陳 偉，王 鈞，張 可，陳 佳，劉國(guó)軍，朱占元

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 都江堰 611830； 2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

玄武巖纖維對(duì)混凝土梁抗裂性能的影響

陳 偉1，王 鈞2，張 可1，陳 佳1，劉國(guó)軍1，朱占元1

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 都江堰 611830； 2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為研究玄武巖纖維對(duì)混凝土梁抗裂性能的影響，以纖維長(zhǎng)度及纖維體積摻率為變化參數(shù)，對(duì)纖維長(zhǎng)度分別為12mm和30mm，纖維體積摻率分別為0.1%和0.2%的4根纖維混凝土梁和1根對(duì)比梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)中對(duì)纖維混凝土梁開(kāi)裂荷載、裂縫寬度以及撓度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：與普通鋼筋混凝土梁對(duì)比，玄武巖纖維混凝土梁的開(kāi)裂荷載顯著增大，且裂縫寬度發(fā)展更為緩慢，相同荷載作用下的裂縫寬度和跨中撓度顯著減小，其主要原因是玄武巖纖維改善了混凝土梁的抗裂和阻裂性能，提高了梁的整體剛度。

玄武巖纖維； 混凝土； 裂縫； 撓度

1 引 言

作為五大工程材料之一，混凝土是建筑工程用量最大、應(yīng)用最廣的建筑材料。而混凝土的抗拉性能差，極易開(kāi)裂，嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。纖維混凝土是將一定量的短切纖維均勻的分散在普通混凝土中，并與其復(fù)合而成的混凝土[1]。纖維混凝土以其優(yōu)良的抗裂及阻裂性能，彌補(bǔ)了普通混凝土易開(kāi)裂、抗拉強(qiáng)度低、韌性差的缺點(diǎn)，成為當(dāng)今工程界推崇的復(fù)合材料[2]。工程所用纖維混凝土種類(lèi)繁多如碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、尼龍纖維等，各國(guó)對(duì)這些纖維混凝土的力學(xué)性能、耐久性等都做了大量研究[3-5]。但現(xiàn)有材料價(jià)格昂貴，應(yīng)用范圍受到一定限制。

玄武巖纖維是一種新型無(wú)機(jī)非金屬礦物纖維，由天然的玄武巖礦石高溫拉絲而成，材料本身及生產(chǎn)過(guò)程均無(wú)污染，與碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維并列為我國(guó)鼓勵(lì)發(fā)展的4大高技術(shù)纖維，2002年“玄武巖纖維及其復(fù)合材料”項(xiàng)目列入國(guó)家863計(jì)劃和國(guó)家級(jí)火炬計(jì)劃[6]。玄武巖纖維混凝土以其優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性，較高的性價(jià)比，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域，也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[7-12]。但目前的研究成果主要側(cè)重于玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗?jié)B性等基本力學(xué)性能方面，而關(guān)于其對(duì)混凝土抗裂性能的研究成果還鮮見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。本文擬針對(duì)玄武巖纖維混凝土梁的抗裂性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，為工程實(shí)踐及理論研究提供參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 原材料

根據(jù)《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T 23265-2009)[13]規(guī)定，玄武巖纖維混凝土梁采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的混凝土制作而成，混凝土組分為哈爾濱水泥有限公司生產(chǎn)的天鵝牌普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)、黑龍江雙達(dá)電力設(shè)備集團(tuán)生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰、細(xì)度模數(shù)2.46的中砂、最大粒徑為26.5mm的碎石、西卡聚羧酸系高效減水劑Viscocerete-20HE(減水率為40%)、四川拓鑫短切玄武巖纖維(主要力學(xué)性能見(jiàn)表1)、縱向受拉鋼筋采用直徑為18mm的HRB335鋼筋(屈服強(qiáng)度為421MPa，極限抗拉強(qiáng)度542MPa)、箍筋和架立筋采用直徑為8mm的HPB235鋼筋(屈服強(qiáng)度334MPa，極限抗拉強(qiáng)度452MPa)。

