姜海波，黃承旺，馮家輝，王添龍，李培森

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.東莞市路橋投資建設(shè)有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引言

活性粉末混凝土材料(reactive powder concrete,RPC)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型水泥基復(fù)合材料，其具有抗壓抗拉強(qiáng)度高、韌性好、耐久性好等優(yōu)良特性[1-4]。其配置原理一般是添加高效減水劑從而采用較低的水膠比，通過剔除粗骨料來減小內(nèi)部裂隙，利用“最緊密堆積理論”來制成，并通過摻入鋼纖維來改善混凝土的延性和韌性[5]。

預(yù)制節(jié)段RPC干接縫橋梁緊密結(jié)合著現(xiàn)代施工工藝，迎合了未來環(huán)境友好型建設(shè)的需求，且RPC材料具有減輕結(jié)構(gòu)自重、增大橋梁跨度和提高結(jié)構(gòu)耐久性的優(yōu)勢，RPC作為橋梁上部結(jié)構(gòu)的主要材料在預(yù)制節(jié)段混凝土橋梁中具有很大的應(yīng)用空間[6-8]。1997年，加拿大建成世界上第一座RPC人行天橋[9]?？肆_地亞在巴卡爾海峽建成跨徑達(dá)462 m的RPC預(yù)制拱橋[10]。世界各國均開始將RPC材料運(yùn)用到本國的橋梁建設(shè)工程。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2020年止，世界各國已建成主要或部分材料為RPC的橋梁達(dá)40余座，此外還有大量擬建的RPC橋梁[11]。

與整體現(xiàn)澆橋梁相比，由于采用的施工工藝不同，預(yù)制節(jié)段橋梁在節(jié)段連接處的干接縫區(qū)域不連續(xù)，縱向構(gòu)造鋼筋也斷開，僅依靠剪力鍵傳遞剪力，所以干接縫作為預(yù)制節(jié)段RPC梁的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)，直接影響整橋的受力性能。自20世紀(jì)50年代以來，預(yù)制節(jié)段混凝土橋梁干接縫的直剪性能備受關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者如王建超[12]、李國平[13]、陳黎[14]、Turmo[15]、Ghafur H. Ahmed[16]、Yuan A[17]、Moustafa[18]、 Jiang[19]等已經(jīng)對預(yù)制節(jié)段混凝土橋梁干接縫和膠接縫的直剪性能進(jìn)行了研究，試驗參數(shù)包括混凝土類型、接縫類型、正應(yīng)力大小、鍵齒尺寸構(gòu)造、鍵齒數(shù)量以及是否摻入纖維等。這些試驗結(jié)果表明：膠接縫發(fā)生脆性破壞，其直剪承載力與現(xiàn)澆接縫相當(dāng)；同等條件下，單鍵齒和多鍵齒干接縫的直剪強(qiáng)度均要低于膠接縫。此外，Kim[20]、孫莉[21]、Shamass[22]、王建超[12]等人還建立了有限元數(shù)值模型來研究鍵齒數(shù)量、水平正應(yīng)力、接縫類型等參數(shù)在剪切荷載作用下對鍵齒接縫的直剪性能的影響，并且根據(jù)數(shù)據(jù)得出關(guān)于鍵齒接縫的剪切行為和應(yīng)力分布的結(jié)論。Alcalde[23]等人為研究接縫的直剪性能和破壞機(jī)理，對多鍵齒干接縫進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值分析結(jié)果表明：接縫截面?zhèn)鬟f的平均剪切應(yīng)力隨著齒鍵數(shù)目的增加而減小，但是隨著水平正應(yīng)力的增加，齒鍵數(shù)目對平均剪應(yīng)力的影響減小[23]。

RPC材料的各項優(yōu)異性能均符合現(xiàn)代橋梁輕質(zhì)、高強(qiáng)、模塊化施工方向發(fā)展的需求。目前，國內(nèi)外關(guān)于預(yù)制節(jié)段RPC梁干接縫直剪性能的研究較少，其直剪強(qiáng)度和破壞機(jī)理仍不完全明確，非常有必要對活性粉末混凝土干接縫試件進(jìn)行直剪性能試驗研究，探討其接縫的破壞機(jī)理及承載力計算方法，為實際工程的理論設(shè)計和相關(guān)規(guī)范的建立提供數(shù)據(jù)支持。在本試驗中，研究了鋼纖維類型、鍵齒數(shù)量、混凝土強(qiáng)度以及水平正應(yīng)力對預(yù)制節(jié)段RPC梁干接縫試件的直剪性能的影響。試驗結(jié)果將豐富研究預(yù)制節(jié)段活性粉末混凝土干接縫的直剪性能的數(shù)據(jù)庫，并用于驗證和完善相關(guān)的規(guī)范。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計及試驗參數(shù)

