玄武巖纖維改性HSCC柱偏心受壓試驗(yàn)研究

王鈞，白雪石，薛鶴

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

玄武巖纖維(BF)以良好的抗拉性、耐腐蝕性、廣闊的溫度適用范圍等優(yōu)勢，使其與混凝土結(jié)合可廣泛應(yīng)用于嚴(yán)寒、沿海等工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣的建筑物中[1-4]。在實(shí)際工程中，針對建筑物因大跨、重載和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素，引起的混凝土結(jié)構(gòu)自重大、澆筑后振搗困難、施工不易等問題，高強(qiáng)自密實(shí)混凝土(HSCC)可有效發(fā)揮作用[5-6]。將BF應(yīng)用到HSCC結(jié)構(gòu)中，不僅可在提高混凝土強(qiáng)度等級、減輕自重的同時(shí)解決振搗困難、減少噪聲，還可以提高混凝土的抗裂性，提高結(jié)構(gòu)耐久性[7-9]。

實(shí)際工程中，鋼筋混凝土柱常處于偏心受壓受力狀態(tài)，因此，開展玄武巖纖維改性HSCC柱偏心受壓性能研究具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值。目前，關(guān)于玄武巖纖維應(yīng)用到混凝土柱的研究相對較少，王新忠等[10-11]、侯敏等[12]、夏海濤[13]等分別針對配筋玄武巖纖維混凝土柱、玄武巖纖維再生混凝土柱、玄武巖纖維高強(qiáng)混凝土柱的受壓性能展開研究。然而，以自密實(shí)、高強(qiáng)為特性，結(jié)合BF改性的HSCC柱偏心受力性能研究尚未見報(bào)道，基于HSCC的應(yīng)用廣泛程度，有必要作進(jìn)一步探討[14-15]。

以玄武巖纖維的體積摻量、長度、結(jié)構(gòu)柱受壓的偏心距為變量，制備BF改性HSCC構(gòu)件柱，進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)，研究BF的加入對配筋HSCC柱受力性能的改善效果，豐富BF改性HSCC的研究內(nèi)容。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5組10個(gè)HSCC長柱試件，每組兩個(gè)柱分別進(jìn)行偏心距為40、120 mm的受壓試驗(yàn)。為探究BF對試件受力性能的影響，BF體積摻量分別取0、0.1%、0.2%，長度分別取15、30 mm，偏心距分別取40、120 mm。試件基本參數(shù)與編號規(guī)則分別見表1、圖1。

表1 試件基本參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

圖1 試件編號規(guī)則

根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)》(GT/B 288.1—2010)測得縱筋、箍筋的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度如表2。為避免柱偏心受壓時(shí)發(fā)生局壓破壞，于柱頂布置4 mm厚鋼板，試件設(shè)計(jì)尺寸與配筋情況詳見圖2。

表2 鋼筋力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of steel bars

圖2 試件的配筋

1.2 試驗(yàn)材料及力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 281—2012)等規(guī)范，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級為C60高強(qiáng)自密實(shí)混凝土，設(shè)計(jì)配合比[15]如表3所示。主要組成材料為：水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見表4；細(xì)骨料選用中砂，細(xì)度模數(shù)為2.71、表觀密度為2 530 kg/m3；粗骨料選用粒徑小于20 mm的碎石，表觀密度為2 733 kg/m3，粒徑級配為5～20 mm；減水劑選用聚羧酸系高效減水劑，減水率為40%；摻合料采用I級粉煤灰及微硅粉；纖維選用山東聚源玄武巖纖維股份有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，具體參數(shù)如表5所示。

表3 混凝土基準(zhǔn)配合比Table 3 Benchmark mix proportion of concrete (kg·m-3)

表4 水泥性能指標(biāo)

表5 玄武巖纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 5 Physical and mechanical properties of basalt fiber

澆筑混凝土前，對混凝土進(jìn)行了強(qiáng)度值及流動性測試試驗(yàn)?；炷翉?qiáng)度值由同條件下成型養(yǎng)護(hù)28 d的3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)測得后取平均值，擴(kuò)展度依據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 283—2012)測得，結(jié)果列于表6。

表6 混凝土強(qiáng)度值及流動性指標(biāo)

