高韧性混凝土损伤容限特性研究

傅柏权，蔡向荣

（1.沈阳城市建设学院 沈阳市 110167；2.辽宁省建设科学研究院 沈阳市 110005）

高韧性混凝土损伤容限特性研究

傅柏权1，蔡向荣2

（1.沈阳城市建设学院 沈阳市 110167；2.辽宁省建设科学研究院 沈阳市 110005）

通过三点弯曲试验研究了高韧性混凝土的损伤容限特性。研究结果表明，高韧性混凝土具有优秀的控制裂缝发展的能力以及抵抗由缺陷、裂纹或其它损伤而导致破坏的能力。与基体相比，高韧性混凝土的起裂荷载提高了约4倍，峰值荷载提高了约5倍，峰值荷载对应的裂缝口张开位移提高了约50倍，高韧性混凝土试件的荷载-裂缝口张开位移曲线更加丰满，其破坏模式为多缝开裂的延性破坏。

高韧性混凝土；初始裂缝；多缝开裂；损伤容限

1　引言

钢筋混凝土结构作为重要的结构形式之一被广泛地应用于土木工程的各个领域。随着我国土木工程建设的不断发展，大量早期建设的钢筋混凝土结构已经进入或即将进入老龄化阶段。由于长期使用过程中的环境侵蚀、冻融、碳化甚至外力损伤等引起钢筋锈蚀，形成混凝土裂缝，严重影响建筑物及构筑物的安全和使用功能，急需进行修复和补强处理［1-2］。高韧性混凝土作为一种同时具有高延性、高韧性和优秀裂缝控制能力的新型纤维增强混凝土材料，在抗震结构、抗冲击结构、结构裂缝控制和结构修复工程中有着广泛应用前景［3-4］。本文通过试验研究了高韧性混凝土在存在初始裂缝情况下的损伤容限特性，研究成果将为高韧性混凝土在修复工程中的应用提供基本材料特性和试验基础。

2　试验概况

2.1原材料

胶凝材料采用P.II.52.5R水泥和Ⅰ级粉煤灰，骨料采用特制精细砂，外加剂采用聚羧酸盐类高效减水剂，拌和水采用饮用自来水，纤维采用REC15 PVA纤维，有关性能参数见表1，纤维体积掺率为2%。

表1　PVA纤维参数表

2.2试件制作

高韧性混凝土的试件制作流程如下：首先将胶凝材料和精细砂放入搅拌机中搅拌均匀；然后将水和高效减水剂加入拌和物中，并继续搅拌直至拌和砂浆具有良好的流动性和适宜的粘聚性，最后人工加入PVA纤维，并搅拌均匀。同时制作未添加纤维的纯水泥砂浆基体试件作为对比试件。试件尺寸均采用40mm×40mm×200mm的棱柱体，每组三个试件。所有试件均钢模成型，36h后拆模，放入标准养护室养护28d后取出。试验前采用约2mm宽的碳化钙锯在净跨的中部锯出缺口。缺口深度分别为10mm（即初始缝高比为0.25）和16mm（即初始缝高比为0.40）。

2.3试验加载

采用三点弯曲试验测试高韧性混凝土的损伤容限特性。试验加载示意图如图1所示。试验机采用30t的闭环液压伺服材料试验机，基体的加载速率采用0.02mm/min，高韧性混凝土的加载速率采用0.3mm/min。采用夹式引申计测量裂缝口张开位移，采用荷载传感器测量荷载。通过在试件表面粘贴电阻应变计的方法测量起裂荷载。

3　试验结果及分析

三点弯曲试验得到的基体和高韧性混凝土在初始缝高比为0.25和初始缝高比为0.40时的荷载-裂缝口张开位移曲线（P-CMOD曲线）如图2和图3所示。从图中可以看出，高韧性混凝土的PCMOD曲线无论是荷载坐标轴还是裂缝口张开位移坐标轴均比基体的P-CMOD曲线的相应坐标轴高一个数量级，高韧性混凝土试件的荷载-裂缝口张开位移曲线下所包围的面积远远大于基体试件，说明纤维的添加非常显著地改善了基体的韧性性能，提高了材料的断裂韧性和耗能能力，并使高韧性混凝土具有优秀的抗震性能。而且，基体的P-CMOD曲线在荷载达到最大值之前荷载随着裂缝口张开位移的增大呈线性增长，没有表现出明显的塑性性能，且在荷载达到最大值后曲线迅速下降到零点，表现出明显的脆性性能；相比较而言，高韧性混凝土的P-CMOD曲线则显得更为丰满，在加载的初始阶段，荷载随着裂缝口张开位移的增大呈线性增长，随着荷载的增加，曲线的斜率逐渐变小，荷载-裂缝口张开位移曲线开始呈现出塑性增长，直至荷载达到最大值。这与基体在荷载达到峰值前的弹性增长明显不同。而且在峰值荷载后，随着裂缝口张开位移的增加，荷载缓慢下降，说明高韧性混凝土与基体相比，具有非常显著的裂缝控制能力，以至于峰值后的裂缝发展非常缓慢。

