劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁抗彎性能與抗彎承載力分析

董健苗 李洋洋 殷玲 馬發(fā)林 周悅志

摘? 要：通過對(duì)劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁進(jìn)行抗彎性能的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證其平截面假定，得到試驗(yàn)梁的荷載-跨中撓度曲線、鋼筋荷載-應(yīng)變曲線和破壞形態(tài)，并對(duì)試驗(yàn)梁的開裂荷載和抗彎承載力進(jìn)行理論分析.試驗(yàn)結(jié)果表明：劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁和自密實(shí)輕骨料混凝土梁均滿足平截面假定;摻加劍麻纖維或增加配筋率，能有效改善試驗(yàn)梁的裂縫形態(tài)并提高抗彎剛度，當(dāng)劍麻纖維摻量為2 kg/m3時(shí)裂縫條數(shù)最多，但間距和寬度最小，韌性最好;劍麻纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土梁的開裂荷載有一定影響，當(dāng)劍麻纖維摻量為3 kg/m3時(shí)，開裂荷載提高最大為40%;開裂荷載和極限荷載建議采用本文修正后的推導(dǎo)公式計(jì)算，可與試驗(yàn)值吻合較好.

關(guān)鍵詞：自密實(shí)輕骨料混凝土梁;劍麻纖維;抗彎性能;承載力

中圖分類號(hào)：TU528.572? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45‐1395/t.2019.01.002

0? ? 引言

梁的抗彎承載力是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加固工程中的重點(diǎn)，在混凝土基體中摻加不同類型的纖維是增強(qiáng)混凝土梁抗彎性能的有效方法之一，且得到越來越多國內(nèi)外學(xué)者的肯定[1-2].大量研究表明，鋼纖維的摻入能夠明顯改善混凝土梁的抗裂性能，有效減小梁的裂縫寬度，增加其彎曲剛度，改變荷載位移曲線，提高其延性和抗彎能力[3-4].張歡歡[5]基于鋼纖維高強(qiáng)陶?；炷亮嚎箯澬阅茉囼?yàn)，提出摻入適宜摻量的鋼纖維可提高陶?；炷僚c梁底部縱筋之間的粘結(jié)滑移能力，增大約束變形作用，阻礙微裂縫的發(fā)展，延緩陶?；炷恋钠茐倪^程，提高陶粒混凝土梁的抗彎承載力.路鵬飛等[6]對(duì)鋼纖維混凝土梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，提出荷載-撓度曲線隨纖維體積摻量和長徑比的增加而更加飽滿，峰值荷載及其增幅均隨之增大.Kang 等[7]通過研究不同種類纖維對(duì)混凝土梁的彎曲性能影響規(guī)律，提出梁的抗彎承載力和耗能隨纖維變形增大而增大，其彎曲強(qiáng)度隨纖維體積摻量的增加而增大，且呈一定的線性關(guān)系[8-9].Yoo 等[10]由鋼纖維混凝土梁開裂后性能變化，提出較高纖維體積摻量和較低強(qiáng)度均能提高斷裂能，纖維體積摻量大于1%時(shí)能夠有效提高混凝土梁的彎曲韌性和彎曲強(qiáng)度[11].近年來，學(xué)者對(duì)聚丙烯纖維、玄武巖纖維、耐堿玻璃纖維等其他種類的纖維進(jìn)行了混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，一定摻量的纖維可改善混凝土梁的破壞形態(tài)，使其由脆性破壞逐漸變?yōu)檠有云茐?，同時(shí)提高了梁的整體剛度和抗沖擊能力[12-14].目前，對(duì)植物纖維的研究主要集中在以其為原料的自密實(shí)輕骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)、工作性能和基本力學(xué)性能等方面，結(jié)構(gòu)部件承載力等方面尚無足夠完整的研究成果.

