玄武巖纖維對混凝土梁抗裂性能的影響

陳 偉，王 鈞，張 可，陳 佳，劉國軍，朱占元

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 都江堰 611830； 2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

玄武巖纖維對混凝土梁抗裂性能的影響

陳 偉1，王 鈞2，張 可1，陳 佳1，劉國軍1，朱占元1

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 都江堰 611830； 2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究玄武巖纖維對混凝土梁抗裂性能的影響，以纖維長度及纖維體積摻率為變化參數(shù)，對纖維長度分別為12mm和30mm，纖維體積摻率分別為0.1%和0.2%的4根纖維混凝土梁和1根對比梁進行靜載試驗，試驗中對纖維混凝土梁開裂荷載、裂縫寬度以及撓度進行監(jiān)測。結(jié)果表明：與普通鋼筋混凝土梁對比，玄武巖纖維混凝土梁的開裂荷載顯著增大，且裂縫寬度發(fā)展更為緩慢，相同荷載作用下的裂縫寬度和跨中撓度顯著減小，其主要原因是玄武巖纖維改善了混凝土梁的抗裂和阻裂性能，提高了梁的整體剛度。

玄武巖纖維； 混凝土； 裂縫； 撓度

1 引 言

作為五大工程材料之一，混凝土是建筑工程用量最大、應(yīng)用最廣的建筑材料。而混凝土的抗拉性能差，極易開裂，嚴重影響到結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。纖維混凝土是將一定量的短切纖維均勻的分散在普通混凝土中，并與其復(fù)合而成的混凝土[1]。纖維混凝土以其優(yōu)良的抗裂及阻裂性能，彌補了普通混凝土易開裂、抗拉強度低、韌性差的缺點，成為當(dāng)今工程界推崇的復(fù)合材料[2]。工程所用纖維混凝土種類繁多如碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、尼龍纖維等，各國對這些纖維混凝土的力學(xué)性能、耐久性等都做了大量研究[3-5]。但現(xiàn)有材料價格昂貴，應(yīng)用范圍受到一定限制。

玄武巖纖維是一種新型無機非金屬礦物纖維，由天然的玄武巖礦石高溫拉絲而成，材料本身及生產(chǎn)過程均無污染，與碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維并列為我國鼓勵發(fā)展的4大高技術(shù)纖維，2002年“玄武巖纖維及其復(fù)合材料”項目列入國家863計劃和國家級火炬計劃[6]。玄武巖纖維混凝土以其優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性，較高的性價比，已被廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域，也成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[7-12]。但目前的研究成果主要側(cè)重于玄武巖纖維混凝土抗壓強度、抗拉強度、抗?jié)B性等基本力學(xué)性能方面，而關(guān)于其對混凝土抗裂性能的研究成果還鮮見報導(dǎo)。本文擬針對玄武巖纖維混凝土梁的抗裂性能進行試驗研究，為工程實踐及理論研究提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 原材料

根據(jù)《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T 23265-2009)[13]規(guī)定，玄武巖纖維混凝土梁采用強度等級為C40的混凝土制作而成，混凝土組分為哈爾濱水泥有限公司生產(chǎn)的天鵝牌普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)、黑龍江雙達電力設(shè)備集團生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰、細度模數(shù)2.46的中砂、最大粒徑為26.5mm的碎石、西卡聚羧酸系高效減水劑Viscocerete-20HE(減水率為40%)、四川拓鑫短切玄武巖纖維(主要力學(xué)性能見表1)、縱向受拉鋼筋采用直徑為18mm的HRB335鋼筋(屈服強度為421MPa，極限抗拉強度542MPa)、箍筋和架立筋采用直徑為8mm的HPB235鋼筋(屈服強度334MPa，極限抗拉強度452MPa)。

