劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁抗彎性能與抗彎承載力分析

董健苗 李洋洋 殷玲 馬發林 周悅志

摘? 要：通過對劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁進行抗彎性能的試驗研究，驗證其平截面假定，得到試驗梁的荷載-跨中撓度曲線、鋼筋荷載-應變曲線和破壞形態，并對試驗梁的開裂荷載和抗彎承載力進行理論分析.試驗結果表明：劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁和自密實輕骨料混凝土梁均滿足平截面假定;摻加劍麻纖維或增加配筋率，能有效改善試驗梁的裂縫形態并提高抗彎剛度，當劍麻纖維摻量為2 kg/m3時裂縫條數最多，但間距和寬度最小，韌性最好;劍麻纖維對自密實輕骨料混凝土梁的開裂荷載有一定影響，當劍麻纖維摻量為3 kg/m3時，開裂荷載提高最大為40%;開裂荷載和極限荷載建議采用本文修正后的推導公式計算，可與試驗值吻合較好.

關鍵詞：自密實輕骨料混凝土梁;劍麻纖維;抗彎性能;承載力

中圖分類號：TU528.572? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45‐1395/t.2019.01.002

0? ? 引言

梁的抗彎承載力是建筑結構設計和加固工程中的重點，在混凝土基體中摻加不同類型的纖維是增強混凝土梁抗彎性能的有效方法之一，且得到越來越多國內外學者的肯定[1-2].大量研究表明，鋼纖維的摻入能夠明顯改善混凝土梁的抗裂性能，有效減小梁的裂縫寬度，增加其彎曲剛度，改變荷載位移曲線，提高其延性和抗彎能力[3-4].張歡歡[5]基于鋼纖維高強陶粒混凝土梁抗彎性能試驗，提出摻入適宜摻量的鋼纖維可提高陶粒混凝土與梁底部縱筋之間的粘結滑移能力，增大約束變形作用，阻礙微裂縫的發展，延緩陶粒混凝土的破壞過程，提高陶粒混凝土梁的抗彎承載力.路鵬飛等[6]對鋼纖維混凝土梁進行四點彎曲試驗，提出荷載-撓度曲線隨纖維體積摻量和長徑比的增加而更加飽滿，峰值荷載及其增幅均隨之增大.Kang 等[7]通過研究不同種類纖維對混凝土梁的彎曲性能影響規律，提出梁的抗彎承載力和耗能隨纖維變形增大而增大，其彎曲強度隨纖維體積摻量的增加而增大，且呈一定的線性關系[8-9].Yoo 等[10]由鋼纖維混凝土梁開裂后性能變化，提出較高纖維體積摻量和較低強度均能提高斷裂能，纖維體積摻量大于1%時能夠有效提高混凝土梁的彎曲韌性和彎曲強度[11].近年來，學者對聚丙烯纖維、玄武巖纖維、耐堿玻璃纖維等其他種類的纖維進行了混凝土梁抗彎性能試驗研究，結果表明，一定摻量的纖維可改善混凝土梁的破壞形態，使其由脆性破壞逐漸變為延性破壞，同時提高了梁的整體剛度和抗沖擊能力[12-14].目前，對植物纖維的研究主要集中在以其為原料的自密實輕骨料混凝土的配合比設計、工作性能和基本力學性能等方面，結構部件承載力等方面尚無足夠完整的研究成果.

劍麻纖維具有價廉質輕，拉伸強度和斷裂強度高的特點[15-16]，作為天然纖維增強材料對自密實輕骨料混凝土結構承載力等方面具有重要的研究意義.本文對8根強度等級為C40的試驗梁進行靜力荷載試驗，得到荷載-跨中撓度曲線、荷載-應變曲線及試驗梁的破壞形態，驗證其平截面假定，并根據試驗結果對劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁的開裂荷載和受彎承載力進行理論分析.

1? ? 試驗原材料及配合比

1.1? ?試驗原材料

水泥：廣西魚峰集團有限公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，技術指標見表1.

粉煤灰：來賓電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，技術指標見表2.

細骨料：柳州河砂，細度模數為2.7，表觀密度為2 700 kg/m3，級配合格.

粗骨料：湖北宜昌寶珠陶粒有限公司生產的900級頁巖圓球型陶粒，技術指標見表3.

外加劑：蘇州弗克技術股份有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%.

