模袋布加固混凝土梁的弯曲韧性试验

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

1 前 言

混凝土是一种抗拉强度低而脆性大的材料，混凝土结构随着使用时间的延长，会出现一些影响结构安全使用的裂缝[1]，在渠道衬砌应用方面更为严重。模袋混凝土结合了传统混凝土和模袋布柔性的优点，不仅改善了混凝土的力学性能，而且部分抑制了混凝土的裂缝发展。

模袋混凝土是将砂浆或自密实混凝土通过混凝土泵车充灌进土工织物做成的模袋，用作渠道衬砌和防渗等作用的一种全新施工技术[2]，最早应用于1969年竣工的加拿大多伦多航道试验工程中。我国于1985年引进该技术，并用于江苏无锡澄运河南闸段的施工，开启了我国模袋混凝土技术的应用先河[3]。模袋混凝土具有整体性好、耐久性好和地形适应性强等优点，服役寿命可达30余年而且免维修，并可以适应在水下铺设充灌施工[2,4]。但由于室外的模袋混凝土体积规模较大，对其进行室内的力学性能研究很难实现，所以目前国内外学者对模袋混凝土相关力学性能的理论研究还未见相关报道，更没有一种统一标准来评价其抗裂能力。

本实验通过在混凝土梁表面粘贴模袋布来形成简易的模袋混凝土梁，利用模袋布来约束混凝土裂缝的扩展，弥补混凝土抗拉强度低的缺点，提高混凝土梁的抗弯强度和韧性[15]。通过比较等强度条件下素混凝土梁和模袋布加固混凝土梁断裂前和断裂时的弯曲韧性，分析了在不同混凝土强度等级下模袋布对混凝土梁弯曲韧性的影响，研究了混凝土开裂各阶段模袋布对混凝土梁裂缝扩展控制能力，为提高模袋混凝土抗裂性提供实验和理论依据。

2 实 验

2.1 原材料

实验选用盾石牌P·O42.5型普通硅酸盐水泥，细度为4.2%，比表面积为348m2/kg，安定性合格；粉煤灰为II级，表观密度为2250kg/m3；细骨料为取自陕西渭河的河沙，表观密度为2627kg/m3，含泥量为1.76%，细度模数Mx为2.76，属于中砂；粗骨料采用渭河卵石，粒径为5～20mm，表观密度为2650kg/m3，具有良好的连续级配；减水剂为HS-GJS聚羧酸高性能减水剂，引气剂为HS-YQ引气减水剂；模袋布面密度为300g/m2，厚度为0.5mm，经向断裂强力为77.9kN/m，纬向断裂强力为53.6kN/m，弹性模量为3850MPa。

2.2 实验设计

实验共设计6组，试件尺寸均为b×h×L=150×150×550mm，跨度为450mm，每一组试验梁共成型6根，剪跨均为150mm，其中3根是素混凝土对比梁，实验结果取测试的平均值。模袋布均粘贴在混凝土梁的受拉和受压面，模袋布尺寸为：150×550×0.5mm(见图1)。实验混凝土设计强度等级分为六级：C15、C20、C25、C30、C35、C40，固定粗骨料体积分数为0.33，砂率为50%，粉煤灰掺量为胶凝材料总质量的20%，通过调整减水剂用量保证混凝土拌合物和易性良好，坍落度为220～260mm，扩展度为520～560mm，调整引气剂的掺量以保证含气量达到5.5%～6.5%。为增强试验评估的合理性，在模袋布加固混凝土梁试验之前，首先进行自密实混凝土(150×150×150mm)立方试件的28d抗压强度试验，试验配合比见表1。

图1 试件尺寸图Fig.1 Details of test beams (a) side view; (b) top view

NumberWater-binder ratioWaterCementFly ash dosageStoneSandPolycarboxylic acidAir content/%Compressive strength/MPaC150.65 17021053874.5874.51.58 6.319.89 C200.56 16824060874.5874.51.80 624.01 C250.49 16527068874.5874.52.03 5.629.02 C300.43 16330075874.5874.52.25 5.934.69 C350.38 16034085874.5874.52.55 5.839.07 C400.34 15837694874.5874.52.82 644.65

实验前梁底面模袋布上贴3片应变片，用以测量模袋布的应变；在“纯弯段”内梁侧面贴3片应变片，用以测量混凝土的应变；在梁跨中安装百分表，用以测量梁跨中的位移。具体位置见图1，目测观察梁上裂缝的分布和开展情况。