表1 玄武巖纖維主要力學(xué)性能

2.2 試驗梁設(shè)計

試驗梁設(shè)計時以玄武巖纖維長度和纖維體積摻率為變化參數(shù)。由已有關(guān)于玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能的研究成果表明：當(dāng)玄武巖纖維混凝土中的纖維體積摻率在0.1%～0.2%時，其綜合力學(xué)性能較好[14]，因此在本試驗中玄武巖纖維體積摻率采用0.1%和0.2%，具體試驗參數(shù)如表2所示。為了測得混凝土立方體抗壓強度fcu和劈拉強度ft，在制作試驗梁的過程中同時澆筑標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊(150mm×150mm×150mm)進行抗壓和劈拉試驗，結(jié)果如表2所示。需要說明的是，由于試驗中小粒徑的粗骨料含量較多，本試驗中所采用混凝土的立方體抗壓強度值偏低。試件配筋、應(yīng)變片粘貼位置、加載位置如圖1所示。試驗中的數(shù)據(jù)采集通過DH-3816電阻測試系統(tǒng)完成。

表2 試驗梁參數(shù)

圖1 應(yīng)變片布置及截面配筋圖Fig.1 Gage layout drawing and reinforcement drawing of the section

2.3 試驗方案

試驗裝置如圖2所示，采用300kN的油壓千斤頂對稱集中加載；對試驗梁施加的荷載大小通過千斤頂上方的拉壓傳感器測得；試驗梁在加載過程中的變形通過布置于支座、加載點及跨中的位移計測得。預(yù)加載分三級進行[15]，每級荷載取試驗梁極限荷載預(yù)估值的5%；當(dāng)確認設(shè)備、儀表工作正常后卸載至零，稍后開始正式加載。正式加載時，在臨近開裂荷載預(yù)估值時減小施加荷載的步長，此時按每級荷載約為極限荷載預(yù)估值的1/50施加，受彎開裂荷載(Pbcr)取純彎區(qū)段第一條裂縫出現(xiàn)時所施加的荷載，受剪開裂荷載(Pscr)取彎剪區(qū)段第1條斜裂縫出現(xiàn)時所施加的荷載。裂縫寬度用裂縫觀測儀讀取。

1．拉壓傳感器；2．300kN油壓千斤頂；3．位移計圖2 試驗裝置圖Fig.2 Test set-up

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 開裂荷載

試驗過程中，梁的純彎區(qū)段首先出現(xiàn)垂直裂縫，隨著荷載的增加，純彎區(qū)段裂縫條數(shù)不斷增多，荷載達到某一數(shù)值時，在彎剪區(qū)段出現(xiàn)斜裂縫。開裂荷載如表3所示。

表3 開裂荷載

當(dāng)構(gòu)件中的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土即開裂。玄武巖纖維屬于中等彈性模量纖維，摻入混凝土后，在混凝土中形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與骨料協(xié)同受力，構(gòu)件受力后基體將力傳遞給纖維時，纖維承擔(dān)了部分拉應(yīng)力，一定程度上起到了阻裂的作用[16]。由表3可知：在纖維長度一定的情況下，隨纖維體積摻率的增加，抗彎開裂荷載和抗剪開裂荷載都略有增大，如：當(dāng)纖維長度為12mm時，纖維體積摻率為0.2%的玄武巖纖維混凝土梁較纖維體積摻率為0.1%的梁，抗彎開裂荷載無變化，而抗剪開裂荷載提高了7.14%；在纖維長度為30mm的情況下，抗彎開裂荷載和抗剪開裂荷載分別提高了16.67%和6.79%。當(dāng)纖維體積摻率一定時，開裂荷載隨纖維長度的增大而提高，纖維體積摻率為0.1%時，纖維長度30mm的玄武巖纖維混凝土梁的抗彎開裂荷載比纖維長度12mm的梁提高了20%，當(dāng)體積摻率為0.2%時，纖維長度30mm的玄武巖纖維混凝土梁抗彎開裂荷載比纖維長度12mm的梁提高了40%，而上述兩種情況下試驗梁相應(yīng)的抗剪開裂荷載分別提高了10.35%和10%。