劍麻纖維：廣西劍麻集團生產，平均直徑為304 μm，試驗纖維長度為10 mm，技術指標見表4.

1.2? ?試驗配合比

根據《自密實混凝土應用技術規程》（JGJ/T 283-2012），采用絕對體積法配制強度等級為C40的劍麻纖維自密實輕骨料混凝土，其水膠比為0.345，陶粒體積摻量為0.41，砂率為0.41，減水劑摻量為1%，粉煤灰摻量百分比為25%，劍麻纖維摻量分別為1 kg/m3、2 kg/m3和3 kg/m3.本試驗先加入經表面預濕處理的陶粒和砂子，再摻入劍麻纖維，攪拌30 s使其均勻分散，然后加入水泥、粉煤灰、水和減水劑繼續攪拌，并按照自密實混凝土施工要求，即澆筑過程中無需振搗，注滿后刮平表面，成型后拆模，自然條件養護28 d后進行力學試驗.

1.3? ?劍麻纖維自密實輕骨料混凝土和鋼筋的基本性能

劍麻纖維自密實輕骨料混凝土的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、棱柱體軸心抗壓強度和靜力彈性模量等力學性能根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）和《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13-2009）的要求，采用與試件同一批注模混凝土拌合物，標準試件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，各力學性能每個配合比3塊，并在與試驗梁同等自然環境下澆水養護28 d后進行試驗.各組拌和物的工作性能均滿足規范要求，其工作性能和力學性能如表5所示.

本試驗所用的HRB335和HRB400級的B8、C10、C14和C16鋼筋，根據《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》（GB1499）的要求對其進行力學性能指標檢驗，結果均符合國家標準.

2? ? 試驗方案

2.1? ?試件設計

本試驗以劍麻纖維摻量和縱筋配筋率為變量，共設計并制作了8根劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁，其具體命名、幾何尺寸和配筋情況如表6和圖1所示.

2.2? ? 加載方案

本試驗采用250 t MTS電液伺服系統三分點兩點對稱加載，按照GB0152-92《混凝土結構試驗方法標準》分級加載且速率為（0.15±0.02）mm/min，試驗梁加載如圖2所示.

2.3? ? 測量方案

本試驗采用數字采集儀D3816采集應變片應變、荷載和位移.試驗梁的測點布置為：采用位移計測量梁跨中、1/4跨和支座處的撓度;采用長100 mm的應變片測量梁頂部、底部以及側面跨中不同截面高度的混凝土的應變;采用長3 mm的應變片測量跨中和加載點處的縱向受拉鋼筋的應變.

3? ? 試驗結果及分析

3.1? ? 破壞形態

本試驗8根試驗梁均為適筋梁且發生彎曲破壞，其中D14系列試驗梁的破壞形態如圖3所示.

試驗梁自加載至破壞大致分為3個階段：彈性階段、彈塑性階段、鋼筋屈服至破壞階段.彈塑性階段，此階段裂縫以延伸發展為主、新增為輔，撓度變化不大;鋼筋屈服至破壞階段，此階段裂縫長度和寬度增長迅速，撓度急速增大，直至受壓區混凝土壓碎.在相同配筋率的情況下，與未摻劍麻纖維的受拉鋼筋直徑為14 mm的試驗梁L-D14相比，摻1 kg/m3、2 kg/m3和3 kg/m3劍麻纖維的試驗梁L-D14-SF1、L-D14-SF2、L-D14-SF3的裂縫條數增加，但裂縫寬度和裂縫間距明顯減少;當纖維摻量為2 kg/m3時，裂縫數量最大，裂縫間距和寬度最小，即出現了大量的小裂紋，這正好與未摻劍麻纖維時形成的少量大裂紋相反，因此材料在斷裂前能夠達到高得多的應變能密度[17].在相同劍麻纖維摻量的情況下，增加配筋率可減小裂縫寬度和裂縫間距.縱向受拉鋼筋直徑為16 mm的D16系列試驗梁也具有相同規律.

3.2?  荷載? -跨中撓度曲線

本試驗所有梁構件的荷載-跨中撓度曲線如圖4所示.

