塑鋼纖維輕骨料混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究

牛建剛 梁劍 焦孟友

摘 要：試驗(yàn)制作了塑鋼纖維摻量分別為0、3、6、9 kg/m3的4根輕骨料混凝土梁，研究塑鋼纖維對(duì)輕骨料混凝土梁受彎性能的影響。結(jié)果表明：塑鋼纖維有效地延緩了梁裂縫的發(fā)展，減小了最大裂縫寬度，使裂縫變得多而密;梁的開裂彎矩和極限彎矩隨塑鋼纖維摻量的增加均得到不同程度的提高，LC-9梁的開裂彎矩和極限彎矩相較于LC-0梁分別提高了72%和8.43%;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，最大提高了92.23%;塑鋼纖維使梁的相對(duì)受壓區(qū)高度略微增大，持荷能力提高，降低了受拉鋼筋應(yīng)變，延緩了鋼筋的屈服時(shí)間。

關(guān)鍵詞：塑鋼纖維;輕骨料混凝土;受彎性能;延性

中圖分類號(hào)：TU528.2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：2096-6717（2019）05-0092-07

Abstract：Four lightweight aggregate concrete beams with plastic steel fiber content of 0kg/m3， 3kg/m3， 6kg/m3， 9kg/m3 were produced， to study the effect of plastic steel fiber on the flexural properties of lightweight aggregate concrete beams. The results show that plastic steel fiber effectively delay the development of beam cracks and reduce the maximum crack width and make the cracks much denser. The cracking moment and the ultimate moment increase with the proportion of plastic steel fiber， the cracking moment and ultimate moment of the LC-9 beam are increased by 72% and 8.43%， respectively， compared with the LC-0 beam. With the fiber content increases， the yield deflection of the beam increases and the ultimate deflection increases. Meanwhile the deflection ductility coefficient μf increases， with a maximum increase of 92.23%. The plastic steel fiber reduces the height of the relative compression zone of the beam， the load-holding capacity is improved， and the strain of steel bar is reduced， and the yield time of the steel bar is delayed.

Keywords：plastic steel fiber; lightweight aggregate concrete; flexural behavior; ductility ?輕骨料混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]，被普遍用于高層、大跨等實(shí)際工程中[3]。塑鋼纖維密度小、耐腐蝕，作為增強(qiáng)材料能夠顯著改良輕骨料混凝土過脆、韌性差等缺點(diǎn)[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(duì)其進(jìn)行了大量的抗彎性能試驗(yàn)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(shí)，鋼纖維自身的缺點(diǎn)也較為突出，在混凝土中易生銹腐蝕，導(dǎo)致其增強(qiáng)作用得不到體現(xiàn)。在對(duì)合成纖維混凝土梁受彎性能進(jìn)行研究時(shí)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(zhǎng)過快的現(xiàn)象[12-14]。但目前對(duì)合成纖維混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)的研究相對(duì)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(qiáng)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(jìn)行塑鋼輕骨料混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)，分析其受彎性能，為在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)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(jí)普通硅酸鹽水泥;細(xì)骨料選用包頭本地河砂，骨料顆粒級(jí)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(jí)配燒結(jié)圓球型頁(yè)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(jí)月牙肋鋼筋，具體參數(shù)見表3;水為普通自來水。

1.2 配合比及混凝土強(qiáng)度

混凝土初步配合比設(shè)計(jì)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(gè)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(hù)，其實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度平均值如表5所示。

1.3 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4根輕骨料混凝土梁，長(zhǎng)度為2 100 mm，截面尺寸為150 mm×300 mm。其一為素輕骨料混凝土梁，編號(hào)LC-0，其余3個(gè)均為塑鋼纖維輕骨料混凝土梁，編號(hào)分別為L(zhǎng)C-3、LC-6、LC-9，即纖維摻量分別為3、6、9 kg/m3。試驗(yàn)所有試件配筋形式相同，受拉縱筋為216，架立筋為2φ8（不貫通）;箍筋為φ6@120，保護(hù)層厚度為20 mm。具體配筋如圖1所示。