為了研究預(yù)制節(jié)段RPC梁干接縫的直剪性能和破壞機(jī)理，本試驗設(shè)計了“Z”型推出試件和用于對照的整體式試件。為了防止試件的其他部位在豎向荷載作用下先于接縫發(fā)生破壞，在試件的周圍配置構(gòu)造鋼筋以增強(qiáng)其承載能力。所有試件的厚度均為100 mm，試件具體尺寸和配筋圖如圖1所示。

圖1 試件尺寸和配筋圖(單位：mm)Fig.1 Specimen dimensions and reinforcements(unit：mm)

本試驗以鍵齒數(shù)量、水平正應(yīng)力和鋼纖維類型為參數(shù)，對20個試件進(jìn)行直剪試驗。為便于表述對試件按照下列方法進(jìn)行統(tǒng)一編號：整體式表示為M0，單鍵齒表示為K1，RPC混凝土抗壓強(qiáng)度110 MPa 表示為U110，鋼纖維抗拉強(qiáng)度為2 850 MPa表示為2 850。例如三鍵齒(K3)、混凝土抗壓強(qiáng)度110 MPa(U110)、鋼纖維抗拉強(qiáng)度為2 000 MPa(2 000)、水平正應(yīng)力為1.0 MPa的試件編號表示為K3-U110-2000-1.0。各試件參數(shù)編號匯總?cè)绫?所示。

表1 試件試驗參數(shù)匯總表Tab.1 Summary of experimental parameters

1.2 混凝土材料配合比與力學(xué)性能

此次澆注的混凝土材料設(shè)計立方體抗壓強(qiáng)度為110 MPa，采用P.O 52.5級硅酸鹽水泥、端鉤形鋼纖維，水膠比為0.22，細(xì)沙的最大粒徑為2.36 mm。試件采用的構(gòu)造鋼筋為HRB400螺紋鋼筋，彈性模量為200 GPa。材料設(shè)計配合比具體如表2所示。

表2 混凝土設(shè)計配合比Tab 2 Mix proportions of concrete

對于整體式試件采用一次澆注成形，對于鍵齒型試件分兩次澆注，即先澆注陰鍵齒，待其強(qiáng)度達(dá)到拆模要求后拆模，然后以陰鍵齒為模板澆注陽鍵齒。每一車都留出部分混凝土材料來制作立方體和圓柱體。[24]所有試件在相同環(huán)境下均澆水并覆膜養(yǎng)護(hù)7 d，之后在常溫下覆膜養(yǎng)護(hù)至28 d(如圖2所示)。材料力學(xué)性能如表3所示。

圖2 試件澆注與養(yǎng)護(hù)圖Fig.2 Casting and curing of specimens

表3 材料力學(xué)性能Tab 3 Mechanical properties of material

1.3 試驗設(shè)備與加載方案

如圖3所示：(1)豎向裝置：由電液伺服壓力試驗機(jī)提供豎向荷載。為了避免在豎向荷載作用下加載面出現(xiàn)受力不均勻的現(xiàn)象，在試件頂端和底端與試驗機(jī)接觸的部分分別放置一塊帶有四氟乙烯薄片的鋼板，并在頂端放置球鉸。豎向位移計分別布置在試件的A1，A2處。橫向位移計布置在試件的A3處[25]。(2)水平裝置：由電動油泵和千斤頂提供水平荷載來模擬實橋節(jié)段間的預(yù)應(yīng)力作用，在千斤頂頂盤上的傳感器連接測力顯示器，用以控制水平荷載的大小[26-27]。在試件一側(cè)安放一塊貼有四氟乙烯薄片的鋼板，另一側(cè)放置防滑鉸鏈，用來減小試件與裝置間的豎向摩擦。針對各類型試件所需施加水平荷載的面積，可以通過更換不同尺寸的鋼板來調(diào)整。(3)數(shù)據(jù)采集裝置：所有數(shù)據(jù)使用DH-3816靜態(tài)采集儀進(jìn)行單次手動采集。(4)采用位移控制的方式按0.2 mm/min的速率逐級加載，每級恒載3 min 后采集數(shù)據(jù)并觀測記錄試件裂縫。(5) 待到試件發(fā)生破壞或鍵齒失去作用且A1和A2兩處的位移平均值達(dá)到7 mm以上時停止加載。

