混凝土被广泛地应用于建筑、桥梁、道路、水工等众多土木工程领域。从力学性能上看, 混凝土是一种准弹脆性材料。在传统的土木工程建造中, 混凝土必须与钢筋共同使用, 借助钢筋的高强度和高延性来保证结构的安全性和适用性。即使如此, 钢筋混凝土结构仍存在很多的问题, 如:1) 在地震、振动和爆炸冲击下, 钢筋混凝土结构可能出现脆性断裂、压溃或者倒塌, 这些灾难均与混凝土不良的拉伸性能有关^[1,2];2) 在正常工作状态下, 混凝土的开裂会引发钢筋锈蚀, 从而导致结构耐久性不足^[3];3) 未来的基础设施建设要求建材具备高延性、高耐久性和可持续性^[4], 从国内外的现状来看, 既有的混凝土材料尚不能完全满足这些要求。

　　 为了提升混凝土性能, 工程界用短切的矿物纤维、金属纤维或聚合物纤维来增韧混凝土, 取得显著成果^[5]。从研究现状来看, 钢纤维增强混凝土的抗拉强度介于5~15MPa之间, 拉伸应变能力 (对应最大拉伸应力的应变) 一般不超过1%^[6]。基于微观力学设计的工程化水泥基复合材料 (Engineered cementitious composites, ECC;国内称Ultra-high toughness concrete, UHTC) 拥有超高的拉伸应变能力, 其抗拉强度约为3~7MPa, 对应的拉伸应变达到3%~5%^[7,8]。但是, 相比钢材的高变形能力 (最大拉力下拉伸应变实测值不应小于9%, 且伸长率不应小于20%^[9]) , 传统的纤维混凝土仍存在不小的差距。可以推测, 当配筋的纤维混凝土结构接近承载力极限状态时, 钢筋尚能维持其抗拉强度, 而纤维混凝土的抗拉能力可能早已丧失。因此, 在极端荷载的作用下, 不宜过多考虑纤维混凝土的力学贡献。

　　 其次, 虽然纤维混凝土具有高延性和较强的裂缝控制能力, 可以大幅度地提高结构耐久性, 但在某些极端环境下 (如海水的浸泡区、浪溅区和潮差区) , 再微小的裂缝也不足以阻隔海水的渗入, 从而无法阻止钢筋锈蚀。近年来, 研究者采用纤维增强复合材料 (Fiber reinforced polymer, FRP) 筋替代混凝土中的钢筋, 以消除因氯离子侵入造成的影响^[10,11]。但是FRP属于弹脆性材料, 板材和筋材的拉伸延性一般在2.0%以下。相比建筑钢材, FRP筋的变形能力至少低了4~6倍, 这意味用FRP筋加强混凝土结构的变形能力不如普通钢筋混凝土结构。

　　 此外, 劳动力供应不足将会成为中国未来建筑业发展的重大阻碍。为了解决这一问题, 研究者尝试将基建工程中的“设计”、“设计管理”、“构件建造”以及“施工管理”进行整合并平台化运作, 从而实现自动化建造^[12,13]。由于价格低廉、具有常温流动性且能自动成型, 以混凝土为代表的水硬性胶凝材料成为建筑自动化建造的首选^[14]。但是, 混凝土存在抗拉强度和延性不足的天生缺陷, 必须经过钢筋的增强和增韧才能满足安全和变形要求, 而钢筋的加工、连接和定位是自动化建造的难点^[15]。由于以上技术原因, 自动化建造的代表———建筑3D打印还停留在轮廓打印阶段。外轮廓完成后, 工人在轮廓内配置钢筋并浇筑混凝土, 方能形成可受力的结构体系, 如图1所示。从未来的发展来看, 自动化建造必须克服材料这一难关。

　　 以上种种问题, 都可以通过超高延性混凝土材料来解决。在近年研究中, 笔者基于ECC的微观力学的原理^[16], 采用特殊处理的短切超高分子量聚乙烯纤维 (Ultra-high molecular weight polyethylene fiber, UHWMPE) 对不同类型水泥基材料进行强化, 成功研发出超高延性水泥基复合材料 (Ultra-high ductility cementitious composites, UHDCC) ^[17]。UHDCC是一种既有钢材拉伸变形能力又具备混凝土施工流动性的特殊材料。从理论上说, UHDCC的出现为无筋建造提供了材料层面的解决方案。然而将UHDCC应用于无筋建造, 仍需要通过结构安全性验证。