1.4 加載及測(cè)試方案

1.4.1 測(cè)試方案 在每根縱向受拉鋼筋的中點(diǎn)位置粘貼型號(hào)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(hào)為BX120-80AA的混凝土應(yīng)變片。在跨中位置各布置位移計(jì)，以測(cè)量跨中撓度;在兩端支座放置對(duì)稱位移計(jì)以測(cè)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(yàn)采用三分點(diǎn)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]中的規(guī)定進(jìn)行分級(jí)加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞特征

當(dāng)荷載較小時(shí)，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(dá)25 kN左右時(shí)，梁跨中底部出現(xiàn)第1條裂縫，緊接著在兩加載點(diǎn)位置的梁底也出現(xiàn)裂縫。荷載持續(xù)增加，兩加載點(diǎn)之間純彎區(qū)段內(nèi)裂縫不斷增加且延伸，但裂縫寬度擴(kuò)展不明顯。當(dāng)荷載達(dá)到80 kN左右時(shí)，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(shí)，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(shí)，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_(dá)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(shí)，梁未發(fā)生明顯變化。荷載增加至43 kN時(shí)，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(dá)到85 kN左右時(shí)，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(diǎn)方向延伸。鋼筋屈服時(shí)，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(dá)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(duì)比試驗(yàn)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?yàn)?，塑鋼纖維的摻入提高了混凝土的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度提高越大，所以，試驗(yàn)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(shí)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?yàn)椋豪w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(shí)，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。

2.2 M-f曲線

各試驗(yàn)梁的彎矩?fù)隙龋∕-f）曲線如圖4所示。

由圖4可知，4根試驗(yàn)梁M-f曲線總體發(fā)展趨勢(shì)相似，均可分為3個(gè)階段。第一階段為彈性階段，荷載較小時(shí)，撓度隨彎矩增長(zhǎng)呈線性變化，4根試驗(yàn)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(dá)到其極限拉應(yīng)變時(shí)，梁出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入帶裂縫工作階段，M-f曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置隨塑鋼纖維摻量的增加而提高（圖4附有轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(zhǎng)，曲線斜率減小，梁剛度減小。雖然此階段各條曲線走勢(shì)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(dá)到屈服時(shí)，梁進(jìn)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(dá)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?yàn)樵诩虞d過程中，梁的相對(duì)受壓區(qū)高度隨纖維摻量的增加而略微減?。▓D6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(duì)應(yīng)的撓度（若試驗(yàn)結(jié)束時(shí)彎矩未下降至峰值的85%，取實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(shí)所對(duì)應(yīng)的撓度u與屈服撓度y的比值。

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(duì)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(shí)，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(duì)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(yàn)梁混凝土表面在各級(jí)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(dá)到峰值彎矩時(shí)，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(jí)情況下的相對(duì)受壓區(qū)高度x，由公式ξ=x/h0，得出各梁的彎矩截面相對(duì)受壓區(qū)高度曲線（M-ξ），如圖6所示。

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(gè)階段。加載開始時(shí)，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?yàn)閷⒘悍旁谥ё现埃炷翍?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?yàn)槭芾瓍^(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(shì)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(yàn)梁跨中鋼筋應(yīng)變隨彎矩變化曲線，如7所示。

由圖7可見，4根試驗(yàn)梁跨中鋼筋應(yīng)變總體變化趨勢(shì)一致。鋼筋應(yīng)變隨彎矩增加而增加。荷載較小時(shí)，4根梁鋼筋應(yīng)變基本相同，呈線性增長(zhǎng)。梁開裂后，在應(yīng)變圖上為出現(xiàn)一折點(diǎn)，曲線斜率有所減小，且明顯看出各試驗(yàn)梁鋼筋應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)高度的差異。隨纖維摻量的增加，折點(diǎn)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(dá)到屈服時(shí)，鋼筋應(yīng)變出現(xiàn)了突增現(xiàn)象，同時(shí)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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，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(jìn)而也推遲了鋼筋的屈服時(shí)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(gè)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(duì)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(shí)，減小了受拉鋼筋應(yīng)變，延緩了鋼筋屈服時(shí)間。

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（編輯 胡玲）