PVA-ECC加固RC足尺梁受彎性能試驗研究

摘要:對6根足尺聚乙烯醇纖維水泥(PVA-ECC)加固的鋼筋混凝土梁進行了正截面抗彎一次和二次受力的試驗研究， 通過與另1根同配置未加固鋼筋混凝土梁的試驗結果的對比， 研究了加固梁縱向加固配筋率對抗彎承載力和變形能力的影響。試驗采用三面U型加固形式， 量測試驗梁裂縫分布形態、荷載-撓度曲線、鋼筋和混凝土應變發展規律等。試驗表明PVA-ECC鋼筋網薄層加固是一種有效的加固方法， 能夠顯著地提高鋼筋混凝土梁的抗彎承載力、截面剛度以及抗裂性能。

關鍵詞: 聚乙烯醇纖維水泥;鋼筋混凝土梁; 加固; 二次受力。

中圖分類號: 文獻標識碼:

Experiment of Full-scale RC Beam Reinforced by Polyvinyl Alcohol-Engineered Cementitious Composite mortar in Flexure

BU Liangtao#8224;，WAN changsheng，YIN Peng

(Civil Engineering College Hunan University， Hunan Changsha 410082)

Abstract: An experiment study is conducted on the flexural behavior of reinfoced concrete beam strengthened by Polyvinyl Alcohol-Engineered Cementitious Composite (PVA-ECC) mortar subjected to one-off load and secondary load. Based on the comparision between test results of six beams reinforced by PVA-ECC steel mesh and one general beams， the effect of tension reinforcement ratio on the flexural strength and deflections capacity is researched. Beams are reinforced with U-shape， and crack distrubution， load-max deflection， strain development of concrete and steel etc. are measured. Test results indicate that PVA-ECC steel mesh technology is an efficient method to reinforce RC beam; which can obviously increase the load-bearing capacity， section stiffness and crack-resisting behavior.

Keywords: Polyvinyl Alcohol-Engineered Cementitious Composite; RC beam; Strengthening; Secondary load

近年來，復合砂漿鋼筋網加固混凝土構件的技術在國內外有了較大的發展，但對同樣具有較好的物理力學性能而且價格較低的聚乙烯醇纖維水泥(PVA-ECC)在加固混凝土構件上的應用，國內外還缺乏系統的試驗研究。聚乙烯醇纖維水泥是一種理想的無機復合加固材料，秉承了其他眾多加固法的優點，同時又發揮了其優良的材料特性，具有其他加固方法所不能具有的很多優勢[1]。本文對6根足尺PVA-ECC鋼筋網加固的鋼筋混凝土梁進行了正截面抗彎一次和二次受力的試驗研究，分析了不同加固配筋率、不同一次和二次受力試驗方式對梁承載力的影響，并推出了其極限抗彎承載力的計算公式。作為纖維水泥鋼筋網加固鋼筋混凝土梁系列研究的一部分，本文很好地提供了PVA-ECC鋼筋網加固鋼筋混凝土梁的試驗依據。

1 PVA-ECC配合比試驗及結果

1.1 原材料選擇

① 水泥:選用湖南韶峰水泥集團有限公司生產的“韶

峰牌”強度等級為42.5MPa的普通硅酸鹽水泥;② 砂:

采用中砂，細度模數為2.3～2.6;③ 水:自來水;④ 聚乙烯醇纖維:在本次配合比試驗中，所采用的聚乙烯醇纖維規格為 Ф0.02mm×8mm，抗拉強度為1400 Mpa;⑤ 外加劑ZM:無收縮自流密實、無收縮混凝土外加劑，由長沙市固力實業有限公司提供。

1.2 試驗過程及結果

基體水泥砂漿的配比是影響聚乙烯醇纖維水泥強度的主要因素。因此，在本次配合比試驗中，聚乙烯醇纖維摻量不改變，為試件體積的2%，試驗以聚乙烯醇纖維水泥砂漿的抗壓強度作為主要研究指標，試驗考察的主要因素有:①砂灰比;②水灰比;選用不同組合配合比的聚乙烯醇纖維水泥砂漿進行抗壓強度試驗。具體配合比參數及14d抗壓強度試驗結果見表1。

2試驗方案

2.1 試驗梁設計

本次試驗共三組7根足尺試驗梁，BeamC組為不加固的試驗對比梁1根，PA-1~ PA-3為采用PVA-ECC鋼筋網加固的試驗加固一次受力梁3根，PB-1~ PB-3

