張秀芳，郭少鵬

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024)

UHTCC/RC復(fù)合梁剪切性能試驗(yàn)研究

張秀芳，郭少鵬

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部， 遼寧 大連 116024)

超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)以其多重細(xì)密穩(wěn)態(tài)開裂模式在宏觀上展現(xiàn)出拉應(yīng)變硬化特征，具有優(yōu)異的裂縫控制能力，可用作修補(bǔ)材料。采用UHTCC替代部分受拉區(qū)混凝土對(duì)有腹筋UHTCC/RC復(fù)合梁進(jìn)行了剪切性能研究。試驗(yàn)變量為UHTCC層厚度。結(jié)果表明：不同UHTCC層厚度的UHTCC/RC復(fù)合梁，其抗剪承載力均明顯高于RC對(duì)比梁；即便配置較密集的箍筋，仍然無法阻止界面剝離，但可以避免界面剝離產(chǎn)生的荷載抖降；UHTCC能夠限制和分散上層混凝土中的裂縫。最后，給出了UHTCC/RC復(fù)合梁在實(shí)際應(yīng)用中的建議。

UHTCC/RC復(fù)合梁；剪切性能；界面剝離；裂縫寬度；裂縫形態(tài)

我國(guó)現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于低劣的施工質(zhì)量、環(huán)境條件的惡化、設(shè)計(jì)使用荷載的提高和國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范的調(diào)整等，大多還遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限就已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的耐久性問題[1-3]。超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)作為一種新型纖維水泥基復(fù)合材料[4]，采用微觀力學(xué)設(shè)計(jì)和調(diào)整[5-6]，使用短纖維增強(qiáng)，且纖維體積分?jǐn)?shù)不超過2.5%，通過多重細(xì)密裂縫的穩(wěn)態(tài)開裂模式實(shí)現(xiàn)宏觀拉應(yīng)變硬化特點(diǎn)，極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定達(dá)到3%以上，具有不同于傳統(tǒng)混凝土的優(yōu)異性能，可用作修補(bǔ)材料[7-8]。

近年來，各國(guó)學(xué)者對(duì)UHTCC作為修補(bǔ)材料進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，Maalej J M等[9]、徐世火良等[10-12]、侯利軍等[13-14]將UHTCC用于提高混凝土構(gòu)件彎曲性能的修補(bǔ)試驗(yàn)中，結(jié)果均表明：UHTCC替代部分受拉區(qū)混凝土后，UHTCC層不僅能夠限制上層混凝土中裂縫的發(fā)展，而且能夠?qū)⑸蠈踊炷林休^寬的裂縫分散成多重細(xì)密裂縫，有效阻止有害物質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部，提高構(gòu)件耐久性。但在將UHTCC用于提高混凝土構(gòu)件剪切性能的試驗(yàn)中，Kim J H J等[15]研究表明DFRCC層厚為2倍混凝土保護(hù)層厚度的DFRCC/RC復(fù)合梁由于界面發(fā)生嚴(yán)重剝離，導(dǎo)致其抗剪承載力相比于RC對(duì)比梁并沒有提高。Zhang Yongxing等[16]研究表明SHCC層雖然能夠提高RC梁的抗剪承載力，但SHCC剪切加強(qiáng)層的延性卻明顯降低了。由于構(gòu)件受剪時(shí)傳力機(jī)制非常復(fù)雜，因此有必要對(duì)發(fā)生剪切破壞的UHTCC修補(bǔ)后的RC梁進(jìn)行深入的研究。

