不同纖維摻量BFRP筋玄武巖纖維再生混凝土梁抗剪性能試驗研究

白雅嘉，劉華新，陳海濤，李慶文，王學志

不同纖維摻量BFRP筋玄武巖纖維再生混凝土梁抗剪性能試驗研究

白雅嘉1，劉華新1，陳海濤2，李慶文1，王學志1

(1. 遼寧工業(yè)大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001；2. 遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，遼寧 營口 115009)

通過6根玄武巖纖維(BFRP)筋玄武巖纖維再生混凝土梁的受剪試驗，研究短切纖維摻量對BFRP筋纖維再生混凝土梁的裂縫開展、跨中撓度、開裂荷載和極限荷載的影響。研究結(jié)果表明：試驗梁跨中撓度隨玄武巖纖維體積摻量的提高先增大后減??；開裂荷載隨玄武巖纖維體積摻量的提高略微增加；極限荷載隨玄武巖纖維體積摻量的提高先增大后減??；玄武巖纖維體積摻量在0.2%時，極限荷載為峰值增強效果最明顯。依據(jù)試驗結(jié)果并參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2015)對BFRP筋纖維再生混凝土梁極限承載力進行計算，結(jié)果表明計算值和試驗值吻合較好。

玄武巖纖維；BFRP筋；纖維體積摻量；抗剪性能；再生混凝土

為解決結(jié)構(gòu)密集配筋區(qū)域混凝土振搗困難及混凝土鋼筋之間握裹力下降所引起的結(jié)構(gòu)裂縫，提高結(jié)構(gòu)的適用性、安全度和耐久性，纖維混凝土(Fiber reinforced concrete，簡稱FRC)已經(jīng)普遍應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)[1?2]。將纖維摻入混凝土中可以改善裂縫形態(tài)，抑制裂縫擴展，減小裂縫寬度，提混凝土高抗裂性和韌性[3?8]。賈明皓等[9]對玄武巖纖維的國內(nèi)外最新進展研究表明，纖維的摻入能加強基體性能并對混凝土起到阻裂與抗裂作用。趙燕茹等[10]研究纖維摻量對玄武巖纖維混凝土微觀及宏觀的影響，通過數(shù)據(jù)回歸建立本構(gòu)關(guān)系并結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)得到摻入玄武巖纖維的確可以提升混凝土平均的峰值應(yīng)力和應(yīng)變，也能降低混凝土的內(nèi)部缺陷的結(jié)論。陳偉等[11]研究玄武巖纖維對混凝土梁抗裂的影響，得出玄武巖纖維的摻入可以提高混凝土的開裂荷載。纖維再生混凝土是將適當?shù)亩糖欣w維均勻摻入再生混凝土中。董江峰等[12]對多個再生骨料取代率下的玄武巖纖維再生混凝土進行力學性能試驗研究發(fā)現(xiàn)，當玄武巖纖維摻量為4 kg/m3且骨料取代率為50%時力學性能指標提高最為明顯。因此，混凝土中摻入適量的纖維能改善混凝土的性能且對實際工程有著積極地意義。玄武巖纖維增強復(fù)合材料(BFRP)筋作為傳統(tǒng)鋼筋的有效替代品以其耐腐、高強的特點已經(jīng)越來越多的被應(yīng)用到工程結(jié)構(gòu)中，被視為鋼筋的替代品。Issa等[13]通過12根BFRP混凝土梁抗剪試驗得出，BFRP筋混凝土梁和鋼筋混凝土梁的抗剪承載力相近。劉華新等[14]以BFRP筋配筋率、再生混凝土抗壓強度、剪跨比3個變量對9根BFRP筋再生混凝土梁進行抗剪試驗，結(jié)果表明剪跨比是影響B(tài)FRP筋再生混凝土梁的重要因素。BFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)由于卓越的性能具有一定的發(fā)展前景，且有投入應(yīng)用的工程實例以及與之相對應(yīng)的規(guī)范[15?16]。國內(nèi)外相關(guān)學者[17?18]對玄武巖纖維混凝土梁、BFRP筋混凝土梁和再生混凝土梁研究較多，但對于BFRP筋纖維再生混凝土梁還鮮有研究。本文針對6根以玄武巖纖維體積摻量為唯一變量的BFRP筋纖維再生混凝土梁，通過等差遞增不同摻量的玄武巖纖維抗剪試驗，研究不同玄武巖纖維體積摻量對BFRP筋纖維再生混凝土梁裂縫的開展趨勢、跨中撓度、剪切開裂荷載及極限荷載的影響，參考普通混凝土梁受剪承載力的計算公式，并在此基礎(chǔ)上引入玄武巖纖維增強系數(shù)和玄武巖特征參數(shù)，對BFRP筋纖維再生混凝土梁抗剪極限承載力進行計算。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

