塑鋼纖維輕骨料混凝土梁受彎性能試驗研究

牛建剛，梁劍，焦孟友

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,包頭 014010)

輕骨料混凝土具有輕質(zhì)、高強等特點[1-2]，被普遍用于高層、大跨等實際工程中[3]。塑鋼纖維密度小、耐腐蝕，作為增強材料能夠顯著改良輕骨料混凝土過脆、韌性差等缺點[4-5]。將兩者結(jié)合，即得到性能更加優(yōu)良的塑鋼纖維輕骨料混凝土[6-7]。

近幾年,纖維混凝土梁發(fā)展較為迅速，學(xué)者們對其進行了大量的抗彎性能試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的摻入能夠明顯提高鋼筋混凝土梁的開裂荷載、極限荷載，減小鋼筋應(yīng)變，增加梁的抗彎剛度和延性，延緩裂縫發(fā)展，降低梁的最大裂縫寬度[8-11]。同時，鋼纖維自身的缺點也較為突出，在混凝土中易生銹腐蝕，導(dǎo)致其增強作用得不到體現(xiàn)。在對合成纖維混凝土梁受彎性能進行研究時發(fā)現(xiàn)，合成纖維的摻入同樣可提高梁的開裂荷載、極限荷載，增加梁延性，改善輕骨料混凝土梁加載后期撓度增長過快的現(xiàn)象[12-14]。但目前對合成纖維混凝土梁抗彎性能試驗的研究相對較少，且所用的合成纖維都很細(xì)，導(dǎo)致合成纖維本身的增強增韌效果得不到充分體現(xiàn)。

本文采用的塑鋼纖維為聚丙烯粗纖維，可避免纖維過細(xì)而造成纖維與混凝土粘結(jié)不足、易被抽出、易斷等缺陷。通過控制纖維摻量進行塑鋼輕骨料混凝土梁的抗彎性能試驗，分析其受彎性能，為在實際工程中的應(yīng)用提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗材料

水泥采用內(nèi)蒙古蒙西水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料選用包頭本地河砂，骨料顆粒級配合格，經(jīng)沖洗后含泥量為2.7%，細(xì)度模數(shù)為2.94，堆積密度為1 575 kg/m3；塑鋼纖維選用寧波大成新材料股份有限公司生產(chǎn)的塑鋼纖維(高性能改性聚丙烯粗纖維)，該纖維呈波浪形，其性能參數(shù)如表1所示；粗骨料為宜昌寶珠陶粒開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的連續(xù)級配燒結(jié)圓球型頁巖陶粒，陶粒的性能指標(biāo)如表2所示；減水劑采用聚羧酸減水劑；鋼筋為包鋼生產(chǎn)的HPB300光圓鋼筋和HRB400級月牙肋鋼筋，具體參數(shù)見表3；水為普通自來水。

表1 塑鋼纖維性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of plastic steel fiber

表2 陶粒性能指標(biāo)Table 2 Performance metrics of Ceramsite

表3 鋼筋的物理性能Table 3 Physical properties of steel bars

1.2 配合比及混凝土強度

混凝土初步配合比設(shè)計由松散體積法確定，再通過試配確定最終配合比,如表4所示。

在澆注混凝土?xí)r，每根梁試件預(yù)留了6個150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，與梁試件在相同條件下養(yǎng)護，其實測立方體抗壓強度平均值如表5所示。

表4 輕骨料混凝土配合比Table 4 Mix proportion of lightweight aggregate concrete

表5 立方體試塊平均抗壓強度Table 5 Average compressive strength of concrete cube

1.3 試件設(shè)計

圖1 試件配筋圖Fig.1 Specimen dimension and details of

1.4 加載及測試方案

1.4.1 測試方案 在每根縱向受拉鋼筋的中點位置粘貼型號為BX12-10AA的鋼筋應(yīng)變片，在梁跨中側(cè)面位置沿梁高度等距離粘貼5片標(biāo)距為80 mm的型號為BX120-80AA的混凝土應(yīng)變片。在跨中位置各布置位移計，以測量跨中撓度；在兩端支座放置對稱位移計以測量支座位移，從而消除支座沉降誤差，具體如圖2所示。