本文通過UHTCC置換不同厚度受拉區(qū)混凝土來模擬修補(bǔ)保護(hù)層混凝土剝落、鋼筋銹蝕的既有構(gòu)件，旨在研究UHTCC/RC復(fù)合梁的剪切性能及UHTCC層和混凝土層間的界面粘結(jié)性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所采用的UHTCC材料是由PVA纖維和UHTCC復(fù)合材料組成，PVA纖維直徑為0.04 mm，長(zhǎng)度為12 mm，抗拉彈性模量為40 GPa，抗拉強(qiáng)度為1 600 MPa，UHTCC復(fù)合材料由普通硅酸鹽水泥、精細(xì)砂、粉煤灰和礦物摻合料按照一定比例摻和而成。在配置UHTCC時(shí)，首先將25 kg UHTCC復(fù)合材料干粉倒入攪拌鍋中，干攪1 min～2 min，攪拌均勻后緩緩加入5.25 kg水，繼續(xù)攪拌5 min～6 min，然后將一包PVA纖維在1 min～2 min緩慢加入到攪拌鍋中，繼續(xù)攪拌5 min～6 min，當(dāng)觀察到纖維無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象且拌合物具有良好的流動(dòng)性和黏聚性時(shí)，即成功配置出UHTCC?；炷敛捎么筮B龍億建筑材料有限公司提供的目標(biāo)強(qiáng)度等級(jí)為C50的商品混凝土，配合比為：水泥∶河砂∶碎石∶水=360∶685∶1050∶185最大骨料粒徑為25 mm。試驗(yàn)中底部受拉鋼筋采用直徑為20 mm的帶肋鋼筋，架立筋和箍筋分別采用直徑為8 mm和6.5 mm的光圓鋼筋，直徑為8 mm的架立筋屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為318 MPa和456 MPa，其它鋼筋強(qiáng)度見表1。

1.2 試驗(yàn)梁制作

本次試驗(yàn)共制作4根有腹筋梁，包含1根RC對(duì)比梁和3根UHTCC/RC復(fù)合梁，試驗(yàn)梁的幾何尺寸均為140 mm×200 mm×1 200 mm，底部受拉縱筋合力點(diǎn)到底部邊緣的距離均為40 mm，剪跨比均為3。試驗(yàn)梁主要變量為UHTCC層厚度，UHTCC層厚度采用0 mm、40 mm、60 mm和80 mm，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](GB50010—2010)規(guī)定的最小配箍率所對(duì)應(yīng)的箍筋間距約為210 mm，本試驗(yàn)中箍筋間距采用150 mm，試驗(yàn)梁編號(hào)為UXSY，其中X代表UHTCC層厚度，Y代表箍筋間距，例如U40S150代表UHTCC層厚度為40 mm箍筋間距為150 mm的試驗(yàn)梁。試驗(yàn)梁詳圖如圖1所示。

表1 試驗(yàn)梁詳細(xì)信息

U0S150U40S150U60S150U80S150

圖1 試驗(yàn)梁詳圖(單位：mm)

所有試驗(yàn)梁均在木模中采用熱澆筑的方式澆筑完成，即先澆筑規(guī)定厚度的混凝土層，振搗密實(shí)后，在混凝土初凝前澆筑UHTCC層，然后將新澆筑的UHTCC層也振搗密實(shí)，同時(shí)澆筑6個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試塊以及3組(每組3個(gè))70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的UHTCC立方體試塊，以測(cè)定抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度見表1。所有試件及立方體試塊澆筑完成后均放在室外自然養(yǎng)護(hù)28 d，每天澆水2次，同時(shí)用塑料薄膜覆蓋，以防止水分散失。

所有試驗(yàn)梁均采用三點(diǎn)彎加載方式在10 000 kN液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，同時(shí)在跨中加載端連接一個(gè)量程為500 kN的荷載傳感器來精確測(cè)定加載荷載，在跨中和支座處各放置一個(gè)LVDT，分別測(cè)量跨中撓度和支座沉降，為避免局壓破壞，在加載點(diǎn)和支座處各布置一塊寬度為80 mm的墊板。所有梁均采用荷載分級(jí)加載和位移加載相結(jié)合的方式，先荷載分級(jí)加載，每級(jí)5 kN，持續(xù)若干時(shí)間來描繪裂縫擴(kuò)展曲線并記錄裂縫最大寬度，當(dāng)加載到預(yù)估極限承載力的60%荷載處，換成位移加載，位移加載控制速率為(0.1～0.2) mm/min，直到下降段荷載達(dá)到70%峰值荷載時(shí)即可停止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞模式

