高強鋼絞線網-水泥基復合材料抗彎加固RC梁試驗研究

袁方 邵昱稼

（華東交通大學土木建筑學院，南昌 330013）

目前，鋼筋混凝土結構加固方法包括：增大截面加固法，該方法能夠顯著提高受彎和受壓構件截面剛度和承載力；粘貼纖維材料加固法，該方法具有施工方便，幾乎不影響結構凈空高的優點；粘貼鋼板法，該方法施工便捷，能顯著提高試件截面剛度等［1-5]。然而，這些加固方法亦有缺點：增大截面加固法增加了被加固結構的自重且影響結構凈空；粘貼纖維材料加固法與粘貼鋼板加固法的耐火性或耐久性能較差。

高強鋼絞線的強度高，將其與聚合物砂漿組合用于混凝土結構加固，具有施工及節點處理方便，經濟、環保且有效提高截面承載力等優點。文獻［6-8]對鋼絞線加固鋼筋混凝土梁進行了抗彎及抗剪性能試驗研究，結果表明該方法能有效提高構件承載力及剛度，約束裂縫的發展，提升梁的抗疲勞性能。文獻［9-10]采用高強鋼絞線網與聚合物砂漿組合對鋼筋混凝土梁進行抗剪加固，結果表明該方法能夠有效提升構件的承載力，且當施加預應力后承載力提高幅度還將增加，對于提升梁的抗剪承載力，鋼絞線斜向布置比豎向布置更有效。文獻［11]對鋼絞線-滲透性聚合物砂漿加固5 根縮尺無抗震設計橋柱進行研究，發現加固后橋柱的延性顯著增加，滯回曲線比未加固時更加飽滿，表現出較好的抗震性能。此外，高強鋼絞線-聚合物砂漿加固技術還應用于板［12]、柱［13]、節點［14]、墻體［15]等方面。然而，鋼絞線-聚合物砂漿組合加固方法也有缺點，加固層的裂縫限制能力比較差，加固層出現裂縫后會對結構耐久性產生不利影響。

近年來，為了改善普通混凝土的力學性能，一種經過微觀力學設計、在拉伸和剪切荷載下呈現高延性的纖維增強水泥基復合材料（Engineering Cementitious Composites，ECC）［16]在實際工程中得到了越來越多的應用［17-18]。在纖維摻量為2%時，其極限拉應變可以達到3%以上，且在極限荷載作用下裂縫的寬度保持在60 μm 左右。不同于混凝土的脆性性質，ECC 在拉伸荷載作用下能夠表現出類似于鋼筋彈塑性變形的特性，所以稱為假應變硬化［19]。傳統混凝土一旦開裂，便立即發生拉伸脆性破壞，承載力顯著下降，而ECC 能夠通過材料內部纖維在開裂部位的橋聯作用保持穩定的承載力，每一條裂縫均能維持在一定寬度范圍，隨著裂縫數量達到飽和，才會有裂縫進入拉伸軟化階段，最終發生裂縫集中現象而破壞［20]。ECC 材料的高延性［21]使得其能與鋼筋擁有更好的變形協調能力，大大降低了界面黏結應力，從而減少縱向劈裂裂縫的發生，可以提高構件的延性、完整性和結構的耐久性［22]。

本文提出一種新型的加固方法——將高強鋼絞線與ECC 結合使用，利用ECC 材料優異的裂縫限制能力提高結構的耐久性，選擇鋼絞線配繩率、加固砂漿種類、被加固梁有無初始損傷等試驗參數，對梁體進行受彎性能試驗，討論加固梁的受彎性能。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文設計了9根鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）梁試件，4 根采用高強鋼絞線網-ECC 加固的RC梁，4 根采用高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固的RC 梁以及1 根未加固RC 梁。梁長1800 mm?；炷翉姸鹊燃墳镃25，保護層厚度為25 mm，縱向鋼筋和架立筋均為HRB400級鋼筋，加載點距支座的距離為500 mm，剪跨比為2.37。梁截面尺寸及配筋如圖1所示。鋼絞線型號為國產鍍鋅鋼絞線6×7+IWS，直徑為3.6 mm。

