ECC管混凝土短柱轴心受压试验研究

赵英驰，冯锦鹏，吴祥均

（重庆大学 土木工程学院，重庆 400045）

0 引言

混凝土是目前世界上应用最广泛的建筑材料。在实际工程应用中，混凝土主要存在以下不足：一是在外部荷载作用下的脆性破坏。混凝土的抗拉强度较低，当受到拉应力作用时极易发生脆性破坏，如剥落、破碎等；二是混凝土的耐久性问题，如混凝土收缩、化学侵蚀以及热效应等环境因素所引起的耐久性问题；三是混凝土表面不断扩展的裂缝也会极大地影响结构的耐久性，缩短结构的服役寿命。

近年来，以ECC（Engineering Cementitious Composites）为代表的纤维增强水泥基复合材料引起了国内外广泛关注。与普通混凝土、钢纤维混凝土以及高性能混凝土相比，其在延性、韧性、耐久性和抗疲劳性能等方面都有大幅度的提高和改善。在美国、日本和欧洲等国家及地区，ECC已经开始大量应用于边坡加固、桥面修复、桥梁连接板及高层建筑连梁等领域。在国内，ECC的研究还主要集中在实验室条件下的材料性能研究，相应的实际工程应用案例还较少[1]。因此，有待展开大量的研究工作推动ECC材料的发展，推广ECC材料的工程应用。

基于以上工程背景，提出了ECC预制管柱内浇混凝土芯的新型构件，并对其轴心受压性能展开研究。分别对素混凝土构件、ECC管混凝土组合构件开展轴心受压试验，对比其应力应变曲线，发现由于ECC管对内部混凝土的约束作用，使得组合构件的轴心抗压承载力、变形能力，较素混凝土构件均有提高，脆性得到改善；另一方面，ECC管可作为模板，提高了构件的施工效率。既满足了结构耐久性的需求，又响应了国家提高建筑装配率的号召。

1 实验

1.1 试件设计

采用的纤维增强材料为基于国产PVA纤维制作，并按照一定的配比制成的ECC（高延性纤维增强水泥基复合材料），该复合材料抗压强度与普通混凝土相差不多，但其抗拉性能与普通混凝土相比有显著提升[2]。

（1）与普通混凝土相比，ECC抗压试验的应力应变曲线在达到极限荷载之后，没有迅速破坏并呈现脆性破坏的形态，而是呈塑性破坏。

（2）ECC的极限拉应变显著高于普通混凝土的抗拉强度，约为普通混凝土极限拉应变的300%～800%，在拉伸作用下，在其初始裂缝出现之后，没有出现裂缝集中扩展或者承载力降低，而是表现出类似金属的应变-硬化现象，不断地出现新的微裂缝，呈“多缝开裂”现象[3]。

（3）在弯曲荷载作用下，ECC同样展现极大的变形能力，弯拉强度可达到12～18MPa，约为普通混凝土的3～5倍。

该次试验短柱的试件信息如表1所示。

1.2 试件制作

1.2.1 材料特性

混凝土为325号普通硅酸盐水泥，最大粒径为20mm碎石，中砂，每立方米质量配合比为水:水泥:砂:碎石=0.38:1:1.11:2.72。 制成ECC标准立方体试件（150mm×150mm×150mm）以及标准抗拉试件，得到立方体抗压强度平均值为21.27MPa。

ECC为水泥∶粉煤灰∶石英砂∶硅灰:水∶聚羧酸减水剂∶石灰石粉∶PVA纤维=1∶1∶0.834∶0.186∶0.545∶0.045∶0.186∶0.040。 制成ECC标准立方体试件（70.7mm×70.7mm×70.7mm）以及标准抗拉试件，得到立方体抗压强度平均值为71.62MPa，抗拉强度为7.04MPa。