由P-CMOD曲线得到的基体和高韧性混凝土的起裂荷载、峰值荷载、峰值荷载对于裂缝口张开位移以及计算得到的名义起裂强度、名义峰值强度以及名义起裂强度和名义峰值强度的比值如表2所示。高韧性混凝土各项性能指标与基体各项性能指标的比值如表3所示。从表中数值可以看出，尽管初始缝高比不同，但是与基体相比，高韧性混凝土的起裂荷载提高了约4倍，峰值荷载提高了约5倍，峰值荷载对应的裂缝口张开位移提高了约50倍。试验结果说明与基体相比，高韧性混凝土抵抗由初始裂纹而导致破坏的能力明显增强，损伤容限特性显著提高。

表2　试验结果

表3　两种材料各项指标对比

试验得到的基体和高韧性混凝土的裂缝形式如图4和图5所示。试验中观测裂缝发展情况，可以发现基体试件在达到峰值荷载后裂缝迅速发展，试件沿初始裂缝向上迅速断开，出现单一裂缝破坏模式。高韧性混凝土在峰值荷载前，裂缝开始从初始裂缝位置向上逐渐扩展，随着荷载的增加，初始裂缝上方的裂缝逐渐从单一裂缝发展成多条裂缝，且裂缝宽度均较小，荷载持续增加。当荷载达到峰值荷载后，初始裂缝正上方的裂缝开始扩展，裂缝宽度逐渐增大，荷载缓慢下降，直至最后试件在初始裂缝的上方形成较大的破损裂缝，试件失效。直至试件丧失承载能力，高韧性混凝土的试件也没有出现完全断开，试件依靠裂缝面上的纤维连接仍然保持着一个单体（如图5所示）。这也充分体现了高韧性混凝土控制裂缝发展的能力以及抵抗由裂纹而导致破坏的能力。

4　结论

本文通过三点弯曲试验研究了高韧性混凝土的损伤容限特性。通过对本文的试验结果进行分析，可以得出以下结论：

（1）与基体相比，高韧性混凝土试件的荷载-裂缝口张开位移曲线更加丰满，峰值荷载前存在非线性变形阶段，荷载-裂缝口张开位移曲线下所包围的面积远远大于基体试件，说明高韧性混凝土的韧性性能显著提高，控制裂缝发展和扩展的能力明显增强。

（2）与基体相比，高韧性混凝土的起裂荷载提高了约4倍，峰值荷载提高了约5倍，峰值荷载对应的裂缝口张开位移提高了约50倍，说明与基体相比，高韧性混凝土抵抗由初始裂纹而导致破坏的能力明显增强，损伤容限特性显著提高。

（3）峰值荷载后基体出现单一裂缝的脆性断裂破坏，高韧性混凝土在存在初始裂缝的情况下，仍然产生多缝开裂，且能有效地控制裂缝的发展。因此，高韧性混凝土具有优秀的控制裂缝发展的能力以及抵抗由裂纹而导致破坏的能力。

［1］ 程念高.我国坝工建设的发展、展望和挑战［J］.大坝与安全，2001（2）：20-22.

［2］ 鲁一晖，孙志恒.水工混凝土建筑物的病害检测与修补技术进展［J］.中国水利水电科学研究院学报，2003，1（1）：70-74.

［3］ Kunieda M.and Rokugo K.Recent Progress on HPFRCC in Japan［J］.Journal of advanced concrete technology，2006，4（1）：19-33.

［4］ Lepech M D and Li V C.Durability and Long Term Performance of Engineered Cementitious Composites［J］.Restoration of buildings and monuments，2006，12（2）：119-132.

Damage Tolerance Characteristics Study of High Toughness Concrete

FU Bai-quan1，CAI Xiang-rong2
（1.Shenyang Urban Construction University，Shenyang 110167，China；2.Building Science Research Institute of Liaoning Province，Shenyang 110005，China）

In this paper，the damage tolerance characteristics of high toughness concrete are studied by three point bending test.The test results show that high toughness concrete has the ability to control the development of crack and the ability to resist the damage caused by cracks.Compared with the matrix，the initial cracking load of high toughness concrete increases about 4 times，and the peak load increases about 5 times，and the crack mouth opening displacement corresponding to the peak load increases about 50 times.The load-crack opening displacement curve of high toughness concrete specimen is more plentiful，and the failure mode is the ductile failure with multi-cracking characteristic.

High toughness concrete；Initial crack；Multi-cracking；Damage tolerance

U414.1+8

A

1673-6052（2016）03-0001-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.001

※辽宁省教育厅项目（L2014569）