本次試驗設(shè)計制作梁共6根，試件長度為1 450 mm，寬為200 mm，高為300 mm，保護層厚度為40 mm，計算跨度為1 200 mm，截面的縱筋選用3根直徑為16 mm的BFRP筋，箍筋采用直徑為6.5 mm的BFRP筋，為了保證BFRP筋與混凝土之間的黏結(jié)強度縱筋端部采用機械加固的方式(在縱筋端部分別用橫向短BFRP筋進行3道綁扎)。試驗唯一變量為纖維體積摻量(0%，0.1%，0.15%，0.2%，0.25%和0.3%)。試件編號及各項參數(shù)見表1，BFRP筋力學性能見表2、玄武巖纖維力學性能見表3(均為廠家提供)。

表1 試件編號及各項參數(shù)

表2 BFRP筋力學性能

試驗選取的水泥是標號42.5的普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為細度14.2%的Ⅱ級粉煤灰；細骨料為優(yōu)質(zhì)河沙；再生粗骨料來自于實驗室廢棄混凝土梁，通過人工破碎，分級成粒徑5~20 mm碎石；減水劑為減水率35%的聚羧酸系高性能減水劑?；炷僚浜媳纫姳?。

表3 玄武巖纖維力學性能

表4 混凝土配合比

1.2 試驗的加載與測量

圖1是本試驗的裝置，在分級加載模式下試驗采用集中力4點對稱加載，加載速率為1 kN/s，取35 kN為單次分級荷載，在預(yù)測開裂荷載和極限荷載的附近每級荷載取15 kN。由于有腹筋梁支座處撓度較小，故本試驗撓度計只布置在加載點和跨中位置。

單位：mm

2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果與參數(shù)如表5，u為抗剪極限承載力；cr為剪切開裂承載力；t為劈裂抗拉強度；λf為玄武巖纖維特征參數(shù)；為最大跨中撓度。

2.1 裂縫開展形態(tài)及其破壞模式

由圖2可以看出試驗梁最終破壞形態(tài)均為剪切破壞。以梁BF-1為例，在開始加載時，BFRP筋纖維再生混凝土梁在梁凈跨的1/2處最先出現(xiàn)一條豎向裂縫其高度約為50 mm，寬度約為0.04 mm。隨著荷載的增加豎向裂縫向上擴展至1/2梁高處同時剪跨區(qū)也開始出現(xiàn)彎剪斜裂縫。當荷載繼續(xù)增加，斜裂縫向支座和加載點延伸。隨著荷載的繼續(xù)增加跨中的豎向裂縫在梁高的2/3處停止發(fā)展，寬度為0.2 mm。此時斜裂縫下方豎向裂縫隨荷載的增加隨斜裂縫匯聚一起并繼續(xù)向加載點靠近，最大斜裂縫寬度為2.54 mm。在加載的過程中能清晰聽到梁中傳來的劈裂聲且透過裂縫可以觀察到劈裂面骨料拉斷痕跡，最后貫穿梁的主要斜裂縫迅速擴展，剪壓區(qū)高度減小，剪壓區(qū)下混凝土突然破壞，試驗梁壓壞。與梁BF-1相比，其余試驗梁隨著纖維體積摻量的增加破壞形態(tài)有不同的改善。主要表現(xiàn)在試驗梁表面隨著纖維體積摻量的增加裂縫條數(shù)變多，裂縫的最大寬度減小，使試驗梁的破壞模式從脆性轉(zhuǎn)化為延性。