圖3 試驗裝置和儀器布置圖Fig.3 Test setup and instrumentation

2 試驗現(xiàn)象、結(jié)果與分析

將試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 試驗數(shù)據(jù)匯總Tab.4 Summary of experimental data

2.1 RPC干接縫裂縫發(fā)展情況

2.1.1整體式

以M0-U110-2850-2.0為例。如圖4所示，當(dāng)豎向荷載達(dá)到343.1 kN時，約為極限荷載的62.5%，在試件的剪切區(qū)域的上部出現(xiàn)一條與水平方向呈70°的斜向下裂縫。當(dāng)豎向荷載繼續(xù)增大到516.3 kN的時候，試件的剪切區(qū)域出現(xiàn)大量自上而下的與水平方向呈70°左右的斜裂縫，且小裂縫有匯合成大裂縫的趨勢。當(dāng)荷載繼續(xù)加大到548.9 kN時，試件出現(xiàn)一條貫穿剪切區(qū)的大裂縫，構(gòu)件的混凝土大范圍開裂。試件開裂破壞時可觀測到大多數(shù)鋼纖維是被拔出，只有少量鋼纖維被拉斷破壞。

圖4 整體式試件裂縫發(fā)展Fig.4 Crack propagation of integral specimen

2.1.2單鍵齒

以K1-U110-2000-2.0為例。如圖5所示，當(dāng)豎向荷載達(dá)到179.2 kN時，約為極限荷載的60.4%，陽鍵齒根部與水平方向大約呈60°處出現(xiàn)一條斜向上的裂縫。當(dāng)荷載的繼續(xù)增大到257.2 kN時，陽鍵齒接縫處出現(xiàn)多條豎向小裂縫，并且多條小裂縫有匯合成一條大裂縫的趨勢。當(dāng)荷載達(dá)到296.6 kN時，接縫處出現(xiàn)一條貫穿鍵齒根部的豎向大裂縫。此時剪切面處的鋼纖維變形嚴(yán)重，縱橫交錯的鋼纖維摩阻作用繼續(xù)提供試件的殘余承載力。

圖5 單鍵齒試件裂縫發(fā)展圖Fig.5 Crack propagation of single-keyed specimen

2.1.3三鍵齒

以K3-U110-2000-1.0為例，如圖6所示，自上而下按順序把鍵齒編號為1，2，3。當(dāng)豎向荷載達(dá)到272.7 kN時，約為極限荷載的56.6%時，1號陽鍵齒處出現(xiàn)一條自上而下的裂縫。當(dāng)荷載達(dá)到403.6 kN時，大量的豎向斜裂縫出現(xiàn)在1號和3號處，2號相對較少。由于構(gòu)件是按照1，3，2號鍵齒的順序依次破壞，所以當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載525.7 kN 時，構(gòu)件的承載力開始呈現(xiàn)階梯狀下降。當(dāng)所有鍵齒均破壞后，由于水平正應(yīng)力作用，剪切斷面處的鋼纖維相互交錯摩擦，產(chǎn)生一定的摩阻力，提供了構(gòu)件的殘余承載力。

圖6 三鍵齒試件裂縫發(fā)展圖Fig.6 Crack propagation of 3-keyed specimen

2.2 試件荷載-位移曲線圖

利用繪圖軟件將試驗采集儀采集到的荷載-位移數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，為了方便將不同試驗參數(shù)下的曲線圖進(jìn)行比較，本研究統(tǒng)一將豎向相對滑移設(shè)為橫坐標(biāo)，豎向荷載設(shè)為縱坐標(biāo)。試驗結(jié)果匯總?cè)鐖D7所示。

