变最大值小于ECC单轴受拉极限应变，即梁受拉区的ECC没有退出工作。另一方面，RECC梁受压区ECC塑性变形发展更为充分，受压区高度更大。

3 承载力分析

为对比UHSRRE梁和RC梁的承载力(极限弯矩)，取与混凝土单轴受压峰值强度较为相近的ECC作为UHSRRE梁的基体材料。由文献[21]得ECC力学参数：ECC单轴受压刚度变化点对应的强度σcc和应变εcc分别为35.1 MPa和0.073%，单轴受压峰值强度σcp和应变εcp分别为52.6 MPa和0.22%。单轴受拉初裂强度σtc和应变εtc分别为2.2 MPa和0.19%，单轴受拉极限强度σtu和应变εtu分别为6.5 MPa和7.98%。此外，UHSRRE梁截面的高度h和宽度b分别为240 mm和130 mm。UHSRRE梁的纵向受拉钢筋为HRB500E级钢筋或HRB600级钢筋，钢筋直径d、屈服强度σy、屈服应变εy、极限强度σsu和极限强度对应的应变εsu如表5所示[22]。保护层厚度采用20 mm，箍筋和架立钢筋均选用直径为8 mm的HRB400级钢筋。

表5纵筋力学参数Tab.5Mechanical Parameters of Longitudinal Steel Bars

根据UHSRRE梁的受弯计算理论[14]可知

Tc+Ts=Cc

(2)

(3)

(4)

式中：Ts为纵向受拉钢筋合力；Tc为受拉区ECC合力；Cc为受压区ECC合力；a为ECC受拉区开裂高度；ε(h)为h高度处(以受拉区边缘为原点，建立沿截面高度竖直向上的x轴坐标系)ECC的应变；as为下部纵向受拉钢筋合力点到受拉边缘的竖向距离；As，εs为纵筋的面积和应变；xc为受压区高度；e为受压区刚度变化点与受拉区边缘之间的竖向距离；k2=(σtu-σtc)/(εtu-εtc)；k4=(σcp-σcc)/(εcp-εcc)；k6=(σsu-σy)/(εsu-εy)。

联立式(2)～(4)，解出受压区高度xc。根据力矩平衡条件可对UHSRRE梁的受拉区边缘取矩，整理得弯矩M为

(5)

令ε(h)=εcp，可解得xc，代入式(5)中得梁的承载力。

基于上述受弯计算理论，通过MATLAB软件编程计算得到UHSRRE梁的承载力，如表6所示。当纵筋配筋率为2.39%时，尽管混凝土的单轴受压峰值强度为ECC的1.27倍，但以HRB500E为纵向受拉钢筋的UHSRRE梁的承载力仅比RC梁低1.61%；配有HRB600级钢筋的UHSRRE梁的承载力比RC梁提高了9.53%。另一方面，文献[12]的试验结果表明，当纵筋配筋率为1.39%时，UHSRRE梁的承载力比RC梁提高了50.07%；当配筋率为0.70%时，UHSRRE梁的承载力较RC梁提高了85.02%。以上表明，UHSRRE梁可以实现钢筋用量的减少。