玄武巖纖維筋透水混凝土梁抗彎性能試驗研究*

張春東，于寶國，張鴻濤，李 想，姚 勇，陳代果,3

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213； 2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室，安徽 合肥 230026)

0 引言

透水混凝土是海綿城市建設(shè)的主要材料，依靠其貫通孔隙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)透氣、透水[1-2]。目前，透水混凝土廣泛應(yīng)用于市政道路鋪裝、停車場地坪、廣場地面等工程中，取得了良好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益[3]。如果將透水混凝土作為主要材料用于河道邊坡支護(hù)工程中[4]，一方面能夠保證河道水陸生態(tài)系統(tǒng)交互界面通暢，使河道水體可在河流沿岸土壤中滲透循環(huán)；另一方面透水混凝土自身的多孔結(jié)構(gòu)能夠為水陸生態(tài)系統(tǒng)過渡帶動植物和微生物提供棲息空間，且透水混凝土蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)能夠過濾水中大顆粒懸浮物，使河道水體可通過物理過濾、微生物凈化、植物吸收等多種途徑得到凈化。由此可見，透水混凝土在河道護(hù)坡工程中具有獨特的生態(tài)價值與經(jīng)濟(jì)效益，可推廣應(yīng)用。

為保證良好的透氣、透水性能，利用透水混凝土修筑護(hù)坡時，支護(hù)厚度不宜過大，宜采用薄壁式結(jié)構(gòu)。為滿足護(hù)坡工程承載力和變形要求，需在透水混凝土薄壁式構(gòu)件中配置受力筋，使混凝土與受力筋協(xié)同工作。由于透水混凝土具有透氣、透水功能，混凝土中的鋼筋易銹蝕，降低了構(gòu)件耐久性。玄武巖纖維筋依靠玄武巖纖維與合成基體材料，具有耐腐蝕性好、抗拉強(qiáng)度高等特點[5-6]，將其配置在透水混凝土結(jié)構(gòu)中可有效解決鋼筋銹蝕問題。為此，本文通過開展玄武巖纖維筋透水混凝土梁正截面抗彎性能試驗研究，為透水混凝土新型生態(tài)護(hù)坡工程結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性分析提供依據(jù)，對玄武巖纖維筋透水混凝土梁式構(gòu)件在實際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料

自行制備透水混凝土[7]，原材料采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥、粒徑5～10mm碎石、Sika聚羧酸減水劑、SR-02生態(tài)混凝土增強(qiáng)劑。透水混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為21.67MPa，彈性模量為31.3GPa，泊松比為0.28，線膨脹系數(shù)為7.636×10-6/℃。玄武巖纖維筋極限抗拉強(qiáng)度為1 001MPa，彈性模量為48GPa，極限拉應(yīng)變?yōu)?.029εsu，線膨脹系數(shù)為10.04×10-6/℃。

1.2 試驗梁設(shè)計

根據(jù)GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8]有關(guān)規(guī)定，計算得到截面尺寸為300mm×150mm(高×寬)的玄武巖纖維筋透水混凝土梁最小配筋率為0.19%，最大配筋率為0.26%，可知最大配筋率較小，且與最小配筋率僅相差0.07%，表明玄武巖纖維筋透水混凝土梁設(shè)計中易出現(xiàn)超筋狀態(tài)，即超筋狀態(tài)成為其工作常態(tài)。這是由于玄武巖纖維筋彈性模量低，承受梁底拉應(yīng)力時，拉應(yīng)變增長迅速，梁變形大，易使受壓區(qū)透水混凝土被壓碎。為此，設(shè)計并制作6根試驗梁，采用加密玄武巖纖維箍筋的方法提高梁斜截面承載力，試驗梁長度均為3 000mm，跨度均為2 600mm，配筋如表1所示。

表1 試驗梁配筋

1.3 試驗梁制作

玄武巖纖維筋鋼筋籠綁扎完成后，在縱向受拉鋼筋跨中位置及左右各300mm處粘貼應(yīng)變片，測量試驗梁純彎段縱向受拉鋼筋拉應(yīng)變隨彎矩的變化情況。為保證應(yīng)變片與玄武巖纖維筋有效黏結(jié)，使用凝膠將玄武巖纖維筋應(yīng)變片粘貼位置修補(bǔ)為光滑的表面。為防止修補(bǔ)處凝膠對玄武巖纖維筋物理力學(xué)性能造成影響，并防止試驗過程中玄武巖纖維筋與透水混凝土應(yīng)變差對應(yīng)變片造成損壞，應(yīng)使凝膠覆蓋厚度盡量小。將玄武巖纖維筋鋼筋籠放入模具中，采用分層澆筑法[9]，將透水混凝土分3層澆入模具中，并利用振搗棒分層振搗密實。將梁表面抹平，覆蓋防水布，24h后拆模并灑水養(yǎng)護(hù)。

