高强钢绞线网-水泥基复合材料抗弯加固RC梁试验研究

袁方 邵昱稼

（华东交通大学土木建筑学院，南昌 330013）

目前，钢筋混凝土结构加固方法包括：增大截面加固法，该方法能够显著提高受弯和受压构件截面刚度和承载力；粘贴纤维材料加固法，该方法具有施工方便，几乎不影响结构净空高的优点；粘贴钢板法，该方法施工便捷，能显著提高试件截面刚度等［1-5]。然而，这些加固方法亦有缺点：增大截面加固法增加了被加固结构的自重且影响结构净空；粘贴纤维材料加固法与粘贴钢板加固法的耐火性或耐久性能较差。

高强钢绞线的强度高，将其与聚合物砂浆组合用于混凝土结构加固，具有施工及节点处理方便，经济、环保且有效提高截面承载力等优点。文献［6-8]对钢绞线加固钢筋混凝土梁进行了抗弯及抗剪性能试验研究，结果表明该方法能有效提高构件承载力及刚度，约束裂缝的发展，提升梁的抗疲劳性能。文献［9-10]采用高强钢绞线网与聚合物砂浆组合对钢筋混凝土梁进行抗剪加固，结果表明该方法能够有效提升构件的承载力，且当施加预应力后承载力提高幅度还将增加，对于提升梁的抗剪承载力，钢绞线斜向布置比竖向布置更有效。文献［11]对钢绞线-渗透性聚合物砂浆加固5 根缩尺无抗震设计桥柱进行研究，发现加固后桥柱的延性显著增加，滞回曲线比未加固时更加饱满，表现出较好的抗震性能。此外，高强钢绞线-聚合物砂浆加固技术还应用于板［12]、柱［13]、节点［14]、墙体［15]等方面。然而，钢绞线-聚合物砂浆组合加固方法也有缺点，加固层的裂缝限制能力比较差，加固层出现裂缝后会对结构耐久性产生不利影响。

近年来，为了改善普通混凝土的力学性能，一种经过微观力学设计、在拉伸和剪切荷载下呈现高延性的纤维增强水泥基复合材料（Engineering Cementitious Composites，ECC）［16]在实际工程中得到了越来越多的应用［17-18]。在纤维掺量为2%时，其极限拉应变可以达到3%以上，且在极限荷载作用下裂缝的宽度保持在60 μm 左右。不同于混凝土的脆性性质，ECC 在拉伸荷载作用下能够表现出类似于钢筋弹塑性变形的特性，所以称为假应变硬化［19]。传统混凝土一旦开裂，便立即发生拉伸脆性破坏，承载力显著下降，而ECC 能够通过材料内部纤维在开裂部位的桥联作用保持稳定的承载力，每一条裂缝均能维持在一定宽度范围，随着裂缝数量达到饱和，才会有裂缝进入拉伸软化阶段，最终发生裂缝集中现象而破坏［20]。ECC 材料的高延性［21]使得其能与钢筋拥有更好的变形协调能力，大大降低了界面黏结应力，从而减少纵向劈裂裂缝的发生，可以提高构件的延性、完整性和结构的耐久性［22]。

本文提出一种新型的加固方法——将高强钢绞线与ECC 结合使用，利用ECC 材料优异的裂缝限制能力提高结构的耐久性，选择钢绞线配绳率、加固砂浆种类、被加固梁有无初始损伤等试验参数，对梁体进行受弯性能试验，讨论加固梁的受弯性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文设计了9根钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）梁试件，4 根采用高强钢绞线网-ECC 加固的RC梁，4 根采用高强钢绞线网-聚合物砂浆加固的RC 梁以及1 根未加固RC 梁。梁长1800 mm。混凝土强度等级为C25，保护层厚度为25 mm，纵向钢筋和架立筋均为HRB400级钢筋，加载点距支座的距离为500 mm，剪跨比为2.37。梁截面尺寸及配筋如图1所示。钢绞线型号为国产镀锌钢绞线6×7+IWS，直径为3.6 mm。

