玄武巖纖維混凝土梁裂縫和變形試驗研究

王鈞+欒奕+葉煥軍

摘要：為研究玄武巖纖維的摻入對鋼筋混凝土梁裂縫和變形的影響，以玄武巖纖維體積摻率和纖維長度為變化參數(shù)，設計制作5根試驗梁，通過靜載試驗獲得了玄武巖纖維混凝土梁在受力過程中的裂縫分布、裂縫寬度和跨中撓度等試驗數(shù)據(jù)，并與普通混凝土梁進行對比?；谠囼灁?shù)據(jù)分析結(jié)果提出了玄武巖纖維混凝土梁最大裂縫寬度和短期剛度計算方法。結(jié)果表明：玄武巖纖維的摻入可有效阻止鋼筋混凝土梁裂縫的開展并提高梁構(gòu)件的延性。

關鍵詞：玄武巖纖維；混凝土梁；試驗研究；裂縫；變形

中圖分類號：TU528.572文獻標志碼：A

Abstract： In order to study the influence of mixing of basalt fiber on crack and deformation of reinforced concrete beams， five test beams were made with the parameters of volume ratio and length of basalt fiber， and the static load tests were carried out. The test data of crack distribution， crack width and midspan deflection of basalt fiber reinforced concrete beams in the process of stress were obtained and compared with common concrete beams. Based on the analysis results of test data， the calculation methods of maximum crack width and short term stiffness of basalt fiber reinforced concrete beams were presented. The results show that the mixing of basalt fiber can effectively prevent cracks extension in reinforced concrete beams and improve the ductility of beams.

Key words： basalt fiber； concrete beam； experimental research； crack； deformation

0引言

混凝土是當今建筑行業(yè)使用最廣泛的建筑材料之一，其應用遍布于民用和工業(yè)建筑、交通、水利、軍事、海港等各工程領域，但混凝土抗拉強度低、易開裂、變形性能差等缺陷在一定程度上影響了工程質(zhì)量，限制了其更廣泛的應用。長期以來許多學者都在探索改善混凝土性能的方法和途徑[1]。吳中偉[2]曾經(jīng)提出“復合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強是核心”。纖維混凝土較普通混凝土具有更好的抗裂性能，已成為當今混凝土改性研究的熱點[34]。纖維的摻入使普通混凝土梁最大裂縫寬度與短期剛度的計算公式不再適用于纖維混凝土梁，目前各國相關學者對于纖維混凝土的研究主要集中在碳纖維與鋼纖維上，對于玄武巖纖維混凝土多見其基本力學性能的研究，而對玄武巖纖維混凝土梁短期剛度和裂縫的研究尚未見系統(tǒng)報道。玄武巖纖維作為一種新興的環(huán)保型無機纖維材料，具有性價比高、抗拉強度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好等優(yōu)點，是其他纖維材料的良好替代品[5]。相關研究表明[69]，把纖維摻入到混凝土中可有效阻止混凝土梁裂縫的開展并提高混凝土梁的變形能力。針對上述情況，本文通過玄武巖纖維混凝土簡支梁受彎試驗，著重探究玄武巖纖維的摻入對混凝土梁裂縫開展與變形的影響，為玄武巖纖維混凝土在工程中的應用提供理論依據(jù)。

1試驗概況

1.1試驗梁設計

根據(jù)玄武巖纖維長度和體積摻率的不同，設計并制作5根試驗梁，試驗梁的外形尺寸和配筋均一致，梁寬b為160 mm，梁高h為300 mm，跨度l為2 300 mm，凈跨l0為2 100 mm。受拉縱筋采用HRB335級鋼筋，受壓縱筋采用HPB300級鋼筋，箍筋采用直徑為10 mm的HPB300級鋼筋，箍筋間距為100 mm。試驗梁參數(shù)如表1所示。試驗梁配筋如圖1所示。