收稿日期:2009-05-18

基金項目:湖南省科技廳科研資助項目(2007CK3066)

作者簡介:卜良桃，(1963-)，男，湖南南縣人，湖南大學教授

#8224;通信聯系人，E-mail: plt63@126.com。

為采用PVA-ECC鋼筋網加固的試驗加固二次受力梁3根。所有梁均依據混凝土結構設計規范要求設計，試驗梁的截面設計尺寸如圖1，基本參數如表2。試驗梁混凝土強度為C25，縱向加固鋼筋均為熱軋鋼筋HRB335。加固梁采用三面U型加固形式，新老界面采取涂抹界面粘結劑和植剪切銷釘等措施，具體施工工藝可以參閱其他相關文獻[2，3]。鋼筋網一層，網格縱橫間距梁底和梁兩側中軸以下為 6@50 50、 6@75 75、 6@100 100 ，梁側中軸以上為 6@100 100，鋼筋網為綁扎及點焊。原混凝土構件保護層厚度25mm，加固梁加固層厚度25mm;PVA-ECC配比采用配合比試驗中第二組的配合比，即為水泥:水:砂:外加劑為1:0.4:0.7:0.18，纖維摻量體積分數為2%。

2.2 加載方案與測試內容

試驗在室外空曠場地進行，試驗采用重物吊籃分級加載，加載裝置為杠桿，杠桿放大系數為5.2倍，試驗裝置如圖2。試驗時，在吊籃中放入加載重物，通過分配梁將荷載分配給試驗梁，試驗梁實際承受荷載包括分配梁、杠桿和吊籃裝置的自重。試驗分級加載，每級加載中再分小級加載，對比梁分級加載一直到梁屈服(縱筋屈服)和破壞;對于一次受力的梁先加固養護后分級加載至梁破壞;對于二次受力的梁，首先將原梁加載到對比梁鋼筋屈服荷載的75%后，在不卸載的情況下進行加固處理，養護后再進行二次加載到梁鋼筋屈服直至破壞。

試驗量測每級加載時梁跨中最大撓度和距支座L/4處的撓度;量測不同部位縱筋、混凝

土和部分鋼筋網鋼筋的應變值;使用裂縫刻度放大鏡觀測梁裂縫出現部位、發展過程、最終分布情況，并記錄裂縫發展過程中關鍵部位(跨中、支座、受力點)的最大裂縫寬度和對應的加載荷載。

3試驗結果與分析

3.1 試驗結果

所有試驗梁均加載到破壞極限狀態，屈服荷載和極限荷載比較如表3。由表3可知，加固梁的鋼筋屈服荷載和極限荷載均有不同程度的提高:屈服荷載提高幅度最大為81%，最小為44%;極限荷載提高幅度最大為91%，最小為62%。屈服荷載、極限荷載提高的幅度隨加固配筋率的增大而增大，二次受力比一次受力提高的幅度小。

3.2 試驗現象

對比梁的破壞形態為典型的適筋梁破壞形態。第一條裂縫出現在跨中附近，裂縫寬度很小。隨著荷載的增大，裂縫逐漸增多，跨中縱向鋼筋屈服前，裂縫的最大寬度小于0.1mm，荷載—撓度曲線近似一段直線。縱向鋼筋屈服后，裂縫的長度和寬度變化明顯，同時撓度的增量也有突變，在裂縫寬度達到1.5mm后，此時跨中撓度已大于17mm，最后構件因受壓區混凝土壓碎而破壞。

對于二次受力試驗梁，原梁經一次受力加載后，原混凝土表面的最大裂縫寬度一般小于0.1mm，跨中撓度小于10mm。加固養護后繼續加載，在縱向鋼筋屈服前，相同荷載增量的條件下撓度的增加的幅度要較對比梁的小;聚乙烯醇纖維水泥出現少量新裂縫，最大裂縫寬度一般小于0.1mm。原縱向鋼筋較鋼筋網先達到屈服，原鋼筋屈服后，加固梁的荷載—撓度曲線的斜率仍然較大，說明加固梁仍處于穩定階段，可以繼續承受荷載。加載至加固鋼筋網的縱向鋼筋屈服后，跨中撓度有明顯的突變，此時跨中撓度均超過15mm，聚乙烯醇纖維水泥表面新出現大量裂縫，且原有裂縫明顯向上延伸，大約延伸至3/4梁高的位置。加載至加固梁破壞時，受壓區的水平裂縫快速增多，豎向裂縫快速向上沿伸，兩者相匯，在跨中受壓區形成一個三角形的破壞區，混凝土被壓酥剝落，其破壞形態近似于普通混凝土適筋梁，如圖3所示。

