應變硬化水泥基復合材料柱偏壓性能研究

袁 方,陳夢成,周豐流

(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

混凝土拉伸脆性引起的開裂是鋼筋混凝土(RC)結構中的主要耐久性問題，將導致腐蝕環境下RC結構中出現嚴重的鋼筋銹蝕。解決銹蝕問題的一個潛在解決方案是用不銹蝕的纖維增強聚合物(FRP)筋材取代鋼筋。然而，由于FRP材料彈性模量低及延性差，FRP筋的廣泛使用受到一定程度的限制[1]。在鋼筋混凝土結構中，由混凝土脆性引起的其他主要問題包括混凝土剝落、黏結劈裂以及鋼筋與混凝土之間復合作用的喪失，這些問題均會削弱RC結構的延性和損傷容限能力[2-3]。

在過去的二十多年中，一種被稱為工程水泥基復合材料(ECC)的高性能纖維增強水泥基復合材料已經開發并應用于基礎設施工程[4-9]。ECC和混凝土的抗拉強度(4～6 MPa)和抗壓強度(30～80 MPa)相似，但在拉伸荷載下的變形性能有顯著差異。傳統混凝土一旦開裂，便立即發生拉伸脆性破壞。然而，ECC初裂后，應力仍然隨著變形的增加而增加，試件表面會出現大量的細密裂縫，直到最終發生裂縫集中現象而宣告破壞。一般來說，ECC的極限拉應變能夠達到3%～5%，極限狀態的裂縫間距為3～6 mm、裂縫寬度控制在60 μm左右[10]。現有的研究結果表明，ECC材料的剪切力學性能與單軸拉伸性能類似[11]。未配箍筋的FRP筋增強ECC梁較合理配箍的FRP筋混凝土梁表現出了更好的力學性能，表明ECC還能夠起到類似箍筋的抗剪作用[12-13]。之前的研究還表明，ECC能與混凝土協調變形，從而降低了界面黏結應力并防止了縱向劈裂裂縫的出現[2]。Maalej等[14]指出，與相應的RC梁相比，在最終失效之前，在受拉側設置ECC層的鋼筋增強ECC-混凝土組合梁表現出更高的極限強度和寬度更小的裂縫。Chen等[15]提出將高強度ECC用于銹蝕鋼筋混凝土結構的抗彎修復，結果表明，采用這種新技術能夠有效彌補構件的抗彎強度，并且可以避免混凝土的大量鑿除。往復荷載下鋼筋增強ECC(R/ECC)受彎構件的試驗研究也表明，當用ECC代替混凝土時，構件的耗能能力及損傷容限能力均能得到顯著提升[3,16-17]。顯然，由于ECC的獨特性能，鋼筋與ECC結合使用能夠提高R/ECC受彎構件的延性和耐久性。

以往的研究主要集中在超高性能混凝土柱構件力學性能[18-19]和R/ECC構件的受彎性能，很少有關于R/ECC構件偏心受壓力學性能研究的報道，因此有必要對這一問題進行深入研究。

本文將對6根R/ECC柱的偏心受壓力學性能進行研究，主要研究縱筋配筋率和偏心距對R/ECC柱極限強度、延性和損傷容限等性能指標的影響。為了便于比較，還將對2根鋼筋混凝土(RC)柱進行偏壓試驗研究。在試驗結果的基礎上，提出R/ECC柱荷載-變形響應的簡化計算方法。最后，通過理論計算方法系統對比R/ECC柱與RC柱的承載力相關曲線。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文共設計了8根柱試件，所有試件的截面尺寸均為b×d=200 mm×250 mm，柱高L均為1 200 mm。試驗的柱構件可以分為兩個系列，系列Ⅰ的4根柱構件的初始偏心距e0為40 mm，設計破壞模式為受拉鋼筋未屈服前的基體壓碎。系列Ⅱ的4根柱構件的e0為120 mm，設計破壞模式為鋼筋受拉屈服后的基體壓碎。系列Ⅰ和系列Ⅱ對應的偏心率(2e0/d)分別為0.32和0.96。每一個系列都包含了1根RC柱和3根R/ECC柱。每個柱構件都配置了4根直徑相同的縱向鋼筋，鋼筋型號采用HRB400，直徑分為3類，分別為12、16、20 mm；箍筋采用HRB335，直徑和間距均為8、100 mm。表1列出了各試件的詳細信息并用不同的編號加以區分，首字母E和C分別代表的是R/ECC柱和RC柱，第一個連號的阿拉伯數字代表的是鋼筋的直徑，第二個連號后的阿拉伯數字則代表的是初始偏心距。例如，編號為E-16-120的構件代表的是縱筋直徑和偏心距分別為16 mm和120 mm的R/ECC柱。

