HRB500級縱筋鋼纖維　RPC梁受剪抗裂性能試驗

金凌志，溫 晴，楊 蕊，李文興

（1.桂林理工大學a.廣西巖土力學與工程重點實驗室；b.土木與建筑工程學院，廣西　桂林 541004；2.浙江長征職業技術學院，杭州 310023）

HRB500級縱筋鋼纖維RPC梁受剪抗裂性能試驗

金凌志1，溫 晴1，楊 蕊2，李文興1

（1.桂林理工大學a.廣西巖土力學與工程重點實驗室；b.土木與建筑工程學院，廣西桂林 541004；2.浙江長征職業技術學院，杭州 310023）

為了研究HRB500級縱筋鋼纖維活性粉末混凝土梁的受剪抗裂性能，對4根不同鋼纖維體積率的RPC簡支梁進行試驗研究，并將試驗數據與斷裂力學裂紋張開位移（COD）公式計算結果進行比對分析。研究結果表明：鋼纖維能夠較好地阻礙無腹筋RPC梁受剪斜裂縫的開展，其開裂荷載和極限荷載隨鋼纖維摻量增加而提高；最大斜裂縫寬度隨鋼纖維摻量的增加而減小，但鋼纖維摻量超過2%以后這種影響不再明顯；運用裂紋張開位移公式計算HRB500級縱筋鋼纖維RPC梁的受剪初始裂紋具有較好的可信度。

HRB500級鋼筋；RPC梁；鋼纖維摻量；裂紋張開位移原理；抗裂性能；斜裂縫寬度

0 引 言

活性粉末混凝土（reactive powder concrete，RPC）是一種由DSP（densified system containing ultra-fine particles）材料與纖維材料相結合的水泥基復合材料，具有較高的強度、優異的韌性和耐久性，在RPC中摻入鋼纖維，使RPC的卓越性能錦上添花，被廣泛地應用于實際工程中。1911年，美國的Graham首先正式將鋼纖維摻合到混凝土中，并初步驗證了它的優越性［1］；1963年J P Romualdi和G B Batson針對鋼纖維混凝土提出“纖維間距理論”的概念，運用線彈性斷裂力學，闡述了鋼纖維對混凝土裂縫產生和延伸的影響機理。至此之后，鋼纖維混凝土開始由理論階段轉入工程實用研究階段［2-5］。安明喆等［6］通過對不同鋼纖維體積率活性粉末混凝土基本力學性能的試驗分析，歸納出鋼纖維體積率大于1.75%后，軸心抗拉強度、劈裂抗拉強度隨鋼纖維摻量增加呈線性增長，且劈裂抗拉強度與鋼纖維摻量特征值有關等結論。張宏戰［7］對鋼纖維高強混凝土梁和剪力墻連梁進行抗剪試驗研究，分析各因素對試驗梁剪切強度和試驗梁延性的影響，并得出適合其配比的鋼纖維高強混凝土梁的抗裂強度和承載力計算公式等。但是國內外有關鋼纖維摻量對HRB500級縱筋活性粉末混凝土梁受剪抗裂性能的研究目前還比較鮮見，尤其是斜裂縫寬度的研究更少。本文在高性能的RPC梁中配置高強度的HRB500級縱筋，對4根不同鋼纖維摻量的HRB500級縱筋RPC簡支梁展開受剪試驗，運用斷裂力學的裂紋張開位移（COD）原理計算初始裂紋，并將試驗數據和計算結果進行比對分析，探討鋼纖維HRB500級縱筋RPC梁的受剪抗裂性能。

1　試驗概況

試驗設計4根HRB500級縱筋活性粉末混凝土簡支梁，RPC的材料配合比見表1。普通硅酸鹽水泥強度等級為52.5，硅粉平均粒度為0.1～0.2 μm，SiO2含量94.7%以上；石英砂顆粒呈球形，級配連續良好，平均粒度0.4～0.6 mm；硅微粉平均粒度0.1 μm，火山灰效應較好；高效減水劑為淡黃色透明液體，減水率25%；細短鋼纖，細圓形，表面鍍銅，直徑0.22 mm，長度12～15 mm，長徑比55～68，抗拉強度不小于2 000 MPa。

表1　RPC配合比Table 1 RPC mix ratio

試驗梁截面b×h=150 mm×250 mm，跨度1 800 mm，試驗梁為無腹筋梁，剪跨比均為2.25，配置縱筋，鋼纖維體積含量分別為0、1%、 2%和3%，具體參數見表2。

試驗采用四分點方式進行加載，加載設備采用量程為100 t的液壓千斤頂加載系統，主要由儲油箱、高壓油泵、液壓加載器、測力裝置和閥門等配件通過高壓油管連接而成，試驗裝置如圖1所示。

