纖維混凝土受力研究及其在工程中的應(yīng)用

□文/陳文淵 李 浩

混凝土作為當(dāng)代應(yīng)用最廣泛的建筑材料，有易成型、能耗低、耐久性好、價格便宜等優(yōu)點，但混凝土自重大、脆性大、抗拉強度低等弱點限制了它大范圍的使用。因此人們致力于混凝土向輕質(zhì)、高強、改變脆性等方向發(fā)展，采用纖維增強混凝土是混凝土改性的一個重要手段，它可使混凝土的抗拉強度、變形能力、耐荷能力大大提高。纖維混凝土是以水泥凈漿、砂漿或混凝土做基材，以非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長纖維增強材所組成的水泥基復(fù)合材料的總稱，通常簡稱為“纖維混凝土”。

為驗證纖維混凝土的受力性能，以配筋率為1.1%的混凝土簡支梁為對象進行研究。

1 試驗

1.1 目的

驗證聚丙烯纖維和玻璃纖維對混凝土簡支梁力學(xué)性能的影響。

1.2 對象

試件為3根摻加聚丙烯纖維的鋼筋混凝土簡支梁，3根摻加玻璃纖維的鋼筋混凝土簡支梁，纖維摻量為0.9 kg/m3；3根普通鋼筋混凝土簡支梁。截面尺寸及配筋見圖1。

1.3 裝置

加荷設(shè)備。電動油泵、千斤頂、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、百分表、電子秤、壓力傳感器、裂縫測量儀、鋼卷尺及其他工具等。

1.4 方法

采用分級加載，在開裂荷載以前分5級。試件自重和分配梁不計。裂縫的發(fā)生和發(fā)展用眼睛觀察，裂縫寬度用裂縫寬度觀測儀或讀數(shù)顯微鏡測量，每級荷載下的裂縫發(fā)展情況在構(gòu)件上繪出并注明荷載級別，記錄相應(yīng)的裂縫寬度。為準(zhǔn)確測定發(fā)裂荷載值，試驗過程中應(yīng)注意觀察第一條裂縫的出現(xiàn)。

1.5 步驟

1）按開裂荷載的20%分級算出加載值。

2）貼好應(yīng)變片，做好防潮防水處理，引出導(dǎo)線，裝好百分表。

3）進行3級預(yù)載試驗，測取讀數(shù)，觀察試件、裝置和儀表工作是否正常并及時排除發(fā)現(xiàn)的問題。

4）開始正式試驗，利用液壓同步加載系統(tǒng)，分級加載，每級加載后約5 min，進行全部儀表讀數(shù)，讀數(shù)前必須檢查一次荷載值是否正確并保持恒定。

2 數(shù)據(jù)分析

1）裂縫范圍及初裂荷載。各梁的裂縫范圍及初裂荷載比較見表1。

表1 各梁的裂縫范圍及初裂荷載

由表1可以看出，纖維混凝土梁比普通混凝土梁的裂縫出現(xiàn)較晚，初裂荷載提高；在施加的荷載值較小時，裂縫寬度相對較小。隨荷載增大到一定程度后，纖維混凝土梁和普通混凝土梁的裂縫形態(tài)基本無差異。

摻加聚丙烯纖維混凝土梁的初裂荷載值為6.0 kN，摻加玻璃纖維混凝土梁的初裂荷載值為6.5 kN，普通混凝土梁的初裂荷載值5.3 kN，說明摻加聚丙烯纖維和玻璃纖維后，混凝土梁的初裂荷載分別提高了13%和22%。

從整根梁看，到破壞時，普通混凝土梁有裂縫平均范圍為1.441 m；而摻加聚丙烯纖維的混凝土梁有裂縫平均范圍為1.381 m，下降了4%；摻加玻璃纖維的混凝土梁有裂縫平均范圍為1.232 m，下降了14%。

2）試驗梁的裂縫數(shù)及裂縫間距。各梁的裂縫范圍及初裂荷載比較見表2。

由表2可以看出，摻入聚丙烯纖維和玻璃纖維對梁的主裂縫間距基本無影響。纖維組織構(gòu)件開裂的機理比較復(fù)雜，根據(jù)上述試驗結(jié)果初步可作如下解釋：

（1）聚丙烯纖維和玻璃纖維能緩和裂縫尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而阻礙裂縫開展；

（2）跨越裂縫的聚丙烯纖維和玻璃纖維基體保持一定的粘結(jié)力，使這些纖維及未裂混凝土共同承擔(dān)裂縫截面上的部分拉力，從而降低了裂縫截面上的鋼筋應(yīng)力；

（3）鋼筋與聚丙烯纖維和玻璃纖維混凝土間的粘結(jié)錨固力較普通混凝土提高，使鋼筋的粘結(jié)滑移減少，降低了鋼筋的平均應(yīng)變，使主裂縫間纖維混凝土平均拉應(yīng)變較普通混凝土有顯著提高，從而降低了主裂縫寬度。

3 試驗小結(jié)

1）聚丙烯纖維和玻璃纖維能有效地增強混凝土的抗拉能力，使梁的抗裂度和正截面抗彎承載力得到提高。

2）在梁正常工作狀態(tài)下，聚丙烯纖維和玻璃纖維能有效地阻止裂縫的擴展，與受拉鋼筋協(xié)同工作，共同承擔(dān)拉力，從而減小了梁的裂縫寬度，提高了梁的剛度，減小了梁的變形。

3）在梁進入破壞階段后，聚丙烯纖維和玻璃纖維可以提高梁的延性。

4）在阻裂能力和提高初裂荷載方面，玻璃纖維要稍強于聚丙烯纖維。

4 纖維混凝土在實際工程中的應(yīng)用

纖維混凝土在實際工程中得到廣泛應(yīng)用并且取得了良好的效果。天津出入境檢驗檢疫局綜合試驗樓項目總建筑面積58 354 m2，其中地上建筑面積46 990 m2，地下建筑面積11 364 m2。地上18層，地下2層，人防等級為核六級常六級，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

地下室長度為100 m，超長且未設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，故在地下室混凝土中加入聚丙烯纖維，以解決結(jié)構(gòu)超長，防止混凝土開裂。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)形式對抗震不利，故在單榀框架柱混凝土中摻加聚丙烯纖維，摻量1.0 kg/m3，以增加結(jié)構(gòu)的延性，從而較好地提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

建成一年多以來，未在地下室及側(cè)墻和地上混凝土部分發(fā)現(xiàn)裂縫。混凝土中加入了聚丙烯纖維后，提高了鋼筋混凝土的抗拉、抗壓和抗彎性能；降低了混凝土的收縮，抗裂和抗疲勞性能顯著提高，有效的減少了混凝土裂縫的產(chǎn)生；聚丙烯纖維混凝土具有比普通混凝土更好地硬化后性能和抗裂疲勞性能。

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