由圖4可知：1）所有試驗梁在開裂前的荷載-跨中撓度曲線呈線性且有明顯的屈服點;2）同配合比的試驗梁的屈服荷載和極限荷載都隨著配筋率的增加而增大，其韌性也相對提高;3）達到開裂荷載后，同配筋率試驗梁在同荷載作用下，與梁L-D14相比，梁L-D14-SF1的撓度基本沒變，而L-D14-SF2、L-D14-SF3的撓度值分別增大約25.40%或10.23%，說明摻加劍麻纖維可使自密實輕骨料混凝土梁的能量吸能能力提高，當摻量為2 kg/m3時，開裂后的試驗梁吸能能力最強;4）比較荷載-撓度曲線與橫坐標軸所圍面積可知，當劍麻纖維摻量為2 kg/m3時試驗梁韌性最好.D16系列梁具有相同規律.

3.3? ?平截面假定的驗證

本試驗依據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）和《結構設計原理》，需要對與普通混凝土的材料構成不同的劍麻纖維自密實輕骨料混凝土的平截面假定進行驗證.D14系列試驗梁的跨中截面平均應變分布如圖5所示.

由圖5可知，自密實輕骨料混凝土梁和劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁截面應變均滿足平截面假定.與普通混凝土一樣，平截面假定不僅適用于混凝土開裂前，同樣適用于開裂后直至受壓區混凝土壓碎破壞的階段.說明鋼筋和自密實輕骨料混凝土或劍麻纖維自密實輕骨料混凝土之間具有較好的粘結性能，在混凝土破壞之前未有較大的相對滑移.

3.4? ? 鋼筋荷載-應變曲線

D14系列試驗梁的鋼筋荷載-應變曲線如圖6所示.

由圖6可知：試驗梁在開裂前，曲線幾乎重合且呈線性，說明鋼筋、劍麻纖維和自密實輕骨料混凝土在彈性階段相互變形協調，此時劍麻纖維的摻加對鋼筋的應變影響不大.達到彈塑性階段時，即試驗梁開裂后，因開裂截面處的鋼筋發生應力重分布，受拉鋼筋應變迅速增大，此時，摻加的劍麻纖維對鋼筋應變產生影響：在相同的鋼筋應變下，與試驗梁L-D14相比，試驗梁L-D14-SF1所受荷載基本不變，而試驗梁L-D14-SF2和L-D14-SF3所受荷載提高.說明跨越裂縫的劍麻纖維更有效的傳遞部分的拉應力，使鋼筋應變增長速率減小.

4? ? 劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁的抗彎承載力分析

4.1? ?試驗梁的開裂荷載和極限荷載計算

依據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010和《結構設計原理》的計算原則，根據試驗梁的破壞形式和試驗測得的應力應變關系得到試驗梁在極限狀態時的平衡關系，并考慮劍麻纖維的具體摻量的影響，對試驗梁的開裂荷載和極限荷載進行計算：

4.2? ?計算值與試驗值的對比分析

利用上述公式計算試驗梁的開裂荷載和極限荷載，并與試驗值對比，詳細數據如表6所示.

由表6可知：1）與未摻加劍麻纖維的試驗梁相比，劍麻纖維摻量為1 kg/m3或2 kg/m3對試驗梁的開裂荷載影響不大，而摻量為3 kg/m3可明顯提高開裂荷載，提高40%，這可能是因為試驗操作過程中使摻量為1 kg/m3和2 kg/m3的劍麻纖維在基體內體積摻量較少而導致的;2）在相同配筋率的情況下，試驗梁摻加劍麻纖維與否對極限荷載的影響差距不大，這與抗壓強度試驗結果趨勢較吻合;3）相同配合比的試驗梁相比，配筋率的增加對開裂荷載的影響較小，但大幅度提高了極限荷載，最大提高了38%;4）由開裂荷載的計算值與試驗值比值可知，其計算平均誤差為1.00，標準差0.09，變異系數0.09.由極限荷載的計算值與試驗值比值可知，其計算平均誤差為1.00，標準差0.07，變異系數0.07.由此可得，采用本文公式計算的劍麻纖維自密實輕骨料混凝土的開裂荷載和極限荷載與試驗值的吻合度較好.

5? ? 結論

1）摻加劍麻纖維使梁的裂縫條數增加，但裂縫寬度和裂縫間距明顯減少，有效改善了梁的破壞形態.當摻量為2 kg/m3時，攪拌過程中分散性較摻量為3 kg/m3好，填充較摻量為1 kg/m3時均勻，漿體中水分沿親水性纖維表面遷移時，水灰比減小程度較大，界面區裂縫數量最大.纖維橫在裂紋上，且在自密實混凝土內部形成空間網狀結構，阻礙了微裂縫的產生和擴展，使裂縫間距和寬度最小.