表1 玄武巖纖維主要力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)時(shí)以玄武巖纖維長(zhǎng)度和纖維體積摻率為變化參數(shù)。由已有關(guān)于玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能的研究成果表明：當(dāng)玄武巖纖維混凝土中的纖維體積摻率在0.1%～0.2%時(shí)，其綜合力學(xué)性能較好[14]，因此在本試驗(yàn)中玄武巖纖維體積摻率采用0.1%和0.2%，具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。為了測(cè)得混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu和劈拉強(qiáng)度f(wàn)t，在制作試驗(yàn)梁的過(guò)程中同時(shí)澆筑標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊(150mm×150mm×150mm)進(jìn)行抗壓和劈拉試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。需要說(shuō)明的是，由于試驗(yàn)中小粒徑的粗骨料含量較多，本試驗(yàn)中所采用混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度值偏低。試件配筋、應(yīng)變片粘貼位置、加載位置如圖1所示。試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集通過(guò)DH-3816電阻測(cè)試系統(tǒng)完成。

表2 試驗(yàn)梁參數(shù)

圖1 應(yīng)變片布置及截面配筋圖Fig.1 Gage layout drawing and reinforcement drawing of the section

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置如圖2所示，采用300kN的油壓千斤頂對(duì)稱集中加載；對(duì)試驗(yàn)梁施加的荷載大小通過(guò)千斤頂上方的拉壓傳感器測(cè)得；試驗(yàn)梁在加載過(guò)程中的變形通過(guò)布置于支座、加載點(diǎn)及跨中的位移計(jì)測(cè)得。預(yù)加載分三級(jí)進(jìn)行[15]，每級(jí)荷載取試驗(yàn)梁極限荷載預(yù)估值的5%；當(dāng)確認(rèn)設(shè)備、儀表工作正常后卸載至零，稍后開(kāi)始正式加載。正式加載時(shí)，在臨近開(kāi)裂荷載預(yù)估值時(shí)減小施加荷載的步長(zhǎng)，此時(shí)按每級(jí)荷載約為極限荷載預(yù)估值的1/50施加，受彎開(kāi)裂荷載(Pbcr)取純彎區(qū)段第一條裂縫出現(xiàn)時(shí)所施加的荷載，受剪開(kāi)裂荷載(Pscr)取彎剪區(qū)段第1條斜裂縫出現(xiàn)時(shí)所施加的荷載。裂縫寬度用裂縫觀測(cè)儀讀取。

1．拉壓傳感器；2．300kN油壓千斤頂；3．位移計(jì)圖2 試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Test set-up

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 開(kāi)裂荷載

試驗(yàn)過(guò)程中，梁的純彎區(qū)段首先出現(xiàn)垂直裂縫，隨著荷載的增加，純彎區(qū)段裂縫條數(shù)不斷增多，荷載達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，在彎剪區(qū)段出現(xiàn)斜裂縫。開(kāi)裂荷載如表3所示。

表3 開(kāi)裂荷載

當(dāng)構(gòu)件中的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土即開(kāi)裂。玄武巖纖維屬于中等彈性模量纖維，摻入混凝土后，在混凝土中形成一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與骨料協(xié)同受力，構(gòu)件受力后基體將力傳遞給纖維時(shí)，纖維承擔(dān)了部分拉應(yīng)力，一定程度上起到了阻裂的作用[16]。由表3可知：在纖維長(zhǎng)度一定的情況下，隨纖維體積摻率的增加，抗彎開(kāi)裂荷載和抗剪開(kāi)裂荷載都略有增大，如：當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12mm時(shí)，纖維體積摻率為0.2%的玄武巖纖維混凝土梁較纖維體積摻率為0.1%的梁，抗彎開(kāi)裂荷載無(wú)變化，而抗剪開(kāi)裂荷載提高了7.14%；在纖維長(zhǎng)度為30mm的情況下，抗彎開(kāi)裂荷載和抗剪開(kāi)裂荷載分別提高了16.67%和6.79%。當(dāng)纖維體積摻率一定時(shí)，開(kāi)裂荷載隨纖維長(zhǎng)度的增大而提高，纖維體積摻率為0.1%時(shí)，纖維長(zhǎng)度30mm的玄武巖纖維混凝土梁的抗彎開(kāi)裂荷載比纖維長(zhǎng)度12mm的梁提高了20%，當(dāng)體積摻率為0.2%時(shí)，纖維長(zhǎng)度30mm的玄武巖纖維混凝土梁抗彎開(kāi)裂荷載比纖維長(zhǎng)度12mm的梁提高了40%，而上述兩種情況下試驗(yàn)梁相應(yīng)的抗剪開(kāi)裂荷載分別提高了10.35%和10%。