盡管纖維長度和纖維體積摻率兩因素對開裂荷載都有一定的影響，但通過SPSS統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，單個因素對梁開裂荷載的影響較小。故在此考慮纖維自身特征長徑比lf/df及纖維體積摻率ρf的綜合作用，通過引入纖維特征參數(shù)λf[17]，如式(1)所示，分析其對開裂荷載的影響，其中纖維特征參數(shù)定義為長徑比與纖維體積摻率之積[17](各試件的纖維特征參數(shù)如表3所示)。通過對試驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)性統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：纖維特征參數(shù)λf與抗彎開裂荷載的相關(guān)系數(shù)為0.65，p值為0.058；與抗剪開裂荷載的相關(guān)系數(shù)為0.977，P值為0.004。因此根據(jù)上述相關(guān)性統(tǒng)計分析結(jié)果可知：在本試驗中玄武巖纖維的摻入對試驗梁抗彎開裂荷載的影響較小，而對其抗剪開裂荷載的影響相對較大，并隨纖維特征參數(shù)的增大，抗剪開裂荷載不斷增大，如圖3所示。

(1)

式中：λf—纖維特征參數(shù)；ρf—纖維體積積參率；lf—纖維長度；df—纖維直徑。

圖3 λf與Pscr關(guān)系Fig.3 Relationship of λf and Pscr

3.2 裂縫擴展

混凝土結(jié)構(gòu)的最大的缺點是易開裂，而研發(fā)纖維混凝土的目的就是為了延遲混凝土的開裂及限制裂縫寬度的發(fā)展，進而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。本試驗中，試驗梁純彎區(qū)段先出現(xiàn)垂直裂縫，當(dāng)裂縫出現(xiàn)后，隨著荷載的增加，僅裂縫數(shù)目不斷增多、長度不斷發(fā)展，而寬度幾乎沒有變化，故試驗中未對純彎區(qū)段的裂縫寬度進行監(jiān)測。當(dāng)荷載增大到某一數(shù)值時，梁兩端的彎剪區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)腹剪斜裂縫，繼續(xù)加載，斜裂縫寬度不斷增大，并向支座和加載點延伸，與加載點處的裂縫交匯，最后出現(xiàn)多條斜裂縫及一條貫通支座至加載點的寬度較大的主斜裂縫。因純彎區(qū)段的裂縫寬度幾乎沒有變化，而斜裂縫擴展比較顯著，故試驗中僅對斜裂縫的寬度進行了監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 最大裂縫寬度變化曲線Fig.4 Curves of maximum crack width

如圖4所示，對比玄武巖纖維混凝土梁與普通混凝土梁最大裂縫寬度變化曲線，玄武巖纖維混凝土梁的開裂荷載較普通混凝土梁有一定的提高；開裂后，同級荷載作用下，與普通混凝土梁相比玄武巖纖維混凝梁的最大裂縫寬度減小。分析可知：當(dāng)摻入玄武巖纖維后，玄武巖纖維不僅對混凝土起到了阻裂的作用，提高了開裂荷載，還限制了裂縫寬度的開展。當(dāng)截面的拉應(yīng)力達到混凝土極限拉應(yīng)力時，混凝土開裂，對比表1和表2可知，玄武巖纖維的抗拉強度高于混凝土的抗拉強度，基體混凝土開裂后，裂縫處部分玄武巖纖維并沒有斷裂，荷載由橫跨裂縫的纖維傳遞給裂縫的兩側(cè)面，使本不再受拉的裂縫兩側(cè)面能夠繼續(xù)承受荷載。裂縫間的應(yīng)力重分布，減小了裂縫端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而延緩了裂縫的擴展速度，使得同級荷載作用下，與普通混凝土梁相比玄武巖纖維混凝梁的裂縫寬度減小，而且在本試驗數(shù)據(jù)范圍內(nèi)這種作用隨纖維特

