摘要：為驗證鋼筋混凝土中添加鋼纖維后得到的新型材料特性，利用參數(shù)已知的混凝土材料澆筑試驗構(gòu)件，完成鋼纖維混凝土裂紋擴展特性研究。在澆筑得到的試件上選擇若干測量點，安裝應(yīng)變貼片并在選定位置放置激光位移計。在伺服疲勞結(jié)構(gòu)試驗機上按照設(shè)定的載荷參數(shù)依次對混凝土試件進行靜力載荷加載試驗，獲取試件的擾度、裂紋擴展規(guī)律并測量構(gòu)件裂紋數(shù)量、寬度和長度。試驗結(jié)果表明，混凝土構(gòu)件添加鋼纖維后，試件的靜力循環(huán)次數(shù)增加，鋼纖維含量為1.5%的構(gòu)件循環(huán)受力次數(shù)較0.5%含量至少增加了45.1萬次；裂紋數(shù)量、寬度以及長度明顯減少，即添加了鋼纖維后可以有效提升構(gòu)件的裂紋擴展特性。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼纖維混凝土；裂紋擴展；擾度

中圖分類號：TQ177.6+7；TU528文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0109-04

Experimental study on crack propagation characteristics of steel fiber reinforced concrete for bridge engineering

YE Xiong

（Guangxi Xinfazhan Communication Group Co.，Ltd.，Nanning 530025，China）

Abstract：To verify the new material properties obtained by adding steel fibers to reinforced concrete，the crack propagation characteristics of steel fiber reinforced concrete were studied by pouring test components of concrete materials with known parameters.A number of measuring points were selected on the poured specimen，strain gauge patches were installed，and laser displacement gauges were placed at selected positions.On the servo fatigue struc?ture testing machine，static load loading tests were carried out on concrete specimens in sequence according to the set load parameters，the disturbance degree and crack propagation law of the specimens were obtained，and the num?ber，width and length of cracks of the components were measured.The experimental results showed that after adding steel fibers to concrete components，the number of static cycles of the specimens increased.The number of cyclic forces on components with a steel fiber content of 1.5%increased by at least 451 000 times compared to those with a steel fiber content of 0.5%.The number，width，and length of cracks were significantly reduced，indicating that the addition of steel fibers can effectively enhance the crack propagation characteristics of the component.

Key words：bridge engineering；steel fiber reinforced concrete；crack propagation；disturbance

隨著現(xiàn)代化建筑的需求逐漸向著高強度、高耐久度以及大跨度等方向發(fā)展，從而產(chǎn)生了其他工藝制作的高強混凝土、鋼纖維混凝土等新型混凝土[1-2]。大量文獻研究結(jié)果指出，疲勞現(xiàn)象是影響橋梁耐久性的主要因素之一，它與橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造條件和材料的性能以及外部核載有關(guān)。由于社會發(fā)展，過橋車流量的增加和重車的數(shù)量增長，導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，構(gòu)件表面會形成裂紋，鋼筋腐銹，加速了構(gòu)件的破壞。所以，有一部分早期建造的橋梁，因為疲勞現(xiàn)象，導(dǎo)致被破壞，造成人員傷亡，財產(chǎn)損失[3-5]。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土具有一系列優(yōu)異的物理和機械性能。研究將開展橋梁工程用鋼纖維混凝土裂紋擴展特性試驗探討，以期獲取更為可靠的分析結(jié)果，為日后的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1試件設(shè)計與制作

1.1試件設(shè)計

根據(jù)研究結(jié)果可知，在多次荷載的作用下，鋼纖維混凝土構(gòu)件會出現(xiàn)相應(yīng)的裂紋，并且裂紋的數(shù)量與長度會隨著荷載次數(shù)的增加而增長，導(dǎo)致橋梁工程用鋼纖維混凝土構(gòu)件的剛度發(fā)生變化，使其失去承載能力[6-7]。為研究橋梁工程用鋼纖維混凝土裂紋擴展特性，此次研究中設(shè)定了多組具有針對性的鋼纖維鋼筋混凝土（SFRC）疲勞實驗。實驗中使用的試件參數(shù)設(shè)定如下：

（1）長度：35 000 mm；（2）截面尺寸：300 mm×500 mm；（3）鋼纖維摻入量：0.5%/1.0%/1.5%；（4）鋼筋數(shù)量（根）：6/10/22。

拌合混凝土中使用的水泥型號為普通硅酸鹽水泥，具體力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

（1）河沙：40%砂率的河砂，細度模數(shù)為2.5～2.8；（2）粗骨料：4.5～20 mm的碎石，顆粒級良好；（3）粉煤灰：等級為I級，水灰比0.35；（4）減水劑：馬貝聚梭酸減水劑；（5）水：自來水。