盡管纖維長(zhǎng)度和纖維體積摻率兩因素對(duì)開(kāi)裂荷載都有一定的影響，但通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，單個(gè)因素對(duì)梁開(kāi)裂荷載的影響較小。故在此考慮纖維自身特征長(zhǎng)徑比lf/df及纖維體積摻率ρf的綜合作用，通過(guò)引入纖維特征參數(shù)λf[17]，如式(1)所示，分析其對(duì)開(kāi)裂荷載的影響，其中纖維特征參數(shù)定義為長(zhǎng)徑比與纖維體積摻率之積[17](各試件的纖維特征參數(shù)如表3所示)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：纖維特征參數(shù)λf與抗彎開(kāi)裂荷載的相關(guān)系數(shù)為0.65，p值為0.058；與抗剪開(kāi)裂荷載的相關(guān)系數(shù)為0.977，P值為0.004。因此根據(jù)上述相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知：在本試驗(yàn)中玄武巖纖維的摻入對(duì)試驗(yàn)梁抗彎開(kāi)裂荷載的影響較小，而對(duì)其抗剪開(kāi)裂荷載的影響相對(duì)較大，并隨纖維特征參數(shù)的增大，抗剪開(kāi)裂荷載不斷增大，如圖3所示。

(1)

式中：λf—纖維特征參數(shù)；ρf—纖維體積積參率；lf—纖維長(zhǎng)度；df—纖維直徑。

圖3 λf與Pscr關(guān)系Fig.3 Relationship of λf and Pscr

3.2 裂縫擴(kuò)展

混凝土結(jié)構(gòu)的最大的缺點(diǎn)是易開(kāi)裂，而研發(fā)纖維混凝土的目的就是為了延遲混凝土的開(kāi)裂及限制裂縫寬度的發(fā)展，進(jìn)而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。本試驗(yàn)中，試驗(yàn)梁純彎區(qū)段先出現(xiàn)垂直裂縫，當(dāng)裂縫出現(xiàn)后，隨著荷載的增加，僅裂縫數(shù)目不斷增多、長(zhǎng)度不斷發(fā)展，而寬度幾乎沒(méi)有變化，故試驗(yàn)中未對(duì)純彎區(qū)段的裂縫寬度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)荷載增大到某一數(shù)值時(shí)，梁兩端的彎剪區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)腹剪斜裂縫，繼續(xù)加載，斜裂縫寬度不斷增大，并向支座和加載點(diǎn)延伸，與加載點(diǎn)處的裂縫交匯，最后出現(xiàn)多條斜裂縫及一條貫通支座至加載點(diǎn)的寬度較大的主斜裂縫。因純彎區(qū)段的裂縫寬度幾乎沒(méi)有變化，而斜裂縫擴(kuò)展比較顯著，故試驗(yàn)中僅對(duì)斜裂縫的寬度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖4所示。

圖4 最大裂縫寬度變化曲線Fig.4 Curves of maximum crack width

如圖4所示，對(duì)比玄武巖纖維混凝土梁與普通混凝土梁最大裂縫寬度變化曲線，玄武巖纖維混凝土梁的開(kāi)裂荷載較普通混凝土梁有一定的提高；開(kāi)裂后，同級(jí)荷載作用下，與普通混凝土梁相比玄武巖纖維混凝梁的最大裂縫寬度減小。分析可知：當(dāng)摻入玄武巖纖維后，玄武巖纖維不僅對(duì)混凝土起到了阻裂的作用，提高了開(kāi)裂荷載，還限制了裂縫寬度的開(kāi)展。當(dāng)截面的拉應(yīng)力達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)力時(shí)，混凝土開(kāi)裂，對(duì)比表1和表2可知，玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度高于混凝土的抗拉強(qiáng)度，基體混凝土開(kāi)裂后，裂縫處部分玄武巖纖維并沒(méi)有斷裂，荷載由橫跨裂縫的纖維傳遞給裂縫的兩側(cè)面，使本不再受拉的裂縫兩側(cè)面能夠繼續(xù)承受荷載。裂縫間的應(yīng)力重分布，減小了裂縫端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而延緩了裂縫的擴(kuò)展速度，使得同級(jí)荷載作用下，與普通混凝土梁相比玄武巖纖維混凝梁的裂縫寬度減小，而且在本試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)這種作用隨纖維特

