玄武巖纖維改性HSCC柱偏心受壓試驗研究

王鈞，白雪石，薛鶴

(東北林業大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

玄武巖纖維(BF)以良好的抗拉性、耐腐蝕性、廣闊的溫度適用范圍等優勢，使其與混凝土結合可廣泛應用于嚴寒、沿海等工作環境復雜、惡劣的建筑物中[1-4]。在實際工程中，針對建筑物因大跨、重載和結構復雜等因素，引起的混凝土結構自重大、澆筑后振搗困難、施工不易等問題，高強自密實混凝土(HSCC)可有效發揮作用[5-6]。將BF應用到HSCC結構中，不僅可在提高混凝土強度等級、減輕自重的同時解決振搗困難、減少噪聲，還可以提高混凝土的抗裂性，提高結構耐久性[7-9]。

實際工程中，鋼筋混凝土柱常處于偏心受壓受力狀態，因此，開展玄武巖纖維改性HSCC柱偏心受壓性能研究具有重要的理論意義與工程應用價值。目前，關于玄武巖纖維應用到混凝土柱的研究相對較少，王新忠等[10-11]、侯敏等[12]、夏海濤[13]等分別針對配筋玄武巖纖維混凝土柱、玄武巖纖維再生混凝土柱、玄武巖纖維高強混凝土柱的受壓性能展開研究。然而，以自密實、高強為特性，結合BF改性的HSCC柱偏心受力性能研究尚未見報道，基于HSCC的應用廣泛程度，有必要作進一步探討[14-15]。

以玄武巖纖維的體積摻量、長度、結構柱受壓的偏心距為變量，制備BF改性HSCC構件柱，進行偏心受壓試驗，研究BF的加入對配筋HSCC柱受力性能的改善效果，豐富BF改性HSCC的研究內容。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

試驗共設計5組10個HSCC長柱試件，每組兩個柱分別進行偏心距為40、120 mm的受壓試驗。為探究BF對試件受力性能的影響，BF體積摻量分別取0、0.1%、0.2%，長度分別取15、30 mm，偏心距分別取40、120 mm。試件基本參數與編號規則分別見表1、圖1。

表1 試件基本參數Table 1 Parameters of specimens

圖1 試件編號規則

根據《金屬材料拉伸試驗》(GT/B 288.1—2010)測得縱筋、箍筋的屈服強度與抗拉強度如表2。為避免柱偏心受壓時發生局壓破壞，于柱頂布置4 mm厚鋼板，試件設計尺寸與配筋情況詳見圖2。

表2 鋼筋力學性能Table 2 The mechanical properties of steel bars

圖2 試件的配筋

1.2 試驗材料及力學性能參數

根據《高強混凝土應用技術規程》(JGJ/T 281—2012)等規范，設計混凝土強度等級為C60高強自密實混凝土，設計配合比[15]如表3所示。主要組成材料為：水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，性能指標見表4；細骨料選用中砂，細度模數為2.71、表觀密度為2 530 kg/m3；粗骨料選用粒徑小于20 mm的碎石，表觀密度為2 733 kg/m3，粒徑級配為5～20 mm；減水劑選用聚羧酸系高效減水劑，減水率為40%；摻合料采用I級粉煤灰及微硅粉；纖維選用山東聚源玄武巖纖維股份有限公司生產的短切玄武巖纖維，具體參數如表5所示。

表3 混凝土基準配合比Table 3 Benchmark mix proportion of concrete (kg·m-3)

表4 水泥性能指標

表5 玄武巖纖維物理力學性能指標Table 5 Physical and mechanical properties of basalt fiber

澆筑混凝土前，對混凝土進行了強度值及流動性測試試驗?；炷翉姸戎涤赏瑮l件下成型養護28 d的3個150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試塊按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)測得后取平均值，擴展度依據《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283—2012)測得，結果列于表6。

表6 混凝土強度值及流動性指標

1.3 加載方案

試驗采用人工加載千斤頂的方式。試件上、下端均放置刀口鉸支座，圖3為加載裝置圖。據《混凝土結構試驗方法標準》(GB 50152—2012)進行1～2次預加載，荷載值為計算承載力的10%，計算承載力按規范[16]公式計算得到。正式加載采用分級單調加載，每級加載計算極限荷載的10%，加載達到極限荷載的80%后開始緩慢加載，每級加荷減半，不同階段的持荷時間統一按規范要求，記錄各級荷載所對應的變形值及裂縫開展情況等，直至試件破壞，停止試驗，獲取試件實測承載力及破壞形態。