1.4 加載方案與裝置

試驗梁均承受由分配鋼梁施加的2個集中荷載作用，即三分點加載。分配鋼梁所受集中荷載依靠頂部油壓千斤頂手動逐級施加，如圖1所示。當(dāng)試驗梁產(chǎn)生裂縫后，將加載梯度增至6kN；當(dāng)試驗梁接近破壞時，將加載梯度降至3kN[10]。每級荷載施加完成后，為方便記錄試驗數(shù)據(jù)并保證裂縫穩(wěn)定，需持荷2min。

圖1 加載裝置示意

1.5 量測內(nèi)容

1)量測試驗梁跨中撓度，所用位移計布置如圖1所示。

2)采用UCAM-60A型靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀量測不同荷載條件下，試驗梁跨中區(qū)域透水混凝土應(yīng)變沿梁高變化情況，在試驗梁側(cè)面跨中正截面處平行粘貼5排間距為65mm的應(yīng)變片，如圖2所示。

圖2 試驗梁應(yīng)變片布置示意

3)量測玄武巖纖維筋應(yīng)變，應(yīng)變片粘貼位置如圖3所示。

圖3 梁底縱筋應(yīng)變片布置示意

4)通過讀數(shù)顯微鏡量測試驗梁受彎時裂縫寬度，進(jìn)行加載試驗前首先使用刷膠滾筒蘸取白色石灰漿，將試驗梁側(cè)面刷為白色，然后利用墨斗在試驗梁兩側(cè)劃分出邊長50mm的正方形網(wǎng)格，以便清晰、快速觀察裂縫發(fā)展情況。

5)量測試驗梁開裂彎矩、極限承載力等。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 平截面假定驗證

根據(jù)加載過程中記錄的各級荷載作用下應(yīng)變片讀數(shù)，計算得到典型試驗梁正截面平均應(yīng)變，如圖4所示。由圖4可知，試驗梁受彎時正截面應(yīng)變與梁高近似呈線性變化關(guān)系，表明平截面假定依然適用。隨著荷載的逐漸增大，試驗梁中性軸不斷向梁頂方向移動，混凝土受壓區(qū)高度不斷減小，說明透水混凝土與玄武巖纖維筋黏結(jié)較好，可協(xié)同工作。

圖4 典型試驗梁跨中正截面平均應(yīng)變沿梁高變化情況

2.2 配筋率對試驗梁開裂彎矩的影響

玄武巖纖維筋應(yīng)變突變時對應(yīng)的彎矩即為開裂彎矩，L-1～L-6梁開裂彎矩實測值分別為4.2，4.2，4.9，4.9，4.2，4.9kN·m，可知增大纖維筋配筋率對提高試驗梁開裂彎矩的作用不顯著。這是因為第1條裂縫產(chǎn)生前，玄武巖纖維筋與透水混凝土黏結(jié)緊密、共同變形，此時玄武巖纖維筋拉應(yīng)變與黏結(jié)處透水混凝土拉應(yīng)變相等，由于玄武巖纖維筋彈性模量小，僅為普通熱軋鋼筋的1/4，在開裂前的微變形階段，玄武巖纖維筋承擔(dān)的拉力較小，對抑制初始裂縫的作用較小。

2.3 試驗梁跨中撓度

試驗梁荷載-跨中撓度曲線如圖5所示。由圖5可知，試驗梁荷載-跨中撓度曲線無水平段和下降段，破壞前曲線斜率較大。由于試驗梁底受拉產(chǎn)生裂縫后，受拉區(qū)透水混凝土退出工作，使試驗梁截面剛度突然變小，且玄武巖纖維筋彈性模量小，使試驗梁受彎開裂后剛度衰減程度較普通鋼筋混凝土梁大。開裂后試驗梁荷載-跨中撓度曲線近似為直線，這是由于玄武巖纖維筋材料特性不同于普通鋼筋，從受拉直至破壞，其應(yīng)力、應(yīng)變呈正比線性關(guān)系，無如同普通鋼筋一樣的屈服平臺。試驗梁裂縫形成初期的延伸高度發(fā)展迅速，寬度也較大，而加載后期裂縫延伸高度發(fā)展緩慢，可知受壓區(qū)壓應(yīng)力有效限制了裂縫高度的持續(xù)發(fā)展。受拉區(qū)退出工作的透水混凝土不斷向中性軸移動，逐漸穩(wěn)定在中性軸位置，使試驗梁從開裂到破壞的過程中剛度變化較小。

圖5 試驗梁荷載-跨中撓度曲線

不同跨中撓度下試驗梁彎矩如表2所示，表2中M表示破壞彎矩，yu表示承載力破壞時對應(yīng)的跨中撓度，M1，M2，M3分別表示跨中撓度達(dá)L0/200，L0/150，L0/100時對應(yīng)的彎矩，L0表示試驗梁跨度。由表2可知，由于玄武巖纖維筋彈性模量小，使試驗梁剛度較低。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》限定的梁式構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)跨中撓度，可知試驗梁抗彎性能僅發(fā)揮了32%～43%，具有較大的安全富余度。對梁式構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)跨中撓度進(jìn)行限定，主要是為了防止結(jié)構(gòu)過大變形影響使用過程中的舒適性。由于玄武巖纖維筋透水混凝土梁式構(gòu)件計劃用于邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)中，并不用于房屋建筑、橋梁等人們直接使用的工程中，為提高結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟(jì)性，建議將玄武巖纖維筋透水混凝土梁式構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)跨中撓度限定條件調(diào)整為≤L0/100，可使構(gòu)件抗彎性能發(fā)揮66%～89%，且不會造成支護(hù)結(jié)構(gòu)存在傾覆的安全隱患。