試驗(yàn)梁共發(fā)生2種破壞模式：剪壓破壞(SC)和剪壓-界面剝離破壞(S-D)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。梁U40S150發(fā)生了剪壓-界面剝離破壞，在加載過程中，界面不斷剝離，每一次界面剝離，也促使臨界斜裂縫的加劇擴(kuò)展，梁最后的破壞是由于擴(kuò)展到支座處的界面裂縫以及臨界斜裂縫貫穿受壓區(qū)，壓區(qū)混凝土被壓碎共同導(dǎo)致的。梁U0S150、U60S150和U80S150發(fā)生了剪壓破壞，臨界斜裂縫基本沿著加載點(diǎn)和支座的連線進(jìn)行擴(kuò)展，梁最終的破壞是由于壓區(qū)混凝土被壓碎導(dǎo)致的。需要注意的是，雖然U60S150和U80S150這兩根梁也發(fā)生了界面剝離的現(xiàn)象，但是界面裂縫并沒有擴(kuò)展到支座處，且在剪切破壞前，界面裂縫長(zhǎng)度增長(zhǎng)已經(jīng)停止，而且在UHTCC層中形成了寬度較大的主斜裂縫，因而不屬于剪壓-界面剝離破壞。

所有試驗(yàn)梁峰值時(shí)肉眼可見的裂縫發(fā)展形態(tài)如圖2所示。需要注意的是，圖2中所畫出的裂縫僅僅是肉眼可觀測(cè)到的裂縫，實(shí)際上還有許多細(xì)密裂縫是肉眼不易觀察到的，當(dāng)試驗(yàn)梁卸載后，盡管有相當(dāng)一部分細(xì)密裂縫已經(jīng)閉合，但對(duì)卸載后試驗(yàn)梁進(jìn)行局部刷油處理后，仍然發(fā)現(xiàn)了大量細(xì)密裂縫，圖3給出了復(fù)合梁卸載刷油后界面裂縫尖端放大圖。從圖2和圖3中可明顯看出：在峰值荷載時(shí)，所有UHTCC/RC復(fù)合梁的UHTCC層中裂縫數(shù)量均多于相應(yīng)RC對(duì)比梁，且隨著UHTCC層厚度增加，裂縫數(shù)量有依次增大的趨勢(shì)。而且界面裂縫并非一出現(xiàn)就立即擴(kuò)展到支座處，而是隨著荷載的不斷增加，在左右剪跨內(nèi)不斷交替剝離，界面裂縫每一次剝離，界面裂縫尖端下方UHTCC層就不斷有多重細(xì)密裂縫產(chǎn)生，有效耗散了能量，充分發(fā)揮了UHTCC材料優(yōu)異的裂縫分散能力。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

注：Pcr—剪切初裂荷載；Ps—剪跨段初始界面脫粘荷載；Pu—峰值荷載；δu—峰值撓度。

復(fù)合梁U60S150和U80S150均不同程度的出現(xiàn)了界面脫粘現(xiàn)象，但卻沒有發(fā)生沿縱筋的水平撕裂現(xiàn)象，說明UHTCC與鋼筋間具有良好的變形協(xié)調(diào)性，且UHTCC材料和鋼筋之間的粘結(jié)性強(qiáng)于UHTCC材料和混凝土間的界面粘結(jié)。

2.2 荷載

試驗(yàn)梁的剪切初裂荷載、初始界面脫粘荷載和峰值荷載見表2。UHTCC/RC復(fù)合梁相比于RC對(duì)比梁抗剪承載力均有明顯提高，且隨著UHTCC厚度的增加，抗剪承載力分別提高了38.6%、54.4%和52.6%，這主要是由于UHTCC代替部分受拉區(qū)混凝土后，在底部受拉區(qū)混凝土開裂后，UHTCC層依然能夠通過纖維的橋接作用來傳遞拉應(yīng)力，從而承擔(dān)部分剪應(yīng)力，提高了梁的抗剪承載力。從表2中也可看出：UHTCC/RC復(fù)合梁剪跨段初始界面脫粘荷載僅略高于或持平于其對(duì)應(yīng)的剪切初裂荷載，且隨著UHTCC層厚度的增加，初始界面脫粘荷載有逐漸增大的趨勢(shì)。

