鋼纖維對(duì)高強(qiáng)陶?；炷磷枇研?yīng)試驗(yàn)研究
——基于純扭作用

李建鏘

(福建省博意設(shè)計(jì)有限公司 福建泉州 362000)

1 鋼纖維陶粒混凝土國(guó)外研究現(xiàn)狀

陶?；炷烈蚓哂休p質(zhì)、高強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)，理今在世界上快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。眼下應(yīng)用最廣泛的陶粒骨料主要有黏土陶粒、葉巖陶粒、粉煤灰陶粒。國(guó)內(nèi)一些采用陶粒混凝土的重大工程主要有：珠海國(guó)際會(huì)議中心；武漢證券大廈；云南建工醫(yī)院；天津永定新河大橋；京珠高速公路湖北段漢江大橋。其中，永定新河大橋應(yīng)用了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力陶?；炷?，漢江大橋使用了纖維高強(qiáng)陶?；炷羀1]。

在陶粒混凝土中加入適量的鋼纖維后所形成的鋼纖維陶?；炷疗湮锢砗土W(xué)性能都有所改良和提高，具體表現(xiàn)為：①相對(duì)較高的抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度；②很好的抗沖擊性能；③優(yōu)異的抗裂和抗疲勞性能；④抗變形能力強(qiáng)；⑤韌性好；⑥耐磨性能與抗?jié)B性能較高；⑦施工方便，性價(jià)比高，其應(yīng)用前景十分可觀[2]。

隨著鋼纖維混凝土新材料在工程中的不斷應(yīng)用，關(guān)于鋼纖維混凝土的應(yīng)用技術(shù)和材料性能理論也在不斷發(fā)展。尤其是混凝土的物理力學(xué)性能，為了滿足工程界的需要，其性能要求越來(lái)越高，鋼纖維混凝土在今后有著很大的發(fā)展空間[3-4]。

鋼纖維陶?；炷潦且环N新型的建筑材料，它在保持陶粒骨料輕質(zhì)的特點(diǎn)下，兼具了鋼纖維對(duì)混凝土的性能增強(qiáng)作用。國(guó)外許多學(xué)者都對(duì)鋼纖維陶?；炷吝M(jìn)行了各種力學(xué)性能的試驗(yàn)研究。上世紀(jì)80年代初期，英國(guó)Sheffield大學(xué)進(jìn)行了鋼纖維陶?；炷量箾_擊性試驗(yàn)研究[5]和鋼纖維陶粒混凝土的工作性研究[6]。日本對(duì)于鋼纖維陶粒混凝土也做了很多試驗(yàn)研究。日本早期的《水泥混凝土》中就有關(guān)于鋼纖維陶?；炷亮W(xué)性能研究。90年代中期美國(guó)通過(guò)試驗(yàn)研究鋼纖維對(duì)陶粒混凝土各種力學(xué)性能提高和施工性能的影響。澳大利亞New South Wales大學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了各種纖維對(duì)飛灰輕骨料混凝土干縮性能的改善。研究結(jié)果表明，鋼纖維比其它低彈性模量纖維更好地抑制飛灰輕骨料混凝土干縮開(kāi)裂[7]。我國(guó)香港大學(xué)R.V.Balendran試驗(yàn)，研究了鋼纖維對(duì)高強(qiáng)陶粒混凝土和普通骨料高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度及延性的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，鋼纖維體積率對(duì)鋼纖維高強(qiáng)陶?；炷恋呐褟?qiáng)度和抗彎性能的改善要優(yōu)于普通高強(qiáng)混凝土[8]。本文擬基于純扭作用下的鋼纖維對(duì)高強(qiáng)陶?；炷恋淖枇研?yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為工程實(shí)際運(yùn)用提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

(1)水泥：采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)42.5MPa。

(2)鋼筋：試驗(yàn)涉及的鋼筋分別有：直徑6mm的HPB300鋼筋、直徑8mm的HPB300鋼筋、直徑10mm的HPB300鋼筋。通過(guò)鋼筋拉伸試驗(yàn)得出性能參數(shù)如表1所示。