圖3 加載裝置圖

1.4 測點布置與數據采集

為分析試件受壓過程中的混凝土、鋼筋應變與試件側向撓度的變化，對構件表面混凝土、內部鋼筋布置應變片，其位置如圖4所示。圖4(b)中標注的a側為圖4(a)試件左視圖，b側為圖4(a)試件右視圖。所有試驗數據由數據采集系統采集。

圖4 測點布置圖

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象與破壞形態

大偏心受壓破壞的5個試件，其破壞形態、跨中縱向鋼筋荷載-應變曲線分別如圖5(a)、圖6(a)所示。當加載接近計算承載力20%時，柱中部a側先后出現2條橫向裂縫；隨著荷載的不斷增加，a側不斷出現新裂縫的同時，舊裂縫持續向水平方向兩側延伸，直至貫通，此時，構件的側向撓度也漸為明顯，a側中部裂縫的寬度逐漸變大，發展為主裂縫。在受力過程中，當加載約達到極限承載力的80%時，監測到a側受拉鋼筋應力達到屈服，繼續加載，b側混凝土被壓碎。構件最終縱向鋼筋的受拉應變均大于受壓應變，受拉鋼筋均屈服而受壓鋼筋應變較小，尚未達屈服。大偏心構件呈現明顯的延性破壞特征。

小偏心受壓破壞的5個試件，其破壞形態、跨中縱向鋼筋荷載-應變曲線分別如圖5(b)、圖6(b)所示。在荷載增加過程中，試件的a側出現較少彎曲裂縫，且裂縫發展較緩慢。當構件接近破壞時，b側牛腿處出現豎向裂縫，試件內部持續發出“嘶嘶”的聲音。隨著聲音不斷加急變大，受壓承載力達到極限，試件突然發出很大“砰”的響聲，b側中部附近混凝土壓碎脫落，少部分碎塊崩出，破壞處呈錐體，裸露出部分箍筋與縱筋，全過程中，受拉與受壓鋼筋均未發生屈服，摻加纖維的小偏心構件和對照組構件都表現為脆性破壞。

2.2 荷載分析

將10個偏心受壓柱的開裂荷載及極限承載力數據進行整理、統計，大、小偏心受壓試驗結果如表7、表8所示。

圖5 受壓破壞形態

圖6 荷載鋼筋應變曲線

表7 大偏心受壓試驗結果Table 7 Measured result of large eccentric compression members

由表7可以看出，玄武巖纖維的加入提高了大偏心受壓HSCC柱的開裂荷載和極限荷載。在大偏心構件受力過程中，纖維的加入分擔部分拉區混凝土應力，延緩拉區混凝土微裂縫的產生，有效推遲受拉鋼筋屈服，使構件受力過程中能夠承擔更高的荷載，進而提高構件極限承載力。當玄武巖纖維體積摻量為0.1%、纖維長度為15 mm時，Pcr、Pu提高幅度最大，分別為20.7%、18.2%。

由表8可知，BF體積摻量0.1%時，可顯著提升小偏心受壓HSCC柱開裂荷載與極限承載力，當纖維長度為15 mm時，試驗組Pcr、Pu值最大，較對照試件提高11.8%、16.7%。

表8 小偏心受壓試驗結果Table 8 Measured result of small eccentric compression members

因此，對于偏心受壓柱，體積摻量為0.1%、長度為15 mm的玄武巖纖維參數是改性HSCC柱偏心受壓性能的較理想參數值。BF的加入能有效阻止HSCC柱偏心受壓時初始裂縫產生，并延緩其增長，提高HSCC柱開裂后的持荷能力。

這是因為，由于適量BF在高強自密實混凝土中的亂向分布狀態，使纖維之間呈三維無規則相互搭接方式，與周圍的骨料共同作用，構成大范圍的空間網狀結構，使柱中鋼筋骨架得到二次加強，構成新的受力骨架體系，能夠承擔一部分應力集中的對混凝土產生的破壞。同時，纖維的摻入，主要提高構件抗拉性能。在應力作用下，可消耗部分能量，削弱受力過程中應力傳遞至柱拉區混凝土的速度與強度，從而起到改善混凝土脆性開裂的作用，延緩初始裂縫的產生。

在微裂縫出現后，纖維還可發揮橋接裂縫的作用，并使裂縫開裂路徑更曲折，減慢微裂縫持續擴展的速率，提高構件開裂后達到破壞時的極限承載力。

基于表7、表8試驗數據，分析試件偏心受壓時開裂荷載、極限荷載隨參數變化的規律，結果如圖7、圖8所示。

圖7 開裂荷載變化趨勢圖

圖8 極限承載力變化趨勢圖

由圖7、圖8中的曲線走向可知，隨著纖維長度的增加，大偏心受壓柱開裂荷載、極限荷載總體下降趨勢，但較纖維體積摻量的變化，纖維長度的改變對Pcr、Pu實測值影響更大，纖維長度由15 mm增至30 mm，Pcr、Pu較對照組降低10.4%、11.7%。