图1 梁截面尺寸及配筋（单位：mm）

高强钢绞线网-ECC 加固与高强钢绞线网-聚合物砂浆加固的施工步骤相同，具体步骤为：①将被加固区域凿毛处理。②钢绞线下料并进行端头锚固处理，端部锚固措施见图2。③安装钢绞线网片。将钢绞线网片的一端先固定，固定端为带有孔洞的角钢，通过膨胀螺栓固定于混凝土构件被加固区域上，然后采用专业的紧线器对钢绞线另一端进行张拉并固定。④涂抹界面剂。⑤将拌制好的ECC 或聚合物砂浆均匀地涂抹到被加固区域。⑥构件加固完成后盖上土工布，置于20 ℃左右室温的养护室并不间断地浇水保湿，进行28 d养护。

图2 端部锚固措施

试验讨论的主要参数有钢绞线配绳率、加固砂浆种类及被加固梁有无初始损伤。对于有初始损伤的梁是指在加固前先对梁进行预加载，使梁的纯弯区段内最大裂缝宽度为0.2 mm。试件设计参数见表1。其中，SSM 为高强钢绞线网-聚合物砂浆加固，SSE 为高强钢绞线网-ECC 加固，P 表示该试件有初始损伤；连字符“-”后面的数字代表加固所用钢绞线的根数。

表1 试件设计参数

1.2 材料性能

试验用ECC 为高粉煤灰替代率的ECC，粉煤灰替代水泥率达80%，ECC 与混凝土配合比见表2。试件浇筑的同时制作ECC 与混凝土标准试块，试块尺寸为100 mm × 100 mm × 100 mm，与混凝土试件在相同养护条件下养护28 d，最终测得ECC 与混凝土立方体抗压强度分别为41.7，34.1 MPa。ECC 的抗拉特性是通过尺寸为350 mm × 50 mm × 15 mm 的板件进行单轴拉伸试验进行测试的，其极限拉应变超过了4%，极限拉应力超过5 MPa。钢筋及钢绞线力学性能参数分别见表3和表4。

表2 ECC与混凝土配合比

表3 钢筋力学性能参数

表4 钢绞线力学性能参数

1.3 加载与量测方案

试验采用四点弯曲加载方案，加载装置见图3。正式加载前对构件预加载，预加载的荷载为计算极限荷载的10%。通过预加载来检验和调试试验构件与设备。正式加载时，以5 kN 为1 个等级进行加载，持荷时间为3 min，观测和记录试验现象。在荷载下降到最大承载力的80%后停止加载。对于有初始损伤的试件，加固前对试件预加载，待加载到梁纯弯段内最大裂缝宽度为0.2 mm 时停止加载，卸载后对梁进行加固，待加固及养护完成后再分级加载。在跨中混凝土表面布置应变片以观测纯弯段混凝土应变发展情况。以跨中为中点，在纯弯段纵筋上间隔80 mm 布置应变片，每根纵筋上布置5 片。在钢绞线上中心处布置应变片以观测钢绞线的应力变化，测点布置参见图1。所有量测数据均由采集箱自动记录。

图3 试验加载装置

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态与裂缝模式

试件破坏形态和裂缝分布分别见图4和图5。

由图4 可知，未加固梁的破坏形态为典型适筋梁的破坏形态，以纯弯段混凝土的压溃而宣告破坏。加固梁的破坏特征比较相似，为受拉区钢绞线拉断，随即梁顶混凝土压溃。试件PSSM-6 的聚合物砂浆加固层与混凝土层出现了界面黏结失效的现象，加固层脱落，锚固端发生破坏，钢绞线的强度发挥不充分。

由图5 可知：①未加固梁的裂缝是从梁底开始出现，随着荷载的增加，裂缝宽度显著增加并逐步向混凝土受压区延伸。②高强钢绞线网-聚合物砂浆加固试件的裂缝是从加固层底部开始出现，随着荷载的增加，裂缝穿过聚合物砂浆-混凝土交界面后向混凝土受压区开展，裂缝开展速度比未加固时慢。③高强钢绞线网-ECC加固试件的裂缝开裂过程有2种，一种是在混凝土梁的底部开始出现裂缝，随着荷载的增加，裂缝向混凝土受压区延伸以及向ECC 加固层扩散；另一种则是从ECC 加固层开始出现细小的裂缝，在ECC-混凝土交界面上汇聚后向梁顶受压区延伸。④高强钢绞线网-ECC 加固试件的裂缝开展速度最缓慢。通过裂缝的开展过程可以发现，采用高强钢绞线网-ECC加固能够更好地限制裂缝的出现及开展。