征參數(shù)的增大更為明顯。

此外，由于玄武巖纖維阻止裂縫的擴(kuò)展，減小了裂縫寬度，并且分擔(dān)了混凝土的部分拉力，從而提高了梁的整體剛度，對(duì)減小梁跨中撓度有積極作用。如圖5所示，加載初期，荷載較小，梁跨中撓度相差不大，當(dāng)荷載增大到一定程度時(shí)，玄武巖纖維的阻裂作用方才體現(xiàn)，從而在相同荷載下，與普通混凝土梁相比，跨中撓度變小。

圖5 不同荷載下試驗(yàn)梁的變形Fig.5 Deformation of test beam under different load

3.3 破壞形態(tài)

由于玄武巖纖維的摻入使得梁斜截面受剪開(kāi)裂荷載明顯提高，且隨著纖維特征參數(shù)的增大，開(kāi)裂荷載也隨著增大。斜裂縫出現(xiàn)的推遲，使得梁純彎段內(nèi)的豎向裂縫得以更加充分地發(fā)展，裂縫間距變小并且分布均勻，試驗(yàn)梁最終發(fā)生剪切破壞。破壞時(shí)，普通混凝土梁在彎剪區(qū)段僅有一條較寬的主斜裂縫，伴隨著混凝土崩裂的巨響；玄武巖纖維混凝土梁除有一條連接支座和加載點(diǎn)的主斜裂縫外，與其平行還有多條不同程度開(kāi)展的斜裂縫，且只有混凝土表皮輕微的爆裂聲，整個(gè)破壞過(guò)程表現(xiàn)出很好的延性，破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)梁彎剪區(qū)段破壞形態(tài) (a) L-0-0; (b) L-1-12; (c) L-2-12; (d) L-1-30; (e) L-2-30Fig.6 Failure state of beams in bending shear section

1.玄武巖纖維的摻入，增大了梁純彎區(qū)段和彎剪區(qū)段的開(kāi)裂荷載，并隨纖維特征參數(shù)的增大，抗剪開(kāi)裂荷載不斷增大，起到了明顯阻裂作用。

2.混凝土開(kāi)裂后，跨越裂縫的玄武巖纖維繼續(xù)承載，有效的阻止裂縫的擴(kuò)展，使得同級(jí)荷載作用下，與無(wú)纖維的普通混凝土梁相比，玄武巖纖維混凝土梁的裂縫寬度變小，整體剛度增大，跨中撓度減小。

3.玄武巖纖維的摻入，使得純彎段內(nèi)的豎向裂縫間距變小并且分布均勻，表現(xiàn)出很好的延性。

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Anti-crack Performance of Reinforced Concrete Beams Strengthened by Basalt Fiber

CHEN Wei1， WANG Jun2， ZHANG Ke1， CHEN Jia1， LIU Guojun1， ZHU Zhanyuan1

(1.College of Civil Engineering, Sichuan Agricultural University, Dujiangyan 611830, China; 2.College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In order to investigate the effects of basalt fiber on anti-crack performance of concrete beam, static load test was conducted. Taking fiber length and volume ratio as parameters, one control beam without adding basalt fiber and four basalt fiber reinforced concrete beams with fiber lengths 12mm and 30mm, with the volume ratios of 0.1% and 0.2% were tested. The test data was obtained through monitoring of cracking load, crack width and the deflection of beams. The results showed that the cracking load of the basalt fiber reinforced concrete beams increased significantly, crack width development was relatively slow, the crack width and the span deflection decreased under the same load as compared with common reinforced concrete beam. The basalt fiber incorporation improved the beam crack and crack resistance performance, as a consequence, enhancing the overall stiffness of the beams.

basalt fiber； concrete； crack； deflection

1673-2812(2017)01-0144-05

2015-11-07；

2016-01-05

國(guó)家青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408385)

陳 偉(1986-)，女，碩士，講師，研究方向：纖維混凝土。E-mail:chenweijiegou@163.com。

朱占元(1974-)，男，教授，碩導(dǎo)，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。E-mail:zhuzyuan910@163.com。

TU528.572

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.029