1.3 加載方案

試驗(yàn)采用人工加載千斤頂?shù)姆绞?。試件上、下端均放置刀口鉸支座，圖3為加載裝置圖。據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152—2012)進(jìn)行1～2次預(yù)加載，荷載值為計(jì)算承載力的10%，計(jì)算承載力按規(guī)范[16]公式計(jì)算得到。正式加載采用分級單調(diào)加載，每級加載計(jì)算極限荷載的10%，加載達(dá)到極限荷載的80%后開始緩慢加載，每級加荷減半，不同階段的持荷時(shí)間統(tǒng)一按規(guī)范要求，記錄各級荷載所對應(yīng)的變形值及裂縫開展情況等，直至試件破壞，停止試驗(yàn)，獲取試件實(shí)測承載力及破壞形態(tài)。

圖3 加載裝置圖

1.4 測點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)采集

為分析試件受壓過程中的混凝土、鋼筋應(yīng)變與試件側(cè)向撓度的變化，對構(gòu)件表面混凝土、內(nèi)部鋼筋布置應(yīng)變片，其位置如圖4所示。圖4(b)中標(biāo)注的a側(cè)為圖4(a)試件左視圖，b側(cè)為圖4(a)試件右視圖。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

圖4 測點(diǎn)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

大偏心受壓破壞的5個(gè)試件，其破壞形態(tài)、跨中縱向鋼筋荷載-應(yīng)變曲線分別如圖5(a)、圖6(a)所示。當(dāng)加載接近計(jì)算承載力20%時(shí)，柱中部a側(cè)先后出現(xiàn)2條橫向裂縫；隨著荷載的不斷增加，a側(cè)不斷出現(xiàn)新裂縫的同時(shí)，舊裂縫持續(xù)向水平方向兩側(cè)延伸，直至貫通，此時(shí)，構(gòu)件的側(cè)向撓度也漸為明顯，a側(cè)中部裂縫的寬度逐漸變大，發(fā)展為主裂縫。在受力過程中，當(dāng)加載約達(dá)到極限承載力的80%時(shí)，監(jiān)測到a側(cè)受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服，繼續(xù)加載，b側(cè)混凝土被壓碎。構(gòu)件最終縱向鋼筋的受拉應(yīng)變均大于受壓應(yīng)變，受拉鋼筋均屈服而受壓鋼筋應(yīng)變較小，尚未達(dá)屈服。大偏心構(gòu)件呈現(xiàn)明顯的延性破壞特征。

小偏心受壓破壞的5個(gè)試件，其破壞形態(tài)、跨中縱向鋼筋荷載-應(yīng)變曲線分別如圖5(b)、圖6(b)所示。在荷載增加過程中，試件的a側(cè)出現(xiàn)較少彎曲裂縫，且裂縫發(fā)展較緩慢。當(dāng)構(gòu)件接近破壞時(shí)，b側(cè)牛腿處出現(xiàn)豎向裂縫，試件內(nèi)部持續(xù)發(fā)出“嘶嘶”的聲音。隨著聲音不斷加急變大，受壓承載力達(dá)到極限，試件突然發(fā)出很大“砰”的響聲，b側(cè)中部附近混凝土壓碎脫落，少部分碎塊崩出，破壞處呈錐體，裸露出部分箍筋與縱筋，全過程中，受拉與受壓鋼筋均未發(fā)生屈服，摻加纖維的小偏心構(gòu)件和對照組構(gòu)件都表現(xiàn)為脆性破壞。

2.2 荷載分析

將10個(gè)偏心受壓柱的開裂荷載及極限承載力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)，大、小偏心受壓試驗(yàn)結(jié)果如表7、表8所示。

圖5 受壓破壞形態(tài)

圖6 荷載鋼筋應(yīng)變曲線

表7 大偏心受壓試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Measured result of large eccentric compression members

由表7可以看出，玄武巖纖維的加入提高了大偏心受壓HSCC柱的開裂荷載和極限荷載。在大偏心構(gòu)件受力過程中，纖維的加入分擔(dān)部分拉區(qū)混凝土應(yīng)力，延緩拉區(qū)混凝土微裂縫的產(chǎn)生，有效推遲受拉鋼筋屈服，使構(gòu)件受力過程中能夠承擔(dān)更高的荷載，進(jìn)而提高構(gòu)件極限承載力。當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.1%、纖維長度為15 mm時(shí)，Pcr、Pu提高幅度最大，分別為20.7%、18.2%。