圖7 荷載-位移曲線圖Fig.7 Load-displacement curves

2.2.1單鍵齒和整體式試件

從圖7來看，整體式和單鍵齒的荷載-位移曲線都經(jīng)歷3個階段：上升段、下降段和水平段。具體表述如下。

(1)上升段：這個階段的荷載-位移曲線先呈現(xiàn)直線上升，試件處于彈性變形階段。然后曲線呈現(xiàn)非線性增長，此時試件處于彈塑性變形階段，試件接縫處開始出現(xiàn)裂縫。各裂縫迅速發(fā)育，試件的直剪承載力逐漸達(dá)到峰值，且相對滑移量迅速發(fā)展。(2)下降段：這個階段的曲線迅速下降，試件的裂縫發(fā)育完全，出現(xiàn)貫穿剪切區(qū)域的大裂縫。試件已經(jīng)發(fā)生剪切破壞，相對位移值迅速增大。(3)水平段：由于水平正應(yīng)力的作用，試件發(fā)生剪切破壞后并沒有立即分離，而是互相交錯摩擦產(chǎn)生摩阻力，因此曲線維持在一定的殘余荷載值附近。

2.2.2三鍵齒試件

從圖7來看，三健齒試件也分為3個階段：上升段、下降段和水平段。

(1)上升段：與前面相似，試件先處于彈性變形階段，然后處于彈塑性變形階段。按照自上而下的順序給鍵齒編號1，2，3，斜裂縫先是出現(xiàn)在1號頂部，隨后出現(xiàn)在3號根部，最后出現(xiàn)在2號。在這個階段，試件的直剪承載力達(dá)到峰值，各裂縫發(fā)育迅速。(2)下降段：因為三健齒試件的鍵齒不同時發(fā)生破壞，而是按照1號，3號，2號的順序依次發(fā)生破壞。所以試件的直剪承載力在達(dá)到峰值荷載后迅速下降，然后又有一定程度的上升，再下降，呈現(xiàn)明顯的階梯狀下降。(3)水平段：與前面相似，由于水平正應(yīng)力的作用，荷載-位移曲線逐漸維持在一定的殘余荷載值附近。

2.3 試驗參數(shù)對接縫直剪強(qiáng)度的影響

2.3.1鍵齒數(shù)量的影響

從表5可知，在水平正應(yīng)力為2 MPa的情況下，三鍵齒的開裂荷載為416.5 kN，極限荷載為746.7 kN，殘余荷載為296 kN。而相同條件下單鍵齒的開裂荷載約為三鍵齒的43.3%，極限荷載約為三鍵齒的38.1%，殘余荷載約為三鍵齒的30.9%；單鍵齒的開裂荷載約為整體式的52%，極限荷載約為整體式的51.3%，殘余荷載約為53.8%。這說明同等水平正應(yīng)力下，隨著鍵齒數(shù)量的增加，試件抵抗開裂的能力越強(qiáng)，且極限承載力越大。單鍵齒的承載力約為整體式的50%左右。水平正應(yīng)力為 1 MPa 的情況下與2 MPa的情況類似。

表5 鍵齒數(shù)量對3種強(qiáng)度的影響Tab.5 Influence of number of keys on 3 kinds of strength

2.3.2水平正應(yīng)力的影響

由表6可知，對于三鍵齒來說，隨著水平正應(yīng)力的增大，其開裂荷載提高了68.3%，極限荷載提高了39.4%，殘余荷載提高了4.3%；對于單鍵齒的來說，其開裂荷載、極限荷載和殘余荷載分別提高了4.04%，15.6%，18.7%；對于整體式的來說，其開裂荷載、極限荷載和殘余荷載分別提高了17.6%，23.6%，52.7%。這說明水平正應(yīng)力越大對各種接縫類型的直剪承載力均有明顯的提高，且對延遲試件的開裂越有效。此外，水平正應(yīng)力對三鍵齒的開裂荷載和極限荷載影響比較大，對殘余荷載的影響小。而其對單鍵齒的影響卻恰恰相反，對鍵齒的開裂荷載和極限荷載影響比較小，對殘余荷載的影響大。

表6 水平正應(yīng)力對3種強(qiáng)度的影響Tab 6 Influence of horizontal normal stress on 3 kinds of strength

2.3.3鋼纖維類型的影響

由表7可知，對于三鍵齒來說，隨著鋼纖維抗拉強(qiáng)度的增大，其開裂荷載提高了10.4%，極限荷載提高了1.9%，殘余荷載提高了5.1%；對于單鍵齒的來說，其開裂荷載和極限荷載分別提高了4.6%，4.8%，但是殘余荷載降低了1.8%。這說明不同類型的鋼纖維隨著其抗拉強(qiáng)度的增大，對接縫的極限直剪承載力和抵抗開裂的能力均有略微的提高。這是因為剪切斷裂面處的鋼纖維主要是被拔出而不是拉斷破壞，鋼纖維自身的強(qiáng)度特性并沒有發(fā)揮很大的作用。