對于一次受力試驗梁，基本上原梁縱筋與加固縱筋同時屈服的現象，部分梁出現加固縱筋比原梁縱筋先屈服的現象，說明加固效果良好，原梁縱筋與加固縱筋能共同工作。

在加固過程中，采用了涂抹界面劑和植剪切銷釘等措施，所有加固梁從加載開始到破壞，纖維水泥和原混凝土界面處未出現裂縫，梁未出現剝離破壞[2，4]，說明纖維水泥與原構件的粘結性能以及銷釘的錨固性能良好，上述措施可以有效地避免RC加固梁發生界面粘結破壞和剪切破壞。

3.3撓度分析

一次受力試驗梁和對比梁在試驗加載過程中出現較明顯的三個階段:從加載到出現裂縫、從開裂到鋼筋屈服、從鋼筋屈服到破壞。這三個階段的荷載—撓度曲線呈現不同的斜率，開裂前梁的剛度最大，斜率也就最大;開裂后相當于梁的界面變小了，當然剛度也就變小，反映在荷載—撓度曲線上的就是斜率變小了;鋼筋屈服后的荷載—撓度曲線的斜率很小，且近似一條直線延伸直至梁破壞;一次受力試驗梁相應階段的剛度比對比梁大，梁破壞時的撓度也比對比梁大。

二次受力試驗梁的前一階段與對比梁相同，其二次受力階段對應的荷載—撓度曲線有兩個較明顯的轉折點:從二次受力開始到縱向鋼筋屈服前，相同荷載增量的條件下加固梁的撓度增量比對比梁大，荷載—撓度曲線的斜率大于未加固之前的斜率，說明加固梁的截面剛度增大;原縱向鋼筋屈服時，荷載—撓度曲線出現第一個轉折點，曲線的斜率突然變小，但曲線斜率還是比對比梁縱向鋼筋屈服后的要大，說明外包鋼筋網在原有鋼筋屈服后，也能較明顯的提高截面的剛度;第二個轉折點出現在梁底的縱向加固鋼筋屈服時，此后，每級荷載的撓度增量約為3mm，而對比梁的縱向鋼筋屈服后，撓度增量大于5mm，由于梁側面鋼筋網尚未屈服，所以加固梁截面剛度還是較鋼筋屈服后的對比梁大，隨著梁側的鋼筋網的縱向加固鋼筋一步步接近屈服，試驗梁的荷載—撓度曲線的斜率是慢慢趨向于零的，說明加固后，梁的延性有明顯的提高。荷載—撓度曲線見圖4。

3.4鋼筋應變分析

從圖5中可以明顯看出，一次受力試驗梁試驗時以及二次受力試驗梁進行二次受力試驗時，在相同荷載增量下，加固梁的跨中原鋼筋應變增量較對比梁小。對于二次受力試驗梁，二次受力開始階段荷載—縱筋應變曲線的斜率較一次受力階段大，隨著荷載繼續增大，從應變的數據來看，原鋼筋較加固鋼筋網大約先一級達到屈服，而一次受力試驗梁的原鋼筋和加固鋼筋基本上同時達到屈服，甚至出現個別加固鋼筋先屈服的現象[3]，加固梁的縱筋屈服點要比對比梁后出現，即加固后能提高構件的鋼筋屈服荷載，PA3提高幅度最大，為91%，從提高幅度來看，一次受力試驗梁比二次受力試驗梁要大。

結合圖4和圖5曲線的特點可以看出:二次受力的構件，當原縱向鋼筋處于彈性階段時，加固的效果主要體現在提高截面剛度上;而縱向鋼筋進入塑性階段后，鋼筋網開始充分發揮作用，截面抗彎承載力得到大幅度的提高。

