袁化強(qiáng),李洪印,崔志勇,孫仁娟,管延華,葛智
非黏結(jié)混凝土-ECC復(fù)合功能梯度構(gòu)件彎曲性能研究
袁化強(qiáng)1,李洪印2,崔志勇3,孫仁娟1,管延華1,葛智1
(1. 山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250000;2. 齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250000;3. 泰安市交通運(yùn)輸局,山東 泰安 271000)
為控制保護(hù)層裂縫寬度,阻止有害介質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部造成鋼筋腐蝕銹脹等病害,提高結(jié)構(gòu)物耐久性能,提出一種新型非黏結(jié)性超高韌性水泥基復(fù)合材料功能梯度構(gòu)件。通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究層間黏結(jié)方式及纖維網(wǎng)增強(qiáng)對(duì)功能梯度構(gòu)件的起裂荷載、極限荷載、跨中位移、裂縫發(fā)展和裂縫寬度等性能的影響規(guī)律及破壞模式。研究結(jié)果表明:黏結(jié)方式對(duì)功能梯度構(gòu)件的起裂荷載影響不大,對(duì)極限荷載影響較大。采用纖維網(wǎng)增強(qiáng)可以彌補(bǔ)非黏結(jié)性功能構(gòu)件承載能力較低的不足。非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件可以對(duì)裂縫更好地進(jìn)行無害化分散,避免了黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件出現(xiàn)的局部性裂縫集中現(xiàn)象,構(gòu)件破壞后保護(hù)層平均裂縫寬度不大于0.1 mm,且未貫通保護(hù)層,可有效提高構(gòu)件的耐久性。
非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件;四點(diǎn)彎曲;超高韌性水泥基復(fù)合材料;裂縫;纖維網(wǎng)
混凝土具有抗壓強(qiáng)度高,原材料廣泛等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于土木建筑行業(yè)。但由于混凝土本身抗拉強(qiáng)度及韌性低,現(xiàn)有的普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的宏觀裂縫[1],造成周圍環(huán)境中的有害介質(zhì)侵入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部,引起鋼筋銹脹、混凝土凍脹等病害,導(dǎo)致保護(hù)層剝落,降低混凝土的耐久性和結(jié)構(gòu)物的使用壽命,造成資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失[2]。在混凝土中添加纖維可提高混凝土的延性和韌性,并能較好地解決由于早期收縮和荷載作用引起的混凝土開裂,提高結(jié)構(gòu)物耐久性。近年來各種纖維混凝土的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了豐碩的成果[3?6]。20世紀(jì)90年代,LI等[7?10]采用聚乙烯纖維作為增強(qiáng)材料,以水泥砂漿為基體提出了超高韌性水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementi- tious Composite-ECC)。相比于普通纖維混凝土,ECC具有更為優(yōu)異的性能,無論是在拉伸還是彎曲荷載作用下都表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征,可以將傳統(tǒng)水泥基材料在彎拉荷載下單一裂紋的宏觀開裂模式轉(zhuǎn)化為多條細(xì)密裂紋的微觀開裂模式,具有良好的裂縫控制能力,極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3%以上[3, 11?12]?;贓CC優(yōu)異的抗拉性能,部分學(xué)者提出采用ECC替換鋼筋混凝土構(gòu)件中受拉區(qū)鋼筋的保護(hù)層,從而提出復(fù)合功能梯度梁。Maalej等[13?14]對(duì)超高韌性水泥基復(fù)合材料控裂功能梯度梁進(jìn)行試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn): 超高韌性水泥基復(fù)合材料功能梯度梁和普通的鋼筋混凝土梁當(dāng)梁內(nèi)鋼筋發(fā)生屈服時(shí)荷載值基本相同,但前者的極限承載荷載值比后者高約1/10。