(3)陶粒粗骨料：采用圓形粘土陶粒，筒壓強(qiáng)度8.5MPa，堆積密度890.7kg/m3,1h吸水率10.7%，顆粒表觀密度1428.6kg/m3，粒徑在10～19mm之間。

(4)細(xì)骨料：采用河沙，中砂，細(xì)度模數(shù)2.9。

(5)普通粗骨料：級(jí)配良好的碎石。

(6)鋼纖維：福建廈門市國(guó)橋牌寬波浪形鋼纖維,主要特征參數(shù):長(zhǎng)度為30mm,等效直徑為1.11mm,換算長(zhǎng)徑比為27，抗拉強(qiáng)度大于700MPa。

(7)水：采用普通自來(lái)水。

試驗(yàn)以鋼纖維體積率為主要控制參數(shù)，將10根梁(表2)分為3組，其中A2梁為普通混凝土對(duì)比梁，A1為不加鋼纖維的陶?；炷亮?，B1、B2、C1、C2、C3、D1、D2 、D3分別為不同鋼纖維體積率下的8根鋼纖維陶?；炷亮骸Ｍㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)得出梁的裂縫發(fā)展情況。

表2 試件梁主要參數(shù)表

為了使裂縫出現(xiàn)在試件梁的跨中，梁配筋采用梁兩端加密箍筋做法。截面采用寬150mm高250mm，跨度為2000mm的梁。配筋時(shí)，箍筋采用直徑6mm的HPB300，鋼筋間距分別以100mm、150mm、200mm為變化條件?？v向鋼筋采用HPB300，鋼筋以8mm、10mm為變化條件。

陶粒強(qiáng)度等級(jí)C40，通過(guò)試算試配調(diào)整得出配合比。每根梁陶粒混凝土根據(jù)配合比對(duì)應(yīng)得出各種材料每立方米用量如表3所示。

表3 試件每立方米材料用量表 kg

攪拌澆筑陶?；炷林饕鞒?如圖1所示。

圖1 攪拌工藝流程圖

2.2 試驗(yàn)加載方案

本試驗(yàn)采用量程為50kN手搖千斤頂進(jìn)行加載?？古ぴ囼?yàn)采用以扭轉(zhuǎn)角為主控條件，扭矩為輔助控制。加載方式采用一端用兩個(gè)千斤頂將梁構(gòu)件固定于鋼架上，如圖2(a)，另一端施加扭矩詳圖2(b)。中間部分形成純扭段。在陶?；炷帘砻娌荚O(shè)應(yīng)變片以測(cè)量陶?；炷翍?yīng)變。貼片位置為梁跨中的兩側(cè)面純扭段沿45°角，水平方向間距100mm均勻貼片(每側(cè)3片，雙面貼)。使用傾角儀(DXL360，分辨率0.02°)測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度。通過(guò)加載前標(biāo)零，加載時(shí)測(cè)量加載端相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的方法，測(cè)量梁構(gòu)件的扭率。這種方法比起應(yīng)用位移計(jì)測(cè)量并推算角度的傳統(tǒng)方法更加便捷，且更為精確。

試驗(yàn)在華僑大學(xué)土木工程試驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試內(nèi)容主要是采集梁在扭轉(zhuǎn)荷載下扭矩與應(yīng)變關(guān)系，同時(shí)觀測(cè)裂縫發(fā)展情況。

初始加載方案，按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.05deg/m觀察一次并采集數(shù)據(jù)控制，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為0.14deg/m時(shí)，構(gòu)件首先在A面中軸線附近位置出現(xiàn)第一條微裂縫，裂縫長(zhǎng)度約為30mm，寬度十分細(xì)小，大概在0.2mm左右，裂縫與水平線夾角約為45°。此時(shí)扭矩為3.03kN·m。