這是因為，當纖維體積摻量一定，長度為30 mm的BF數量是長度為15 mm的1/2，致使纖維發揮橋接作用削弱。雖然，纖維體積摻量過多時，對大偏心受壓構件產生降低作用，但仍未超過摻入纖維對其的增強作用，大偏心受壓構件受力過程中抗拉性能起主導作用，導致纖維長度由15 mm增至30 mm時，對大偏心受壓構件開裂荷載、極限承載力的改善效果降低。

對于小偏心受壓試件，由圖7、圖8中的曲線觀察，當纖維長度由15 mm增至30 mm時，試件開裂荷載值、極限荷載值上下波動較小。而隨纖維體積摻量的增大，纖維對混凝土性能的影響較為明顯，當玄武巖纖維長度15 mm，體積摻量由0.1%增至0.2%時，柱開裂荷載與極限荷載呈現出22.4%、33.1%較大幅度下降，表明玄武巖纖維體積摻量改變對試件小偏心受壓性能的作用更明顯。

這是因為，當BF摻量為0.2%時，自密實性能降低，增大纖維在其中團聚風險，使得構件的內部缺陷增多。對于小偏心受壓構件，當纖維摻量過高，纖維對基材性能的增強作用減弱效果進一步表現在受力過程中，致使構件韌性受到較大影響，加速其破壞過程。

2.3 混凝土荷載-應變分析

為探究加載過程中，玄武巖纖維的加入對混凝土構件應變變化的影響，分別繪制大、小偏心受壓構件a、b側中部拉、壓區混凝土的荷載-應變曲線，如圖9所示。其中，圖9(a)、(b)應變數據分別選取圖4所示a、b側柱中混凝土應變片數據的平均值。

圖9 偏心受壓構件荷載-應變曲線

從圖9可以看出：在同級荷載受力作用下，BF體積摻量0.1%、長度15 mm的玄武巖纖維高強自密實混凝土柱大、小偏心受壓下的混凝土拉、壓應變均較對照組小，且在最大幅度提高極限承載力的同時，試件的最大拉、壓應變可分別降低對照組的25.0%、15.0%。

這是由于混凝土在受力過程中，內部由初始微小裂縫的產生逐漸過渡到宏觀裂縫的出現并發展，部分薄弱混凝土砂漿整體被分裂，導致裂面間產生一定相對滑移，而在混凝土中摻加適量BF，可在裂縫處增強摩阻力，并以其較高的彈性模量分擔更多的承載力，提高混凝土柱極限承載力，從而降低壓區混凝土產生的最大應變值。

2.4 荷載-撓度分析

為分析玄武巖纖維的加入對構件受力過程中跨中撓度變化的影響，以大偏心受壓構件為例，繪制了荷載-跨中撓度關系曲線，如圖10所示。

圖10 荷載-跨中撓度曲線

觀察與分析圖10可知，在承受相同荷載時，加入纖維的混凝土構件，構件跨中撓度值小于對照組，達到極限承載力時，跨中最大變形增幅7.6%。纖維的摻加可較小幅度的改善HSCC柱構件的變形能力。由于玄武巖纖維在拉區混凝土中發揮了較好的增韌阻裂作用，當接近極限荷載時，跨中變形雖增大，但增長幅度小于對照組構件，降低了由柱中變形的迅速增大而引起的附加彎矩值的加劇增長，從而使柱的承載力得到相應提高。

3 結論

基于玄武巖纖維改性HSCC柱偏心受壓試驗，獲得不同纖維摻量、纖維長度、偏心距等參數改變時柱受力性能的試驗結果，基于試驗與分析獲得如下結論。

1)對于偏心受壓柱，體積摻量為0.1%、長度為15 mm的玄武巖纖維參數是改性HSCC柱偏心受壓性能的相對最佳值。

2)當摻入最佳參數的玄武巖纖維時，大、小偏心受壓構件的開裂荷載最大增幅分別為20.7%、11.8%，極限承載力也達到增幅最大值，分別為18.2%、16.7%。

3)玄武巖纖維的摻入可有效分擔混凝土應變，較為顯著地影響大偏心受壓構件拉區混凝土與小偏心受壓構件壓區混凝土的最大應變值，最佳摻量時可分別減小25.0%、15.0%。

4)玄武巖纖維的摻加可在一定程度上改善混凝土柱構件的變形能力，使大偏心受壓構件中部最大撓度增幅達到7.6%，但BF體積摻量、長度參數的改變對撓度影響不大。