1.4.2 加載裝置與制度 試驗采用三分點集中加載，加載裝置如圖2所示。加載制度按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]中的規(guī)定進行分級加載。

圖2 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞特征

當(dāng)荷載較小時，未摻加塑鋼纖維的輕骨料混凝土梁，未發(fā)生明顯變化。當(dāng)荷載到達25 kN左右時，梁跨中底部出現(xiàn)第1條裂縫，緊接著在兩加載點位置的梁底也出現(xiàn)裂縫。荷載持續(xù)增加，兩加載點之間純彎區(qū)段內(nèi)裂縫不斷增加且延伸，但裂縫寬度擴展不明顯。當(dāng)荷載達到80 kN左右時，純彎段內(nèi)裂縫不再增加，而彎剪區(qū)開始出現(xiàn)斜裂縫，延伸較為迅速。荷載繼續(xù)增加，當(dāng)受拉縱向鋼筋屈服時，梁撓度增大，純彎段內(nèi)裂縫迅速發(fā)展，形成1～2條明顯裂縫，裂縫最大寬度為0.35 mm，且裂縫高度均超過梁高的2/3，同時，上部受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)多條水平細(xì)小裂縫，并伴隨著“砰砰”的響聲；當(dāng)?shù)竭_極限荷載后，荷載不再增加，撓度繼續(xù)增大，壓區(qū)混凝土被壓碎，試件破壞，為典型的適筋梁破壞，其破壞形態(tài)如圖3(a)所示。

其他3根塑鋼纖維輕骨料混凝土梁破壞過程相似，以LC-9梁為例說明其破壞過程。當(dāng)荷載較小時，梁未發(fā)生明顯變化。荷載增加至43 kN時，在跨中底部出現(xiàn)第1條豎向裂縫。荷載持續(xù)增加，純彎段內(nèi)裂縫增多。在荷載達到85 kN左右時，純彎段裂縫發(fā)展停滯，彎剪區(qū)裂縫出現(xiàn)，并向著加載點方向延伸。鋼筋屈服時，梁撓度增大，純彎段內(nèi)裂縫迅速發(fā)展，形成3～4條明顯裂縫，裂縫最大寬度為0.26 mm，裂縫高度均超過梁高的2/3。壓區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫、突起，裂縫處有亂向的纖維分布，部分纖維已被拉斷，并伴隨纖維被拉斷的響聲。當(dāng)達到極限荷載后，荷載不再增加，撓度增大，受壓區(qū)混凝土被壓碎，試件破壞，為適筋破壞，其破壞形態(tài)如圖3(d)所示。

對比試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，隨著塑鋼纖維摻量的增加，各梁的開裂荷載增大，其中，LC-3、LC-6和LC-9梁的開裂荷載分別為30、34、43 kN，這主要是因為，塑鋼纖維的摻入提高了混凝土的抗拉強度，在0～9 kg/m3的纖維摻量范圍內(nèi)，摻量越多，混凝土抗拉強度提高越大，所以，試驗梁的開裂荷載隨纖維摻量的增加而增大。圖3為各梁裂縫圖，LC-0梁裂縫較為稀疏，在加載過程中發(fā)展較快，破壞時裂縫間距較大，壓區(qū)混凝土被壓碎，呈粉塊狀脫落。而其他3根梁在加載過程中，隨著纖維摻量的增加，裂縫發(fā)展逐漸變得緩慢，裂縫條數(shù)增多，間距變小，最大裂縫寬度減小。這主要是因為：纖維在梁內(nèi)的亂向分布，起到了橋接混凝土的作用，抑制了裂縫的發(fā)展；在0～9 kg/m3的纖維摻量范圍內(nèi)，摻量越多，纖維的橋接作用越明顯。壓區(qū)混凝土呈塊狀突起狀態(tài)，且各塊狀混凝土之間有纖維連接，未發(fā)生明顯崩落現(xiàn)象。4根梁整體破壞時，受拉縱向鋼筋均屈服，壓區(qū)混凝土被壓碎，破壞前有明顯預(yù)兆。

圖3 梁的破壞形態(tài)