　　 在建筑工程领域, 我国规范对于建造材料、结构构件和结构体系的性能进行了详尽的规定, 涉及到材料强度、延性和断裂能, 构件的承载力、刚度和变形能力, 以及极端荷载作用下结构体系的变形和耗能能力等诸多方面。对于建筑结构, 这些性能指标具有普适性。针对以上指标, 笔者进行UHDCC的材料、构件和结构三个层面的试验, 主要包括:1) 材料的轴向拉伸和抗压试验, 用于获取材料的抗拉强度、拉伸应变能力、抗压强度、弹性模量和抗压延性;2) 配筋及不配筋的四点弯曲梁试验和偏心受压柱试验, 用于研究无筋UHDCC构件在弯剪荷载和偏压荷载下的承载力、刚度和变形能力;3) 无筋UHDCC组合框架和配筋混凝土框架的振动台试验, 用于研究其在高烈度罕遇地震下的抗震性能。本文将介绍各个试验的情况和结果, 从而对UHDCC材料用于无筋建造的可行性进行验证。

　　 本研究采用三种不同性质的UHDCC制备用于材料、构件和结构试验的试件, 材料的配合比如表1所示。其中UHDCC-A-2016针对中等抗压强度但有超高延性需求的工程对象, 配方采用较多的水泥和较少的粉煤灰;UHDCC-B-2017用于制作振动台试验的模型试件;UHDCC-C-2016配方采用矿渣和硅灰代替粉煤灰, 用于制备具有超高强度和超高延性的混凝土。采用自来水作为搅拌用水, 同时采用高效减水剂调节搅拌浆体的工作性。

　　 采用UHWMPE纤维作为基体的增强材料。纤维的抗拉强度达2.9GPa, 弹性模量为116GPa, 断裂伸长率为2.42%, 密度为0.97g/cm³。三个配方的纤维体积掺量均为2%。

　　 先后进行了材料、构件和结构三个层面的试验。试验分类与方案如表2所示。

　　 对不同配方的哑铃形试件 (图2) 进行轴向拉伸试验, 测试材料的应力-应变关系, 从而得到抗拉强度、拉伸应变能力等力学指标。对尺寸50×50×50立方体试件 (UHDCC-A-2016材料) 、尺寸50×100 (直径×高度) 圆柱体试件 (UHDCC-B-2017, UHDCC-C-2016材料) 、尺寸100×100×200 (长×宽×高) 棱柱体试件 (UHDCC-C-2016材料) 进行轴压试验, 获取材料的轴压应力-应变曲线、弹性模量和抗压延性, 其中圆柱体轴压试验照片见图3。

　　 如表3所示, 共制作13个正方形截面梁 (尺寸100×100×500) 。其中7个普通钢筋混凝土梁为参考试件。10mm直径钢筋的屈服强度均为510MPa, 极限强度均为625MPa;其余梁钢筋的屈服强度均为600MPa, 极限强度均为750MPa;混凝土抗压强度均为40MPa。共制作4个正方形截面偏心受压柱 (尺寸120×120×800) , 见表4。作为参考试件的偏心受压柱HPC-C (4.3%) 采用高强混凝土浇筑, 混凝土抗压强度达60.1MPa。采用UHDCC-C-2016制作1个无筋柱和2个配筋柱。配筋柱的箍筋采用6@100 (柱端加密区配筋为6@45) 。14钢筋的屈服强度为477MPa, 其极限强度为591MPa, 6钢筋没有明显屈服强度, 其极限强度为704MPa。

　　 试验加载偏心距为80mm, 采用应变片、位移计和荷载传感器测量梁、柱钢筋应变和荷载-挠度曲线, 同时采用数字图像相关 (Digital image correlation, DIC) 技术记录试件变形过程中的裂缝萌生和发展情况。

　　 分别以钢筋混凝土框架以及UHDCC组合框架为对象进行振动台试验。钢筋混凝土框架按设防烈度7度半的丙类混凝土框架进行抗震设计。钢筋混凝土框架的平面布置及配筋情况如图4所示, 中柱的配筋率为2.3%, 4个边柱配筋率为1.9%。Y向框架梁的受拉区和受压区均配2φ8钢筋, 配筋率为0.7%。楼板厚度为40mm。φ8钢筋的屈服强度和极限强度分别为319MPa和451MPa, 延伸率为17.8%。φ6钢筋的屈服强度和极限强度分别为445MPa和535MPa, 延伸率为21.8%。钢筋混凝土框架层高为1.5m, 总高度为3m, 立面照片见图5。