1.2.2 混凝土短柱及组合短柱的制作

使用标准混凝土模具（D×h=150×300）浇筑出6个标准混凝土短柱。脱模后将其中3个取出固定就位，在外围支模板后，浇筑ECC。标准养护28d后进行试验。

1.3 加载与测量方案

将试验构件直接放置在5000kN液压试验机上，安装好位移计等仪表，并对试件进行几何对中，待准备工作完成之后即可进行轴压试验。加载时，对素混凝土短柱全截面施压，对ECC管混凝土组合短柱全截面施压。

试验时，根据预计破坏荷载进行分级加载。采用分级加载：在达到预计极限荷载Nu的75%之前，按每级荷载增加0.2Nu进行；当荷载达到预计极限荷载Nu的75%之后，按每级荷载增加0.1Nu进行。当荷载达到最大（极限值）时，试验机上的压力表开始回落，继续加载直到试件破坏。在加载过程中，位移计记录轴向位移，压力表记录承载力。

试验分别对3个素混凝土短柱、3个ECC管混凝土组合短柱进行平行对照试验，得到6个试件的位移-荷载曲线。

表1 试验试件基本参数

2 试验现象与结果

2.1 实验现象描述

2.1.1 素混凝土短柱

加载初期，试件的轴向变形基本随着荷载的增长而增大，呈线性增长，试件处在弹性工作阶段，短柱外观无明显变化；当荷载达到极限荷载之后，试件突然破坏，破坏模式为短柱剪切破坏，呈现出明显的脆性，如图1所示。

2.1.2 ECC管混凝土组合短柱

图1 素混凝土构件破坏

图2 组合短柱构件破坏

ECC管混凝土组合短柱在加载初期处于弹性工作阶段，短柱外观无变化。随着荷载的增加，试件外围ECC开始出现裂缝，且不断有新的裂缝出露。与素混凝土构件“一裂即坏”不同的是，组合构件裂缝呈现 “多缝开裂”。但荷载接近极限荷载时，ECC外管开始形成剪切主裂缝 （即出现45O斜裂缝），并可听见混凝土内芯发出“咔咔咔”响声。破坏模式为短柱剪切破坏，较素混凝土构件而言，组合构件脆性得到明显改善，并展现出一定延性，如图2所示。

2.2 应力应变分析

2.2.1 素混凝土短柱

试验中分别对三个素混凝土短柱开展轴心受压试验，得到试件对应的位移-荷载数据。试件的应力应变曲线，分别如图3、图4、图5所示。

由3个试件的应力应变曲线可得：

根据数据分析得到σ=18.08MPa，ε=0.001959。由圆柱体抗压强度f'c'和立方体抗压强度标准值fcu，k之间的关系可按式（1）计算[4]。

图3 素混凝土短柱3-应力应变曲线

图4 素混凝土短柱3-应力应变曲线

图5 素混凝土短柱3-应力应变曲线

图6 ECC管组合短柱1-应力应变曲线

图7 ECC管组合短柱2-应力应变曲线

图8 ECC管组合短柱3-应力应变曲线

2.2.2 ECC-管混凝土组合短柱

试验中分别对三个ECC管混凝土组合短柱进行轴心受压试验，试验时仅对试件的混凝土内芯施加荷载。得到试件对应的位移-荷载数据。试件的应力应变曲线，分别如图6—图8所示。

由3个试件的应力应变曲线可得：

数据处理得 σ=22.31MPa，ε=0.002074。由圆柱体抗压强度f'c和立方体抗压强度标准值fcu，k之间的关系可按式（2）计算[4]。

3 试验分析

3.1 基本理论

3.1.1 钢管混凝土基本理论

基于钢管混凝土的理论——钢管混凝土就是将混凝土填入钢管内，由钢管对核心混凝土施加套箍作用的一种约束混凝土。在钢管混凝土中，混凝土处在三向受压的状态，一方面钢管对于混凝土的套箍作用，不仅使混凝土的抗压强度提高，而且使得混凝土由脆性材料转变为延性材料。另一方面，钢管内部的混凝土提高了薄壁钢管的局部稳定性，使得钢管屈服强度可以得到利用。因此，两种材料能相互弥补对方的弱点。