2.3.4混凝土強(qiáng)度的影響

表8為從陳黎[14]論文里面選取的部分?jǐn)?shù)據(jù)。將表7中鋼纖維類型為2 000 MPa的RPC材料的數(shù)據(jù)與表8的數(shù)據(jù)對比中可知，RPC材料單鍵齒的開裂荷載比普通C40混凝土單鍵齒的開裂荷載提高了88.4%，直剪強(qiáng)度是C40混凝土單鍵齒的2.38倍；RPC材料三鍵齒試件的開裂荷載比普通C40混凝土三鍵齒的開裂荷載提高了93.6%，直剪強(qiáng)度是C40混凝土三鍵齒的3.17倍；RPC材料單鍵齒的開裂荷載和直剪強(qiáng)度分別比普通C40混凝土整體式試件提高了18.1%和65.8%。由此可見，混凝土材料的強(qiáng)度對干接縫的直剪強(qiáng)度具有極大的影響，且RPC材料對提高接縫的直剪能力具有顯著的優(yōu)勢。

表7 鋼纖維類型對3種強(qiáng)度的影響Tab.7 Influence of steel fiber type on 3 kinds of strength

表8 陳黎論文[14]的部分普通混凝土試件數(shù)據(jù)Tab.8 Some data of ordinary concrete specimens in Chen Li’s paper[14]

3 結(jié)論

本研究對20個推出試件進(jìn)行直剪試驗，研究了鋼纖維類型、鍵齒數(shù)量、水平正應(yīng)力和混凝土強(qiáng)度等參數(shù)對接縫的影響，記錄了干接縫的開裂荷載、極限荷載、殘余荷載等數(shù)據(jù)，繪制了各試件的荷載-位移曲線圖，觀測了裂縫的形態(tài)和破壞模式。從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析情況可得結(jié)論如下：

(1)RPC干接縫的開裂荷載約為極限荷載的42.6%～70.6%。RPC三健齒試件按照1號，3號、2號的順序依次發(fā)生破壞。因此其荷載-位移曲線呈現(xiàn)階梯下降的規(guī)律。

(2)在水平正應(yīng)力為2 MPa的情況下，單鍵齒的開裂荷載和極限荷載分別約為三鍵齒的43.3%和38.1%，說明鍵齒數(shù)量對試件抗開裂能力和直剪承載力有一定的提高作用；單鍵齒的開裂荷載和極限荷載分別約為整體式的52%和51.3%，表明單鍵齒的承載力約為整體式的50%左右。

(3)隨著水平正應(yīng)力的增大，三鍵齒試件、單鍵齒試件和整體式試件的直剪強(qiáng)度分別提高了39.4%，15.6%和23.6%。這說明水平正應(yīng)力對不同鍵齒數(shù)量的試件的直剪承載力均有明顯的提高作用，其中，對三鍵齒的影響比較大，而對單鍵齒的影響較小。

(4)剪切區(qū)域的鋼纖維大多數(shù)是被拔出而失去作用，少量鋼纖維被拉斷破壞。隨著鋼纖維抗拉強(qiáng)度的增大，三鍵齒試件的開裂荷載和直剪強(qiáng)度分別提高了10.4%和1.9%；單鍵齒試件的開裂荷載和直剪強(qiáng)度分別提高了4.6%和4.8%。這說明鋼纖維自身抗拉強(qiáng)度的大小，對接縫的直剪承載力和抗開裂能力均有略微的提高作用。

(5)與陳黎論文的部分?jǐn)?shù)據(jù)[14]的對比分析可知，RPC材料單鍵齒的開裂荷載比普通C40混凝土單鍵齒的開裂荷載提高了88.4%，直剪強(qiáng)度是C40混凝土的2.38倍；RPC材料三鍵齒試件的開裂荷載比93.6%，直剪強(qiáng)度是C40混凝土的3.17倍；RPC材料單鍵齒的開裂荷載和直剪強(qiáng)度分別比普通C40混凝土整體式試件提高了18.1%和65.8%。由此可見，混凝土材料的強(qiáng)度對干接縫的直剪強(qiáng)度具有極大的影響，RPC材料對提高接縫的直剪能力具有顯著的優(yōu)勢。