表2 不同跨中撓度下試驗梁彎矩

2.4 試驗梁裂縫分布

試驗梁受彎時裂縫發(fā)展與分布情況如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)試驗梁配筋率增大時，裂縫數(shù)量增多，裂縫間距縮小，且出現(xiàn)樹杈形裂縫，這是因為隨著配筋率的增加，玄武巖纖維筋與透水混凝土的黏結(jié)力增強(qiáng)；配筋率較大的L-5，L-6梁，其靠近支座處的彎剪區(qū)域在加載后期出現(xiàn)彎剪裂縫，試驗過程中發(fā)現(xiàn)斜向彎剪裂縫均由加載初期豎向彎拉裂縫傾斜發(fā)展而成。剪跨段數(shù)條彎剪裂縫中僅有1條裂縫寬度隨著荷載的增加迅速增大，但當(dāng)試驗梁發(fā)生破壞時，彎剪主裂縫未跨越箍筋，各梁均未發(fā)生剪切破壞。

圖6 試驗梁裂縫開展情況

試驗梁主裂縫平均寬度、最大裂縫寬度分別如圖7，8所示。由圖7，8可知，試驗梁主裂縫平均寬度與承受的荷載并不是完全的線性增長關(guān)系，隨著配筋率的增加，主裂縫平均寬度存在縮小現(xiàn)象，產(chǎn)生該現(xiàn)象原因是在原有裂縫附近產(chǎn)生了新裂縫，使原裂縫處玄武巖纖維筋與透水混凝土發(fā)生了應(yīng)力重分布；在各級荷載作用下，多條彎拉主裂縫交替發(fā)展為最大寬度裂縫?？傮w上，試驗梁主裂縫平均寬度、最大裂縫寬度隨著荷載的增加而增大。

圖7 試驗梁主裂縫平均寬度

圖8 試驗梁最大裂縫寬度

綜上所述，增大玄武巖纖維筋透水混凝土梁配筋率，可有效減小梁受彎時的裂縫間距、主裂縫平均寬度、最大裂縫寬度，可知增大配筋率對限制梁底裂縫開展具有重要作用。

最大裂縫寬度下超筋破壞試驗梁彎矩如表3所示，表3中s表示最大裂縫寬度，Ma，Mb，Mc分別表示最大裂縫寬度達(dá)0.3，1.0，1.5mm時對應(yīng)的彎矩。由表3可知，由于玄武巖纖維筋彈性模量小，使試驗梁最大裂縫寬度較普通鋼筋混凝土梁大。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》限定的梁式構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)最大裂縫寬度，可知試驗梁抗彎性能僅發(fā)揮了11%～17%，具有較大的安全富余度。對梁式構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)最大裂縫寬度進(jìn)行限定，主要是為了防止裂縫寬度過大暴露構(gòu)件內(nèi)部鋼筋，從而造成鋼筋銹蝕，降低構(gòu)件耐久性。由于玄武巖纖維筋由玄武巖纖維和膠結(jié)材料構(gòu)成，與空氣和水接觸后鋼筋不被銹蝕，具有較好的耐久性。為提高結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性，建議將玄武巖纖維筋透水混凝土梁式構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)最大裂縫寬度限定條件調(diào)整為≤1mm，可使構(gòu)件抗彎性能發(fā)揮67%～95%，且不降低構(gòu)件耐久性。

表3 最大裂縫寬度下試驗梁彎矩

3 結(jié)語

1)玄武巖纖維筋透水混凝土梁界限配筋率低，與最小配筋率相差較小，所以超筋狀態(tài)是其工作常態(tài)。超筋狀態(tài)下梁跨中撓度可達(dá)L0/100以上，具有良好的變形能力，梁破壞具有明顯預(yù)兆。

2)增大玄武巖纖維筋配筋率不能有效提高玄武巖纖維筋透水混凝土梁開裂彎矩，這是由于玄武巖纖維筋彈性模量小造成的。

3)玄武巖纖維筋透水混凝土梁抗彎剛度較低，裂縫發(fā)展較迅速，正常使用極限狀態(tài)發(fā)生先于承載能力極限狀態(tài)。因此，進(jìn)行玄武巖纖維筋透水混凝土梁正截面抗彎承載力設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先以正常使用極限狀態(tài)為設(shè)計準(zhǔn)則。

4)為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟(jì)性與合理性，玄武巖纖維筋透水混凝土梁正常使用極限狀態(tài)應(yīng)調(diào)整為跨中撓度≤L0/100、最大裂縫寬度≤1mm。