徐世烺等[15]率先開展超高韌性復(fù)合材料控裂功能梯度復(fù)合梁受彎性能的研究工作,根據(jù)功能梯度的概念對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),制備了控裂功能梯度復(fù)合梁以此來提高鋼筋混凝土的耐久性。CAI等[16]采用簡化的 ECC 本構(gòu)模型對(duì)鋼筋增強(qiáng) ECC及混凝土構(gòu)件的彎曲性能進(jìn)行非線性有限元分析,結(jié)果表明使用壽命內(nèi)鋼筋增強(qiáng)的ECC 構(gòu)件其裂縫可以控制在 0.4 mm內(nèi)。YAN等[17]對(duì)鋼筋增強(qiáng)的 ECC 雙筋梁正截面提出不同階段承載力計(jì)算方法,發(fā)現(xiàn)提高 ECC 抗壓強(qiáng)度有益于改進(jìn)梁彎曲性能,提高 ECC 極限受壓應(yīng)變可以改進(jìn)構(gòu)件的極限曲率和延性但對(duì)彎曲承載力影響較小。GE等[18]提出復(fù)合功能梯度構(gòu)件彎曲承載能力簡化計(jì)算公式,有利于理論分析構(gòu)件的承載能力,為構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意義。ZHENG等[19]采用纖維網(wǎng)增強(qiáng)的ECC對(duì)混凝土梁進(jìn)行加固,構(gòu)件的極限承載能力和延性都有進(jìn)一步的提高,同時(shí)構(gòu)件的裂縫寬度減小。喬治等[20]提出采用ECC制作U型永久性模板,與混凝土形成外包式ECC/RC組合梁,開展了3種不同界面處理方式的ECC/RC組合構(gòu)件的彎曲性能試驗(yàn)研究,提出ECC/RC組合構(gòu)件極限狀態(tài)下彎曲撓度的簡化計(jì)算方法,得到組合構(gòu)件完全開裂截面的慣性矩計(jì)算公式。但目前常用的超高韌性水泥基復(fù)合材料功能梯度構(gòu)件,其混凝土層與ECC保護(hù)層黏結(jié)為一個(gè)整體,兩層之間不允許相對(duì)滑動(dòng)。在荷載作用下,共同受力ECC保護(hù)層與混凝土構(gòu)件一同變形,所以仍會(huì)出現(xiàn)局部性裂縫集中現(xiàn)象[21],而在ECC保護(hù)層上也會(huì)出現(xiàn)較大的貫通裂縫,水、氯鹽等有害介質(zhì)可以通過貫通裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部,從而造成鋼筋的銹蝕等病害,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)物的耐久性能。本文提出一種新型非黏結(jié)性超高韌性水泥基復(fù)合材料功能梯度構(gòu)件,通過將混凝土層與ECC保護(hù)層進(jìn)行層間分離,消除層間黏結(jié)力,使2層可相對(duì)滑動(dòng)。通過超高韌性水泥基復(fù)合材料在混凝土層兩端的錨固,將構(gòu)件受拉區(qū)在荷載作用下所承受的拉力均勻傳遞到ECC保護(hù)層中,利用其優(yōu)異的裂縫控制能力,在ECC保護(hù)層上形成大量的微細(xì)裂縫,進(jìn)而避免貫通裂縫的產(chǎn)生,有效抑制裂縫寬度擴(kuò)展,抵抗水和有害物質(zhì)的滲入,保護(hù)鋼筋免于銹蝕,進(jìn)而改善構(gòu)件的耐久性,延長結(jié)構(gòu)物使用壽命。同時(shí)非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件能夠在較大的跨中撓度下產(chǎn)生裂縫而不發(fā)生斷裂,構(gòu)件雖然不再具備承載能力,但構(gòu)件各部分依舊連接成為整體。故該類型構(gòu)件同樣適用于地震帶建筑或者超高層建筑,當(dāng)建筑物在突然的巨大荷載作用下破壞后,產(chǎn)生的危害較小。試驗(yàn) 采用4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究黏結(jié)方式及采用纖維網(wǎng)增強(qiáng)對(duì)功能梯度構(gòu)件受彎性能的影響規(guī)律及其破壞模式。
試驗(yàn)原材料包括濟(jì)南產(chǎn)P.O.425水泥,濟(jì)南產(chǎn)Ⅰ級(jí)粉煤灰、精細(xì)石英砂、一般粗砂、優(yōu)質(zhì)碎石(粒徑5~10 mm:10~15 mm為6:4)、水、外加劑、及PVA纖維。ECC具體配比見表1,PVA纖維性能參數(shù)見表2。試驗(yàn)配制強(qiáng)度等級(jí)為C30的普通混凝土用于澆筑功能梯度構(gòu)件,具體配比見表3。功能梯度構(gòu)件采用的配筋為8號(hào)鍍鋅鐵絲,抗拉強(qiáng)度410 MPa,配筋率0.63%。