使用上述材料，將鋼纖維混凝土配合比設(shè)定如下：

（1）鋼纖維：0.5%/1.0%/1.5%；（2）水泥：450 kg/m3；（3）水：180 kg/m3（4）減水劑：4.5 kg/m3；（5）粉煤灰：120 kg/m3；（6）河砂：531 kg/m3；（7）碎石：1 240 kg/m3。

在實驗前，使用以上材料澆筑SFRC邊長為200 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件進行測試，得到試驗試件的基本力學(xué)性能。SFRC基本參數(shù)如表2所示。

試件制作過程中使用的鋼筋均經(jīng)過檢測，保證其符合當(dāng)前的技術(shù)要求。

1.2試件制作

為獲取到更為真實的實驗試件，此次實驗試件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

實驗試件的鋼筋骨架由專業(yè)人員捆扎，并嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行操作，保證實驗試件受力均勻[8]。在混凝土磨具中涂抹機油，便于后續(xù)脫模。

混凝土采用專用攪拌機進行拌合，鋼纖維在混凝土中隨機放置，不考慮鋼纖維方向與位置對試件的影響。將原材料按照配合比倒入攪拌機中，充分混合10 min后，加入自來水進行二次攪拌，立即進行試件澆筑。澆筑過程采用分層澆筑形式。與此同時，使用振動棒進行振搗，保證試件密度達到要求。

澆筑完成的試件放置在自然通風(fēng)的環(huán)境中，放置5 d后進行脫模。而后，在試件表面覆蓋雜草進行為期30 d的養(yǎng)護，養(yǎng)護完成后將其放置自然環(huán)境中靜置6個月。

應(yīng)用以上試件制作過程，獲取3組試件，每組3個，備用。

2實驗操作

2.1實驗方案

主要使用計算機控制電液伺服疲勞結(jié)構(gòu)試驗機進行荷載實驗，加載頻率設(shè)定為10 Hz。與此同時，使用CMOD測量引伸儀[9-10]測量試件裂縫張開位移，具體實驗設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在試件表面隨機安裝應(yīng)變貼片，通過此貼片確定不同試件的裂縫應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.2實驗結(jié)果測算

2.2.1撓度計算公式

研究中不考慮受拉區(qū)域混凝土的抗拉能力，混凝土構(gòu)件的受彎變形，撓度計算公式可表示為：

式中：“表示加載形式與邊界條件相關(guān)系數(shù)；H表示實驗試件的計算跨徑；M表示實驗試件最大彎矩；S表示實驗試件的截面抗彎剛度。

2.2.2疲勞裂紋擴展理論

式中：Δk表示應(yīng)力強度因子賦值；Z表示試驗環(huán)境常數(shù)；N表示試驗設(shè)備加載頻率；d表示增量；c表示裂紋長度。在此公式的基礎(chǔ)上，整合出更適用本次實驗的裂紋擴展規(guī)律：

式中：km（m）ax表示荷載峰值處對應(yīng)的應(yīng)力強度因子[11-12]。

3實驗結(jié)果分析

按照以上設(shè)計的實驗過程對3組試件進行靜力加載，不斷按照設(shè)定的實驗數(shù)據(jù)向試件反復(fù)施加載荷。使用安裝在水平和垂直方向不同數(shù)量的激光位移計以及動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)對靜力加載大小變化的過程和關(guān)鍵參數(shù)節(jié)點進行測量，以記錄在實驗過程中試件的擾度、剛度以及疲勞裂紋擴展變化數(shù)據(jù)。

為測量試件的疲勞裂紋擴展情況，對每一個試件進行數(shù)次完全相同的靜力循環(huán)施加處理，以試件發(fā)生嚴(yán)重形變，即塑性變化為截止點，記錄試件在不同大小靜力載荷下能承受的最多次數(shù)，從而分享不同參數(shù)試件的穩(wěn)定性。

在向所有試件靜力載荷時，施加部件需要緩慢勻速施加，同時需要設(shè)定所有的靜力頻率相同，控制構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振問題，以免對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾，記錄在相應(yīng)狀態(tài)下的試件基本數(shù)值。按照式（1）～式（2）對測量的數(shù)據(jù)計算處理，得到如表3所示的試件撓度和裂紋擴展規(guī)律統(tǒng)計結(jié)果。