　　 首先进行钢筋混凝土框架的振动台试验, 共进行了3种地震波 (El Centro波、Kobe波和上海人工波2) 、17个X向工况的地震激励。试验中地震动最大峰值加速度从0.107g (7度多遇地震) 增加到0.760g (8度罕遇地震) 。试验后, 对框架的受损部位进行切除, 采用由UHDCC-B-2017材料制作的相应无筋构件进行了置换, 具体如下:1) 在一层柱、梁柱节点区及二层柱根抗剪部位采用UHDCC-B-2017材料浇筑 (图6) , 不配置纵向和横向钢筋;2) 保留钢筋混凝土框架的无损伤部位, 即图6中二层上部的梁柱和一层梁中部;3) 利用工作性能良好的高强度聚合物砂浆进行组合接头连接, 即图6中深色部位。UHDCC组合框架经历了3种地震波 (El Centro波、Kobe波和上海人工波2) 、24个X向工况和6个Y向工况的地震激励。相比钢筋混凝土框架, UHDCC组合框架经历了更高强度的8度 (0.969g) 罕遇地震和9度 (1.178g) 罕遇地震的激励。试验中, 采用加速度传感器、接线式位移传感器和非接触式位移测试系统对框架的地震反应进行了测量。

　　 图7~9分别为UHDCC-A-2016, UHDCC-B-2017, UHDCC-C-2016试件组的轴向拉伸应力-应变曲线, 其中, UHDCC-A-2016试件组的养护龄期为6个月, UHDCC-B-2017, UHDCC-C-2016试组件的养护龄期为28d。

　　 由图7~9可见, 所有试件都显示出优异的拉应变硬化性能。UHDCC的抗拉和抗压性能如表5所示, 可见UHDCC的平均峰值抗拉强度介于4.97~19.2MPa之间, 相应的拉伸应变介于8.7%~13.55%之间, 变形能力达到了《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》 (GB 1499.1—2007) ^[9]关于钢筋延伸率的要求 (即拉伸应变不能小于7%, 见图7~9) ;其中UHDCC-B-2017材料的拉伸应变超过13%, 超过了现有报道中任何一种水泥基材料^[8,16]。材料的弹性模量平均值介于8.94~41.2GPa之间。DIC技术的处理结果显示 (图2 (b) ) , 随着应变的增加, 材料不断出现裂缝, 并最终趋于“饱和”。达到极限状态时, 试件的绝大部分裂缝的宽度仍低于0.2mm, 保证了材料优异的耐久性。

　　 轴心抗压试验中, 在压应力达到0.8倍的极限抗压强度前, UHDCC表现出与普通混凝土相似的特性。压应力达到0.8倍的极限抗压强度后, 开始出现竖向裂缝, 抗压强度接近峰值。超过抗压强度峰值后, 试件表面出现了多条细密裂缝。试验结束时, UHDCC-A-2016, UHDCC-B-2017试件组的压缩应变分别高达40%和6%, 显示了UHDCC强大的抗压变形能力。值得注意的是, 图10, 11中UHDCC-A-2016, UHDCC-B-2017试件组显现了受压应变强化的特性, 即超过峰值之后的抗压强度一直保持在高水平, 甚至出现回升的现象, 这一现象在水泥基材料研究领域鲜见报道。相比而言, UHDCC-C-2016试件组具有高得多的抗压强度 (120MPa) 。如图12所示, 在压缩过程中UHDCC-C-2016试件组没有出现受压应变强化的现象, 但也没有出现普通高强混凝土的断崖式陡降现象^[19]。UHDCC-C-2016圆柱体试件组在轴压作用下的形态变化 (图3左上角) 表明, UHDCC材料具有良好的变形能力。

　　 试验结果显示, 普通钢筋混凝土梁和UHDCC梁均出现了以弯曲为主导的裂缝, 但在相同的挠度下, UHDCC梁的裂缝显得细微且密集。图13显示了RC-B (0.57%) 普通钢筋混凝土梁与UHDCC-C-2016-B1梁裂缝的DIC技术观测结果, 对比发现, UHDCC-C-2016-B1梁的弯曲与剪切裂缝更为密集, 在受剪状态下体现出更好的延性。

　　 梁四点弯曲试验的荷载-挠度曲线见图14。可以看出, UHDCC-A-2016梁组的抗弯能力接近配筋率为0.57%的RC-B (0.57%) 普通混凝土梁, 而UHDCC-C-2016梁组的抗弯能力相当于配筋率为1.51%的RC-B (1.51%) 普通混凝土梁。另外, 试验结果显示, 在弯矩作用下, 相对普通混凝土梁, UHDCC梁的裂缝更密更细, 在挠跨比为1/50的情况下, 绝大多数裂缝宽度在0.2mm以下, 属于无害裂缝;UHDCC梁最终呈现弯剪破坏模式, 破坏时挠度均超过跨度的1/50, 体现出良好的抗弯和抗剪能力。