梁剪切開裂后仍能承擔(dān)荷載的能力為開裂后富余抗剪承載能力，可以用抗剪承載力與剪切初裂荷載的比值來表示，反映的是梁在剪切開裂后阻止脆性斷裂的能力。本試驗(yàn)中UHTCC/RC復(fù)合梁的開裂后富余抗剪承載能力范圍為2.32～3.51，均高于RC對(duì)比梁的2.07，說明UHTCC替換部分受拉區(qū)混凝土后可以有效提高試驗(yàn)梁阻止脆性斷裂的能力。

圖2 峰值時(shí)裂縫發(fā)展形態(tài)圖

圖3 試驗(yàn)梁卸載刷油后界面裂縫尖端放大圖

2.3 荷載-撓度曲線

試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線見圖4。所有試驗(yàn)梁在加載初期荷載-撓度曲線線性上升，當(dāng)裂縫出現(xiàn)后，試驗(yàn)梁剛度降低，荷載-撓度曲線開始展現(xiàn)出非線性的特點(diǎn)。

圖4 試驗(yàn)梁荷載-撓度曲線

RC對(duì)比梁U0S150發(fā)生了剪壓破壞，當(dāng)臨界斜裂縫向上擴(kuò)展到加載點(diǎn)附近，同時(shí)向下擴(kuò)展到支座附近，受壓區(qū)混凝土由于承載力不足而被壓潰時(shí)，荷載達(dá)到峰值114 kN，峰值撓度為5.35 mm，繼續(xù)加載，荷載并沒有大幅突降，而是緩慢下降到90 kN，撓度卻由峰值撓度5.35 mm大幅增至12.69 mm，增加了7.34 mm，展現(xiàn)出較強(qiáng)的峰值后延性變形能力，這主要是由于本試驗(yàn)中采用了間距較密集的箍筋，配箍率約為最小配箍率的1.4倍，箍筋起到了約束混凝土的作用，提高了試驗(yàn)梁的延性變形能力。

U40S150發(fā)生了剪壓-界面剝離破壞，峰值前界面裂縫已擴(kuò)展到支座附近，最終破壞是由擴(kuò)展到支座附近的界面裂縫以及臨界斜裂縫貫穿受壓區(qū)，壓區(qū)混凝土被壓碎共同導(dǎo)致的。對(duì)于發(fā)生剪壓破壞的UHTCC/RC復(fù)合梁(U60S150和U80S150)，峰值前界面裂縫長(zhǎng)度已經(jīng)停止擴(kuò)展，梁U60S150左側(cè)界面裂縫長(zhǎng)度在90 kN時(shí)達(dá)到最大值175 mm，右側(cè)界面裂縫長(zhǎng)度在110 kN時(shí)達(dá)到最大值210 mm，梁U80S150左側(cè)界面裂縫長(zhǎng)度在105 kN時(shí)達(dá)到最大值175 mm，右側(cè)界面裂縫長(zhǎng)度在95 kN時(shí)達(dá)到最大值115 mm，繼續(xù)加載，界面裂縫端部在UHTCC層分散出多條細(xì)裂縫向支座處擴(kuò)展，最終的破壞是由臨界斜裂縫貫穿受壓區(qū)，受壓區(qū)混凝土被壓碎引起的。從以上分析可看出，雖然本試驗(yàn)中采用了較密集的箍筋間距，箍筋可以有效限制界面裂縫的發(fā)展，但U40S150仍然發(fā)生了剪壓-界面剝離破壞，這主要是由于梁高為40 mm處的水平面剛好是UHTCC和RC的界面與縱筋形心水平面的交界面，該交界面最為薄弱，但增大UHTCC層厚度到60 mm和80 mm，就能有效避免剪壓-界面剝離破壞。因此從避免剪壓-界面剝離破壞和經(jīng)濟(jì)角度來看，UHTCC層最佳厚度為60 mm。