2　試驗現象分析

脆性破壞特征是當前混凝土材料不可回避的缺陷，活性粉末混凝土去除了粗骨料，配置材料的顆粒比較細小，基體內部骨料之間的咬合力隨之降低，也可能產生脆性破壞。在活性粉末混凝土中摻入一定量的鋼纖維，可以增強骨料間的粘結力，填充其內部缺陷和空氣氣泡，減少界面上的初始微裂縫，有效提高抗裂性能，延緩裂縫的產生［8］；斜裂縫發生后，鋼纖維發揮“橋架”作用，承擔部分剪力，抑制斜裂縫的開展；鋼纖維的摻入還可以增強RPC與高強縱向鋼筋之間的握裹力，提高縱向鋼筋的銷栓作用。

2.1開裂荷載和極限荷載

鋼筋混凝土彎剪構件的斜裂縫通常分為彎剪型和腹剪型兩種斜裂縫：彎剪型裂縫由梁底部彎曲拉應力引起的豎向裂縫發展而來；腹剪型裂縫主要由梁中和軸附近的剪應力產生。觀察試驗現象：加荷初期，試驗梁一般都是在純彎段受力縱筋位置處首先出現受彎垂直微裂縫，這種裂縫微小而間距大，沿高度方向發展非常緩慢；荷載增加到一定階段后，在剪跨區出現垂直微裂縫，并隨著荷載的增加發展為彎剪斜裂縫。圖2為鋼纖維體積率-開裂荷載和極限荷載影響曲線。

表2　試驗梁配筋參數Table 2 Reinforcement parameters of test beams

圖1　試驗梁裝置及截面配筋圖Fig.1 Test beam device and section reinforcement

圖2　鋼纖維體積率　-開裂荷載和極限荷載影響曲線Fig.2 Effect of steel fiber volume fraction on cracking load and ultimate load

可以看出：鋼纖維體積率從0增加到1%、2%和3%，RPC梁極限荷載的增長速率比開裂荷載增長速率快。其原因可能是在加載初期，剪跨區腹部的主拉應力主要由RPC承擔，鋼纖維體積摻量對開裂荷載的影響不大，隨著荷載的增加，RPC開裂并逐漸退出工作，拉應力逐漸由鋼纖維和縱向鋼筋承擔，荷載超過開裂荷載后，橫跨裂縫的鋼纖維有效阻止了裂縫的發展，協同縱向鋼筋一起承擔拉應力，尚未出現裂縫的區域也由于鋼纖維的存在，裂縫的開展得到有效抑制。所以，增大鋼纖維摻量能夠大大改善構件的抗裂性能，明顯提高試驗梁的極限承載能力。

2.2斜裂縫寬度

試驗表明，隨著鋼纖維體積摻量的增大，試驗梁的開裂荷載呈明顯遞增的趨勢，鋼纖維體積率不僅影響RPC梁的開裂荷載值，而且對其斜裂縫寬度的影響也比較明顯。圖3為試驗梁的荷載-最大斜裂縫寬度關系曲線圖，對比4根梁的斜裂縫發展趨勢可以發現，試驗梁的荷載-最大斜裂縫寬度關系曲線與普通鋼纖維混凝土梁的曲線類似，斜裂縫的發展也分為兩個階段，不同的是由于RPC基材優越的抗裂性能，使得其開裂荷載延遲，斜裂縫開展速度減緩。

圖3　RPC梁荷載　-斜裂縫寬度關系曲線Fig.3 Effect of loading on the crack width of RPC beam

（1）穩定發展階段：摻入鋼纖維后，在開裂荷載后的一段時間內，JZL2～4的斜裂縫寬度一直呈線性緩慢增長，曲線斜率隨鋼纖維體積率的增加而變大；而未摻鋼纖維的JZL1出現斜裂縫后，裂縫寬度曲線沒有產生明顯的豎直上升段，說明鋼纖維具有明顯的阻裂作用，可以大大提高試驗梁的開裂荷載。鋼纖維體積率2%以上的JZL3、JZL4相對于鋼纖維體積率1%的JZL2承載能力提高明顯，但是JZL3和JZL4的曲線變化不大，表明鋼纖維體積摻量達到2%以后，即使繼續增加鋼纖維也不能明顯提高試驗梁的承載能力，但最終的斜裂縫寬度則隨鋼纖維摻量的增加而增大。