由表8可知，BF體積摻量0.1%時(shí)，可顯著提升小偏心受壓HSCC柱開裂荷載與極限承載力，當(dāng)纖維長度為15 mm時(shí)，試驗(yàn)組Pcr、Pu值最大，較對照試件提高11.8%、16.7%。

表8 小偏心受壓試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Measured result of small eccentric compression members

因此，對于偏心受壓柱，體積摻量為0.1%、長度為15 mm的玄武巖纖維參數(shù)是改性HSCC柱偏心受壓性能的較理想?yún)?shù)值。BF的加入能有效阻止HSCC柱偏心受壓時(shí)初始裂縫產(chǎn)生，并延緩其增長，提高HSCC柱開裂后的持荷能力。

這是因?yàn)?，由于適量BF在高強(qiáng)自密實(shí)混凝土中的亂向分布狀態(tài)，使纖維之間呈三維無規(guī)則相互搭接方式，與周圍的骨料共同作用，構(gòu)成大范圍的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使柱中鋼筋骨架得到二次加強(qiáng)，構(gòu)成新的受力骨架體系，能夠承擔(dān)一部分應(yīng)力集中的對混凝土產(chǎn)生的破壞。同時(shí)，纖維的摻入，主要提高構(gòu)件抗拉性能。在應(yīng)力作用下，可消耗部分能量，削弱受力過程中應(yīng)力傳遞至柱拉區(qū)混凝土的速度與強(qiáng)度，從而起到改善混凝土脆性開裂的作用，延緩初始裂縫的產(chǎn)生。

在微裂縫出現(xiàn)后，纖維還可發(fā)揮橋接裂縫的作用，并使裂縫開裂路徑更曲折，減慢微裂縫持續(xù)擴(kuò)展的速率，提高構(gòu)件開裂后達(dá)到破壞時(shí)的極限承載力。

基于表7、表8試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析試件偏心受壓時(shí)開裂荷載、極限荷載隨參數(shù)變化的規(guī)律，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 開裂荷載變化趨勢圖

圖8 極限承載力變化趨勢圖

由圖7、圖8中的曲線走向可知，隨著纖維長度的增加，大偏心受壓柱開裂荷載、極限荷載總體下降趨勢，但較纖維體積摻量的變化，纖維長度的改變對Pcr、Pu實(shí)測值影響更大，纖維長度由15 mm增至30 mm，Pcr、Pu較對照組降低10.4%、11.7%。

這是因?yàn)椋?dāng)纖維體積摻量一定，長度為30 mm的BF數(shù)量是長度為15 mm的1/2，致使纖維發(fā)揮橋接作用削弱。雖然，纖維體積摻量過多時(shí)，對大偏心受壓構(gòu)件產(chǎn)生降低作用，但仍未超過摻入纖維對其的增強(qiáng)作用，大偏心受壓構(gòu)件受力過程中抗拉性能起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致纖維長度由15 mm增至30 mm時(shí)，對大偏心受壓構(gòu)件開裂荷載、極限承載力的改善效果降低。

對于小偏心受壓試件，由圖7、圖8中的曲線觀察，當(dāng)纖維長度由15 mm增至30 mm時(shí)，試件開裂荷載值、極限荷載值上下波動較小。而隨纖維體積摻量的增大，纖維對混凝土性能的影響較為明顯，當(dāng)玄武巖纖維長度15 mm，體積摻量由0.1%增至0.2%時(shí)，柱開裂荷載與極限荷載呈現(xiàn)出22.4%、33.1%較大幅度下降，表明玄武巖纖維體積摻量改變對試件小偏心受壓性能的作用更明顯。

這是因?yàn)椋?dāng)BF摻量為0.2%時(shí)，自密實(shí)性能降低，增大纖維在其中團(tuán)聚風(fēng)險(xiǎn)，使得構(gòu)件的內(nèi)部缺陷增多。對于小偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)纖維摻量過高，纖維對基材性能的增強(qiáng)作用減弱效果進(jìn)一步表現(xiàn)在受力過程中，致使構(gòu)件韌性受到較大影響，加速其破壞過程。