2.2 荷載?撓度曲線

圖2反映的是不同纖維體積摻量下荷載?撓度曲線。試驗梁在加載初期階段，荷載?撓度呈現(xiàn)上升之勢，隨著荷載的增大各個試驗梁的跨中撓度差別不大，但其隨荷載增大而增大；在繼續(xù)加載后，試驗梁相同荷載下的跨中撓度隨著玄武巖纖維體積摻量的增加呈不穩(wěn)定狀態(tài)，此現(xiàn)象說明在試件制作過程中纖維的分布不均勻造成撓度變化不一?？傮w來看，跨中撓度值隨纖維體積摻量的提升先增大再減小。

表5 試驗結(jié)果

圖2 試件破壞形態(tài)

2.3 開裂荷載

試驗梁出現(xiàn)第一條裂縫時的荷載定義為開裂荷載，裂縫出現(xiàn)的位置一般為試驗梁的純彎段。在加載的過程中當試件主拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度時，試件混凝土開裂。玄武巖纖維摻入混凝土中，試件加載時BFRP筋、混凝土和玄武巖纖維之間會產(chǎn)生應(yīng)力重分布。纖維在與骨料相互協(xié)同受力時，纖維承擔部分拉力限制了裂縫的發(fā)展阻礙裂縫的出現(xiàn)，有一定的阻裂作用。如圖4，隨著纖維體積摻量的提高，試驗梁的開裂荷載都略微增大，即：當纖維體積摻量從0提高到0.1%(BF-2)時，開裂荷載提高了14.6%；當纖維體積摻量從0.1%提高到0.15%(BF-3)時，開裂荷載提高了1.74%；當纖維體積摻量從0.15%提高到0.20%(BF-4)時，開裂荷載提高了2.11%；當纖維體積摻量從0.20%提高到0.25%(BF-5)時，開裂荷載提高了1.87%；當纖維體積摻量從0.25%提高到0.30%(BF-6)時，開裂荷載提高了1.1%。由此可得玄武巖纖維對試驗梁開裂荷載的增大有一定的影響。

2.4 極限荷載

各試驗梁的極限荷載如圖5所示，在加載初期，梁內(nèi)部的拉應(yīng)力主要由混凝土承擔，纖維承受的力較小。當梁開裂后，混凝土內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生了重新發(fā)布，此時拉應(yīng)力主要由裂縫間的玄武巖纖維承擔，隨著荷載的增加，拉應(yīng)力再由玄武巖纖維傳遞到兩邊的混凝土上，這樣就保持了混凝土內(nèi)部應(yīng)力場均勻、連續(xù)的分布，進而提高了梁的極限承載力。當纖維體積摻量為0.20%時極限承載力提高最明顯，但隨著摻入纖維體積摻量的增加，纖維數(shù)目、纖維比表面積也隨之增大，使得混凝土在攪拌的過程中易發(fā)生纖維結(jié)團，結(jié)團的纖維增加了混凝土內(nèi)部的薄弱界面，從而造成了梁的承載力下降。即：當纖維體積摻量從0提高到0.1%(BF-2)時，極限荷載提高了3.56%；當纖維體積摻量從0.1%提高到0.15%(BF-3)時，極限荷載提高了2.64%；當纖維體積摻量從0.15%提高到0.20%(BF-4)時，極限荷載提高了9.23%；當纖維體積摻量從0.20%提高到0.25%(BF-5)時，極限荷載下降了6.25%；當纖維體積摻量從0.25%提高到0.30%(BF-6)時，極限荷載下降了18.73%。因此當纖維體積摻量在0%~2%范圍內(nèi)試驗梁的極限荷載增大，纖維體積摻量在2%時極限荷載到達峰值，纖維體積摻量在2%~3%時極限荷載降低。