隨后，加載方案改為按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.10 deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制。隨著扭矩增加，微裂縫陸續(xù)出現(xiàn)，并主要分布于中軸線附近位置。原有微裂縫變寬，并向兩端延伸，延伸方向與水平線夾角約為45°。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為0.55deg/m時(shí)，扭矩為6.29kN·m，裂縫的長(zhǎng)度已經(jīng)延伸到梁頂端和低端，寬度達(dá)到0.4mm左右，并與底部和底部裂縫初步貫通。梁跨中部有形成與水平線夾角約為45°角的貫通主裂縫趨勢(shì)。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度為0.90deg/m時(shí)，扭矩為7.52kN·m已經(jīng)形成十分明顯的主裂縫，裂縫寬度為1mm左右，主裂縫位置剛好出現(xiàn)在梁跨偏左部位，與水平線夾角約為45°角，為螺旋形貫穿裂縫。當(dāng)梁主裂縫出現(xiàn)后，梁構(gòu)件表面幾乎沒(méi)有新裂縫產(chǎn)生，其余已出現(xiàn)的短小次裂縫延伸速度有變緩趨勢(shì)。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度為1.30deg/m時(shí)，扭矩為8.39kN·m，此時(shí)扭矩不再上升。主裂縫寬度達(dá)到2mm左右，主裂縫附近混凝土起皮掉落。加載方案改為按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.20 deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制。隨后，扭矩均維持在8kN·m左右波動(dòng)，直到轉(zhuǎn)角度為2.80deg/m時(shí)，扭矩開(kāi)始下降，認(rèn)為構(gòu)件已經(jīng)破壞，停止加載。裂縫分布位置如圖2～圖3所示。

(a)固定端示意圖 (b)固定端現(xiàn)場(chǎng)圖

(a)加載端示意圖 (b)加載端現(xiàn)場(chǎng)圖1 (c) 加載端現(xiàn)場(chǎng)圖2圖3 試件加載端

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

以構(gòu)件A1梁為例，具體試驗(yàn)過(guò)程如下：初始加載方案按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.05deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為0.14deg/m時(shí)，構(gòu)件首先在A面中軸線附近位置出現(xiàn)第一條微裂縫，裂縫長(zhǎng)度約為30mm，寬度十分細(xì)小，大概在0.2mm左右，裂縫與水平線夾角約為45°，此時(shí)扭矩為3.03kN·m。

隨后，加載方案改為按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.10 deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制。隨著扭矩增加，微裂縫陸續(xù)出現(xiàn)，并主要分布于中軸線附近位置。原有微裂縫變寬，并向兩端延伸，延伸方向與水平線夾角約為45°。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為0.55deg/m時(shí)，扭矩為6.29kN·m，裂縫長(zhǎng)度已經(jīng)延伸到梁頂端和底端，寬度達(dá)到0.4mm左右，并與底部裂縫初步貫通。梁跨中部有形成與水平線夾角約為45°角貫通主裂縫趨勢(shì)。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度為0.90deg/m時(shí)，扭矩為7.52kN·m，已經(jīng)形成十分明顯的主裂縫，裂縫寬度為1mm左右，主裂縫位置剛好出現(xiàn)在梁跨偏左部位，與水平線夾角約為45°角，為螺旋形貫穿裂縫。當(dāng)梁主裂縫出現(xiàn)后，梁構(gòu)件表面幾乎沒(méi)有新裂縫產(chǎn)生，其余已出現(xiàn)的短小次裂縫延伸速度呈變緩趨勢(shì)。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度為1.30deg/m時(shí)，扭矩為8.39kN·m，此時(shí)扭矩不再上升。主裂縫寬度達(dá)到2mm左右，主裂縫附近混凝土起皮掉落。隨后，加載方案改為按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.20deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制。隨后，扭矩均維持在8kN·m左右波動(dòng)，直到轉(zhuǎn)角度為2.80deg/m時(shí)，扭矩開(kāi)始下降，認(rèn)為構(gòu)件已經(jīng)破壞，停止加載。裂縫分布位置如圖4所示。