1.2.1 試驗(yàn)方案
首先研究不同黏結(jié)方式對(duì)素混凝土及配筋混凝土功能梯度構(gòu)件抗彎性能的影響規(guī)律。然后針對(duì)非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件承載能力較低的不足,對(duì)保護(hù)層采用纖維網(wǎng)增強(qiáng)來進(jìn)一步研究其極限承載能力和裂縫控制能力。試驗(yàn)共對(duì)5種不同類型的構(gòu)件進(jìn)行研究,構(gòu)件的具體類型見表4。
表1 超高韌性水泥基復(fù)合材料(ECC)配合比
表2 PVA纖維參數(shù)
表3 C30混凝土配合比
表4 構(gòu)件的類型
注釋:黏結(jié)性指ECC保護(hù)層與混凝土黏結(jié)在一起;非黏結(jié)性指ECC保護(hù)層與混凝土層之間設(shè)置薄膜類隔離層。
1.2.2 試件設(shè)計(jì)
制備的功能梯度構(gòu)件尺寸400 mm×100 mm×100 mm。其中ECC作為保護(hù)層,鋼筋布置在混凝土中;對(duì)于纖維網(wǎng)增強(qiáng)功能梯度構(gòu)件,纖維網(wǎng)鋪設(shè)于ECC保護(hù)層厚度一半處,保護(hù)層厚度均為20 mm,對(duì)于非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件,錨固端復(fù)合材料高度為50 mm。構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)類型如圖1和圖2所示。
1—混凝土層;2—受拉鋼筋;3—超高韌性水泥基復(fù)合材料保護(hù)層;4—纖維網(wǎng)。
1—混凝土層;2—受拉鋼筋;3—超高韌性水泥基復(fù)合材料保護(hù)層;4—纖維網(wǎng);5—錨固端。
試驗(yàn)采用WDW-100E實(shí)驗(yàn)機(jī)加載,首先加載至0.5 kN后持載100 s,然后按照0.5 mm/min速率加載至構(gòu)件破壞。在構(gòu)件跨中處布置LVDT來采集構(gòu)件的跨中撓度,并按圖3所示在構(gòu)件的不同位置布置應(yīng)變片來檢測其應(yīng)變。構(gòu)件加載結(jié)束后使用ZBL-F800裂縫綜合測試儀測量ECC保護(hù)層的裂縫寬度,對(duì)裂縫數(shù)量和裂縫寬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
圖3 功能梯度構(gòu)件應(yīng)變片布置位置示意圖
2.1.1 極限承載力與跨中撓度
圖4為2種不同黏結(jié)方式的配筋功能梯度構(gòu)件荷載?跨中撓度曲線??梢钥吹讲煌そY(jié)方式的配筋功能梯度構(gòu)件的試驗(yàn)曲線基本相似。對(duì)于非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件,點(diǎn)為混凝土層起裂點(diǎn),在混凝土起裂前曲線幾乎為一條直線;起裂后由于鋼筋和ECC保護(hù)層可以繼續(xù)承擔(dān)彎曲拉力,在局部放大圖中可觀察到曲線斜率略有減小,但以線性方式繼續(xù)增長,此為裂縫發(fā)展階段;在點(diǎn)處鋼筋屈服,此后承載能力增長緩慢,段為鋼筋強(qiáng)化階段,ECC保護(hù)層與鋼筋共同承擔(dān)拉應(yīng)力,ECC保護(hù)層發(fā)展許多細(xì)小密裂縫;點(diǎn)對(duì)應(yīng)構(gòu)件極限荷載值,此后試驗(yàn)力開始下降,段為構(gòu)件破壞階段。非黏結(jié)功能梯度構(gòu)件各階段加載的照片見圖5。黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件各個(gè)階段與非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件相對(duì)應(yīng)。由圖4可得黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件的極限荷載為23.1 kN,最大跨中撓度值為1.4 mm;非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件的極限荷載為18.8 kN,最大跨中撓度值2.9 mm。非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件的極限荷載值下降18.6%,跨中撓度值可提高107.1%,非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件承載能力較低但具有更大的延性。
