如今, 混凝土结构早已成为现代建筑结构体系的主要形式之一, 随着时间的推移, 混凝土结构的耐久性已成为土木工程领域所面临的一个重要工程技术问题。在已有研究成果中, 提高混凝土结构耐久性的方法很多, 其中一个重要的方法就是限制裂缝宽度。已有研究表明, 在混凝土开裂后, 当裂缝宽度小于100μm时, 水渗流可以忽略不计^[1]。所以, 为了提高混凝土结构的耐久性, 限制裂缝最大宽度就成为国内外研究的热点。

　　 近年来, 一种新型超高韧性水泥基复合材料 (Engineered cementitious composite, ECC) 由美国的Li和Leung^[2]研发。该材料在较小纤维掺量 (通常2%体积率) 下的拉应力-应变曲线表现出明显的伪应变硬化特征, 宏观极限拉应变高达3%以上, 材料开裂后, 由于纤维的存在, 在裂缝中产生较大的桥联应力, 使材料在产生较多裂缝后能够继续承受拉力而不断裂, 实现了传统水泥基材料由单一裂缝开展模式向多重细微裂缝的稳态开展模式的转化, 具有相当显著的非线性变形、良好的韧性和较高的能量吸收能力^[3,4]。近年来, 随着ECC材料研究成果的日益成熟, 在美国和日本得到了迅速的发展, 在桥面板维修、水坝维护加固、边坡加固、抗震消能构件等方面有了较好的应用, 取得了非常好的效果^[5,6]。目前, 国内相关研究还相对较少, 近几年, 大连理工大学、清华大学及东南大学也相继开始了这方面的研究^[7,8,9]。

　　 ECC材料为自行制备^[10], 水泥采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥;粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰;硅灰采用无定形SiO₂超细硅质粉体材料;砂采用100～200目特细石英砂;纤维采用日本可乐丽RECS15*12型PVA纤维, 长度12mm, 直径40μm, 弹性模量41GPa, 伸长率6.5%, 抗拉强度1 560 MPa, 密度1.3g/cm³;减水剂采用Sika聚羧酸减水剂;混凝土采用C35商品混凝土。

　　 普通受力主筋采用直径12mm的 HRB400, HRB500螺纹钢筋, 屈服强度分别为408.1, 497.5MPa, 箍筋采用直径8mm 的HRB400螺纹钢筋, 屈服强度为406.2MPa;混凝土轴心抗压强度为47.0MPa;ECC拉伸开裂强度为2.0MPa, 拉伸开裂应变为0.023%, 拉伸极限强度为2.4MPa, 拉伸极限应变为2.5%, 轴心抗压强度为40.6MPa, 棱柱体抗压强度为31.4MPa;纵向受力钢筋混凝土保护层厚度为20mm, 采用预制砂浆垫块控制保护层厚度。

　　 试验梁设计尺寸b×h×l=100mm×150mm×1 000mm, 设计并制作了3组不同配筋试验梁 (即SB, SC, SD组) , 根据ECC替换混凝土高度的不同每组有5根, 3组共15根试验梁, 试验梁设计参数见表1。

　　 钢筋笼绑扎完毕后, 在跨中位置的钢筋表面粘贴应变片, 将钢筋笼放入模具。ECC替换高度比例为0和1.0的试验梁, 直接将混凝土/ECC浇入模具中, 后用振动棒进行振捣密实。替换高度比例为0.25, 0.5, 0.75的试验梁, 采用分层浇筑法, 先将搅拌好的ECC置于模具中, 振捣密实, 后将混凝土浇于ECC上方, 振捣密实。将梁表面抹平, 覆盖防水油布, 24h后拆模, 覆盖土工布, 洒水养护。

　　 在试验过程中, 使用5个位移传感器来测量试验梁的挠度, 其中1个安放在跨中, 2个安放于加载点正下方, 2个安放在两端支座处, 以消除支座位移对跨中挠度的影响。在试验梁侧面跨中150mm的范围内沿构件截面高度方向布置4组千分表, 第1组和第4组各距离梁顶和梁底10mm, 其余2组等间距布置, 通过测出各表的差值计算构件截面的平均应变。采用粘贴应变片测量方法, 采集钢筋应变随荷载变化情况;使用裂缝宽度监测仪测量每级荷载作用后的裂缝宽度, 并用细毛笔在试验梁上描绘出裂缝开展情况;使用千斤顶加载, 传至荷载传感器的荷载, 由数据采集仪采集。加载示意图见图1。

　　 根据加载过程中记录的各级荷载作用下千分表的读数, 经过换算可计算得出标段内混凝土/ECC截面的平均应变。试验梁在不同等级荷载作用下的混凝土/ECC截面平均应变沿着梁高的分布曲线见图2。从图2可以看出, ECC-RC复合梁从开始加载到破坏, 实测的混凝土/ECC截面平均应变基本符合平截面假定, 且随着荷载的增加, 中和轴高度不断上移, 说明混凝土与ECC的粘结作用良好, 能够协调变形。