（2）急速擴展階段：加載至極限荷載的75%～85%時，所有試驗梁剪跨區的最大斜裂縫寬度幾乎都達到0.6 mm以上；隨著荷載的增大，裂縫迅速開展，開裂部位的鋼纖維被拔出或拉斷，鋼纖維所提供的抗拉能力下降；裂縫寬度達到1.5 mm后，裂縫處的大部分鋼纖維完全被拔出并逐漸退出工作，RPC表面的骨料咬合力降低甚至喪失；繼續增大荷載，斜裂縫急速發展，試驗梁迅速破壞。

3　裂紋張開位移計算

3.1裂紋張開位移計算公式

經典斷裂力學理論原本主要應用于金屬材料斷裂領域，20世紀60年代后Neville［9］、Kaplan［10］等將斷裂力學理論應用于混凝土結構領域，以研究其斷裂性能和韌度。該理論認為：在外力作用的初期，混凝土構件的裂紋尖端存在著較大的塑性變形，裂紋側面會隨著外荷載的不斷增加而逐漸張開。這種由于構件受到外荷載作用，在裂紋的尖端且垂直于裂紋方向所產生的位移叫做裂紋張開位移（crack opening displacement，COD），用δ表示。其計算原理是：把構件受力作用后垂直于裂縫尖端的張開位移δ作為參量，把裂紋失穩擴展時的臨界張開位移δc作為構件的斷裂韌性指標，當δ=δc時就可以確定構件發生大范圍斷裂時構件應力值和裂紋尺寸間的關系，即裂紋張開位移法（簡稱COD法）。裂紋在a處的裂紋張開位移計算式為

式中：a—1/2裂紋長度；σs—混凝土抗拉強度；σ—外加應力。

有關外加應力σ的計算，可以將試驗梁在混凝土表面所測得的應變花值分別記為εn1、εn2、εn3，通過式（2）將其轉化為該點處x、y方向的正應變和剪應變

根據彈性力學的胡克定律物理方程，求出該點處x、y方向的正應力和剪應力：

通過式（4）可以求出在一般受力狀態下平面任意斜截面上應力的表達式，也即式（1）的外加應力σ值

式中：α為裂紋尖端處的主拉應力與水平方向的夾角。

3.2試驗值與理論值的比較

運用式（1）計算試驗梁在外加應力值≤混凝土抗拉強度時的裂紋張開位移（裂縫寬度）值，并與試驗值進行比較分析，結果見表3。

其中，計算值與試驗值比值的平均值為1.095，標準差0.161，變異系數14.74%，說明當外加應力值≤混凝土的抗拉強度時，采用裂紋張開位移公式（1）計算的裂紋寬度值與試驗值離散型較小，吻合度較高，運用式（1）計算鋼纖維無腹筋RPC梁受剪開裂荷載具有一定的可信度，由于RPC去粗骨料和致密的微觀結構，塑性變形性能更好，比普通鋼筋混凝土梁更加適合裂紋張開位移（COD）原理。

但是δ值對外加應力與混凝土抗拉強度的比值σ/σs比較敏感，σ/σs＜0.6，式（1）的計算值與試驗值比較吻合，σ/σs＞0.6后，比值的誤差增大。式（1）中如果σ/σs→1，sec函數值趨近無窮，σ/σs＞1則sec函數值為負數，ln函數取值無意義，都不能計算出相應的裂紋張開位移δ，說明加載值超過開裂荷載或外加應力值較大時，裂紋尖端可能整體屈服，式（1）計算的裂紋張開位移值無效，這樣就可以認為，當σ/σs→1時，式（1）的計算δ值即為構件裂紋失穩擴展時的臨界張開位移δc，也就是外加應力σ超過σs后，裂紋將處于失穩狀態，并迅速擴展。

兩邊同除以a，式（1）可轉化為

上式很好地反映了外加應力σ與張開位移和長度比值δ/a之間的關系，依據試驗數據，可繪出初始斜裂縫出現前后裂紋尖端處的主拉應力σ值與δ/a之間的關系曲線，如圖4所示。

可以看出，各鋼纖維摻量下的σ-δ/a曲線的形狀大致相同，鋼纖維體積摻量的變化只能延緩RPC梁裂縫的開展進程，但不能從本質上改變裂紋的發展趨勢。在相同的外加應力下，隨著鋼纖維體積率的增大，構件裂紋的寬度與長度的比值減小，驗證了鋼纖維能夠阻礙 RPC梁裂縫開展的結論。對于鋼纖維摻量為2%和3%的試驗梁，由于兩種鋼纖維摻量下的RPC抗拉強度和彈性模量都比較接近，故二者曲線的斜率非常接近。外加應力σ越接近RPC的抗拉強度σs，曲線的傾角就越大，裂紋寬度與長度的比值變化也越來越快，說明當σ/σs→1時，計算所得σ值即為構件裂紋擴展失穩時的臨界張開位移δc。