侯利軍等[13]通過對(duì)無腹筋UHTCC/RC復(fù)合梁進(jìn)行彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對(duì)于發(fā)生剪壓-界面粘結(jié)破壞的無腹筋復(fù)合梁，每一次界面剝離均導(dǎo)致荷載抖降，從而在荷載-撓度曲線上出現(xiàn)了多個(gè)峰值。Kim J H J等[15]在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)：當(dāng)DFRCC修補(bǔ)層為2倍保護(hù)層厚度時(shí)，無腹筋試驗(yàn)梁和有腹筋試驗(yàn)梁均發(fā)生了剪壓-界面脫粘破壞，但無腹筋試驗(yàn)梁在峰值前出現(xiàn)了多個(gè)明顯的荷載抖降，而有腹筋試驗(yàn)梁卻無此現(xiàn)象。本試驗(yàn)中雖然UHTCC/RC復(fù)合梁均發(fā)生了不同程度的界面剝離現(xiàn)象，但從圖4中可看出，其對(duì)應(yīng)的荷載-撓度曲線上從加載初到峰值均沒有出現(xiàn)荷載抖降，這充分說明箍筋的加入，提高了梁的整體穩(wěn)定性，有效避免了多個(gè)荷載峰值的出現(xiàn)。

2.4 裂縫寬度

所有試驗(yàn)梁RC層斜裂縫寬度在0.8 mm內(nèi)隨荷載變化曲線見圖5。

圖5 斜裂縫寬度隨荷載變化曲線圖

從圖5中可以看出，當(dāng)斜裂縫寬度大于0.2 mm時(shí)，梁U60S150和U80S150在相同斜裂縫寬度時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載均高于U0S150，也就是說UHTCC層可以在一定程度上限制斜裂縫寬度，但40 mm厚UHTCC層對(duì)斜裂縫寬度的限制卻非常不明顯，主要原因是40 mm處的水平面恰為UHTCC和RC的界面與縱筋形心水平面的交界面，界面發(fā)生了嚴(yán)重的剝離，導(dǎo)致UHTCC層的限制作用并未發(fā)揮出來?？梢灶A(yù)測(cè)UHTCC替代部分受拉區(qū)混凝土后，如果界面不發(fā)生剝離的話，UHTCC層對(duì)RC層斜裂縫的限制作用會(huì)更強(qiáng)。

3 結(jié) 論

本文對(duì)不同UHTCC層厚度的有腹筋UHTCC/RC復(fù)合梁進(jìn)行了剪切試驗(yàn)研究，基于試驗(yàn)結(jié)果，在將UHTCC/RC復(fù)合梁應(yīng)用到工程實(shí)際時(shí)，配置適量箍筋是非常有必要的。在確定UHTCC層厚度時(shí)，建議修補(bǔ)厚度以完全包裹住縱筋為宜，在本文試驗(yàn)中，建議UHTCC層厚度為60 mm。盡管本試驗(yàn)中采用了較密集的箍筋間距，但所有UHTCC/RC復(fù)合梁仍然發(fā)生了不同程度的界面剝離，為了充分利用UHTCC材料出色的抗拉能力和優(yōu)秀的裂縫分散能力，避免界面脫粘的發(fā)生，建議在界面處加入剪力釘?shù)仍鰪?qiáng)界面粘結(jié)的措施。

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Experimental Study on Shear Behavior of UHTCC/RC Composite Beams

ZHANG Xiufang, GUO Shaopeng

(FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

Ultra high toughness cementitious composites (UHTCC) macroscopically presents tensile strain hardening characteristic because of its multiple fine steady cracking, which has excellent crack control capacity, and is suitable to be used as repair materials. The shear behavior of UHTCC/RC composite beams with web reinforcement is investigated by using UHTCC replacing partial concrete in tension region. The test variable is the thickness of UHTCC layer. The test results show that the shear bearing capacity of UHTCC/RC composite beams with different thickness of UHTCC layer is obviously higher than that of RC beam. And although the use of stirrups is still impossible to completely prevent the interface from debonding, and load drops caused by interface debonding can be effectively avoided. It is also observed that UHTCC can restrict and disperse the cracks in upper concrete. Finally, some suggestions on the practical application of UHTCC/RC composite beams are provided.

UHTCC/RC composite beam; shear behavior; interface debond; crack width; crack pattern

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.010

2017-01-28

2017-03-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478078)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(DUT15LK39)

張秀芳(1976—)，女，山西忻州人，副教授，主要從事混凝土斷裂力學(xué)、高性能混凝土材料及其結(jié)構(gòu)應(yīng)用的研究工作。 E-mail：sarahdlut@126.com

TU375.1

A

1672—1144(2017)03—0049—05