3試驗分析

3.1裂縫分析

最大裂縫寬度隨荷載變化曲線如圖6所示。裂縫觀測儀觀測到的跨越裂縫的玄武巖纖維如圖7所示。

由圖6可以看出：相同荷載作用下，玄武巖纖維混凝土梁最大裂縫寬度均小于普通混凝土梁，混凝土中摻入玄武巖纖維能起到阻裂效果；對比試驗梁L112與L212，L130與L230，當玄武巖纖維長度相同時，玄武巖纖維體積摻率越大，相同荷載作用下試驗梁最大裂縫寬度越小，增大玄武巖纖維體積摻率在一定程度上可提高混凝土的抗裂性能；將試驗梁L112與L130，L212與L230進行對比發(fā)現(xiàn)，隨著玄武巖纖維長度的增加，相同荷載作用下試驗梁裂縫寬度有所減小，此現(xiàn)象證實了玄武巖纖維長度是影響混凝土抗裂性能的因素之一，適當增加纖維長度可對混凝土的抗裂性能產(chǎn)生有利影響。玄武巖纖維在混凝土中亂向分布，其良好的抗拉強度性能降低了微裂縫周圍的應力集中現(xiàn)象，阻止了混凝土梁內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，當混凝土開裂時，跨越裂縫的纖維能繼續(xù)承受裂縫間的拉應力，在一定范圍內(nèi)提高玄武巖纖維長度，增大纖維的體積摻率，可使玄武巖纖維亂向分布更廣，跨越的微裂縫數(shù)更多，阻裂效果更明顯。

3.2試驗梁變形分析

試驗梁荷載跨中撓度曲線如圖8所示。由圖8可以看出：玄武巖纖維混凝土梁同普通混凝土梁的受力過程均經(jīng)歷3個階段，即未開裂階段、帶裂縫工作階段與破壞階段。

未開裂階段5根試驗梁荷載撓度曲線呈直線變化，玄武巖纖維混凝土梁與普通混凝土梁荷載撓度曲線的斜率幾乎相同，摻有玄武巖纖維的試驗梁撓度相比梁L00變化不大。

帶裂縫工作階段試驗梁受拉區(qū)混凝土開裂，試驗梁荷載撓度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由于受拉區(qū)鋼筋的作用，混凝土即使開裂，裂縫發(fā)展也比較緩慢，在該階段試驗梁荷載撓度曲線斜率相比未開裂階段有所下降，但基本呈直線狀，可認為試驗梁在此階段仍具有很好的線彈性。從表3可知，玄武巖纖維的體積摻率和長度都是影響試驗梁變形的因素，玄武巖纖維可連接裂縫兩端，與混凝土共同承擔拉應力，起到阻裂作用，提高了混凝土梁的整體性，進而改善梁的剛度。

破壞階段隨著荷載的不斷增加，受拉區(qū)鋼筋屈服，荷載撓度曲線再次出現(xiàn)拐點，試驗梁撓度增量增大，試驗梁最終破壞時玄武巖纖維混凝土梁撓度大于普通混凝土梁，原因是玄武巖纖維的摻入能增強混凝土梁的變形能力，提高受彎構(gòu)件的延性。4試驗梁最大裂縫寬度與短期剛度計算4.1最大裂縫寬度計算

以《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50010—2010）中鋼筋混凝土梁的裂縫寬度計算公式為參考并結(jié)合文獻[10]～[12]，提出玄武巖纖維混凝土梁的裂縫寬度計算方法。

式中：ωmax為普通鋼筋混凝土梁最大裂縫寬度；Es為縱向受拉鋼筋彈性模量；αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)，取1.9；Ψ為裂縫間縱向鋼筋應變不均勻系數(shù)；ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值；σsk為按荷載效應標準組合計算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋的應力；deq為受拉鋼筋的等效直徑；c為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率；di為第i種縱向受拉鋼筋公稱直徑；ni為第i種縱向受拉鋼筋的根數(shù)；vi為第i種縱向受拉鋼筋的相對粘結(jié)特性系數(shù)。

通過對式（1）中受拉鋼筋應力、鋼筋應變不均勻系數(shù)、平均裂縫間距、構(gòu)件受力特征系數(shù)的分析可知，玄武巖纖維的摻入只對鋼筋應力的變化有著不可忽略的影響，這與文獻[10]中鋼纖維的摻入對混凝土梁最大裂縫寬度計算公式各參數(shù)的影響一致。

（3）基于試驗數(shù)據(jù)，提出了玄武巖纖維混凝土梁最大裂縫寬度和短期剛度計算公式，結(jié)果表明計算值與試驗實測值吻合較好。

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