　　 偏心受压试验中, 从图15柱破坏模式对比可知, HPC (4.3%) 高强混凝土柱破坏时受压侧出现沿纵筋的劈裂裂缝, 混凝土保护层剥落, 受压纵筋屈曲, 受拉区集中出现两条垂直于轴线的裂缝;而UHDCC-C-2016-C1柱受压区混凝土未出现明显开裂, 对受压纵筋提供了有效约束, 受拉区混凝土呈现多缝开裂的特征, 说明达到极限状态时UHDCC依旧能承受拉应力。由图16可知, UHDCC-C-2016-C3柱具有更高的承载力和变形能力, 其承载力和峰值位移比HPC (4.3%) 柱分别提高了35%和87%。随着纵筋配筋率的降低, UHDCC承载力相应成比例降低。但未配筋的UHDCC-C-2016-C1柱承载力仍然达到了85.0kN, 相当于配筋率为0.8%的高强混凝土柱的水平。此外, 未配筋UHDCC-C-2016-C1柱的峰值位移达4.0mm, 高于HPC-C (4.3%) 高强混凝土柱的峰值位移3.0mm。值得指出的是, 采用不同的UHDCC配方可以制备出不同承载能力的构件, 说明UHDCC无筋结构具有可设计性。

　　 振动台试验中, UHDCC组合框架的柱脚及框架节点区域的梁、柱端均出现了细密裂缝, 见图17。试验后测量, 大多数裂缝宽度在0.1mm以下, 肉眼勉强可以观察到这些裂缝。在9度 (1.178g) 模拟罕遇地震作用下, 部分梁端出现了非关键性裂缝。可以认为, 地震作用下框架表现出“强柱弱梁”的破坏形态。根据非接触式位移测量结果, 整个试验过程中, 框架柱根的最大应变达到5.55%, 高于普通纤维增强水泥基复合材料的拉伸应变能力 (3%~5%) , 但仍在UHDCC-B-2017的平均拉伸变形能力 (13.55%) 之内。由此可见, UHDCC超高的拉伸应变能力是框架经受住强地震考验的基本保证。

　　 2个试验框架首层的层间位移角如表6所示。比较可知, 在7度 (0.105g) 多遇地震下, UHDCC组合框架的层间位移角均小于普通钢筋混凝土框架, 满足《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[18] (简称抗规) , 关于普通钢筋混凝土框架层间位移角小于1/550的要求;在7度 (0.589g) 模拟罕遇地震下, UHDCC组合框架的层间位移角满足抗规限值1/50的要求。如表6所示, 除上海人工波外, 其余工况下UHDCC组合框架的层间位移角均小于普通钢筋混凝土框架。此外, UHDCC组合框架还经历了更高的地震激励 (8度 (0.969g) 和9度 (1.178g) ) 考验。在经历8度 (0.969g) 上海人工波作用后, UHDCC组合框架首层和二层出现了较大的残余位移, 分别为5.1mm和8.1mm;在9度 (1.178g) El Centro波、Kobe波作用下, UHDCC组合框架的层间位移角分别达1/26和1/35。但试验结束后, UHDCC组合框架的形体保持完好, 首层和二层的累计残余位移为5.01mm和10.32mm, 约为层高的1/300。综上所述, 试验证明, UHDCC组合框架具有良好抗震能力, 达到了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震要求。

　　 振动过程中, UHDCC组合框架产生了大量细微裂缝。裂缝的出现, 降低了结构刚度和自振频率, 大幅度提高了结构阻尼。由表7可知, UHDCC组合框架的阻尼比从初期的5.527%提高到14.974%, 增幅远大于普通钢筋混凝土框架。从细观层面来看, 裂缝的发展、张开和闭合以及纤维的伸长和滑移是阻尼比增加的主要原因。阻尼的提高使得框架可以在地震中有效地吸收能量, 达到了消能、减震的效果。框架的动力特性表明, UHDCC是一种具有良好耗能能力的建筑材料。

　　 (1) UHDCC的抗压强度介于30~120MPa之间, 抗拉强度介于4~20MPa之间, 平均拉伸应变达8%, 最大拉伸应变达13%以上。这说明, UHDCC的材料延性达到甚至超过钢材, 具备无筋建造的潜质。

　　 (2) 与普通钢筋混凝土梁相比, UHDCC梁具备同等甚至更优的抗弯和抗剪性能。偏心受压柱试验说明, UHDCC柱具有同时承受轴压和弯矩的能力。此外, 不同配比的UHDCC可以制备出具有不同承载力的构件, 说明了UHDCC结构行为的可设计性。

　　 (3) UHDCC组合框架的抗震能力可以与普通钢筋混凝土框架媲美。地震中, UHDCC组合框架呈现出“强柱弱梁”的破坏模式。在不同地震激励下, 框架的层间变形满足抗规规定, 达到了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求。此外, UHDCC组合框架还体现出良好的消能减震性能。

　　 (4) UHDCC的超高拉伸应变能力使其成为了一种前所未有的新型建造材料, 它的出现为无筋建造提供了一种新颖的可行方案。