圖1 梁截面尺寸及配筋（單位：mm）

高強鋼絞線網-ECC 加固與高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固的施工步驟相同，具體步驟為：①將被加固區域鑿毛處理。②鋼絞線下料并進行端頭錨固處理，端部錨固措施見圖2。③安裝鋼絞線網片。將鋼絞線網片的一端先固定，固定端為帶有孔洞的角鋼，通過膨脹螺栓固定于混凝土構件被加固區域上，然后采用專業的緊線器對鋼絞線另一端進行張拉并固定。④涂抹界面劑。⑤將拌制好的ECC 或聚合物砂漿均勻地涂抹到被加固區域。⑥構件加固完成后蓋上土工布，置于20 ℃左右室溫的養護室并不間斷地澆水保濕，進行28 d養護。

圖2 端部錨固措施

試驗討論的主要參數有鋼絞線配繩率、加固砂漿種類及被加固梁有無初始損傷。對于有初始損傷的梁是指在加固前先對梁進行預加載，使梁的純彎區段內最大裂縫寬度為0.2 mm。試件設計參數見表1。其中，SSM 為高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固，SSE 為高強鋼絞線網-ECC 加固，P 表示該試件有初始損傷；連字符“-”后面的數字代表加固所用鋼絞線的根數。

表1 試件設計參數

1.2 材料性能

試驗用ECC 為高粉煤灰替代率的ECC，粉煤灰替代水泥率達80%，ECC 與混凝土配合比見表2。試件澆筑的同時制作ECC 與混凝土標準試塊，試塊尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm，與混凝土試件在相同養護條件下養護28 d，最終測得ECC 與混凝土立方體抗壓強度分別為41.7，34.1 MPa。ECC 的抗拉特性是通過尺寸為350 mm × 50 mm × 15 mm 的板件進行單軸拉伸試驗進行測試的，其極限拉應變超過了4%，極限拉應力超過5 MPa。鋼筋及鋼絞線力學性能參數分別見表3和表4。

表2 ECC與混凝土配合比

表3 鋼筋力學性能參數

表4 鋼絞線力學性能參數

1.3 加載與量測方案

試驗采用四點彎曲加載方案，加載裝置見圖3。正式加載前對構件預加載，預加載的荷載為計算極限荷載的10%。通過預加載來檢驗和調試試驗構件與設備。正式加載時，以5 kN 為1 個等級進行加載，持荷時間為3 min，觀測和記錄試驗現象。在荷載下降到最大承載力的80%后停止加載。對于有初始損傷的試件，加固前對試件預加載，待加載到梁純彎段內最大裂縫寬度為0.2 mm 時停止加載，卸載后對梁進行加固，待加固及養護完成后再分級加載。在跨中混凝土表面布置應變片以觀測純彎段混凝土應變發展情況。以跨中為中點，在純彎段縱筋上間隔80 mm 布置應變片，每根縱筋上布置5 片。在鋼絞線上中心處布置應變片以觀測鋼絞線的應力變化，測點布置參見圖1。所有量測數據均由采集箱自動記錄。

圖3 試驗加載裝置

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態與裂縫模式

試件破壞形態和裂縫分布分別見圖4和圖5。

由圖4 可知，未加固梁的破壞形態為典型適筋梁的破壞形態，以純彎段混凝土的壓潰而宣告破壞。加固梁的破壞特征比較相似，為受拉區鋼絞線拉斷，隨即梁頂混凝土壓潰。試件PSSM-6 的聚合物砂漿加固層與混凝土層出現了界面黏結失效的現象，加固層脫落，錨固端發生破壞，鋼絞線的強度發揮不充分。

由圖5 可知：①未加固梁的裂縫是從梁底開始出現，隨著荷載的增加，裂縫寬度顯著增加并逐步向混凝土受壓區延伸。②高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固試件的裂縫是從加固層底部開始出現，隨著荷載的增加，裂縫穿過聚合物砂漿-混凝土交界面后向混凝土受壓區開展，裂縫開展速度比未加固時慢。③高強鋼絞線網-ECC加固試件的裂縫開裂過程有2種，一種是在混凝土梁的底部開始出現裂縫，隨著荷載的增加，裂縫向混凝土受壓區延伸以及向ECC 加固層擴散；另一種則是從ECC 加固層開始出現細小的裂縫，在ECC-混凝土交界面上匯聚后向梁頂受壓區延伸。④高強鋼絞線網-ECC 加固試件的裂縫開展速度最緩慢。通過裂縫的開展過程可以發現，采用高強鋼絞線網-ECC加固能夠更好地限制裂縫的出現及開展。