圖4 構(gòu)件A1裂縫展開(kāi)圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：10根梁的受力破壞過(guò)程大體相同。在裂縫出現(xiàn)之前彈性階段，構(gòu)件截面長(zhǎng)邊首先出現(xiàn)與水平線夾角為35°～50°不等的斜裂縫。根據(jù)試驗(yàn)可以總結(jié)出：當(dāng)箍筋配置較多時(shí)，斜裂縫與水平線夾角也越大，箍筋配置較少時(shí)斜裂縫與水平線夾角較小，且可能出現(xiàn)與水平線平行的貫通水平裂縫。隨著扭矩增大，斜裂縫向構(gòu)件邊緣延伸，裂縫數(shù)量不斷增加，在構(gòu)件展開(kāi)面上均勻分布。當(dāng)扭矩增加到一定值后，形成環(huán)繞整個(gè)受扭梁構(gòu)件的貫通螺旋形裂縫。此時(shí)，梁構(gòu)件形成一個(gè)帶裂縫受荷的空間籠型結(jié)構(gòu)。裂縫出現(xiàn)后，扭轉(zhuǎn)角急劇增大，梁構(gòu)件抗扭剛度顯著下降。

試驗(yàn)還表明：當(dāng)純扭梁構(gòu)件出現(xiàn)主裂縫時(shí)，隨著扭矩增加，主裂縫變寬，主裂縫表面起皮脫落。但是，其余次裂縫延伸速度變緩，甚至不延伸，梁構(gòu)件表面不再有新的裂縫出現(xiàn)。

試驗(yàn)比較，明顯看出：鋼纖維能很有效地增大純扭梁構(gòu)件的開(kāi)裂扭矩，并且在梁構(gòu)件破壞時(shí)，由于有鋼纖維的鏈接作用，表面起皮后相對(duì)于不摻鋼纖維的陶?；炷亮杭捌胀ɑ炷亮海粫?huì)出現(xiàn)壓碎的混凝土或陶?；炷琳麎K掉落現(xiàn)象。

將此次試驗(yàn)結(jié)果匯總于表4，Tcr表示梁構(gòu)件的開(kāi)裂扭矩，當(dāng)梁構(gòu)件表面剛出現(xiàn)斜裂縫時(shí)的扭矩判斷為梁構(gòu)件的開(kāi)裂扭矩； θcr表示混凝土開(kāi)裂時(shí)的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。

表4 純扭作用下梁構(gòu)件的特征荷載和相應(yīng)扭轉(zhuǎn)角的實(shí)測(cè)值

根據(jù)陶?；炷翍?yīng)變與扭矩關(guān)系圖可得出：陶粒混凝土在開(kāi)裂前基本處于彈性狀態(tài)。開(kāi)裂后，陶?；炷翍?yīng)變快速增大，而且隨著陶?；炷帘砻鎽?yīng)變的增大，裂縫貫穿應(yīng)變片直到應(yīng)變片破壞。圖5對(duì)比了A1，B1，C1，D1，A2梁構(gòu)件混凝土表面應(yīng)變與扭矩的關(guān)系。

圖5 A1，B1，C1，D1，A2梁構(gòu)件混凝土表面應(yīng)變與扭矩關(guān)系對(duì)比圖

根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)：在加載初期，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢，直到達(dá)到開(kāi)裂荷載。對(duì)比曲線A1與曲線A2可以清楚地得出：陶粒混凝土(圓形粘土陶粒粗骨料)比普通混凝土(碎石粗骨料)純扭作用下更容易開(kāi)裂。陶?；炷翗?gòu)件A1的開(kāi)裂扭矩約為3.03kN·m，而普通混凝土的開(kāi)裂扭矩為4.40kN·m，陶?；炷灵_(kāi)裂扭矩約為普通混凝土開(kāi)裂扭矩的68.9%。