图4 试件破坏形态

图5 试件裂缝分布

对比各个试件的裂缝可知，与RC 梁相比，加固梁均能延缓裂缝的出现及开展。在相同弯矩作用下，加固梁的裂缝宽度明显小于未加固梁的裂缝宽度，裂缝条数比未加固梁更多，主裂缝间距更小，裂缝在梁底呈根系状。对于有初始损伤的梁，裂缝开展位置与无初始损失的加固梁相似，但在底部裂缝明显更细密。另外，ECC 加固层的裂缝数量明显多于聚合物砂浆加固层，且裂缝宽度更小，表现出细而密的特点，说明ECC 加固层比聚合物砂浆加固层的裂缝限制能力更好，可以显著提升结构的耐久性。

2.2 弯矩-挠度曲线分析

试件弯矩-跨中挠度曲线见图6。可知：①在裂缝出现前弯矩-挠度曲线大致呈直线，曲线斜率与未加固时几乎重合，所有加固构件近似为弹性工作状态。当截面开裂后，弯矩-挠度曲线出现第1 次转折，曲线斜率减小，截面刚度下降，挠度增长速度加快。②加固梁比未加固梁挠度发展缓慢，在相同弯矩作用下，随着钢绞线配绳率的增加（即刚度增大），跨中挠度减小。随着荷载的继续增大，钢筋开始屈服，曲线出现第2 次转折，未加固梁弯矩-挠度曲线斜率急剧减小，在弯矩增量很小的情况下，挠度增加十分显著，承载力几乎不再增加。由于钢绞线的存在，加固梁弯矩-挠度曲线仍有较大的斜率，承载能力还能有所增长。③随着荷载的继续增加，钢绞线开始拉断，曲线出现第3次转折，承载力急剧下降。

图6 试件弯矩-跨中挠度曲线

特征荷载试验值见表5。其中，PSSE-6，PSSM-6梁在加载前已经产生裂缝，因此未标注其裂缝出现时的弯矩。

表5 特征荷载试验值

由表5可知：

1）开裂弯矩。加固梁比未加固梁的开裂弯矩有明显提升，最大提高幅度达109.8%。ECC-钢绞线加固梁的开裂荷载高于聚合物砂浆-钢绞线加固梁，提升程度随着钢绞线配绳率的增加而降低。

2）屈服弯矩。加固梁比未加固梁的屈服弯矩最大提高幅度达61.3%，提升幅度随着钢绞线配绳率的增加而增加，且ECC 与钢绞线加固比聚合物砂浆与钢绞线加固能更能有效地提升试件的屈服弯矩。

3）极限弯矩。①2 类加固梁均可以有效提高梁的极限弯矩，提高幅度随钢绞线配绳率的增加而增大。采用ECC 加固梁的承载力略高于采用聚合物砂浆加固梁的承载力，说明承载力的提升主要依赖于钢绞线较高的抗拉强度。②PSSE-6，PSSM-6梁的承载力提升幅度达66.5%，54.5%，说明采用2 种方法加固有损伤历史的二次受力梁也能够很好地提升梁的极限弯矩。③虽然承载力相差不大，但在相同钢绞线配绳率的情况下，ECC 加固梁还是展现了ECC 材料在拉伸作用下的应变硬化特性。④有初始损伤梁由于钢筋已经进入屈服阶段，在二次受力后钢筋进入应变硬化阶段，导致其承载力比无初始损伤梁还有微小的提升，不过二者承载力提升的幅度仅仅相差了5.6%（ECC），6.9%（聚合物砂浆）。

2.3 应变分析

试件跨中弯矩-纵筋应变曲线见图7。可知：①试件开裂前纵筋的弯矩与应变关系曲线基本呈线性增长。②试件开裂后曲线斜率减小。在相同弯矩作用下，钢绞线配绳率越大，纵筋应变越小。③弯矩为10 kN·m 时，未加固梁钢筋应变为1.245×10-3，而PSSE-6 梁纵筋应变仅为0.491×10-3。原因是钢绞线在加载过程中替纵筋承担了一部分拉力，使得相同弯矩下加固梁的纵筋应变更小。