　　 确定试验梁开裂弯矩采用如下方法:刚开始加载时, 试验梁底端受拉区最大拉应力出现在纯弯段下表面, 随着荷载的增加, 试验梁下表面材料不断集聚能量, 此区域内钢筋上粘结的应变片应变值总体呈线性增长, 继续增加荷载, 如果此区域内钢筋上粘结的应变片应变值突然增大, 就表明此处为第一条裂缝出现的位置, 或者如果试验梁纯弯段多个应变片出现突然回缩现象, 就表明首条裂缝已经出现, 使得混凝土受拉所聚集的能量得到部分的释放, 在测点附近可以找到第一条裂缝, 此时对应的弯矩就为试验梁开裂弯矩。图3所示为试验梁开裂前后的荷载-钢筋应变曲线。

　　 从图3可以看出, 在第一条裂缝出现之前, 荷载-钢筋应变曲线基本呈线性增长, 继续增加荷载至第一条裂缝出现, 可以看到荷载-钢筋应变曲线有突变的现象, 在之后的加载过程中, 曲线的斜率较开裂前有比较明显的减小, 可以判断钢筋应变突变时所对应的弯矩为开裂弯矩。表2列出了各试验梁的开裂弯矩实测值, 从表2可以看出, 试验梁的开裂荷载基本上随着ECC替换高度的增大而增大。

　　 各试验梁荷载-挠度曲线如图4和图5所示, 荷载-跨中钢筋应变曲线如图6所示。

　　 从图4中可以看出, 随着替换高度比例的增加, ECC-RC复合梁和ECC梁的屈服荷载和极限荷载较混凝土梁均有所增大。ECC由于具有抗拉能力, 可以承担部分拉力, 因此ECC的加入, 在一定程度上提高了试验梁的屈服荷载, 也就是说延迟了钢筋的屈服。当普通钢筋混凝土梁发生屈服时, 复合梁挠度值也小于普通钢筋混凝土梁, 复合梁还处于裂缝发展阶段。从试验梁最终破坏时对应的跨中挠度可以看出, 复合梁的挠度小于普通钢筋混凝土梁的挠度, 说明ECC的存在对试验梁开裂后的刚度有一定的改善作用。因此, 在梁中采用ECC取代部分普通混凝土, 既可以有效控制梁的变形值和提高梁的抗弯承载能力, 又可以减少钢材的用量。

　　 从图5可以看出, SB组试验梁较SC, SD组试验梁曲线各个阶段的斜率要小, 其原因是由于单根钢筋的试验梁与两根钢筋的试验梁相比刚度偏小, 抵抗变形能力小。因此在变形控制方面, 配筋率越高则梁的变形控制能力越强。承载力随着配筋率的增大而增大, 随着钢筋强度等级的提高而增大。

　　 对比图6与图4可以看到, 试验梁钢筋应变随荷载的变化曲线与挠度随荷载的变化曲线相似, 说明钢筋与混凝土/ECC具有较好的协同变形能力。钢筋应变随荷载的变化曲线与挠度随荷载的变化曲线的转折点能较好地吻合, 可以认定该转折点为梁的屈服点。表3给出了试验梁的屈服弯矩及对应的变形实测值。从表3可以得出, SB组试验梁屈服荷载较普通钢筋混凝土梁的屈服荷载提高了56.8%, 相同情况下, SC组试验梁屈服荷载提高了28.4%, SD组试验梁屈服荷载提高了8.6%。

　　 从图4～6可以看出, 普通钢筋混凝土梁或复合梁在荷载作用下受力过程可分为三个阶段。第一阶段:弹性阶段。加载初期, 施加于试验梁上的荷载较小, 截面尚未开裂, 截面处于弹性阶段, 此时钢筋应变较小, 钢筋和混凝土/ECC的应变增长较为稳定。从荷载-挠度曲线上看, 挠度增长几乎为一条直线。试验梁处于即将开裂状态。第二阶段:带裂缝工作阶段。该阶段随着荷载达到一定程度, 混凝土/ECC开始出现裂缝, 裂缝一旦出现就具有一定的高度。此时荷载-跨中挠度曲线出现了转折, 且钢筋的应变曲线也出现了转折, 梁挠度和钢筋应变发生了突变, 标志着梁开裂。随着荷载的增加, 钢筋的应变逐步增加, 挠度也进一步发展, 在裂缝的数量、宽度、高度方面, 普通钢筋混凝土梁裂缝开展比较单一, 裂缝宽度发展比较迅速, 形成一两条主裂缝, 而对于复合梁, 裂缝呈细密稳态开裂模式, 裂缝宽度增长缓慢, 但数量急剧增加。第三阶段:破坏阶段。随着荷载的增加, 钢筋进入屈服阶段, 即在荷载增长很小甚至出现减小的情况下, 跨中挠度以及钢筋应变明显增大, 表现出明显的塑性变形特征, 直至梁破坏, 整个过程经历较大的变形。