圖5荷載-跨中縱筋拉應變曲線

Fig.5Load – strain of reinforcement curve

3.5混凝土應變分析

在試驗過程中，對比梁的跨中梁頂部混凝土壓應變數值在縱向鋼筋屈服后快速增大，即截面的中和軸上升很快，從圖6中的荷載—跨中混凝土壓應變曲線可知混凝土壓應變超過1100 后，應變快速超過2000 ，因應變片損壞不能測得數據。加固梁的曲線表明:在原鋼筋屈服后，雖然相同加載幅度下混凝土壓應變值較鋼筋屈服前增加的幅度增大，但大部分加固梁仍能測得大于2000 的混凝土壓應變，說明當鋼筋屈服后，由于加固鋼筋網的作用使得加固梁的中和軸較慢的上升，進一步說明加固后截面的延性提高。

由圖6 可知，加固梁的荷載—撓度曲線和荷載—跨中截面梁頂壓區混凝土應變曲線的形狀比較接近，進一步說明采用本文加固方法加固后具有穩定的加固效果。

影響受彎構件承載力主要因素是混凝土極限壓應變、縱向配筋率、鋼筋屈服強度和混凝土強度，在后三個因素一定的情況下，提高混凝土強度是工程加固中提高構件承載力和延性的最有效的方式。構件一次受力時，跨中梁頂混凝土處于沿梁縱向的彎曲受壓狀態，加固后進行二次受力，聚乙烯醇纖維水泥砂漿及橫向鋼筋網的約束作用使得壓區混凝土的受力狀態近似于雙向受壓，在一定程度上提高了混凝土抗壓強度，從而提高了截面極限抗彎承載力。

Fig.6Load – strain of concrete curve

4 承載力計算

加固梁受彎承載力按極限狀態計算，基本假定和普通鋼筋混凝土梁正截面承載力計算[6]的基本假定相同。

文獻[3，5]基于復合砂漿鋼筋網加固小尺寸構件的一次受力試驗結果推導了簡單實用的承載力計算公式，如式⑴和式⑵:

(1)

(2)

式中::梁截面寬度;:梁截面加固寬度;:梁截面高度(包括加固高度); :截面有效高度; :截面受壓區高度; :極限受彎承載力; :混凝土軸心抗壓強度; :纖維水泥軸心抗壓強度; :梁底鋼筋網縱筋應力，極限狀態取 ; :鋼筋屈服強度; :梁底鋼筋網縱筋面積; :鋼筋網縱筋屈服強度; :考慮側面鋼筋網對加固構件的影響系數，由試驗確定為 1.4h/b。

而文獻[7，8]基于復合砂漿鋼筋網加固足尺寸構件的二次受力試驗結果，在式⑵中引入了修正系數 ，得到了式(3):

(3)

修正參數 解釋三個方面的因素:一是考慮實際加固構件的使用年限，混凝土和鋼筋均存在不同程度的徐變、收縮和松弛等不確定性因素;二是考慮加固界面并非完全的如試驗狀態，從安全角度考慮，作出適當的調整;三是因為公式(2)是基于一次受力的試驗結果推導的，對于二次受力的試驗，需進行參數修正;參數 可以取值在0.6～0.9之間(本文中計算取值為0.9)，更為合理準確的取值，需要以后進一步的試驗研究。

為了驗證上述公式在計算聚乙烯醇纖維水泥加固足尺構件抗彎承載力時的有效性，用本次試驗的結果與計算結果進行了比較，比較結果如表3，表中計算極限荷載Pu=Mu/1.5。對于一次受力構件采用公式(1)、(2)，對于二次受力構件采用公式(1)、(3)，其中參數 取為0.9。

5 結論

通過本次聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網加固足尺RC梁抗彎性能的試驗研究，可以得到以下幾下結論:

1)、利用聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網加固RC梁，可以較大幅度地提高RC梁正截面承載能力和截面剛度。其中屈服荷載最大提高81%，極限荷載提高幅度最大為91%。

2)、利用聚乙烯醇纖維水泥鋼筋網加固RC梁，提高了RC梁的延性。

3)、與二次受力加固梁相比一次受力加固梁屈服荷載的提高幅度更大，最大提高幅度分別為57%和81%，但極限荷載提高幅度基本相同，最大提高幅度分別為89%和91%;相同試驗方式下，鋼筋網間距越小，梁的屈服荷載和極限荷載越高。

4)、涂抹界面粘結劑和植剪切銷釘等錨固措施，能夠有效地防止原混凝土和加固層之間產生的剝離、滑移破壞，明顯改善了加固效果。

參 考 文 獻

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