ECC管混凝土短柱軸心受壓試驗(yàn)研究

趙英馳，馮錦鵬，吳祥均

（重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

混凝土是目前世界上應(yīng)用最廣泛的建筑材料。在實(shí)際工程應(yīng)用中，混凝土主要存在以下不足：一是在外部荷載作用下的脆性破壞。混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，當(dāng)受到拉應(yīng)力作用時(shí)極易發(fā)生脆性破壞，如剝落、破碎等；二是混凝土的耐久性問題，如混凝土收縮、化學(xué)侵蝕以及熱效應(yīng)等環(huán)境因素所引起的耐久性問題；三是混凝土表面不斷擴(kuò)展的裂縫也會(huì)極大地影響結(jié)構(gòu)的耐久性，縮短結(jié)構(gòu)的服役壽命。

近年來，以ECC（Engineering Cementitious Composites）為代表的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注。與普通混凝土、鋼纖維混凝土以及高性能混凝土相比，其在延性、韌性、耐久性和抗疲勞性能等方面都有大幅度的提高和改善。在美國、日本和歐洲等國家及地區(qū)，ECC已經(jīng)開始大量應(yīng)用于邊坡加固、橋面修復(fù)、橋梁連接板及高層建筑連梁等領(lǐng)域。在國內(nèi)，ECC的研究還主要集中在實(shí)驗(yàn)室條件下的材料性能研究，相應(yīng)的實(shí)際工程應(yīng)用案例還較少[1]。因此，有待展開大量的研究工作推動(dòng)ECC材料的發(fā)展，推廣ECC材料的工程應(yīng)用。

基于以上工程背景，提出了ECC預(yù)制管柱內(nèi)澆混凝土芯的新型構(gòu)件，并對其軸心受壓性能展開研究。分別對素混凝土構(gòu)件、ECC管混凝土組合構(gòu)件開展軸心受壓試驗(yàn)，對比其應(yīng)力應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)由于ECC管對內(nèi)部混凝土的約束作用，使得組合構(gòu)件的軸心抗壓承載力、變形能力，較素混凝土構(gòu)件均有提高，脆性得到改善；另一方面，ECC管可作為模板，提高了構(gòu)件的施工效率。既滿足了結(jié)構(gòu)耐久性的需求，又響應(yīng)了國家提高建筑裝配率的號召。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

采用的纖維增強(qiáng)材料為基于國產(chǎn)PVA纖維制作，并按照一定的配比制成的ECC（高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料），該復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相差不多，但其抗拉性能與普通混凝土相比有顯著提升[2]。

（1）與普通混凝土相比，ECC抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線在達(dá)到極限荷載之后，沒有迅速破壞并呈現(xiàn)脆性破壞的形態(tài)，而是呈塑性破壞。

（2）ECC的極限拉應(yīng)變顯著高于普通混凝土的抗拉強(qiáng)度，約為普通混凝土極限拉應(yīng)變的300%～800%，在拉伸作用下，在其初始裂縫出現(xiàn)之后，沒有出現(xiàn)裂縫集中擴(kuò)展或者承載力降低，而是表現(xiàn)出類似金屬的應(yīng)變-硬化現(xiàn)象，不斷地出現(xiàn)新的微裂縫，呈“多縫開裂”現(xiàn)象[3]。

（3）在彎曲荷載作用下，ECC同樣展現(xiàn)極大的變形能力，彎拉強(qiáng)度可達(dá)到12～18MPa，約為普通混凝土的3～5倍。

該次試驗(yàn)短柱的試件信息如表1所示。

1.2 試件制作

1.2.1 材料特性

混凝土為325號普通硅酸鹽水泥，最大粒徑為20mm碎石，中砂，每立方米質(zhì)量配合比為水:水泥:砂:碎石=0.38:1:1.11:2.72。 制成ECC標(biāo)準(zhǔn)立方體試件（150mm×150mm×150mm）以及標(biāo)準(zhǔn)抗拉試件，得到立方體抗壓強(qiáng)度平均值為21.27MPa。

ECC為水泥∶粉煤灰∶石英砂∶硅灰:水∶聚羧酸減水劑∶石灰石粉∶PVA纖維=1∶1∶0.834∶0.186∶0.545∶0.045∶0.186∶0.040。 制成ECC標(biāo)準(zhǔn)立方體試件（70.7mm×70.7mm×70.7mm）以及標(biāo)準(zhǔn)抗拉試件，得到立方體抗壓強(qiáng)度平均值為71.62MPa，抗拉強(qiáng)度為7.04MPa。

1.2.2 混凝土短柱及組合短柱的制作

使用標(biāo)準(zhǔn)混凝土模具（D×h=150×300）澆筑出6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)混凝土短柱。脫模后將其中3個(gè)取出固定就位，在外圍支模板后，澆筑ECC。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 加載與測量方案