圖4 試件破壞形態

圖5 試件裂縫分布

對比各個試件的裂縫可知，與RC 梁相比，加固梁均能延緩裂縫的出現及開展。在相同彎矩作用下，加固梁的裂縫寬度明顯小于未加固梁的裂縫寬度，裂縫條數比未加固梁更多，主裂縫間距更小，裂縫在梁底呈根系狀。對于有初始損傷的梁，裂縫開展位置與無初始損失的加固梁相似，但在底部裂縫明顯更細密。另外，ECC 加固層的裂縫數量明顯多于聚合物砂漿加固層，且裂縫寬度更小，表現出細而密的特點，說明ECC 加固層比聚合物砂漿加固層的裂縫限制能力更好，可以顯著提升結構的耐久性。

2.2 彎矩-撓度曲線分析

試件彎矩-跨中撓度曲線見圖6?？芍孩僭诹芽p出現前彎矩-撓度曲線大致呈直線，曲線斜率與未加固時幾乎重合，所有加固構件近似為彈性工作狀態。當截面開裂后，彎矩-撓度曲線出現第1 次轉折，曲線斜率減小，截面剛度下降，撓度增長速度加快。②加固梁比未加固梁撓度發展緩慢，在相同彎矩作用下，隨著鋼絞線配繩率的增加（即剛度增大），跨中撓度減小。隨著荷載的繼續增大，鋼筋開始屈服，曲線出現第2 次轉折，未加固梁彎矩-撓度曲線斜率急劇減小，在彎矩增量很小的情況下，撓度增加十分顯著，承載力幾乎不再增加。由于鋼絞線的存在，加固梁彎矩-撓度曲線仍有較大的斜率，承載能力還能有所增長。③隨著荷載的繼續增加，鋼絞線開始拉斷，曲線出現第3次轉折，承載力急劇下降。

圖6 試件彎矩-跨中撓度曲線

特征荷載試驗值見表5。其中，PSSE-6，PSSM-6梁在加載前已經產生裂縫，因此未標注其裂縫出現時的彎矩。

表5 特征荷載試驗值

由表5可知：

1）開裂彎矩。加固梁比未加固梁的開裂彎矩有明顯提升，最大提高幅度達109.8%。ECC-鋼絞線加固梁的開裂荷載高于聚合物砂漿-鋼絞線加固梁，提升程度隨著鋼絞線配繩率的增加而降低。

2）屈服彎矩。加固梁比未加固梁的屈服彎矩最大提高幅度達61.3%，提升幅度隨著鋼絞線配繩率的增加而增加，且ECC 與鋼絞線加固比聚合物砂漿與鋼絞線加固能更能有效地提升試件的屈服彎矩。

3）極限彎矩。①2 類加固梁均可以有效提高梁的極限彎矩，提高幅度隨鋼絞線配繩率的增加而增大。采用ECC 加固梁的承載力略高于采用聚合物砂漿加固梁的承載力，說明承載力的提升主要依賴于鋼絞線較高的抗拉強度。②PSSE-6，PSSM-6梁的承載力提升幅度達66.5%，54.5%，說明采用2 種方法加固有損傷歷史的二次受力梁也能夠很好地提升梁的極限彎矩。③雖然承載力相差不大，但在相同鋼絞線配繩率的情況下，ECC 加固梁還是展現了ECC 材料在拉伸作用下的應變硬化特性。④有初始損傷梁由于鋼筋已經進入屈服階段，在二次受力后鋼筋進入應變硬化階段，導致其承載力比無初始損傷梁還有微小的提升，不過二者承載力提升的幅度僅僅相差了5.6%（ECC），6.9%（聚合物砂漿）。

2.3 應變分析

試件跨中彎矩-縱筋應變曲線見圖7?？芍孩僭嚰_裂前縱筋的彎矩與應變關系曲線基本呈線性增長。②試件開裂后曲線斜率減小。在相同彎矩作用下，鋼絞線配繩率越大，縱筋應變越小。③彎矩為10 kN·m 時，未加固梁鋼筋應變為1.245×10-3，而PSSE-6 梁縱筋應變僅為0.491×10-3。原因是鋼絞線在加載過程中替縱筋承擔了一部分拉力，使得相同彎矩下加固梁的縱筋應變更小。