圖4 配筋功能梯度構(gòu)件荷載-跨中撓度曲線
圖6為2種不同黏結(jié)方式的素混凝土功能梯度構(gòu)件荷載?跨中撓度關(guān)系。由圖6可知,非黏結(jié)性素混凝土功能梯度構(gòu)件的極限荷載值要低于黏結(jié)性素混凝土功能梯度構(gòu)件,但是破壞時(shí)的跨中撓度值更大。對(duì)比圖4和圖6可以明顯觀察到,素混凝土功能梯度構(gòu)件中由于沒有配置鋼筋試驗(yàn)曲線缺少鋼筋強(qiáng)化階段,裂縫發(fā)展階段結(jié)束時(shí)構(gòu)件已經(jīng)達(dá)到極限荷載值,此后試驗(yàn)力開始下降,構(gòu)件破壞。綜上所述,配筋功能梯度構(gòu)件和素混凝土功能梯度構(gòu)件表現(xiàn)出非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件的極限荷載值有所下降,但構(gòu)件破壞時(shí)的跨中撓度值有明顯提高,避免構(gòu)件在較大撓度值情況下突然斷裂,提高了構(gòu)件的使用安全性能??紤]目前結(jié)構(gòu)物中大多使用鋼筋混凝土構(gòu)件,故以下內(nèi)容僅對(duì)配筋功能梯度構(gòu)件進(jìn)行分析以探討非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件的性能。
(a) 裂縫發(fā)展階段;(b) 鋼筋強(qiáng)化階段;(c) 構(gòu)件破壞階段
圖6 素混凝土功能梯度構(gòu)件荷載-跨中撓度曲線
2.1.2 起裂荷載確定
通過比較構(gòu)件底面03和側(cè)面06,07號(hào)應(yīng)變片測值的變化可以確定構(gòu)件的起裂荷載、起裂的位置和起裂先后次序。圖7為黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件荷載?應(yīng)變關(guān)系。由于混凝土極限拉應(yīng)變小于ECC極限拉應(yīng)變,最先達(dá)到起裂荷載所以混凝土層最先起裂。從圖中可以觀察到當(dāng)荷載值達(dá)到2.7 kN時(shí)混凝土層的07號(hào)應(yīng)變片測值最先出現(xiàn)了水平段,表明混凝土起裂。同時(shí)由于混凝土與ECC保護(hù)層黏結(jié)在一起共同受力協(xié)調(diào)變形所以黏貼在ECC保護(hù)層底面的03號(hào)應(yīng)變片位置和貼在ECC保護(hù)層側(cè)面的06號(hào)應(yīng)變片位置緊隨其后開始起裂。裂縫在混凝土起裂的位置處不斷向下開展,保護(hù)層出現(xiàn)細(xì)密的裂縫。
圖8為非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件荷載?應(yīng)變關(guān)系。從圖中可以看出當(dāng)外荷載達(dá)到1.56 kN混凝土層和ECC保護(hù)層基本同時(shí)起裂,錨固端將彎曲拉應(yīng)力傳遞到ECC保護(hù)層,保護(hù)層出現(xiàn)細(xì)密裂縫。荷載達(dá)到2.3 kN時(shí)06號(hào)應(yīng)變片出現(xiàn)水平段,表明此時(shí)ECC保護(hù)層的裂縫有沿高度向上發(fā)展。但是觀察試驗(yàn)曲線發(fā)現(xiàn)起裂后06號(hào)應(yīng)變片的測值基本沒有變化,試驗(yàn)曲線接近垂直,表明裂縫寬度基本沒有增加。當(dāng)荷載值達(dá)到極限荷載值的64%接近鋼筋屈服點(diǎn)時(shí),06號(hào)應(yīng)變片的測值開始增加,表明裂縫寬度開始增長。可見加載前期非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件ECC保護(hù)層裂縫基本不會(huì)沿高度向上發(fā)展而是不斷出現(xiàn)新的裂縫,這樣可以避免保護(hù)層貫通裂縫的出現(xiàn),從而有利于阻斷有害介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部通道,減少混凝土構(gòu)件病害的發(fā)生。
圖7 黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件荷載-應(yīng)變曲線