2）劍麻纖維對自密實輕骨料混凝土梁的撓度有顯著影響，當摻量為2 kg/m3或3 kg/m3時，撓度值比未摻加纖維的試驗梁分別增大約25.40%或10.23%，不僅增強試驗梁的能量吸能能力，也有效傳遞部分拉應力以減小鋼筋應變增長速率.

3）自密實輕骨料混凝土梁和劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁在受彎過程中的截面應變均滿足平截面假定.

4）劍麻纖維對自密實輕骨料混凝土梁的極限荷載的影響不大，而對其開裂荷載有一定影響，當劍麻纖維摻量為3 kg/m3時，開裂荷載提高最大為40%.

5）劍麻纖維自密實輕骨料混凝土梁的開裂荷載和極限荷載建議采用本文推導公式計算，可與試驗值吻合較好.

參考文獻

[1]? ? 李春蕊，王學志，李根，等. 纖維混凝土梁研究綜述[J].硅酸鹽通報，2018，37（4）：1255-1265.

[2]? ? 鄧朗妮，梁靜遠，廖羚，等. 基于光纖光柵的預應力碳纖維板加固鋼梁抗彎性能試驗研究[J].廣西科技大學學報，2015，26（2）：73-77.

[3]? ?MASHIMO H，ISAGO N，KITANI T，et al. Effect of fiber reinforced concrete on shrinkage crack of tunnel lining[J].Tunnelling and Underground Space Technolog，2006，21（3-4）：382-383.

[4]? ?TOUSSAINT E，DESTREBECQ J F，GRéDIAC M. A detailed study of crack propagation in cement-based fibre composite beams under bending[J].Cement and Concrete Composites， 2005，27（3）：399-411.

[5]? ? 張歡歡. 鋼纖維高強陶粒混凝土梁抗彎性能試驗研究[D].廈門：華僑大學，2015.

[6]? ? 路鵬飛，孫林柱，趙俊亮，等. 超細鋼纖維混凝土彎曲韌性研究[J].混凝土與水泥制品， 2016（11）：45-49.

[7]? ?KANG S T，YUN L，PARK Y D，et al. Tensile fracture properties of an ultra high performance fiber reinforced concrete （UHPFRC） with steel fiber[J].Composite Structures，2010，92（1）：61-71.

[8]? ?AKCAY B，TASDEMIR M A. Mechanical behaviour and fibre dispersion of hybrid steel fibre reinforced self-compacting concrete[J].Construction and Building Materials，2012，28（1）：287-293.

[9]? ?PAJAK M，PONIKIEWSKI T. Flexural behavior of self-compacting concrete reinforced with different types of steel fibers[J].Construction and Building Materials，2013，47：397-408.

[10] YOO D Y，YOON Y S，BANTHIA N. Predicting the post-cracking behavior of normal- and high-strength steel-fiber-reinforced concrete beams[J].Construction and Building Materials， 2015，93：477-485.

[11]? 高丹盈，趙亮平，馮虎，等. 鋼纖維混凝土彎曲韌性及其評價方法[J].建筑材料學報， 2014，17（5）：783-789.

[12]? 劉赫凱.鋼纖維對高性能自密實混凝土構件彎/剪性能的影響[D].大連：大連理工大學， 2012.

[13]? SORANAKOM C，MOBASHER B. Closed-form solutions for flexural response of fiber-reinforced concrete beams[J].Journal of engineering mechanics，2015，133（8）：933-941.

[14]? 叢明. 聚丙烯纖維再生混凝土梁受彎性能試驗研究[D].延吉：延邊大學，2013.

[15]? 董健苗，王亞東，杜亞聰，等.不同長度及直徑的劍麻纖維對自密實輕骨料混凝土力學性能的影響[J].廣西科技大學學報，2017，28（3）：26-30.

[16]? FILHO R D T，SCRIVENER K，ENGLAND G L，et al. Durability of alkali-sensitive sisal and coconut fibres in cement mortar composites[J].Cement and Concrete Composites，2000，22（2）：127-143.

[17]? 胡曙光.先進水泥基復合材料[M].北京：科學出版社，2009.