圖7 試件跨中彎矩-縱筋應變曲線

2.4 裂縫發展

試件荷載-最大裂縫寬度曲線見圖8。其中，橫坐標為試件承載力M與試件極限承載力Mu的比值，縱坐標為對應時刻出現的最大裂縫寬度。

由圖8（a）可知：①未加固梁與高強鋼絞線網-ECC 加固梁混凝土、高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固梁的最大裂縫寬度分別在M/Mu=0.8，0.7時開始非線性發展，說明ECC 比聚合物砂漿更有利于限制混凝土層裂縫的開展。②裂縫寬度一定時，加固梁截面彎矩均比未加固梁大，說明加固梁體可以較好地限制裂縫的發展，且加固梁的裂縫限制能力隨鋼絞線配繩率的增加而提高。③裂縫寬度相同時，高強鋼絞線網-ECC加固梁M/Mu比值比高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固梁更大，說明在正常使用荷載的條件下，高強鋼絞線網-ECC加固能夠有效限制混凝土層裂縫的開展。

圖8 試件荷載-最大裂縫寬度曲線

由圖8（b）可知：①高強鋼絞線網-ECC 加固梁混凝土、高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固梁的最大裂縫寬度分別在M/Mu= 0.82，0.63 時開始非線性發展，且在整個加載過程中，ECC 加固層的裂縫寬度低于聚合物砂漿加固層。說明高強鋼絞線網-ECC 加固不僅可以有效限制混凝土裂縫的開展，而且能保護鋼絞線，從而能夠更好地提升結構的耐久性。②與高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固梁相比，高強鋼絞線網-ECC 加固梁具有更大的彎矩，進一步說明了高強鋼絞線網-ECC 加固具有更好的裂縫限制能力。原因是ECC 材料中的纖維在基體中提供橋聯應力，使裂縫以穩態開裂模式向整個截面擴展。當第1 條裂縫出現后，試件的承載力瞬間下降后馬上恢復，裂縫很快穩定在一個很細的水平上，重復多次后呈現出整體上均勻分布的多條細而密的裂縫，且寬度大體接近。

2.5 延性分析

采用延性系數描述構件的延性。延性系數μ=Δu/Δy，Δu為構件的極限變形，本次試驗取其極限承載力下降到80%時對應的位移；Δy為構件鋼筋屈服時的位移?？缰袚隙扰c延性系數見表6。

由表6可知：

表6 跨中撓度與延性系數

1）鋼絞線配繩率。梁的延性隨鋼絞線配繩率的增加而降低。原因是在梁的底部配置鋼絞線，相當于增加了受拉鋼筋的配筋率，隨著受拉鋼筋配筋率的增加，受壓區高度增大。根據平截面假定，梁底鋼筋屈服時對應的受壓區混凝土壓應變增加，最終接近混凝土的極限壓應變，造成混凝土梁的延性下降。

2）加固材料種類（ECC、聚合物砂漿）。與鋼絞線配合使用的加固材料種類對提高梁的延性并無顯著區別。

3）被加固梁類型。SSE-6，SSM-6梁的延性系數分別為3.4，3.2，PSSE-6，PSSM-6 梁的延性系數分別為3.0，3.1，表明采用高強鋼絞線與ECC 或聚合物砂漿組合進行鋼筋混凝土梁抗彎加固時，梁有無初始損傷對延性的影響并不明顯。

3 結論

1）高強鋼絞線網-ECC 抗彎加固能有效提升梁的受彎承載力。對于無損傷加固梁，極限承載力提高幅度隨鋼絞線配繩率的增加而提高，且高強鋼絞線網-ECC 加固梁的承載力略高于高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固梁。當鋼絞線數量為2，4，6時，高強鋼絞線網-ECC 加固梁極限承載力提高幅度分別為21.5%，46.8%，60.9%，高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固梁極限承載力提高幅度分別為18.0%，45.1%，47.6%。

2）高強鋼絞線網-ECC 加固方法比高強鋼絞線網-聚合物砂漿加固方法對裂縫的控制作用更明顯，ECC 加固層呈現出細而密的特點，且高強鋼絞線網-ECC加固能夠有效限制混凝土層裂縫的開展。

3）初始損傷對加固梁的破壞形態、裂縫模式、承載力及延性均無明顯影響。

4）高強鋼絞線網-ECC 加固方法可有效提高梁的屈服后剛度。