將試驗(yàn)構(gòu)件直接放置在5000kN液壓試驗(yàn)機(jī)上，安裝好位移計(jì)等儀表，并對試件進(jìn)行幾何對中，待準(zhǔn)備工作完成之后即可進(jìn)行軸壓試驗(yàn)。加載時(shí)，對素混凝土短柱全截面施壓，對ECC管混凝土組合短柱全截面施壓。

試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)預(yù)計(jì)破壞荷載進(jìn)行分級加載。采用分級加載：在達(dá)到預(yù)計(jì)極限荷載Nu的75%之前，按每級荷載增加0.2Nu進(jìn)行；當(dāng)荷載達(dá)到預(yù)計(jì)極限荷載Nu的75%之后，按每級荷載增加0.1Nu進(jìn)行。當(dāng)荷載達(dá)到最大（極限值）時(shí)，試驗(yàn)機(jī)上的壓力表開始回落，繼續(xù)加載直到試件破壞。在加載過程中，位移計(jì)記錄軸向位移，壓力表記錄承載力。

試驗(yàn)分別對3個(gè)素混凝土短柱、3個(gè)ECC管混凝土組合短柱進(jìn)行平行對照試驗(yàn)，得到6個(gè)試件的位移-荷載曲線。

表1 試驗(yàn)試件基本參數(shù)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述

2.1.1 素混凝土短柱

加載初期，試件的軸向變形基本隨著荷載的增長而增大，呈線性增長，試件處在彈性工作階段，短柱外觀無明顯變化；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載之后，試件突然破壞，破壞模式為短柱剪切破壞，呈現(xiàn)出明顯的脆性，如圖1所示。

2.1.2 ECC管混凝土組合短柱

圖1 素混凝土構(gòu)件破壞

圖2 組合短柱構(gòu)件破壞

ECC管混凝土組合短柱在加載初期處于彈性工作階段，短柱外觀無變化。隨著荷載的增加，試件外圍ECC開始出現(xiàn)裂縫，且不斷有新的裂縫出露。與素混凝土構(gòu)件“一裂即壞”不同的是，組合構(gòu)件裂縫呈現(xiàn) “多縫開裂”。但荷載接近極限荷載時(shí)，ECC外管開始形成剪切主裂縫 （即出現(xiàn)45O斜裂縫），并可聽見混凝土內(nèi)芯發(fā)出“咔咔咔”響聲。破壞模式為短柱剪切破壞，較素混凝土構(gòu)件而言，組合構(gòu)件脆性得到明顯改善，并展現(xiàn)出一定延性，如圖2所示。

2.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

2.2.1 素混凝土短柱

試驗(yàn)中分別對三個(gè)素混凝土短柱開展軸心受壓試驗(yàn)，得到試件對應(yīng)的位移-荷載數(shù)據(jù)。試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分別如圖3、圖4、圖5所示。

由3個(gè)試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線可得：

根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到σ=18.08MPa，ε=0.001959。由圓柱體抗壓強(qiáng)度f'c'和立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k之間的關(guān)系可按式（1）計(jì)算[4]。

圖3 素混凝土短柱3-應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 素混凝土短柱3-應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 素混凝土短柱3-應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 ECC管組合短柱1-應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 ECC管組合短柱2-應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖8 ECC管組合短柱3-應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2.2 ECC-管混凝土組合短柱

試驗(yàn)中分別對三個(gè)ECC管混凝土組合短柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)僅對試件的混凝土內(nèi)芯施加荷載。得到試件對應(yīng)的位移-荷載數(shù)據(jù)。試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分別如圖6—圖8所示。

由3個(gè)試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線可得：

數(shù)據(jù)處理得 σ=22.31MPa，ε=0.002074。由圓柱體抗壓強(qiáng)度f'c和立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k之間的關(guān)系可按式（2）計(jì)算[4]。

3 試驗(yàn)分析

3.1 基本理論

3.1.1 鋼管混凝土基本理論

基于鋼管混凝土的理論——鋼管混凝土就是將混凝土填入鋼管內(nèi)，由鋼管對核心混凝土施加套箍作用的一種約束混凝土。在鋼管混凝土中，混凝土處在三向受壓的狀態(tài)，一方面鋼管對于混凝土的套箍作用，不僅使混凝土的抗壓強(qiáng)度提高，而且使得混凝土由脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)檠有圆牧?。另一方面，鋼管?nèi)部的混凝土提高了薄壁鋼管的局部穩(wěn)定性，使得鋼管屈服強(qiáng)度可以得到利用。因此，兩種材料能相互彌補(bǔ)對方的弱點(diǎn)。

