王鈞+欒奕+葉煥軍

摘要：為研究玄武巖纖維的摻入對(duì)鋼筋混凝土梁裂縫和變形的影響，以玄武巖纖維體積摻率和纖維長(zhǎng)度為變化參數(shù)，設(shè)計(jì)制作5根試驗(yàn)梁，通過靜載試驗(yàn)獲得了玄武巖纖維混凝土梁在受力過程中的裂縫分布、裂縫寬度和跨中撓度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與普通混凝土梁進(jìn)行對(duì)比?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果提出了玄武巖纖維混凝土梁最大裂縫寬度和短期剛度計(jì)算方法。結(jié)果表明：玄武巖纖維的摻入可有效阻止鋼筋混凝土梁裂縫的開展并提高梁構(gòu)件的延性。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；混凝土梁；試驗(yàn)研究；裂縫；變形

中圖分類號(hào)：TU528.572文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to study the influence of mixing of basalt fiber on crack and deformation of reinforced concrete beams， five test beams were made with the parameters of volume ratio and length of basalt fiber， and the static load tests were carried out. The test data of crack distribution， crack width and midspan deflection of basalt fiber reinforced concrete beams in the process of stress were obtained and compared with common concrete beams. Based on the analysis results of test data， the calculation methods of maximum crack width and short term stiffness of basalt fiber reinforced concrete beams were presented. The results show that the mixing of basalt fiber can effectively prevent cracks extension in reinforced concrete beams and improve the ductility of beams.

Key words： basalt fiber； concrete beam； experimental research； crack； deformation

0引言

混凝土是當(dāng)今建筑行業(yè)使用最廣泛的建筑材料之一，其應(yīng)用遍布于民用和工業(yè)建筑、交通、水利、軍事、海港等各工程領(lǐng)域，但混凝土抗拉強(qiáng)度低、易開裂、變形性能差等缺陷在一定程度上影響了工程質(zhì)量，限制了其更廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)期以來許多學(xué)者都在探索改善混凝土性能的方法和途徑[1]。吳中偉[2]曾經(jīng)提出“復(fù)合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強(qiáng)是核心”。纖維混凝土較普通混凝土具有更好的抗裂性能，已成為當(dāng)今混凝土改性研究的熱點(diǎn)[34]。纖維的摻入使普通混凝土梁最大裂縫寬度與短期剛度的計(jì)算公式不再適用于纖維混凝土梁，目前各國(guó)相關(guān)學(xué)者對(duì)于纖維混凝土的研究主要集中在碳纖維與鋼纖維上，對(duì)于玄武巖纖維混凝土多見其基本力學(xué)性能的研究，而對(duì)玄武巖纖維混凝土梁短期剛度和裂縫的研究尚未見系統(tǒng)報(bào)道。玄武巖纖維作為一種新興的環(huán)保型無機(jī)纖維材料，具有性價(jià)比高、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好等優(yōu)點(diǎn)，是其他纖維材料的良好替代品[5]。相關(guān)研究表明[69]，把纖維摻入到混凝土中可有效阻止混凝土梁裂縫的開展并提高混凝土梁的變形能力。針對(duì)上述情況，本文通過玄武巖纖維混凝土簡(jiǎn)支梁受彎試驗(yàn)，著重探究玄武巖纖維的摻入對(duì)混凝土梁裂縫開展與變形的影響，為玄武巖纖維混凝土在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

根據(jù)玄武巖纖維長(zhǎng)度和體積摻率的不同，設(shè)計(jì)并制作5根試驗(yàn)梁，試驗(yàn)梁的外形尺寸和配筋均一致，梁寬b為160 mm，梁高h(yuǎn)為300 mm，跨度l為2 300 mm，凈跨l0為2 100 mm。受拉縱筋采用HRB335級(jí)鋼筋，受壓縱筋采用HPB300級(jí)鋼筋，箍筋采用直徑為10 mm的HPB300級(jí)鋼筋，箍筋間距為100 mm。試驗(yàn)梁參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)梁配筋如圖1所示。