對(duì)比圖7和圖8,對(duì)于黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件當(dāng)荷載值達(dá)到6.3 kN時(shí)混凝土層的應(yīng)變值為128.2 με,而非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件荷載值達(dá)到7.4 kN時(shí)混凝土層的應(yīng)變值僅為105.7 με??梢姺丘そY(jié)性功能梯度構(gòu)件在更大的試驗(yàn)力下,混凝土層的變形相比之下更小,故混凝土層裂縫擴(kuò)展得到了有效的抑制,體現(xiàn)了非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件對(duì)混凝土層裂縫寬度的控制能力。同時(shí)混凝土層的裂縫寬度減小可以進(jìn)一步減小保護(hù)層裂縫寬度,提高構(gòu)件的耐 久性。
圖8 非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件荷載-應(yīng)變曲線
2.1.3 ECC保護(hù)層變形分析
通過研究構(gòu)件底面的不同位置的應(yīng)變片測值可以分析構(gòu)件保護(hù)層的變形情況。圖9為黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件底面不同位置處應(yīng)變片的荷載?應(yīng)變曲線。由圖9可知,位于支座附近01和02號(hào)應(yīng)變片隨著荷載的增加應(yīng)變值變化很小。由于01號(hào)應(yīng)變片位于支座右側(cè),所以在加載過程中不會(huì)受到荷載作用,圖像為一條豎線。02號(hào)應(yīng)變片位于支座右側(cè)靠近支座位置,受到的拉應(yīng)力較小,圖像為一條斜率很大的直線。相比之下位于構(gòu)件純彎曲段的03號(hào)應(yīng)變片測值隨荷載增加不斷地變大。
圖10為非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件底面不同位置處應(yīng)變片的荷載?應(yīng)變曲線。在荷載不斷增大的過程中,3個(gè)位置的應(yīng)變片測值均在不斷增大。02號(hào)應(yīng)變片在荷載較小時(shí),由于支座的作用應(yīng)變片處于受壓狀態(tài)但測值較小,當(dāng)荷載增大后02號(hào)應(yīng)變片位置的保護(hù)層開始受拉,測值增加。貼在支座左側(cè)的01號(hào)應(yīng)變片由于構(gòu)件錨固端的作用在開始加載時(shí)該位置就處于受拉狀態(tài),加載初期,該位置的應(yīng)變測值甚至要大于跨中03號(hào)應(yīng)變片的測值。
對(duì)比分析圖9和圖10,可以發(fā)現(xiàn)黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件ECC保護(hù)層裂縫發(fā)展主要集中在構(gòu)件的純彎曲段內(nèi),而支座附近以及支座外側(cè)的保護(hù)層基本不受拉應(yīng)力或者所承擔(dān)的彎曲拉應(yīng)力相對(duì)較小。這樣就無法高效利用ECC材料優(yōu)異的性能來提高構(gòu)件的耐久性,造成了材料的浪費(fèi)。相比之下非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件通過將彎曲應(yīng)力傳遞到構(gòu)件的2個(gè)錨固端,再分散到整個(gè)ECC保護(hù)層,結(jié)合PVA纖維的橋聯(lián)作用使整個(gè)保護(hù)層共同承擔(dān)彎曲拉應(yīng)力,可以通過增大保護(hù)層的開裂范圍達(dá)到減小保護(hù)層裂縫寬度的目的來提高構(gòu)件的耐久性。
結(jié)合纖維網(wǎng)與ECC材料二者的優(yōu)勢,功能梯度構(gòu)件可以獲得更為優(yōu)良的抗裂和裂縫控制的能力,不但能夠?qū)炷亮芽p進(jìn)行無害化分散,還能提高其承載力[22]。
圖11為3種不同類型非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件荷載?跨中撓度曲線。從圖中可以觀察到,從A到C,其極限荷載有明顯增加,構(gòu)件破壞時(shí)的跨中撓度值也相應(yīng)有所增加。素混凝土功能梯度構(gòu)件(A)由于沒有設(shè)置鋼筋,相比于其他2種類型加載過程中缺少鋼筋強(qiáng)化階段,導(dǎo)致最終保護(hù)層的細(xì)小裂縫也相對(duì)較少。當(dāng)混凝土出現(xiàn)大裂縫后試驗(yàn)力急劇下降,在ECC承擔(dān)一部分拉應(yīng)力后構(gòu)件接近破壞;ECC保護(hù)層采用纖維網(wǎng)增強(qiáng)后(C),構(gòu)件極限荷載值達(dá)到21.3 kN,相比非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件極限荷載值提高了13.3%,接近黏結(jié)性配筋功能梯度梁的極限荷載值,同時(shí)構(gòu)件破壞時(shí)跨中撓度值為4.7 mm,較非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件提高62.1%,可以證明纖維網(wǎng)對(duì)于構(gòu)件的承載能力提高有顯著作用。同時(shí)構(gòu)件破壞后的裂縫統(tǒng)計(jì)表明,纖維網(wǎng)也能更有效地對(duì)裂縫進(jìn)行無害化分散,減小了保護(hù)層的裂縫寬度。