实验测量的主要内容有：荷载位移曲线、模袋布和混凝土梁侧面的应变、裂缝情况。

2.3 实验过程

所有试验梁均为简支，梁的净跨为450mm，加载方式为三分点两点对称加载法。为了确定预先施加荷载的大小，1根对比梁用来确定极限荷载。所有试验梁均采用分级加载制度，由于混凝土抗拉强度较低，在达到达极限荷载以前加载速率应尽量小[6]。采用DH3818静态应变仪采集应变，跨中挠度由百分表测量。在每一级载荷下，采集模袋布以及混凝土梁侧面的应变数值，并记录每级载荷下的跨中位移。

3 结果及分析

3.1 裂缝及破坏形态

实验中，试验梁加载至破坏时，素混凝土梁和模袋混凝土梁均出现弯曲裂缝，破坏时只有一条“可见”裂缝且出现在试验梁的纯弯曲线段，素混凝土梁破坏时伴有较响的破坏声，裂缝从上至下贯穿整个试验梁；与素混凝土梁相比，模袋混凝土梁破坏表现为混凝土梁底部出现一条微细短裂缝，裂缝没有贯穿试验梁，混凝土与模袋布之间的剥离现象未发生，说明模袋布对试验梁裂缝的展开起到了很好的约束作用，并降低了混凝土的脆性，表现出延性破坏特征，见图2。从图可见，试验梁破坏表现形式为破坏面整齐、无压碎痕迹，这主要由混凝土抗拉强度较低，破坏时由于达到混凝土极限拉应变而产生的，破坏很突然，从模袋混凝土梁的侧面和断面处观察,模袋布与普通混凝土粘结试件未发现沿界面滑移的现象[6-8]。

图2 梁裂缝及破坏形貌图(a) 梁裂缝对比图; (b) 模袋混凝土梁裂缝破坏形貌图Fig.2 Crack and breakage patterns of beam (a) Comparison of cracks of beam； (b) Crack and breakage patterns of mould-bag beam

3.2 跨中挠度

试验梁跨中挠度与荷载之间的关系曲线如图3所示。与素混凝土梁相比，同强度的模袋混凝土梁在同一荷载作用下的位移均有所降低，表明模袋布可以有效地约束混凝土梁的变形并提高梁的抗弯强度。从图可见，在加载初期，同强度的模袋混凝土和素混凝土试验梁的荷载-挠度曲线差别很小，此时模袋布还未发挥明显的作用。随着荷载的增加，由于模袋布的约束作用，模袋混凝土梁的跨中挠度发展明显比素混凝土梁的慢。破坏时，模袋混凝土梁和素混凝土梁的跨中位移即跨中挠度相差很小，可见模袋布可以降低混凝土梁的挠度，并改善梁的整体性。此外，比较不同强度混凝土梁，发现在模袋布加固量相同的条件下，模袋混凝土梁挠度增长速率随混凝土强度等级的提高而有减小的趋势[9-12]。

3.3 跨中截面应变分布

图4示出了不同强度等级的模袋混凝土梁跨中纯弯段截面各个测点在不同荷载条件下的平均应变分布。所有试验梁的应变数据通过DH3816静态应变仪采集，具体测点布置如图1所示。从图4可看出当荷载较小时，梁的中和轴在截面中部附近，随着荷载的增大，中和轴逐步向受压区移动。 本次试验在各受力阶段跨中截面上的平均应变分布可采用平截面假定[13-15]。

3.4 粘结强度

粘结强度由抗剪粘结强度和抗拉粘结强度组成[15]，本试验中模袋布与混凝土的粘结界面主要考虑承受面内应力作用，故本文研究抗剪强度，且着重研究混凝土梁断裂前粘结强度的变化。试验中由模袋布表面的应变片监测模袋布的应变，根据模袋布底面从左至右3个毗邻应变片测点i、j和k得到的应变值εi、εj和εk，再采用公式(1)分别计算出3个测点间的剪切强度τij、τjk，取其平均值得平均剪切强度τu，本试验由平均剪切强度来表征粘结应力。

(1)