3試驗(yàn)分析

3.1裂縫分析

最大裂縫寬度隨荷載變化曲線如圖6所示。裂縫觀測(cè)儀觀測(cè)到的跨越裂縫的玄武巖纖維如圖7所示。

由圖6可以看出：相同荷載作用下，玄武巖纖維混凝土梁最大裂縫寬度均小于普通混凝土梁，混凝土中摻入玄武巖纖維能起到阻裂效果；對(duì)比試驗(yàn)梁L112與L212，L130與L230，當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度相同時(shí)，玄武巖纖維體積摻率越大，相同荷載作用下試驗(yàn)梁最大裂縫寬度越小，增大玄武巖纖維體積摻率在一定程度上可提高混凝土的抗裂性能；將試驗(yàn)梁L112與L130，L212與L230進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度的增加，相同荷載作用下試驗(yàn)梁裂縫寬度有所減小，此現(xiàn)象證實(shí)了玄武巖纖維長(zhǎng)度是影響混凝土抗裂性能的因素之一，適當(dāng)增加纖維長(zhǎng)度可對(duì)混凝土的抗裂性能產(chǎn)生有利影響。玄武巖纖維在混凝土中亂向分布，其良好的抗拉強(qiáng)度性能降低了微裂縫周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，阻止了混凝土梁內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，當(dāng)混凝土開裂時(shí)，跨越裂縫的纖維能繼續(xù)承受裂縫間的拉應(yīng)力，在一定范圍內(nèi)提高玄武巖纖維長(zhǎng)度，增大纖維的體積摻率，可使玄武巖纖維亂向分布更廣，跨越的微裂縫數(shù)更多，阻裂效果更明顯。

3.2試驗(yàn)梁變形分析

試驗(yàn)梁荷載跨中撓度曲線如圖8所示。由圖8可以看出：玄武巖纖維混凝土梁同普通混凝土梁的受力過程均經(jīng)歷3個(gè)階段，即未開裂階段、帶裂縫工作階段與破壞階段。

未開裂階段5根試驗(yàn)梁荷載撓度曲線呈直線變化，玄武巖纖維混凝土梁與普通混凝土梁荷載撓度曲線的斜率幾乎相同，摻有玄武巖纖維的試驗(yàn)梁撓度相比梁L00變化不大。

帶裂縫工作階段試驗(yàn)梁受拉區(qū)混凝土開裂，試驗(yàn)梁荷載撓度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由于受拉區(qū)鋼筋的作用，混凝土即使開裂，裂縫發(fā)展也比較緩慢，在該階段試驗(yàn)梁荷載撓度曲線斜率相比未開裂階段有所下降，但基本呈直線狀，可認(rèn)為試驗(yàn)梁在此階段仍具有很好的線彈性。從表3可知，玄武巖纖維的體積摻率和長(zhǎng)度都是影響試驗(yàn)梁變形的因素，玄武巖纖維可連接裂縫兩端，與混凝土共同承擔(dān)拉應(yīng)力，起到阻裂作用，提高了混凝土梁的整體性，進(jìn)而改善梁的剛度。

破壞階段隨著荷載的不斷增加，受拉區(qū)鋼筋屈服，荷載撓度曲線再次出現(xiàn)拐點(diǎn)，試驗(yàn)梁撓度增量增大，試驗(yàn)梁最終破壞時(shí)玄武巖纖維混凝土梁撓度大于普通混凝土梁，原因是玄武巖纖維的摻入能增強(qiáng)混凝土梁的變形能力，提高受彎構(gòu)件的延性。4試驗(yàn)梁最大裂縫寬度與短期剛度計(jì)算4.1最大裂縫寬度計(jì)算

以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中鋼筋混凝土梁的裂縫寬度計(jì)算公式為參考并結(jié)合文獻(xiàn)[10]～[12]，提出玄武巖纖維混凝土梁的裂縫寬度計(jì)算方法。