劍麻纖維具有價(jià)廉質(zhì)輕，拉伸強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度高的特點(diǎn)[15-16]，作為天然纖維增強(qiáng)材料對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)承載力等方面具有重要的研究意義.本文對(duì)8根強(qiáng)度等級(jí)為C40的試驗(yàn)梁進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，得到荷載-跨中撓度曲線、荷載-應(yīng)變曲線及試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)，驗(yàn)證其平截面假定，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁的開裂荷載和受彎承載力進(jìn)行理論分析.

1? ? 試驗(yàn)原材料及配合比

1.1? ?試驗(yàn)原材料

水泥：廣西魚峰集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見表1.

粉煤灰：來賓電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，技術(shù)指標(biāo)見表2.

細(xì)骨料：柳州河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7，表觀密度為2 700 kg/m3，級(jí)配合格.

粗骨料：湖北宜昌寶珠陶粒有限公司生產(chǎn)的900級(jí)頁巖圓球型陶粒，技術(shù)指標(biāo)見表3.

外加劑：蘇州弗克技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%.

劍麻纖維：廣西劍麻集團(tuán)生產(chǎn)，平均直徑為304 μm，試驗(yàn)纖維長度為10 mm，技術(shù)指標(biāo)見表4.

1.2? ?試驗(yàn)配合比

根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283-2012），采用絕對(duì)體積法配制強(qiáng)度等級(jí)為C40的劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土，其水膠比為0.345，陶粒體積摻量為0.41，砂率為0.41，減水劑摻量為1%，粉煤灰摻量百分比為25%，劍麻纖維摻量分別為1 kg/m3、2 kg/m3和3 kg/m3.本試驗(yàn)先加入經(jīng)表面預(yù)濕處理的陶粒和砂子，再摻入劍麻纖維，攪拌30 s使其均勻分散，然后加入水泥、粉煤灰、水和減水劑繼續(xù)攪拌，并按照自密實(shí)混凝土施工要求，即澆筑過程中無需振搗，注滿后刮平表面，成型后拆模，自然條件養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn).

1.3? ?劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土和鋼筋的基本性能

劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度和靜力彈性模量等力學(xué)性能根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）和《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 13-2009）的要求，采用與試件同一批注?；炷涟韬衔?，標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，各力學(xué)性能每個(gè)配合比3塊，并在與試驗(yàn)梁同等自然環(huán)境下澆水養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn).各組拌和物的工作性能均滿足規(guī)范要求，其工作性能和力學(xué)性能如表5所示.

本試驗(yàn)所用的HRB335和HRB400級(jí)的B8、C10、C14和C16鋼筋，根據(jù)《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》（GB1499）的要求對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能指標(biāo)檢驗(yàn)，結(jié)果均符合國家標(biāo)準(zhǔn).

2? ? 試驗(yàn)方案

2.1? ?試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以劍麻纖維摻量和縱筋配筋率為變量，共設(shè)計(jì)并制作了8根劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁，其具體命名、幾何尺寸和配筋情況如表6和圖1所示.

2.2? ? 加載方案

本試驗(yàn)采用250 t MTS電液伺服系統(tǒng)三分點(diǎn)兩點(diǎn)對(duì)稱加載，按照GB0152-92《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》分級(jí)加載且速率為（0.15±0.02）mm/min，試驗(yàn)梁加載如圖2所示.

2.3? ? 測(cè)量方案

本試驗(yàn)采用數(shù)字采集儀D3816采集應(yīng)變片應(yīng)變、荷載和位移.試驗(yàn)梁的測(cè)點(diǎn)布置為：采用位移計(jì)測(cè)量梁跨中、1/4跨和支座處的撓度;采用長100 mm的應(yīng)變片測(cè)量梁頂部、底部以及側(cè)面跨中不同截面高度的混凝土的應(yīng)變;采用長3 mm的應(yīng)變片測(cè)量跨中和加載點(diǎn)處的縱向受拉鋼筋的應(yīng)變.

3? ? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1? ? 破壞形態(tài)

本試驗(yàn)8根試驗(yàn)梁均為適筋梁且發(fā)生彎曲破壞，其中D14系列試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)如圖3所示.

試驗(yàn)梁自加載至破壞大致分為3個(gè)階段：彈性階段、彈塑性階段、鋼筋屈服至破壞階段.彈塑性階段，此階段裂縫以延伸發(fā)展為主、新增為輔，撓度變化不大;鋼筋屈服至破壞階段，此階段裂縫長度和寬度增長迅速，撓度急速增大，直至受壓區(qū)混凝土壓碎.在相同配筋率的情況下，與未摻劍麻纖維的受拉鋼筋直徑為14 mm的試驗(yàn)梁L-D14相比，摻1 kg/m3、2 kg/m3和3 kg/m3劍麻纖維的試驗(yàn)梁L-D14-SF1、L-D14-SF2、L-D14-SF3的裂縫條數(shù)增加，但裂縫寬度和裂縫間距明顯減少;當(dāng)纖維摻量為2 kg/m3時(shí)，裂縫數(shù)量最大，裂縫間距和寬度最小，即出現(xiàn)了大量的小裂紋，這正好與未摻劍麻纖維時(shí)形成的少量大裂紋相反，因此材料在斷裂前能夠達(dá)到高得多的應(yīng)變能密度[17].在相同劍麻纖維摻量的情況下，增加配筋率可減小裂縫寬度和裂縫間距.縱向受拉鋼筋直徑為16 mm的D16系列試驗(yàn)梁也具有相同規(guī)律.

3.2?  荷載? -跨中撓度曲線

本試驗(yàn)所有梁構(gòu)件的荷載-跨中撓度曲線如圖4所示.

由圖4可知：1）所有試驗(yàn)梁在開裂前的荷載-跨中撓度曲線呈線性且有明顯的屈服點(diǎn);2）同配合比的試驗(yàn)梁的屈服荷載和極限荷載都隨著配筋率的增加而增大，其韌性也相對(duì)提高;3）達(dá)到開裂荷載后，同配筋率試驗(yàn)梁在同荷載作用下，與梁L-D14相比，梁L-D14-SF1的撓度基本沒變，而L-D14-SF2、L-D14-SF3的撓度值分別增大約25.40%或10.23%，說明摻加劍麻纖維可使自密實(shí)輕骨料混凝土梁的能量吸能能力提高，當(dāng)摻量為2 kg/m3時(shí)，開裂后的試驗(yàn)梁吸能能力最強(qiáng);4）比較荷載-撓度曲線與橫坐標(biāo)軸所圍面積可知，當(dāng)劍麻纖維摻量為2 kg/m3時(shí)試驗(yàn)梁韌性最好.D16系列梁具有相同規(guī)律.

3.3? ?平截面假定的驗(yàn)證

本試驗(yàn)依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）和《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》，需要對(duì)與普通混凝土的材料構(gòu)成不同的劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土的平截面假定進(jìn)行驗(yàn)證.D14系列試驗(yàn)梁的跨中截面平均應(yīng)變分布如圖5所示.

由圖5可知，自密實(shí)輕骨料混凝土梁和劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁截面應(yīng)變均滿足平截面假定.與普通混凝土一樣，平截面假定不僅適用于混凝土開裂前，同樣適用于開裂后直至受壓區(qū)混凝土壓碎破壞的階段.說明鋼筋和自密實(shí)輕骨料混凝土或劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土之間具有較好的粘結(jié)性能，在混凝土破壞之前未有較大的相對(duì)滑移.

3.4? ? 鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

D14系列試驗(yàn)梁的鋼筋荷載-應(yīng)變曲線如圖6所示.