表1 試件信息表

1.2 材料性能

為了改善環境的可持續性，在ECC中采用了大量粉煤灰替代水泥，替代率高達80%。 ECC和混凝土的配合比列在表2中。為了評估ECC拉伸延性，對尺寸為350 mm×50 mm×15 mm的板件進行了單軸拉伸試驗，典型的ECC拉伸應力-應變曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，ECC拉伸強度超過了5 MPa，極限拉伸應變接近4%，表現出了良好的拉伸延性。此外，還澆筑了一批尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的ECC和混凝土立方體試塊，與構件同齡期同環境進行養護，并進行了單軸壓縮試驗，試驗時間與柱試驗同步。ECC和混凝土的實測立方體抗壓強度分別為46.08 MPa和32.28 MPa。各直徑鋼筋的力學性能參數見表3。

表2 ECC和混凝土配合比

圖1 ECC材料單軸拉伸應力應變曲線

直徑/mm屈服強度fy/MPa極限強度fsu/MPa彈性模量Es/GPa屈服應變83595251950.001 841 125346202030.002 631 165276212010.002 622 205066072110.002 398

1.3 加載方案

試件在5 000 kN的壓力機下進行偏心受壓試驗。在試驗機兩端安裝了厚度為20 mm的刀口鉸，同時在試件兩端設置了30 mm厚的加載板。加載板上按預定偏心距設置相應的條形凹槽，與刀口鉸(20 mm厚)的刀口相吻合，以便精確控制加載偏心距。在試件高度方向設置了三個位移傳感器以觀測柱構件的側向撓度。在試驗機上下加載板上分別安裝了1個位移傳感器以測量試驗期間的縱向壓縮量。在縱向上設置了5個間距為100 mm的應變片，同時在柱中部截面混凝土表面上設置了6個間距為50 mm的應變片，測點布置見圖2。試驗采用分級加載制度，在達到峰值荷載之前，加載間隔為預估承載力的1/15，每級荷載保持大約2 min。在達到峰值荷載之后，加載速率變緩，直到構件發生最終破壞。試驗過程中所有測量數據都由數據采集儀自動采集。

圖2 試件配筋及測量信息(單位：mm)

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態和裂縫模式

各試件的破壞形態見圖3，從圖3中可以看出，每個構件都因受壓側基體壓碎而宣告破壞，均為受壓破壞，并且由于邊界條件的影響，ECC或混凝土的局部壓碎區域靠近構件的上端。雖然構件均因基體壓碎而達到極限狀態，但是R/ECC柱和RC柱的破壞形態有很大差異。RC柱破壞時刻出現了明顯的混凝土剝落現象，而R/ECC柱由于ECC的纖維之間的橋聯作用并未出現ECC剝落現象。這說明相比于混凝土，ECC能夠為縱向鋼筋提供更有效的側向約束，從而延遲鋼筋的屈曲以及改善構件的損傷容限能力。

圖3 試件破壞形態

各試件的最終開裂模式見圖4。對于初始偏心距為40 mm的試件，初始開裂荷載大約為峰值荷載的30%；對于初始偏心距為120 mm的試件，初始開裂荷載大約為峰值荷載的15%。初始偏心距越大，彎曲荷載就越大。彎曲裂縫首先出現在遠離軸向力的一側，并且隨著荷載的增加不斷向靠近軸向力的一側延伸。對于偏心距為120 mm的R/ECC柱，裂縫的集中開展出現在峰值荷載后，而對于偏心距為40 mm的R/ECC柱，整個加載過程中均未出現裂縫集中現象。從試驗現象中還可以發現，在極限狀態下，R/ECC柱的受拉側出現了近百條細密裂縫，而對于RC柱受拉側僅出現了不足10條的彎曲裂縫。這說明將ECC替代混凝土能夠顯著減小裂縫寬度，從而提高偶然荷載后不能即刻修復的柱構件的耐久性。

圖4 試件最終開裂模式

偏心距為120 mm的柱構件最大裂縫寬度隨偏心荷載(N)增加的發展曲線見圖5。對于RC柱，裂縫寬度隨著荷載的增加呈線性增長，并且峰值荷載下對應的最大裂縫寬度達到了2 mm；相比之下，隨著荷載的增加，R/ECC柱的最大裂縫寬度先增長后基本維持在60 μm保持不變。這一顯著的裂縫寬度發展差異歸因于ECC和混凝土這兩種材料迥異的裂縫開展進程。混凝土一旦達到拉伸強度，裂縫寬度便迅速增長。而ECC在初裂后，拉伸荷載能夠伴隨著多裂縫的開展繼續上升。每一條裂縫都開展到一定的裂縫寬度后保持穩定，而繼續增加的變形將導致新的裂縫繼續出現，直至在裂縫寬度在一條裂縫上集中開展而達到開裂飽和狀態。