2.2 M-f曲線

各試驗梁的彎矩-撓度(M-f)曲線如圖4所示。

圖4 M-f曲線圖

由圖4可知，4根試驗梁M-f曲線總體發(fā)展趨勢相似，均可分為3個階段。第一階段為彈性階段，荷載較小時，撓度隨彎矩增長呈線性變化，4根試驗梁的初始剛度基本一致，撓度變化基本相同。當(dāng)受拉區(qū)邊緣混凝土達到其極限拉應(yīng)變時，梁出現(xiàn)裂縫，進入帶裂縫工作階段，M-f曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，且轉(zhuǎn)折點位置隨塑鋼纖維摻量的增加而提高(圖4附有轉(zhuǎn)折點處詳圖)，說明塑鋼纖維提高了輕骨料混凝土梁的開裂彎矩。之后撓度開始呈非線性增長，曲線斜率減小，梁剛度減小。雖然此階段各條曲線走勢大致相同，但差異開始突顯，隨著纖維摻量的增加，梁剛度增大，撓度減小。當(dāng)受拉縱向鋼筋達到屈服時，梁進入破壞階段。受拉縱向鋼筋屈服后，各梁撓度并沒有表現(xiàn)出驟然的增加，而是同前一階段撓度發(fā)展速度相仿，但隨著彎矩的不斷增大，各梁的剛度開始急劇下降，撓度急劇增大。其中，LC-0梁在受拉鋼筋屈服后，迅速達到峰值彎矩值，之后彎矩以較快的速度下降，撓度明顯增加。而其他3根梁彎矩峰值均略大于LC-0梁，纖維摻量增加，持荷能力和變形能力也略有增大，這主要是因為在加載過程中，梁的相對受壓區(qū)高度隨纖維摻量的增加而略微減小(圖6可直接看出)，使內(nèi)力臂略微增大，從而提高了梁的峰值彎矩。

2.3 梁的開裂彎矩、峰值彎矩和延性

表6給出了各根梁的開裂彎矩、峰值彎矩(文中所說的彎矩均為梁跨中彎矩，其值為M=(P/2)×0.6)及屈服撓度、峰值撓度、下降至85%峰值彎矩對應(yīng)的撓度(若試驗結(jié)束時彎矩未下降至峰值的85%，取實驗結(jié)束時的撓度值)和撓度延性系數(shù)，其中，撓度延性系數(shù)μf用來表征梁的延性，而撓度延性系數(shù)μf為梁下降至峰值彎矩的85%時所對應(yīng)的撓度u與屈服撓度y的比值。

表6 梁的特征荷載及撓度Table 6 Characteristic load and deflection of beams

由表6可知：1)輕骨料混凝土梁的開裂彎矩隨塑鋼纖維摻量的增加而提高，LC-3、LC-6和LC-9梁的開裂彎矩較LC-0梁分別提高了20%、36%和72%，說明塑鋼纖維對輕骨料混凝土梁起到了很好的阻裂作用。2)各梁的峰值彎矩值隨著纖維摻量的增加而略有增大，LC-3、LC-6和LC-9梁分別比LC-0提高2.25%、3.93%和8.43%。

同時，從表6也可看出，隨著塑鋼纖維摻量的增加，梁的屈服撓度減小，而極限撓度增大；撓度延性系數(shù)μf隨著塑鋼纖維摻量的增加而增大，即LC-3、LC-6和LC-9梁分別比LC-0梁的撓度延性系數(shù)提高了48.52%、87.5%和109.32%，說明塑鋼纖維對梁延性的提高作用顯著。

2.4 跨中截面應(yīng)變分布及M-ξ曲線

圖5為梁跨中截面混凝土表面應(yīng)變沿截面高度分布圖。明顯看出，試驗梁混凝土表面在各級彎矩作用下應(yīng)變沿截面高度的分布基本符合平截面假定，其中，當(dāng)梁達到峰值彎矩時，混凝土應(yīng)變也符合平截面假定。圖中部分曲線缺失，是由于應(yīng)變片受到破壞。

圖5 混凝土應(yīng)變沿截面高度分布Fig.5 Strain distribution along mid-span section of

圖5中，由各梁跨中截面混凝土表面應(yīng)變沿截面高度分布的情況，得出各梁在不同彎矩等級情況下的相對受壓區(qū)高度x，由公式ξ=x/h0，得出各梁的彎矩-截面相對受壓區(qū)高度曲線(M-ξ)，如圖6所示。