表3　初設裂紋張開位移試驗值與計算值的比較Table 3 Comparisons of experimental values and theoretical values of initial crack opening displacement

圖4　不同鋼纖維體積率下　　σ-δ/a曲線Fig.4 　　σ-δ/a curves in different steel fiber volume ratios

4　結 論

（1）在鋼纖維摻量小于等于2%時，高強縱筋鋼纖維無腹筋RPC梁的開裂荷載和極限荷載隨鋼纖維摻量的增加而提高，剪跨區的最大斜裂縫寬度隨鋼纖維摻量的增加而減小，但鋼纖維摻量超過2%以后，這種影響不再明顯。

（2）優越的抗裂性能使得RPC比較適應于斷裂力學裂紋張開位移（COD）原理，在外加應力低于RPC抗拉強度時，運用裂紋張開位移公式（1）計算HRB500級縱筋RPC梁的斜裂縫初始裂紋具有較好的可信度，式（1）可以作為計算鋼纖維無腹筋RPC梁受剪開裂荷載的一種參考方法。

（3）在鋼纖維無腹筋RPC梁受剪裂紋擴展失穩前，在相同的外加應力下，試驗梁裂紋寬度與長度的比值隨鋼纖維體積率的增大而減小，提高鋼纖維體積含量能夠增強HRB500級縱筋RPC梁的抗裂性能，有效阻礙斜裂縫的開展。

［1］程慶國，徐蘊賢，盧祖文.鋼纖維混凝土本構理論的研究、工程應用及發展［J］.中國鐵道科學，1999，20（2）：3-11.

［2］Soroushian P，Bayasi Z.Fiber-type effects on the performance of steel fiber reinforced concrete［J］.ACI Materials Journal，1991，88（2）：129-134.

［3］Banthia N，Nanadakumar N.Crack growth resistance of hybrid fiber reinforced cement composites［J］.Cement and Concrete Composites，2003，25（1）：3-9.

［4］Rossi P.High performance multimodal fiber reinforced cement composites（HPMFRCC）：The LCPC experience［J］.ACI Materials Journal，1997，94（6）：478-483.

［5］楊潤年，尹久仁，肖華明，等.混雜尺寸鋼纖維混凝土試驗研究［J］.新型建筑材料，2006（6）：27-29.

［6］安明喆，宋子輝，李宇，等.不同鋼纖維摻量 RPC材料受壓力學性能研究［J］.中國鐵道科學，2009，30（5）：34-38.

［7］張宏戰.鋼纖維高強混凝土構件受剪性能試驗研究［D］.大連：大連理工大學，2005.

［8］金凌志，何培，付強，等.RPC構件的宏觀裂縫和微觀結構關系分析［J］.江蘇大學學報：自然科學版，2014，35（4）：452-456，462.

［9］Neville A M.Properties of Conerete［M］.3rd ed.London：Pitman Publishing Limited，1981.

［10］Kaplan M F.Crack propagation and the facture of concrete［J］.Journal Proceedings，1961，58（11）：591-610.

Experiment on shear crack resistance property of HRB500 reinforced steel fiber RPC beam

JIN Ling-zhi1，WEN Qing1，YANG Rui2，LI Wen-xing1
（1.a.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering；b.College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China；2.Zhejiang Changzheng Vocational and Technical College，Hangzhou 310023，China）

In order to study the shear crack resistance property of HRB500 reinforcement steel fiber RPC beams，the experimental research on RPC simple surpported beams with 4 different steel fiber volume ratios was carried out，and then the experimental data were analyzed and compared with the results calculated by the principle of fracture mechanics crack opening displacement（COD）.Research and analysis show that steel fiber can effectively hinder the development of shear diagonal cracks in the RPC beams.The cracking load and ultimate load increase with the increase of fiber content，and the width of the maximum oblique crack decreases with the increase of fiber content.But the effect is not obvious after the steel fiber content is more than 2%.The formula based on（COD）principle has good reliability in calculating the shear initial crack of the reinforced steel fiber RPC beams.

HRB500；RPC beam；steel fiber content；principle of crack opening displacement；anti cracking performance；diagonal crack width

TU528.572

A

1674-9057（2016）03-0488-05

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.03.011

2015-11-11

國家自然科學基金項目（51368013）；廣西礦冶與環境科學實驗中心項目 （KH2013ZD008）

金凌志 （1959—），女，教授，研究方向：預應力與新型混凝土材料結構，jlz-5904@163.com。

引文格式：金凌志，溫晴，楊蕊，等.HRB500級縱筋鋼纖維 RPC梁受剪抗裂性能試驗 ［J］.桂林理工大學學報，2016，36（3）：488-492.