由表3可知，在添加相同比例鋼纖維的條件下，施加靜力時試件發(fā)生不同程度的形變，其疲勞裂紋擴展程度也存在差異。施加的靜態(tài)壓力越大，同等參數(shù)的試件擾度增加越多。并且隨著循環(huán)增加次數(shù)的增多，擾度增加，直至試件達到其受力的塑性區(qū)域，試件最終發(fā)生變形無法保持原有力學(xué)性能。在對試件循環(huán)施加靜力時，由于試件能夠承受的最大應(yīng)力水平不同，即使試件添加的鋼纖維含量相同，試件的撓度增加量也不同。隨著循環(huán)施加次數(shù)和靜力施加大小的增加，試件的撓度增加，其中心測量點處的最大撓度大幅度增加。當(dāng)施加次數(shù)達到構(gòu)件塑性區(qū)域附近時，從外表看構(gòu)件整體損傷已經(jīng)較為嚴(yán)重。此外，增加試件中的鋼纖維含量時，試件的撓度變化區(qū)間的上下限明顯增大，鋼纖維1.5%含量的試件其撓度變化區(qū)間上下限要遠大于0.5%鋼纖維含量的試件。說明試件添加的鋼纖維含量增多，能夠一定程度上提高試件的塑性極限，提升試件所能夠承受的靜力載荷施加次數(shù)。由表3還可知，鋼纖維含量添加越多，試件可以在相對較大的靜力下承受更多次數(shù)的測試，1.5%鋼纖維含量的試件，其可承受的最大循環(huán)施加次數(shù)較含量為0.5%的試件至少增加了45.1萬次，相較于1%含量的試件增加了31.4萬次循環(huán)施加次數(shù)。說明試件中添加鋼纖維可以提高試件的力學(xué)性能，即耐疲勞能力。相同的靜力壓力下，鋼纖維添加的含量增加，可以提高對于較大壓力的承受度，在實際的材料應(yīng)用工程中，部件的使用年限也會相應(yīng)的延長。

從裂紋擴展情況來看，相同鋼纖維添加量下，外作用力的增加，會增加試件的裂紋擴展規(guī)律值；而增加鋼纖維含量，試件的裂紋擴展規(guī)律值會不斷下降。根據(jù)裂紋擴展規(guī)律值的計算公式可知，試件的裂紋擴展規(guī)律值越低，試件出現(xiàn)裂紋的數(shù)量相對減少，其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的概率也會有不同程度的降低。

試件超過最大疲勞能力限值即試件結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時，構(gòu)件上呈現(xiàn)的裂紋數(shù)量、最大和最小裂紋長度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可知，試件中添加的鋼纖維含量越高，試件達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的極限時所產(chǎn)生的裂紋數(shù)量越低。說明試件在受到外力作用時，其結(jié)構(gòu)在鋼纖維的拉伸下能夠很好地將受力均勻的分散，避免局部應(yīng)力過大，使得部分結(jié)構(gòu)力學(xué)性能突變。

從實驗過程中的裂紋變化來看，循環(huán)施加次數(shù)較少時，試件結(jié)構(gòu)處于彈性階段，貼片采集到的應(yīng)力形變較小。當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加，試件的疲勞損耗增加，試件內(nèi)部損傷不斷疊加，試件在結(jié)構(gòu)中心點位處開始出現(xiàn)裂紋，激光位移計檢測到明顯形變。

從裂紋的長度上看，試件中鋼纖維含量越高其產(chǎn)生的裂紋長度越小。當(dāng)構(gòu)件因受力產(chǎn)生裂紋時，裂紋從結(jié)構(gòu)表面向內(nèi)部延伸，直到受到構(gòu)件所添加的鋼纖維阻礙，裂紋停止發(fā)展。0.5%鋼纖維含量的試件平均產(chǎn)生的裂紋數(shù)量相比鋼纖維1.5%含量的試件要高。此外，0.5%試件受力所產(chǎn)生裂紋的最大寬度為34 mm，比1.5%的試件至少寬17 mm，比1%的試件至少寬6 mm。說明添加了鋼纖維后，不僅能阻礙受力產(chǎn)生裂紋向構(gòu)件內(nèi)部發(fā)展還能縮小裂紋寬度。

4結(jié)語

長跨度橋梁工程已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)的重要基礎(chǔ)性工程。橋架結(jié)構(gòu)部件單純使用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土已經(jīng)無法應(yīng)對實際的工程應(yīng)用需求。而添加鋼纖維后可以提高混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究選取不同鋼纖維添加量的混凝土構(gòu)件為研究對象，通過對構(gòu)件施加不同的靜力，測量試件的撓度和裂紋表現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)添加鋼纖維可以提高試件的擾度和使用壽命，減少裂紋的產(chǎn)生。

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