圖5 峰值荷載前最大裂縫寬度隨撓度變化曲線

2.2 荷載-撓度曲線

各試件的荷載-跨中撓度曲線見圖6。由圖6可知，在峰值荷載前，撓度隨著荷載的增加迅速增長。峰值荷載后，荷載隨著撓度的增加而下降，直至混凝土和ECC發生壓碎失效。RC柱承載力的下降幅度要大于R/ECC柱，這主要因為ECC的極限壓應變約為混凝土的2倍[20-21]，從而使得R/ECC受彎構件具有更好的延性。由圖6可知，極限強度隨著配筋率的增加而增大，并且R/ECC柱的極限強度要高于同等配筋情況下的RC柱。和RC柱相比，偏心率分別為40 mm和120 mm的R/ECC柱較RC柱分別提升了35.6%和31.8%。由于ECC的抗壓強度要高于混凝土，因此很難判斷是否有除抗壓強度外的其他原因造成R/ECC柱更高的極限強度，將在下一節的參數分析中具體討論。

由于混凝土的彈性模量要遠大于ECC，在強度相同的情況下，R/ECC柱峰值荷載對應的位移應大于RC柱。圖6中RC柱峰值荷載點對應的位移接近甚至大于R/ECC柱主要是由于兩方面的原因造成的：一是混凝土的抗壓強度要遠低于ECC，使得ECC的彈性模量大于混凝土；二是混凝土開裂后承載力立即喪失，而ECC開裂后始終能為ECC提供穩定拉力，導致R/ECC柱剛度進一步提升，剛度大則變形能力會相應削弱，從而導致RC柱和R/ECC柱在峰值荷載下對應的位移相近。

2.3 應變分析

縱筋直徑為16 mm的柱構件混凝土應變沿截面高度的變化規律見圖7。由圖7可知，在整個加載過程中，混凝土應變幾乎沿著截面高度線性分布，這說明基本符合平截面假定。在每一個荷載水平下，偏心距為40 mm的柱構件的受壓區高度均顯著大于偏心距為120 mm的構件。

圖6 試件荷載-跨中撓度曲線

圖7 混凝土應變沿截面高度變化規律

各荷載水平下，構件C-16-120和E-16-120縱筋應變的發展規律見圖8。不難看出，RC構件縱筋應變的波動要大于同等配筋下的R/ECC柱。對于試件C-16-120，混凝土一旦開裂，拉力便幾乎全由鋼筋來承擔，造成開裂截面鋼筋應變的突然增大(跨中以上100 mm處及跨中以下200 mm截面處)。相比之下，試件E-16-120開裂后，ECC裂縫截面拉應力仍然能由纖維繼續傳遞，使縱筋應變分布更為均勻。

圖8 鋼筋應變沿長度方向變化規律

3 理論分析

3.1 理論建模

由上述試驗結果中可以得知，混凝土應變幾乎沿截面高度線性分布，因此本理論計算采用了平截面假定。ECC的本構模型是采用的Yuan等[22]提出的模型，見圖9(a)。在拉伸荷載下，ECC開裂后進入拉伸硬化階段，直至集中裂縫出現后應力降至0。ECC的應力-應變關系由雙折線為

(1)

式中：σtc和εtc分別為ECC的初裂應力和初裂應變；σtu和εtu分別為ECC的極限應力和極限應變。在壓縮荷載作用下，ECC的應力-應變曲線由非線性上升段和雙折線下降段組成，可表示為

(2)

式中：E0為ECC的彈性模量，E0=1.5(σc0)0.638[21]；ε0.4為0.4倍抗壓強度對應的應變；a和b的取值分別為0.308和0.124[21]；σc0和εc0分別為ECC峰值應力和對應的應變；σcu和εcu分別為ECC的極限應力和極限應變。

本計算中忽略了混凝土的抗拉作用。峰值應力前混凝土的受壓應力-應變關系采用的是Hognestad等[23]提出的模型，之后便線性下降直至應力為0，見圖9(b)。完整的應力-應變曲線可表示為

(3)

鋼筋采用的是具有拉伸硬化段的彈塑性雙折線模型，見圖9(c)，應力-應變關系可表示為

(4)

式中：Es為鋼筋的彈性模量；fy和εy分別為鋼筋的屈服強度和屈服應變；fsu和εsu分別為鋼筋的極限強度和極限應變。

本文通過牛頓-科特斯積分方法對構件截面的荷載-變形曲線進行計算。使用的運算軟件是Matlab，首先假定一個初始偏心距e0和受壓側邊緣纖維的應變εc，受壓區高度c便可以通過假定的材料應力-應變關系和截面彎矩平衡表達式來進行計算。截面曲率可以通過εc與c的比值來獲得，而軸向力可以通過沿截面高度方向的應力積分來獲得。由于試驗得到的跨中撓度值遠小于初始偏心距，見圖6，因此，本計算模型中忽略了因柱彎曲變形所引起的附加彎矩。通過不斷變化εc，便可計算得到構件的彎矩(荷載)-跨中截面曲率曲線，直至εc達到材料的極限壓應變值終止計算。從荷載-曲率曲線中可以獲取各柱構件的峰值荷載。通過強度收斂性分析可以得知，當εc的增量取為0.000 1時，構件承載力的誤差將小于0.5%。