由圖6可知：試驗(yàn)梁在開裂前，曲線幾乎重合且呈線性，說明鋼筋、劍麻纖維和自密實(shí)輕骨料混凝土在彈性階段相互變形協(xié)調(diào)，此時(shí)劍麻纖維的摻加對(duì)鋼筋的應(yīng)變影響不大.達(dá)到彈塑性階段時(shí)，即試驗(yàn)梁開裂后，因開裂截面處的鋼筋發(fā)生應(yīng)力重分布，受拉鋼筋應(yīng)變迅速增大，此時(shí)，摻加的劍麻纖維對(duì)鋼筋應(yīng)變產(chǎn)生影響：在相同的鋼筋應(yīng)變下，與試驗(yàn)梁L-D14相比，試驗(yàn)梁L-D14-SF1所受荷載基本不變，而試驗(yàn)梁L-D14-SF2和L-D14-SF3所受荷載提高.說明跨越裂縫的劍麻纖維更有效的傳遞部分的拉應(yīng)力，使鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L速率減小.

4? ? 劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁的抗彎承載力分析

4.1? ?試驗(yàn)梁的開裂荷載和極限荷載計(jì)算

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010和《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》的計(jì)算原則，根據(jù)試驗(yàn)梁的破壞形式和試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系得到試驗(yàn)梁在極限狀態(tài)時(shí)的平衡關(guān)系，并考慮劍麻纖維的具體摻量的影響，對(duì)試驗(yàn)梁的開裂荷載和極限荷載進(jìn)行計(jì)算：

4.2? ?計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比分析

利用上述公式計(jì)算試驗(yàn)梁的開裂荷載和極限荷載，并與試驗(yàn)值對(duì)比，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表6所示.

由表6可知：1）與未摻加劍麻纖維的試驗(yàn)梁相比，劍麻纖維摻量為1 kg/m3或2 kg/m3對(duì)試驗(yàn)梁的開裂荷載影響不大，而摻量為3 kg/m3可明顯提高開裂荷載，提高40%，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)操作過程中使摻量為1 kg/m3和2 kg/m3的劍麻纖維在基體內(nèi)體積摻量較少而導(dǎo)致的;2）在相同配筋率的情況下，試驗(yàn)梁摻加劍麻纖維與否對(duì)極限荷載的影響差距不大，這與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)較吻合;3）相同配合比的試驗(yàn)梁相比，配筋率的增加對(duì)開裂荷載的影響較小，但大幅度提高了極限荷載，最大提高了38%;4）由開裂荷載的計(jì)算值與試驗(yàn)值比值可知，其計(jì)算平均誤差為1.00，標(biāo)準(zhǔn)差0.09，變異系數(shù)0.09.由極限荷載的計(jì)算值與試驗(yàn)值比值可知，其計(jì)算平均誤差為1.00，標(biāo)準(zhǔn)差0.07，變異系數(shù)0.07.由此可得，采用本文公式計(jì)算的劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土的開裂荷載和極限荷載與試驗(yàn)值的吻合度較好.

5? ? 結(jié)論

1）摻加劍麻纖維使梁的裂縫條數(shù)增加，但裂縫寬度和裂縫間距明顯減少，有效改善了梁的破壞形態(tài).當(dāng)摻量為2 kg/m3時(shí)，攪拌過程中分散性較摻量為3 kg/m3好，填充較摻量為1 kg/m3時(shí)均勻，漿體中水分沿親水性纖維表面遷移時(shí)，水灰比減小程度較大，界面區(qū)裂縫數(shù)量最大.纖維橫在裂紋上，且在自密實(shí)混凝土內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，使裂縫間距和寬度最小.

2）劍麻纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土梁的撓度有顯著影響，當(dāng)摻量為2 kg/m3或3 kg/m3時(shí)，撓度值比未摻加纖維的試驗(yàn)梁分別增大約25.40%或10.23%，不僅增強(qiáng)試驗(yàn)梁的能量吸能能力，也有效傳遞部分拉應(yīng)力以減小鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L速率.