圖6 M-ξ曲線

由圖6可看出，加載過程中，各梁受壓區(qū)高度變化過程基本相似，大致可分為3個階段。加載開始時，各梁中和軸保持在截面物理形心位置處，ξ值略大于0.5，因為將梁放在支座上之前，混凝土應(yīng)變片已粘貼完成，在梁的自重作用下產(chǎn)生應(yīng)力，截面形成了拉、壓區(qū)，因為受拉區(qū)配有受拉鋼筋，截面重心下降，所以ξ初始值略大于0.5。彎矩增大，ξ值開始緩慢減小，纖維摻量增大，中和軸略有上移。當(dāng)拉區(qū)混凝土開裂后，彎矩持續(xù)增大，LC-9梁ξ值最大，中和軸位置上移最小，LC-6梁和LC-3梁ξ值相近，而LC-0梁ξ值相比最小，中和軸上移幅度最大，但整體趨勢中和軸在上移。彎矩繼續(xù)增大，當(dāng)受拉鋼筋屈服后，裂縫顯著開展，ξ值急劇減小，中和軸迅速上移。

2.5 跨中彎矩-鋼筋應(yīng)變

試驗梁跨中鋼筋應(yīng)變隨彎矩變化曲線，如7所示。

圖7 M-εs曲線圖

由圖7可見，4根試驗梁跨中鋼筋應(yīng)變總體變化趨勢一致。鋼筋應(yīng)變隨彎矩增加而增加。荷載較小時，4根梁鋼筋應(yīng)變基本相同，呈線性增長。梁開裂后，在應(yīng)變圖上為出現(xiàn)一折點，曲線斜率有所減小，且明顯看出各試驗梁鋼筋應(yīng)變轉(zhuǎn)折點高度的差異。隨纖維摻量的增加，折點位置提高，即開裂彎矩提高。在帶裂縫工作階段，各梁鋼筋的M-εs曲線已出現(xiàn)明顯區(qū)別，在相同彎矩作用下，纖維摻量越多，鋼筋的應(yīng)變值越小。荷載持續(xù)增加，當(dāng)鋼筋達到屈服時，鋼筋應(yīng)變出現(xiàn)了突增現(xiàn)象，同時可看出鋼筋的屈服彎矩隨纖維摻量的增加而增加，之后各組梁M-εs曲線出現(xiàn)第二個轉(zhuǎn)折點，彎矩不再增加，鋼筋應(yīng)變急劇增大。

通過分析總結(jié)認(rèn)為，梁開裂以后，塑鋼纖維協(xié)同縱向鋼筋共同工作的作用明顯，有效地起到了附加筋的作用，從而減小了縱向鋼筋的應(yīng)變，進而也推遲了鋼筋的屈服時間。

3 結(jié)論

1)塑鋼纖維輕骨料混凝土梁在加載過程中截面應(yīng)變分布基本符合平截面假定，并且都經(jīng)歷了彈性、帶裂縫工作和破壞3個階段，表現(xiàn)出適筋梁的破壞特征。塑鋼纖維的摻入有效地限制了裂縫的發(fā)展，明顯降低了裂縫寬度，使裂縫變得多而密。

2)塑鋼纖維的摻入明顯提高了梁的開裂彎矩，且纖維摻量越多，提高效果越明顯；而峰值彎矩略有提高。其中，LC-9梁的開裂彎矩和峰值彎矩相較于LC-0梁分別提高了72%和8.43%。

3)纖維摻量增加，梁的屈服撓度減小，極限撓度增大，撓度延性系數(shù)μf增大，LC-3、LC-6和LC-9梁的撓度延性系數(shù)分別比LC-0梁提高了26.99%、72.23%和92.23%，說明塑鋼纖維對輕骨料混凝土梁的延性提升效果顯著。

4)塑鋼纖維協(xié)同縱向鋼筋起到抗拉作用，有效地提升了梁的持荷能力，同時，減小了受拉鋼筋應(yīng)變，延緩了鋼筋屈服時間。