3.1.2 ECC管混凝土的基本理論

而ECC管混凝土同樣具有類似的特點(diǎn)——ECC管混凝土是一種由高延性水泥基增強(qiáng)材料制成的ECC管代替鋼管，將混凝土填入其中，有ECC管對核心混凝土施加套箍作用的一種約束混凝土。在ECC管混凝土中，混凝土也處于三向受壓狀態(tài)。ECC管對于混凝土的套箍作用，不僅可以使得混凝土抗壓強(qiáng)度提高以及由脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)檠有圆牧?，還可以充分發(fā)揮ECC的“多縫開裂”的特性。尤其與鋼管混凝土以及FRP管混凝土相比，其具有良好的耐腐蝕性，可以很好地運(yùn)用于跨海大橋或者沿海城市的橋墩當(dāng)中。同時(shí)ECC具有自愈合[5]的性質(zhì)，其產(chǎn)生的裂縫可以經(jīng)過一定時(shí)間自行愈合，這對于實(shí)際工程具有十分重要的作用與影響。

3.2 承載力簡化計(jì)算公式

3.2.1 承載力簡化公式

ECC管混凝土組合主要依靠核心混凝土以及縱向鋼筋承擔(dān)軸力，假定受壓時(shí)，各部分同時(shí)工作，則ECC管混凝土短柱簡化公式如下：

式中：fcc為約束混凝土抗壓強(qiáng)度；A為混凝土內(nèi)芯的截面積；f’y為鋼筋的屈服強(qiáng)度；A’s為受壓鋼筋的總面積；A’e為ECC管的面積；fcc為約束混凝土的抗壓強(qiáng)度；σ’e為ECC管的壓應(yīng)力；Eecc為ECC的彈性模量；εcc為約束混凝土的峰值壓應(yīng)變。

根據(jù)公式理論計(jì)算得N=559.86kN。

3.2.1 約束混凝土的極限抗壓強(qiáng)度及極限壓應(yīng)變

目前為止，約束混凝土極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變應(yīng)用最廣泛的是Richart etal.關(guān)系式和Mander etal.關(guān)系式。

式中，k1、k2和約束形式有關(guān)；纖維約束力抗拉強(qiáng)度；te為ECC管厚度15mm；D為試件直徑180mm；fcc和εcc為約束混凝土的強(qiáng)度和峰值應(yīng)變；fco和εco為無約束混凝土的強(qiáng)度和峰值應(yīng)變。根據(jù)本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對系數(shù)k1、k2回歸，結(jié)果如下：

取fe為ECC抗拉強(qiáng)度7.04MPa，te=15mm，D=180mm，得到f1=(2fete)/D=1.17333MPa。

3.2.3 尺寸效應(yīng)

由于組合構(gòu)件存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，參考鋼管混凝土短柱軸壓承載力尺寸效應(yīng)[6]選用的尺寸效應(yīng)系數(shù)γu=kD-cr對混凝土軸心抗壓強(qiáng)度進(jìn)行修正，其中r和k為待定常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和回歸計(jì)算[6]，結(jié)果為

式中：DC為圓柱體混凝土試件的直徑。經(jīng)過尺寸修正后的約束混凝土抗壓強(qiáng)度為γufcc，fcc可以由（3）式得到。

3.2.4 公式驗(yàn)證

將式（3）、式（4）帶入式（1），即可計(jì)算出該組合短柱的承載力，計(jì)算結(jié)果NU為567.70kN，理論值N為559.86kN，比值NU/N平均值為1.014，方差為0.0004917，標(biāo)準(zhǔn)差0.0221?？傮w來說，本文計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合好，計(jì)算過程和計(jì)算方法簡單明了。

4 結(jié)論

（1）ECC管混凝土無配筋組合短柱的破壞屬于強(qiáng)度破壞，極限承載力以ECC管多縫開裂后斷裂為標(biāo)志；承載力和延性得到增強(qiáng)，且該組合構(gòu)件存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。

（2）ECC管混凝土組合構(gòu)件組應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段，較素混凝土構(gòu)件組更為平緩。結(jié)合ECC自身特點(diǎn)，提出的ECC-管混凝土組合形式的構(gòu)件，可以改善混凝土自身易開裂、易脆斷、易腐蝕等缺點(diǎn)，建議推廣。

（3）ECC管混凝土無配筋組合短柱的荷載-應(yīng)變曲線在極限荷載前分為彈性階段、彈塑性階段和強(qiáng)化階段，達(dá)到極限荷載之后，緩慢下降，延性得到很大的體現(xiàn)。

（4）提出了該組合短柱構(gòu)件的軸壓承載力計(jì)算公式，約束混凝土強(qiáng)度和峰值應(yīng)變的回歸公式，并且給出了尺寸修正系數(shù)，經(jīng)過驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果令人滿意。