征參數(shù)的增大更為明顯。

此外，由于玄武巖纖維阻止裂縫的擴展，減小了裂縫寬度，并且分擔(dān)了混凝土的部分拉力，從而提高了梁的整體剛度，對減小梁跨中撓度有積極作用。如圖5所示，加載初期，荷載較小，梁跨中撓度相差不大，當(dāng)荷載增大到一定程度時，玄武巖纖維的阻裂作用方才體現(xiàn)，從而在相同荷載下，與普通混凝土梁相比，跨中撓度變小。

圖5 不同荷載下試驗梁的變形Fig.5 Deformation of test beam under different load

3.3 破壞形態(tài)

由于玄武巖纖維的摻入使得梁斜截面受剪開裂荷載明顯提高，且隨著纖維特征參數(shù)的增大，開裂荷載也隨著增大。斜裂縫出現(xiàn)的推遲，使得梁純彎段內(nèi)的豎向裂縫得以更加充分地發(fā)展，裂縫間距變小并且分布均勻，試驗梁最終發(fā)生剪切破壞。破壞時，普通混凝土梁在彎剪區(qū)段僅有一條較寬的主斜裂縫，伴隨著混凝土崩裂的巨響；玄武巖纖維混凝土梁除有一條連接支座和加載點的主斜裂縫外，與其平行還有多條不同程度開展的斜裂縫，且只有混凝土表皮輕微的爆裂聲，整個破壞過程表現(xiàn)出很好的延性，破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 試驗梁彎剪區(qū)段破壞形態(tài) (a) L-0-0; (b) L-1-12; (c) L-2-12; (d) L-1-30; (e) L-2-30Fig.6 Failure state of beams in bending shear section

1.玄武巖纖維的摻入，增大了梁純彎區(qū)段和彎剪區(qū)段的開裂荷載，并隨纖維特征參數(shù)的增大，抗剪開裂荷載不斷增大，起到了明顯阻裂作用。

2.混凝土開裂后，跨越裂縫的玄武巖纖維繼續(xù)承載，有效的阻止裂縫的擴展，使得同級荷載作用下，與無纖維的普通混凝土梁相比，玄武巖纖維混凝土梁的裂縫寬度變小，整體剛度增大，跨中撓度減小。

3.玄武巖纖維的摻入，使得純彎段內(nèi)的豎向裂縫間距變小并且分布均勻，表現(xiàn)出很好的延性。

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Anti-crack Performance of Reinforced Concrete Beams Strengthened by Basalt Fiber

CHEN Wei1， WANG Jun2， ZHANG Ke1， CHEN Jia1， LIU Guojun1， ZHU Zhanyuan1

(1.College of Civil Engineering, Sichuan Agricultural University, Dujiangyan 611830, China; 2.College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In order to investigate the effects of basalt fiber on anti-crack performance of concrete beam, static load test was conducted. Taking fiber length and volume ratio as parameters, one control beam without adding basalt fiber and four basalt fiber reinforced concrete beams with fiber lengths 12mm and 30mm, with the volume ratios of 0.1% and 0.2% were tested. The test data was obtained through monitoring of cracking load, crack width and the deflection of beams. The results showed that the cracking load of the basalt fiber reinforced concrete beams increased significantly, crack width development was relatively slow, the crack width and the span deflection decreased under the same load as compared with common reinforced concrete beam. The basalt fiber incorporation improved the beam crack and crack resistance performance, as a consequence, enhancing the overall stiffness of the beams.

basalt fiber； concrete； crack； deflection

1673-2812(2017)01-0144-05

2015-11-07；

2016-01-05

國家青年科學(xué)基金資助項目(51408385)

陳 偉(1986-)，女，碩士，講師，研究方向：纖維混凝土。E-mail:chenweijiegou@163.com。

朱占元(1974-)，男，教授，碩導(dǎo)，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。E-mail:zhuzyuan910@163.com。

TU528.572

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.029