圖9 材料應力-應變關系

表4 數值模擬中混凝土和ECC的材料性能參數

3.2 試驗結果與計算結果的對比

為了評估計算方法和材料本構模型的可靠性，對本文實測的8根柱構件的承載力進行了計算。各試件計算承載力與實測承載力的對比見圖10，由圖10可知，實測結果與計算結果吻合良好。本文還通過誤差分析對模型的準確性進行了定量分析，承載力預測的誤差可通過下式進行計算為

(5)

式中：Nue和Nuc分別為實測承載力和計算承載力。通過計算可知，通過理論模型計算得到的承載力的平均誤差、標準差和最大誤差分別為1.55%、1.28%和4.45%，再次證明了本計算方法的準確性。

圖10 試驗和模擬所得到的極限強度對比

3.3 RC柱與R/ECC柱承載力相關曲線對比

為了全面評估R/ECC柱的承載力，對R/ECC柱的正截面受壓承載力-受彎承載力(Nu-Mu)相關曲線進行了計算，并與RC柱進行了對比。通過3.1節所描述的方法，不斷變換初始偏心距e0，便可得到各構件的承載力相關曲線。所選取的基準構件的參數如下：構件截面尺寸b×d=400 mm×400 mm，柱側邊緣距縱筋合力作用點的距離為40 mm；4根縱向鋼筋的直徑均為25 mm。參照ECC在單軸應力-應變曲線試驗數據[21-24]。ECC和混凝土的材料性參數見表4。鋼筋的彈性模量、屈服強度、極限強度和極限應變分別取為200 Gpa、460 MPa、600 MPa和0.1。

圖11為RC柱和R/ECC柱Nu-Mu承載力相關曲線的對比。從圖中11可以看出，R/ECC柱的承載力相關曲線的變化規律與RC柱類似，受壓承載力隨著偏心距的增大不斷減小，而受彎承載力則隨著偏心距的增大先增大后減小。另外，由圖11可知，當偏心率很小時，R/ECC柱的承載力與RC柱的承載力非常接近；而當偏心率很大，R/ECC柱的承載力要明顯大于同等條件下的RC柱。這可以通過以下機理加以解釋。當偏心率很小時，彎矩與軸向力的比值很小，此時大部分的截面積處于受壓狀態。因此，ECC的高延性拉伸特性對整個柱承載力的貢獻十分有限。當偏心率很大時，彎矩與軸向力的比值相應變大，此時處于受拉狀態的截面積也相應增大。在這種情況下，ECC的超高韌性特性便能夠充分發揮出來，ECC的抗拉貢獻相當于提高了縱向受拉鋼筋的配筋率。眾所周知，縱向受拉鋼筋的配筋率越大，需要平衡總拉力的基體壓力越大，從而抗彎強度也越大。因此，當偏心水平很高時，R/ECC柱的承載力要顯著高于RC柱。

圖11 RC柱與R/ECC柱承載力相關曲線對比

4 結論

本文對R/ECC和RC柱在偏心受壓荷載下的力學性能進行了研究。首先，對6根R/ECC柱和2根RC柱進行了偏心受壓試驗。其次，通過理論分析計算了R/ECC柱的峰值承載力，并與試驗結果進行了對比。最后，通過參數分析對比了R/ECC柱和RC柱的正截面受壓承載力-受彎承載力(Nu-Mu)相關曲線。主要結論如下：

(1)R/ECC柱的破壞形態與RC柱有顯著不同。雖然R/ECC柱和RC柱最終都因基體壓碎而宣告失效，然而，RC柱最終出現了嚴重的基體剝落現象；相比之下，R/ECC柱由于ECC的纖維橋梁作用，整個加載過程均未出現ECC剝落現象。

(2)R/ECC柱的裂縫控制能力要明顯優于RC柱。RC柱的最大裂縫寬度隨著荷載的增加線性增長，并在峰值荷載前達到了2 mm。R/ECC柱的最大裂縫寬度先隨著荷載的增加而增加，隨后基本維持在60 μm保持不變。

(3)由于ECC較混凝土更大的極限壓應變，R/ECC柱的延性要優于同等配筋條件下的RC柱。

(4)通過Nu-Mu承載力相關曲線的參數分析可知，當偏心水平較低時，R/ECC柱的承載力與RC柱的承載力差別不大，而在同等條件下，當偏心水平很高時，R/ECC柱的承載力要明顯大于RC柱。