圖11 非黏結(jié)性梯度構(gòu)件荷載-跨中撓度曲線
為了探討極端條件下,構(gòu)件的破壞模式,試驗(yàn)力加載至構(gòu)件的極限使用狀態(tài)。黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件最終破壞形式如圖12所示,其混凝土層大裂縫對(duì)應(yīng)位置的ECC保護(hù)層會(huì)開裂形成許多細(xì)小的密集裂縫,體現(xiàn)了ECC的多裂縫開裂特性。但是在加載后期,這些裂縫會(huì)逐漸貫通,有害物質(zhì)便可以通過貫通的裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部從而引起相應(yīng)的病害,ECC保護(hù)層失去對(duì)構(gòu)件的保護(hù)作用。
圖12 黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件破壞
非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件最終破壞形式如圖13所示,由左圖可以明顯觀察到構(gòu)件的最終破壞形式表現(xiàn)為構(gòu)件兩端的錨固端脫落或者在錨固端處出現(xiàn)大裂縫,從而導(dǎo)致試件不再具備承載能力。由右圖可見,構(gòu)件的混凝土層最終在跨中位置產(chǎn)生很大的裂縫,但是對(duì)應(yīng)的ECC保護(hù)層位置只有細(xì)小的且未貫通保護(hù)層的裂縫出現(xiàn)。故避免了類似于黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件中出現(xiàn)的混凝土層的裂縫以直線方式延伸至保護(hù)層形成貫通裂縫,所以可以避免結(jié)構(gòu)物突然破壞,提高了結(jié)構(gòu)物的安全 性能。
圖13 非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件破壞
圖14為非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件破壞后底面裂縫照片,構(gòu)件破壞后的裂縫平均寬度為0.1 mm且這些裂縫未貫通ECC保護(hù)層。采用纖維網(wǎng)增強(qiáng)不但可以承擔(dān)一部分荷載提高構(gòu)件的承載能力同時(shí)能夠?qū)澢瓚?yīng)力更為均勻地進(jìn)行分散,進(jìn)一步減小了保護(hù)層的裂縫寬度,構(gòu)件破壞后的保護(hù)層平均裂縫寬度僅為0.09 mm。2種非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件的裂縫寬度均不大于0.1 mm,滿足環(huán)境對(duì)混凝土保護(hù)層裂縫寬度的要求,所以非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件能夠提高構(gòu)件的耐久性。
圖14 非黏結(jié)性功能梯度構(gòu)件裂縫照片
1) 黏結(jié)方式對(duì)混凝土的起裂影響不大,但對(duì)構(gòu)件的承載能力和跨中撓度有明顯作用。非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件極限荷載值降低18.6%,但破壞時(shí)跨中撓度值提高107.1%,構(gòu)件具有更大的延性,鋼筋屈服后荷載不會(huì)急劇下降,構(gòu)件不會(huì)突然斷裂破壞??梢詫⒎丘そY(jié)性功能梯度構(gòu)件用于地震帶或高層建筑物,來降低結(jié)構(gòu)物在突然地巨大荷載作用下突然破壞造成的損失,以此提高結(jié)構(gòu)物的使用安全性能。
2) 采用纖維增強(qiáng)后,構(gòu)件的極限荷載提高13.3%,且破壞時(shí)跨中撓度值提高62.1%。在提高承載能力的同時(shí),減小了ECC保護(hù)層的裂縫寬度,進(jìn)一步提高構(gòu)件的耐久性。