　　 复合梁在整个受弯过程中, 随着挠度的不断增大, 有一两条裂缝开始明显增大, 并伴随着纤维拉断的“丝丝”声, 此时荷载增长较为缓慢。在出现大裂缝的同时, 部分细密裂缝增长缓慢或者不增大, 但还有一部分裂缝不仅没有增大, 还会出现缝宽回缩的现象, 这是由于细密裂缝之间存在纤维提供的桥联应力, 在出现大裂缝后, 其周边裂缝之间PVC纤维提供的拉力大于梁底部对应位置承受的拉力, 裂缝宽度减小。

　　 试验梁最终破坏形态见图7。各试验梁实测的屈服荷载、极限荷载、变形、位移延性及最终破坏特征见表3。

　　 当试验梁临近极限荷载时, 裂缝开展基本趋近于稳定。在描绘裂缝形态的同时, 用钢尺量测纯弯段内裂缝数量和水平间距, 将纯弯段内裂缝间距取平均值, 见图8。对于复合梁, 纯弯段的ECC层会出现大量的细密裂缝, 为方便标记, 试验中只标记出较为明显的裂缝。

　　 由图8可以看出, 对于普通钢筋混凝土梁, 随着荷载的增加, 梁的受拉区相继出现几条裂缝, 裂缝宽度持续增大, 裂缝数量和间距基本不变。但对于复合梁来说, 由于ECC替换层的存在, 裂缝数量随着替换高度的增加而增加, 裂缝间距随着替换高度的增加而减小。这是由于梁开裂后裂缝之间存在的PVA纤维可以产生较大的桥联应力, 有效地阻止了裂缝的开展, 并且伴随着周边裂缝的持续出现, 裂缝数量不断增多, 裂缝间距不断减小。

　　 试验测得的试验梁裂缝宽度随着短期荷载的变化如图9所示。从图9 (a) 可以看出, 普通钢筋混凝土梁开裂时初始裂缝宽度很小, 裂缝发展缓慢, 随着荷载的逐渐增大, SB1, SB2试验梁裂缝持续向上延伸, 裂缝宽度增长迅速, 而相比于相同配筋率的SB3, SB4试验梁, 随着ECC替换高度的增加, ECC可以承担更大的拉力, 梁表面裂缝开展由单一宏观开裂模式向多重细微裂缝的稳态开裂模式转化, 裂缝细而密。从图9 (b) , (c) 可以看出, 由于SC1, SD1试验梁是普通钢筋混凝土梁, 裂缝开展还是单一宏观开裂模式, 裂缝少且开展迅速, 其他试验梁由于ECC的存在和配筋强度的增大, 随着荷载的不断增大, 裂缝开展比较缓慢, 且不会出现较大裂缝。替换高度比例为0.25的复合梁最大裂缝宽度相比更高替换高度的3根试验梁最大裂缝宽度有明显的增大, 这是由于替换高度比例为0.25的试验梁ECC层较薄, 所能承担的拉力有限, 裂缝的开展也比较明显, 需要更高的替换高度才能有效地限制裂缝宽度。

　　 在计算最大裂缝宽度时, 混凝土规范^[11]规定应取荷载效应的准永久组合, 准永久组合值一般约为标准值的0.8倍。从图9可以看出, 试验梁在短期荷载下最大裂缝宽度w_{s, max}等于限值 (0.3/1.55) mm时, M/M_u基本大于0.8, 全部大于0.64。因此, 在荷载效应的标准组合、准永久组合下, 试验实测复合梁在正常使用状态下的最大裂缝值满足规范要求。

　　 (1) ECC-RC复合梁从开始加载到破坏, 实测的混凝土/ECC截面平均应变基本符合平截面假定, 且随着荷载的增加, 中和轴高度不断上移。钢筋与ECC/混凝土、ECC与混凝土粘结性能良好, 能够协调变形, 共同工作。

　　 (2) ECC替换层的存在改变了普通钢筋混凝土梁的开裂模式, 复合梁开裂后, 随着荷载的增加, 裂缝呈细密模式稳态发展, 有一部分裂缝延伸入混凝土中, 继续增加荷载, 混凝土中裂缝数量基本保持不变, ECC层中裂缝数量仍持续增多。ECC可有效改善混凝土梁的抗裂性能。

　　 (3) ECC在受拉开裂后仍能承受较大的拉应力, 使用ECC代替部分普通混凝土, 可以与钢筋一同承担拉力, 有效地提高了梁的承载力, 延缓了钢筋的屈服, 提高了试验梁的抗变形能力。且配筋率较小的试验梁, 承载力和抗变形能力提高更为明显。