2.3 混凝土荷載-應(yīng)變分析

為探究加載過程中，玄武巖纖維的加入對混凝土構(gòu)件應(yīng)變變化的影響，分別繪制大、小偏心受壓構(gòu)件a、b側(cè)中部拉、壓區(qū)混凝土的荷載-應(yīng)變曲線，如圖9所示。其中，圖9(a)、(b)應(yīng)變數(shù)據(jù)分別選取圖4所示a、b側(cè)柱中混凝土應(yīng)變片數(shù)據(jù)的平均值。

圖9 偏心受壓構(gòu)件荷載-應(yīng)變曲線

從圖9可以看出：在同級荷載受力作用下，BF體積摻量0.1%、長度15 mm的玄武巖纖維高強(qiáng)自密實(shí)混凝土柱大、小偏心受壓下的混凝土拉、壓應(yīng)變均較對照組小，且在最大幅度提高極限承載力的同時(shí)，試件的最大拉、壓應(yīng)變可分別降低對照組的25.0%、15.0%。

這是由于混凝土在受力過程中，內(nèi)部由初始微小裂縫的產(chǎn)生逐漸過渡到宏觀裂縫的出現(xiàn)并發(fā)展，部分薄弱混凝土砂漿整體被分裂，導(dǎo)致裂面間產(chǎn)生一定相對滑移，而在混凝土中摻加適量BF，可在裂縫處增強(qiáng)摩阻力，并以其較高的彈性模量分擔(dān)更多的承載力，提高混凝土柱極限承載力，從而降低壓區(qū)混凝土產(chǎn)生的最大應(yīng)變值。

2.4 荷載-撓度分析

為分析玄武巖纖維的加入對構(gòu)件受力過程中跨中撓度變化的影響，以大偏心受壓構(gòu)件為例，繪制了荷載-跨中撓度關(guān)系曲線，如圖10所示。

圖10 荷載-跨中撓度曲線

觀察與分析圖10可知，在承受相同荷載時(shí)，加入纖維的混凝土構(gòu)件，構(gòu)件跨中撓度值小于對照組，達(dá)到極限承載力時(shí)，跨中最大變形增幅7.6%。纖維的摻加可較小幅度的改善HSCC柱構(gòu)件的變形能力。由于玄武巖纖維在拉區(qū)混凝土中發(fā)揮了較好的增韌阻裂作用，當(dāng)接近極限荷載時(shí)，跨中變形雖增大，但增長幅度小于對照組構(gòu)件，降低了由柱中變形的迅速增大而引起的附加彎矩值的加劇增長，從而使柱的承載力得到相應(yīng)提高。

3 結(jié)論

基于玄武巖纖維改性HSCC柱偏心受壓試驗(yàn)，獲得不同纖維摻量、纖維長度、偏心距等參數(shù)改變時(shí)柱受力性能的試驗(yàn)結(jié)果，基于試驗(yàn)與分析獲得如下結(jié)論。

1)對于偏心受壓柱，體積摻量為0.1%、長度為15 mm的玄武巖纖維參數(shù)是改性HSCC柱偏心受壓性能的相對最佳值。

2)當(dāng)摻入最佳參數(shù)的玄武巖纖維時(shí)，大、小偏心受壓構(gòu)件的開裂荷載最大增幅分別為20.7%、11.8%，極限承載力也達(dá)到增幅最大值，分別為18.2%、16.7%。

3)玄武巖纖維的摻入可有效分擔(dān)混凝土應(yīng)變，較為顯著地影響大偏心受壓構(gòu)件拉區(qū)混凝土與小偏心受壓構(gòu)件壓區(qū)混凝土的最大應(yīng)變值，最佳摻量時(shí)可分別減小25.0%、15.0%。

4)玄武巖纖維的摻加可在一定程度上改善混凝土柱構(gòu)件的變形能力，使大偏心受壓構(gòu)件中部最大撓度增幅達(dá)到7.6%，但BF體積摻量、長度參數(shù)的改變對撓度影響不大。