普通混凝土(碎石粗骨料)的抗剪強(qiáng)度，主要取決于硬化水泥砂漿和碎石粗骨料的抗剪強(qiáng)度，以及碎石粗骨料與硬化水泥砂漿之間粘結(jié)接口的粘結(jié)強(qiáng)度。粘土陶粒的抗剪強(qiáng)度，通常情況下低于碎石粗骨料。據(jù)文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)研究表明：粘土陶粒混凝土的抗剪強(qiáng)度，主要由粘土陶粒本身的抗剪強(qiáng)度決定。尤其是高強(qiáng)混凝土更是如此。粘土陶?；炷恋氖芗羝茐拿嫱ǔ?huì)貫穿陶粒骨料[10]，根據(jù)圖6構(gòu)件破壞面現(xiàn)場(chǎng)照片可以清晰地得出此結(jié)論。通過(guò)梁構(gòu)件扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，也從一定程度上印證了陶?；炷量估瓘?qiáng)度低于普通混凝土[11]。

圖6 陶粒混凝土破壞面

根據(jù)圖4，對(duì)比曲線A1、B1、C1、D1可以清楚地得出：摻入鋼纖維的陶?；炷亮簶?gòu)件，其開(kāi)裂扭矩隨著鋼纖維的體積率增加而明顯增大。

鋼纖維體積率為0.5的陶粒混凝土梁構(gòu)件B1開(kāi)裂扭矩為3.92 ，相對(duì)于A1開(kāi)裂扭矩約增長(zhǎng)29.4%。鋼纖維體積率為1.0的陶?；炷亮簶?gòu)件C1開(kāi)裂扭矩為4.57 ，相對(duì)于A1開(kāi)裂扭矩約增長(zhǎng)50.8%。鋼纖維體積率為1.5的陶?；炷亮簶?gòu)件D1開(kāi)裂扭矩為5.87 ，相對(duì)于A1開(kāi)裂扭矩約增長(zhǎng)93.7%。且在鋼纖維體積率為1.5的情況下，陶?；炷灵_(kāi)裂扭矩大于普通碎石粗骨料混凝土。

鋼纖維提高陶?；炷恋拈_(kāi)裂扭矩，主要表現(xiàn)在抑制和延緩陶?；炷廖⒘鸭y產(chǎn)生和延伸[12]：

(1)陶粒混凝土澆搗過(guò)程，由于水泥水化干縮產(chǎn)生原始微裂縫。鋼纖維可以很有效地抑制這些原始微裂縫的產(chǎn)生。

(2)在對(duì)陶?；炷潦┘优まD(zhuǎn)荷載過(guò)程，隨著陶粒混凝土的自身應(yīng)力加大，其內(nèi)部微裂縫勢(shì)必發(fā)生延伸、貫通。而在這些微裂縫延伸的路徑上，由于有鋼纖維的阻礙，微裂縫的延伸將受到很大程度延緩。

綜上，可以得出以下結(jié)論：

(1)在受扭狀態(tài)下，陶?；炷亮旱拈_(kāi)裂扭矩小于普通碎石粗骨料混凝土梁。

(2)從一定程度上反應(yīng)了陶?；炷料啾扔谄胀ㄋ槭止橇匣炷粮子谑芾_(kāi)裂。

(3)鋼纖維的摻入，能很好地提高陶?；炷亮簶?gòu)件的開(kāi)裂扭矩。增大鋼纖維的摻入量，能很有效地延緩陶?；炷亮簶?gòu)件受扭開(kāi)裂。

(4)鋼纖維對(duì)于延緩陶?；炷潦芾_(kāi)裂效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合纖維混凝土與陶粒混凝土的特點(diǎn)，鋼纖維陶粒混凝土將在工程界有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于鋼纖維陶?；炷恋睦碚撗芯浚€尚未達(dá)到鋼筋混凝土那樣成熟的地步，特別是針對(duì)鋼纖維陶粒混凝土預(yù)制構(gòu)件的承載力，尚需進(jìn)一步研究。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在陶?；炷林袚饺脘摾w維，能很好地提高陶?；炷亮簶?gòu)件的開(kāi)裂扭矩。增大鋼纖維的摻入量，能很有效地延緩陶粒混凝土梁構(gòu)件受扭開(kāi)裂。