式中，tp，Ep和lij分别表示模袋布的厚度，弹性模量和两测点应变片的中心间距[16]。

图5为粘结应力随混凝土强度等级变化的规律。从图可见，当荷载较小时，不同强度等级混凝土试件的模袋布与混凝土之间的粘结应力基本相等；随着荷载的增加，试件纵向粘贴的模袋布上应变的增长梯度随着混凝土强度等级增大而增大，即粘结应力随之增大。以C15强度的混凝土试件粘结强度峰值为基准，C20、C25、C30、C35和C40强度的混凝土试件粘结应力

图3 试验梁荷载-挠度曲线图(a) C15； (b) C20； (c) C25； (d) C30； (e) C35； (f) C40Fig.3 Load-deflection curves of test beam (a) C15; (b) C20; (c) C25; (d) C40; (e) C35;(f) C40

图4 试验梁跨中截面应变分布图(a) C15； (b) C20； (c) C25； (d) C30； (e) C35； (f) C40Fig.4 Strain distribution over the cross section of test beam (a) C15; (b) C20; (c) C25; (d) C40; (e) C35;(f) C40

图5 模袋混凝土梁的荷载-粘结应力曲线图Fig.5 Load-bond stress curves

峰值分别是C15强度的1.31倍、1.81倍、2.16倍、2.39倍和2.77倍，即粘结应力随着混凝土强度等级的提高而增大，但粘结应力在混凝土梁断裂时较小。这是因为：混凝土属于脆性材料，其抗拉强度较小，混凝土梁破坏时的产生的剪力不足以使模袋布与混凝土剥离，所以本试验测出的粘结强度较小。

模袋布与混凝土之间的粘结机理初步阐述如下：当荷载较小时，模袋布通过与混凝土自身的范德华力和机械咬合力粘结一起，变形一致；随着荷载的增加，粘结应力逐渐增大，混凝土中拉应力也不断增长；当内部应力将达到混凝土的抗拉强度时，局部混凝土浅层由于内部结构的不均匀而在薄弱处被拉裂，在该位置处首先出现裂缝，混凝土试件发生脆性破坏，同时模袋布与混凝土梁的粘结界面破坏，但模袋布并未剥离[17]。

4 弯曲韧性

4.1 以德国纤维混凝土标准(DBV1998)为基础的弯曲韧性评价方法

借鉴德国纤维混凝土标准(DBV1998)中等效抗弯强度和变形能的概念，以等效抗弯强度feq为指标，分析素混凝土梁和模袋混凝土梁的弯曲韧性[18]，通过对比评价其抗裂能力。

混凝土梁所吸收的能量D(N·mm)为：

(2)

抗弯强度f(MPa)为：

f=Mw/W=FuL/bh2

(3)

式中，Fu为梁跨中挠度在0.1mm范围内的最大承载力(kN)，L、b、h分别为梁跨度(mm)、梁截面宽度(mm)和高度(mm)。

相应于δ0处的等效抗弯强度feq按下式计算：

(4)

式中：feq为跨中挠度为δ0时的等效抗弯强度(MPa)，δ0为与Fu相应的变形(mm)，D0为当跨中挠度为δ0时模袋布对混凝土梁所贡献的能量吸收值。

测得的不同强度等级试验混凝土梁的荷载-挠度曲线如图3所示。利用式(2)～(4)计算得到相关参数的结果列于表2。

从表可知：当跨中挠度为0.1mm时，同等强度下，模袋混凝土梁的承载力、抗弯强度和能量吸收值较素混凝土梁都有一定幅度的提高。其中，模袋混凝土梁的承载力和抗弯强度约是素混凝土梁的1.11倍，而能量吸收值约是1.17倍，等效抗弯强度为正值。可见，模袋布对混凝土梁的承载力和弯曲韧性的提高是有利的，模袋布可以降低混凝土的脆性。 这是因为模袋布的纤维材料能够承受部分外力荷载，而且还会阻止混凝土内部一些微裂缝的产生，使混凝土梁断裂时裂缝细小，并提高混凝土抵抗变形的能力，较素混凝土梁，表现出延性破坏特征[19]。

从表2还可见，随着混凝土强度的提高，不论是模袋混凝土梁还是素混凝土梁，其承载力和抗弯强度均有显著提高，而模袋布对混凝土梁承载力和抗弯强度的提高幅度与混凝土强度等级呈现波动的曲线关系，当混凝土强度等级≤C30时，极限承载力和抗弯强度的提高幅度约在17%；当混凝土强度等级>C30时，极限承载力和抗弯强度的提高幅度约在11%，虽然模袋布对梁的承载力和抗弯强度的提高幅度有减小的趋势，但总体上变化规律保持稳定。