3）自密實(shí)輕骨料混凝土梁和劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁在受彎過程中的截面應(yīng)變均滿足平截面假定.

4）劍麻纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土梁的極限荷載的影響不大，而對(duì)其開裂荷載有一定影響，當(dāng)劍麻纖維摻量為3 kg/m3時(shí)，開裂荷載提高最大為40%.

5）劍麻纖維自密實(shí)輕骨料混凝土梁的開裂荷載和極限荷載建議采用本文推導(dǎo)公式計(jì)算，可與試驗(yàn)值吻合較好.

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 李春蕊，王學(xué)志，李根，等. 纖維混凝土梁研究綜述[J].硅酸鹽通報(bào)，2018，37（4）：1255-1265.

[2]? ? 鄧?yán)誓?，梁靜遠(yuǎn)，廖羚，等. 基于光纖光柵的預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固鋼梁抗彎性能試驗(yàn)研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，26（2）：73-77.

[3]? ?MASHIMO H，ISAGO N，KITANI T，et al. Effect of fiber reinforced concrete on shrinkage crack of tunnel lining[J].Tunnelling and Underground Space Technolog，2006，21（3-4）：382-383.

[4]? ?TOUSSAINT E，DESTREBECQ J F，GRéDIAC M. A detailed study of crack propagation in cement-based fibre composite beams under bending[J].Cement and Concrete Composites， 2005，27（3）：399-411.

[5]? ? 張歡歡. 鋼纖維高強(qiáng)陶?；炷亮嚎箯澬阅茉囼?yàn)研究[D].廈門：華僑大學(xué)，2015.

[6]? ? 路鵬飛，孫林柱，趙俊亮，等. 超細(xì)鋼纖維混凝土彎曲韌性研究[J].混凝土與水泥制品， 2016（11）：45-49.

[7]? ?KANG S T，YUN L，PARK Y D，et al. Tensile fracture properties of an ultra high performance fiber reinforced concrete （UHPFRC） with steel fiber[J].Composite Structures，2010，92（1）：61-71.

[8]? ?AKCAY B，TASDEMIR M A. Mechanical behaviour and fibre dispersion of hybrid steel fibre reinforced self-compacting concrete[J].Construction and Building Materials，2012，28（1）：287-293.

[9]? ?PAJAK M，PONIKIEWSKI T. Flexural behavior of self-compacting concrete reinforced with different types of steel fibers[J].Construction and Building Materials，2013，47：397-408.

[10] YOO D Y，YOON Y S，BANTHIA N. Predicting the post-cracking behavior of normal- and high-strength steel-fiber-reinforced concrete beams[J].Construction and Building Materials， 2015，93：477-485.

[11]? 高丹盈，趙亮平，馮虎，等. 鋼纖維混凝土彎曲韌性及其評(píng)價(jià)方法[J].建筑材料學(xué)報(bào)， 2014，17（5）：783-789.

[12]? 劉赫凱.鋼纖維對(duì)高性能自密實(shí)混凝土構(gòu)件彎/剪性能的影響[D].大連：大連理工大學(xué)， 2012.

[13]? SORANAKOM C，MOBASHER B. Closed-form solutions for flexural response of fiber-reinforced concrete beams[J].Journal of engineering mechanics，2015，133（8）：933-941.

[14]? 叢明. 聚丙烯纖維再生混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究[D].延吉：延邊大學(xué)，2013.

[15]? 董健苗，王亞東，杜亞聰，等.不同長度及直徑的劍麻纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土力學(xué)性能的影響[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28（3）：26-30.

[16]? FILHO R D T，SCRIVENER K，ENGLAND G L，et al. Durability of alkali-sensitive sisal and coconut fibres in cement mortar composites[J].Cement and Concrete Composites，2000，22（2）：127-143.

[17]? 胡曙光.先進(jìn)水泥基復(fù)合材料[M].北京：科學(xué)出版社，2009.