圖3 荷載?撓度曲線

圖4 試件開裂荷載

圖5 試件極限荷載

3 受剪承載力計算

3.1 受剪承載力計算

Poulos[19]將(纖維增強系數(shù))和f(纖維特征參數(shù))引入抗剪承載力公式中計算纖維混凝土抗剪承載力，文獻[20]中表示再生混凝土梁的抗剪性能類似于普通混凝土梁，故參照GB 50010—2015《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的有腹筋混凝土梁抗剪承載力計算公式計算再生混凝土梁抗剪承載力。下為對考慮，f的BFRP筋纖維再生混凝土梁的抗剪承載力計算：

式中：u為BFRP筋纖維再生混凝土梁抗剪承載力；為剪跨比；f為不同纖維體積摻量下纖維混凝土的抗拉強度；為截面寬度；0為截面有效高度。f為箍筋的抗拉強度設(shè)計值；A為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部橫截面積；為箍筋間距。

參照文獻[21]中引用的玄武巖增強系數(shù)公式進行計算：

式中：φ為相對玄武巖纖維混凝土厚度，其值為玄武巖纖維混凝土層厚h與試件截面有效高度0的比值，取φ=1；為縱筋配筋率。

將式(2)代入式(1)中，得到BFRP筋纖維再生混凝土梁抗剪承載力的計算公式：

3.2 計算值與試驗值對比

將試驗梁抗剪極限荷載計算值cal與試驗值u進行對比，如表6所示，結(jié)果表明計算值和試驗值吻合較好。

表6 試驗值與計算值比較

4 結(jié)論

1) 隨著玄武巖纖維體積摻量的增大，BFRP筋纖維再生混凝土梁的剪切開裂荷載略微提高，當玄武巖纖維體積摻量為0.3%時提高最大，即提高22.67%。

2) 隨著玄武巖纖維體積摻量的增大，BFRP筋纖維再生混凝土梁的極限荷載值先增大后減小且波動范圍不超過20%。

3) 玄武巖纖維體積摻量在0.2%時，極限荷載為峰值增強效果最明顯，即提高16.1%。

4) 結(jié)合試驗結(jié)果并參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2015)對BFRP筋纖維再生混凝土梁極限承載力進行計算，結(jié)果表明計算值和試驗值吻合較好。

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Experimental study on shear behavior of BFRP bars-basalt fiber reinforced recycled concrete beams with different chopped fiber contents

BAI Yajia1, LIU Huaxin1, CHEN Haitao2, LI Qingwen1, WANG Xuezhi1

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China;2. Liaoning Agricultural Technical Collage, Yingkou 115009, China)

The effect of fiber content on crack development, mid-span deflection, diagonal cracking strength and ultimate shear strength was studied from the shear tests of six BFRP bars-fiber recycled aggregate concrete (RAC) beams. Experimental data show that the mid-span deflection first increases and then decreases with increasing basalt fiber volume content. The cracking load increases slightly with increasing basalt fiber volume content. The ultimate load initially increases and subsequently decreases with increasing basalt fiber volume content. When the volume fraction of basalt fiber is 0.2%, the ultimate load is the peak value and the reinforcement effect is the most obvious. Combined with the test results and with reference to the design code for concrete structures (GB50010—2015), the ultimate bearing capacity of BFRP-fiber reinforced recycled concrete beams was calculated, and the experimental values basically coincide with the calculated values.

basalt fiber; BFRP bars; fiber volumetric content; shear performance; recycled concrete

TB332

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0435 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190269

2019?04?08

遼寧省自然科學基金資助項目(2015020208)

劉華新(1966?)，男，遼寧錦州人，教授，博士，從事新型土木工程材料理論研究；E?mail：lgliuhuaxin@163.com

(編輯 涂鵬)