3) 非黏結(jié)性配筋功能梯度構(gòu)件,可以將彎曲拉應(yīng)力更充分地分散到ECC保護(hù)層中,對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行無害化分散,構(gòu)件極限破壞時(shí)ECC保護(hù)層平均裂縫寬度不大于0.1 mm且未貫通,低于環(huán)境對(duì)構(gòu)件的裂縫寬度要求,依舊對(duì)構(gòu)件具有保護(hù)作用。
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The flexural behavior of unbounded concrete-ECC functional composite beam
YUAN Huaqiang1, LI Hongyin2, CUI Zhiyong3, SUN Renjuan1, GUAN Yanhua1, GE Zhi1
(1. School of Qilu Transportation Shandong University, Jinan 250000, China; 2. Qilu Transportation Development Group, Jinan 250000, China; 3. Tai’an Transportation Bureau, Tai’an 271000, China)
The paper proposed a new unbounded concrete-ECC functional composite beam. It intended to control concrete crack width and to prevent the intrusion of aggressive agents into concrete which can cause rebar corrosion and so on. So it can be used to improve the durability of structure. The four-point bending test was conducted to investigate the effects of interface bonding condition, fiber mesh reinforcement and failure pattern on the flexural behavior of the functional composite beam. The initial cracking strength, ultimate flexural strength, mid-span deflection, cracking propagation and cracking width under loading were investigated. The results show that the bonding condition had little influence on initial cracking strength, but significant effect on the ultimate flexural strength. The unbounded composite beam could facilitate the crack distribution and avoid the cracking concentration at localized position of the bounded composited beam. The average width was less than 0.1mm for cracks in the protection layer. None of cracks penetrated the protection layer, it could improve bridge durability.
unbounded composite functional beam; four-point bending; engineered cementitious composite; crack; fiber mesh
TU528.572
A
1672 ? 7029(2019)07? 1765 ? 09
10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.022
2018?09?25
山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2016EEM03)
孫仁娟(1972?),女,山東煙臺(tái)人,副教授,博士,從事道路結(jié)構(gòu)與材料研究;E?mail:sunrenjuan@sdu.edu.cn
(編輯 陽麗霞)