图7 试件跨中弯矩-纵筋应变曲线

2.4 裂缝发展

试件荷载-最大裂缝宽度曲线见图8。其中，横坐标为试件承载力M与试件极限承载力Mu的比值，纵坐标为对应时刻出现的最大裂缝宽度。

由图8（a）可知：①未加固梁与高强钢绞线网-ECC 加固梁混凝土、高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁的最大裂缝宽度分别在M/Mu=0.8，0.7时开始非线性发展，说明ECC 比聚合物砂浆更有利于限制混凝土层裂缝的开展。②裂缝宽度一定时，加固梁截面弯矩均比未加固梁大，说明加固梁体可以较好地限制裂缝的发展，且加固梁的裂缝限制能力随钢绞线配绳率的增加而提高。③裂缝宽度相同时，高强钢绞线网-ECC加固梁M/Mu比值比高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁更大，说明在正常使用荷载的条件下，高强钢绞线网-ECC加固能够有效限制混凝土层裂缝的开展。

图8 试件荷载-最大裂缝宽度曲线

由图8（b）可知：①高强钢绞线网-ECC 加固梁混凝土、高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁的最大裂缝宽度分别在M/Mu= 0.82，0.63 时开始非线性发展，且在整个加载过程中，ECC 加固层的裂缝宽度低于聚合物砂浆加固层。说明高强钢绞线网-ECC 加固不仅可以有效限制混凝土裂缝的开展，而且能保护钢绞线，从而能够更好地提升结构的耐久性。②与高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁相比，高强钢绞线网-ECC 加固梁具有更大的弯矩，进一步说明了高强钢绞线网-ECC 加固具有更好的裂缝限制能力。原因是ECC 材料中的纤维在基体中提供桥联应力，使裂缝以稳态开裂模式向整个截面扩展。当第1 条裂缝出现后，试件的承载力瞬间下降后马上恢复，裂缝很快稳定在一个很细的水平上，重复多次后呈现出整体上均匀分布的多条细而密的裂缝，且宽度大体接近。

2.5 延性分析

采用延性系数描述构件的延性。延性系数μ=Δu/Δy，Δu为构件的极限变形，本次试验取其极限承载力下降到80%时对应的位移；Δy为构件钢筋屈服时的位移。跨中挠度与延性系数见表6。

由表6可知：

表6 跨中挠度与延性系数

1）钢绞线配绳率。梁的延性随钢绞线配绳率的增加而降低。原因是在梁的底部配置钢绞线，相当于增加了受拉钢筋的配筋率，随着受拉钢筋配筋率的增加，受压区高度增大。根据平截面假定，梁底钢筋屈服时对应的受压区混凝土压应变增加，最终接近混凝土的极限压应变，造成混凝土梁的延性下降。

2）加固材料种类（ECC、聚合物砂浆）。与钢绞线配合使用的加固材料种类对提高梁的延性并无显著区别。

3）被加固梁类型。SSE-6，SSM-6梁的延性系数分别为3.4，3.2，PSSE-6，PSSM-6 梁的延性系数分别为3.0，3.1，表明采用高强钢绞线与ECC 或聚合物砂浆组合进行钢筋混凝土梁抗弯加固时，梁有无初始损伤对延性的影响并不明显。

3 结论

1）高强钢绞线网-ECC 抗弯加固能有效提升梁的受弯承载力。对于无损伤加固梁，极限承载力提高幅度随钢绞线配绳率的增加而提高，且高强钢绞线网-ECC 加固梁的承载力略高于高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁。当钢绞线数量为2，4，6时，高强钢绞线网-ECC 加固梁极限承载力提高幅度分别为21.5%，46.8%，60.9%，高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁极限承载力提高幅度分别为18.0%，45.1%，47.6%。

2）高强钢绞线网-ECC 加固方法比高强钢绞线网-聚合物砂浆加固方法对裂缝的控制作用更明显，ECC 加固层呈现出细而密的特点，且高强钢绞线网-ECC加固能够有效限制混凝土层裂缝的开展。

3）初始损伤对加固梁的破坏形态、裂缝模式、承载力及延性均无明显影响。

4）高强钢绞线网-ECC 加固方法可有效提高梁的屈服后刚度。