表2 混凝土梁的韧性计算结果Table 2 Results of the tough evaluation of the clotting beam

随着混凝土强度的提高，混凝土梁吸收能量值总体均有显著提高，而模袋布能量吸收值和等效抗弯强度则先增加后减小。过低的混凝土强度等级下模袋布对模袋布能量吸收值和等效抗弯强度都不利，在DBV 1998标准下，当混凝土强度等级为C30时，模袋混凝土梁的能量吸收值和等效抗弯强度比较理想，此时模袋布对混凝土梁弯曲韧性提高最有利，对混凝土抗裂性的提高也最强。

虽然DBV标准能够通过确定0.1mm范围内的荷载最大值，避免了确定裂缝的产生时对应的跨中位移，但无法评价混凝土试验梁断裂时全过程的弯曲韧性，不能系统和全面反映模袋布对混凝土抗裂能力的影响。

4.2 模袋混凝土全过程弯曲韧性评价方法

模袋布对混凝土弯曲韧性的改善与混凝土受力的全过程有一定关系，因此，在现有弯曲韧性评价方法的基础上，通过对比试验，采用等效抗弯强度提高幅度评价模袋混凝土的弯曲韧性。

feq为混凝土梁等效初始弯曲强度(MPa)，计算公式为：

(5)

式中：Dp为峰值挠度δp前荷载-挠度曲线下的面积(N·mm)，可利用式(2)求得。不同强度等级试验混凝土梁的荷载-挠度曲线见图3。利用式(2)～(5)计算相关参数的结果列于表3。

表3 凝土梁弯曲韧性计算结果Table 3 Results of the tough evaluation of the clotting beam

注：Fp表示极限承载力；ftm表示等效初始弯曲强度

从表3可知：与素混凝土梁相比，同等强度下模袋混凝土梁的极限承载力、抗弯强度约是素混凝土梁的1.1倍，等效抗弯强度提高了约18.4%，能量吸收值的提高幅度约是16.48%。可见，模袋布在一定程度上可以提高混凝土梁的极限承载力，对弯曲韧性的提高有影响并可以提高混凝土的抗裂能力。

从表还可见，随着混凝土强度的提高，模袋混凝土梁极限承载力的增益比基本不变，但提高幅度逐渐减小，说明模袋布对混凝土梁极限承载力提高有减弱的趋势，即模袋布对混凝土梁极限承载力的提高帮助不大。

模袋混凝土梁的能量吸收值和等效抗弯强度与混凝土强度等级呈现递增关系，而梁的能量吸收值提高幅度、等效抗弯强度的提高幅度与混凝土强度呈波动的曲线关系。当混凝土强度等级为C35时，模袋混凝土梁的梁断裂能量吸收值提高幅度和等效抗弯强度的提高幅度能维持较高的水平。这是由于随着混凝土强度的提高，模袋布改善混凝土脆性的作用逐渐体现出来，弯曲韧性逐渐增强，对混凝土抗裂性能力的提高更为明显。

与之前方法相比，该弯曲韧性评价方法不仅避开了确定初裂点的困难，而且更能真实地反映模袋混凝土试验梁全过程的弯曲韧性水平，满足实际工程结构计算的需要。该方法能够全面地评价模袋布对混凝土抗裂能力的影响。

5 结 论

素混凝土梁的裂缝贯通整个试验梁，试验梁破坏过程中出现较大的响声，模袋混凝土梁的裂缝窄而短且未贯通整个试验梁，破坏过程未出现较大的响声，模袋布对混凝土裂缝的发展有抑制作用。

与素混凝土梁相比，粘贴模袋布材料后，梁的极限荷载承载力有略微的提高，约是素混凝土梁的1.1倍，梁的极限承载力随着混凝土强度等级的增加而增大，且基本成线性比例。相同荷载下模袋混凝土梁的挠度均小于素混凝土梁，这说明模袋布约束了梁的变形并提高了梁的抗弯刚度。

实验所测出的粘结强度较小，仅能代表模袋布与混凝土粘结界面的粘结强度，粘结强度与混凝土强度等级呈单调递增的趋势。

与素混凝土梁相比，模袋布能明显提高混凝土的弯曲韧性，采用第二种弯曲韧性计算方法时，提高幅度约在18%左右，这表明模袋布材料提高混凝土构件抗裂能力的方法是有效的，且弯曲韧性与混凝土强度等级呈波动的起伏关系。