式中：ωmax為普通鋼筋混凝土梁最大裂縫寬度；Es為縱向受拉鋼筋彈性模量；αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)，取1.9；Ψ為裂縫間縱向鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；σsk為按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋的應(yīng)力；deq為受拉鋼筋的等效直徑；c為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率；di為第i種縱向受拉鋼筋公稱直徑；ni為第i種縱向受拉鋼筋的根數(shù)；vi為第i種縱向受拉鋼筋的相對(duì)粘結(jié)特性系數(shù)。

通過對(duì)式（1）中受拉鋼筋應(yīng)力、鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)、平均裂縫間距、構(gòu)件受力特征系數(shù)的分析可知，玄武巖纖維的摻入只對(duì)鋼筋應(yīng)力的變化有著不可忽略的影響，這與文獻(xiàn)[10]中鋼纖維的摻入對(duì)混凝土梁最大裂縫寬度計(jì)算公式各參數(shù)的影響一致。

（3）基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了玄武巖纖維混凝土梁最大裂縫寬度和短期剛度計(jì)算公式，結(jié)果表明計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合較好。

參考文獻(xiàn)：

References：

[1]沈榮熹，崔琪，李清海.新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2004.

SHEN Rongxi，CUI Qi，LI Qinghai.New Type Fiber Reinforced Cementbased Composites[M].Beijing：China Building Materials Press，2004.

[2]吳中偉.纖維增強(qiáng)——水泥基材料的未來[J].混凝土與水泥制品，1999（1）：56.

WU Zhongwei.Fiber Reinforcement — Future of Cementbased Materials[J].China Concrete and Cement Products，1999（1）：56.

[3]張野.短切玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011.

ZHANG Ye.Research on Basic Mechanical Properties of Chopped Basalt Fiber Reinforced Concrete[D].Harbin：Northeast Forestry University，2011.

[4]陳寅春.玄武巖纖維混凝土梁的試驗(yàn)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2011.

CHEN Yinchun.Experimental Study on Basalt Fiber Concrete Beams[D].Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2011.

[5]潘慧敏.玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2009，28（5）：955958，972.

PAN Huimin.Experimental Study on Mechanical Property of Basalt Fibre Reinforced Concrete[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2009，28（5）：955958，972.

[6]URBANSKIA M，LAPKOB A，GARBACZ A.Investigation on Concrete Beams Reinforced with Basalt Rebars as an Effective Alternative of Conventional R/C Structures[J].Procedia Engineering，2013，57：11831191.

[7]李素娟，曹志強(qiáng)，柳麗霞，等.玄武巖纖維在土木工程領(lǐng)域的研究與應(yīng)用[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，23（3）：1719.

LI Sujuan，CAO Zhiqiang，LIU Lixia，et al.Research and Application of Basalt Fiber in Civil Engineering[J].Journal of Tangshan College，2010，23（3）：1719.

[8]ROEHM C，SASMAL S，NOVAK B，et al.Numerical Simulation for Seismic Performance Evaluation of Fibre Reinforced Concrete Beamcolumn Subassemblages[J].Engineering Structures，2015，91：182196.

[9]FIORE V，SCALICI T，DI BELLA G，et al.A Review on Basalt Fibre and Its Composites[J].Composites Part B：Engineering，2015，74：7494.

[10]黃承逵.纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

HUANG Chengkui.Fiber Reinforced Concrete Structure[M].Beijing：China Machine Press，2004.

[11]黃承逵，趙國(guó)藩，王志杰.鋼筋鋼纖維混凝土受彎構(gòu)件裂縫寬度計(jì)算方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，33（5）：558565.

HUANG Chengkui，ZHAO Guofan，WANG Zhijie.Calculating Methods of Crack Width of Reinforced Concrete Beams with Steel Bars and Fibres[J].Journal of Dalian University of Technology，1993，33（5）：558565.

[12]CECS 38—2004，纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

CECS 38—2004，Technical Specification for Fiber Reinforced Concrete Structures[S].