3.1.2 ECC管混凝土的基本理论

而ECC管混凝土同样具有类似的特点——ECC管混凝土是一种由高延性水泥基增强材料制成的ECC管代替钢管，将混凝土填入其中，有ECC管对核心混凝土施加套箍作用的一种约束混凝土。在ECC管混凝土中，混凝土也处于三向受压状态。ECC管对于混凝土的套箍作用，不仅可以使得混凝土抗压强度提高以及由脆性材料转变为延性材料，还可以充分发挥ECC的“多缝开裂”的特性。尤其与钢管混凝土以及FRP管混凝土相比，其具有良好的耐腐蚀性，可以很好地运用于跨海大桥或者沿海城市的桥墩当中。同时ECC具有自愈合[5]的性质，其产生的裂缝可以经过一定时间自行愈合，这对于实际工程具有十分重要的作用与影响。

3.2 承载力简化计算公式

3.2.1 承载力简化公式

ECC管混凝土组合主要依靠核心混凝土以及纵向钢筋承担轴力，假定受压时，各部分同时工作，则ECC管混凝土短柱简化公式如下：

式中：fcc为约束混凝土抗压强度；A为混凝土内芯的截面积；f’y为钢筋的屈服强度；A’s为受压钢筋的总面积；A’e为ECC管的面积；fcc为约束混凝土的抗压强度；σ’e为ECC管的压应力；Eecc为ECC的弹性模量；εcc为约束混凝土的峰值压应变。

根据公式理论计算得N=559.86kN。

3.2.1 约束混凝土的极限抗压强度及极限压应变

目前为止，约束混凝土极限强度和极限应变应用最广泛的是Richart etal.关系式和Mander etal.关系式。

式中，k1、k2和约束形式有关；纤维约束力抗拉强度；te为ECC管厚度15mm；D为试件直径180mm；fcc和εcc为约束混凝土的强度和峰值应变；fco和εco为无约束混凝土的强度和峰值应变。根据本文的试验数据对系数k1、k2回归，结果如下：

取fe为ECC抗拉强度7.04MPa，te=15mm，D=180mm，得到f1=(2fete)/D=1.17333MPa。

3.2.3 尺寸效应

由于组合构件存在尺寸效应现象，参考钢管混凝土短柱轴压承载力尺寸效应[6]选用的尺寸效应系数γu=kD-cr对混凝土轴心抗压强度进行修正，其中r和k为待定常数，通过实验数据和回归计算[6]，结果为

式中：DC为圆柱体混凝土试件的直径。经过尺寸修正后的约束混凝土抗压强度为γufcc，fcc可以由（3）式得到。

3.2.4 公式验证

将式（3）、式（4）带入式（1），即可计算出该组合短柱的承载力，计算结果NU为567.70kN，理论值N为559.86kN，比值NU/N平均值为1.014，方差为0.0004917，标准差0.0221。总体来说，本文计算结果与实测结果吻合好，计算过程和计算方法简单明了。

4 结论

（1）ECC管混凝土无配筋组合短柱的破坏属于强度破坏，极限承载力以ECC管多缝开裂后断裂为标志；承载力和延性得到增强，且该组合构件存在尺寸效应现象。

（2）ECC管混凝土组合构件组应力应变曲线下降段，较素混凝土构件组更为平缓。结合ECC自身特点，提出的ECC-管混凝土组合形式的构件，可以改善混凝土自身易开裂、易脆断、易腐蚀等缺点，建议推广。

（3）ECC管混凝土无配筋组合短柱的荷载-应变曲线在极限荷载前分为弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段，达到极限荷载之后，缓慢下降，延性得到很大的体现。

（4）提出了该组合短柱构件的轴压承载力计算公式，约束混凝土强度和峰值应变的回归公式，并且给出了尺寸修正系数，经过验算计算结果令人满意。