鋼纖維對高強陶粒混凝土阻裂效應試驗研究
——基于純扭作用

李建鏘

(福建省博意設計有限公司 福建泉州 362000)

1 鋼纖維陶粒混凝土國外研究現狀

陶粒混凝土因具有輕質、高強優點，理今在世界上快速發展和廣泛應用。眼下應用最廣泛的陶粒骨料主要有黏土陶粒、葉巖陶粒、粉煤灰陶粒。國內一些采用陶粒混凝土的重大工程主要有：珠海國際會議中心；武漢證券大廈；云南建工醫院；天津永定新河大橋；京珠高速公路湖北段漢江大橋。其中，永定新河大橋應用了高強預應力陶粒混凝土，漢江大橋使用了纖維高強陶粒混凝土[1]。

在陶粒混凝土中加入適量的鋼纖維后所形成的鋼纖維陶粒混凝土其物理和力學性能都有所改良和提高，具體表現為：①相對較高的抗拉、抗彎、抗剪強度；②很好的抗沖擊性能；③優異的抗裂和抗疲勞性能；④抗變形能力強；⑤韌性好；⑥耐磨性能與抗滲性能較高；⑦施工方便，性價比高，其應用前景十分可觀[2]。

隨著鋼纖維混凝土新材料在工程中的不斷應用，關于鋼纖維混凝土的應用技術和材料性能理論也在不斷發展。尤其是混凝土的物理力學性能，為了滿足工程界的需要，其性能要求越來越高，鋼纖維混凝土在今后有著很大的發展空間[3-4]。

鋼纖維陶粒混凝土是一種新型的建筑材料，它在保持陶粒骨料輕質的特點下，兼具了鋼纖維對混凝土的性能增強作用。國外許多學者都對鋼纖維陶粒混凝土進行了各種力學性能的試驗研究。上世紀80年代初期，英國Sheffield大學進行了鋼纖維陶粒混凝土抗沖擊性試驗研究[5]和鋼纖維陶粒混凝土的工作性研究[6]。日本對于鋼纖維陶粒混凝土也做了很多試驗研究。日本早期的《水泥混凝土》中就有關于鋼纖維陶粒混凝土力學性能研究。90年代中期美國通過試驗研究鋼纖維對陶粒混凝土各種力學性能提高和施工性能的影響。澳大利亞New South Wales大學實驗研究了各種纖維對飛灰輕骨料混凝土干縮性能的改善。研究結果表明，鋼纖維比其它低彈性模量纖維更好地抑制飛灰輕骨料混凝土干縮開裂[7]。我國香港大學R.V.Balendran試驗，研究了鋼纖維對高強陶粒混凝土和普通骨料高強混凝土強度及延性的影響。實驗研究表明，鋼纖維體積率對鋼纖維高強陶粒混凝土的劈裂強度和抗彎性能的改善要優于普通高強混凝土[8]。本文擬基于純扭作用下的鋼纖維對高強陶粒混凝土的阻裂效應進行試驗研究，以期為工程實際運用提供試驗依據和理論基礎。

2 試驗方案設計

2.1 材料選擇

(1)水泥：采用普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5MPa。

(2)鋼筋：試驗涉及的鋼筋分別有：直徑6mm的HPB300鋼筋、直徑8mm的HPB300鋼筋、直徑10mm的HPB300鋼筋。通過鋼筋拉伸試驗得出性能參數如表1所示。

表1 鋼筋實測參數

(3)陶粒粗骨料：采用圓形粘土陶粒，筒壓強度8.5MPa，堆積密度890.7kg/m3,1h吸水率10.7%，顆粒表觀密度1428.6kg/m3，粒徑在10～19mm之間。

(4)細骨料：采用河沙，中砂，細度模數2.9。

(5)普通粗骨料：級配良好的碎石。

(6)鋼纖維：福建廈門市國橋牌寬波浪形鋼纖維,主要特征參數:長度為30mm,等效直徑為1.11mm,換算長徑比為27，抗拉強度大于700MPa。

(7)水：采用普通自來水。

試驗以鋼纖維體積率為主要控制參數，將10根梁(表2)分為3組，其中A2梁為普通混凝土對比梁，A1為不加鋼纖維的陶粒混凝土梁，B1、B2、C1、C2、C3、D1、D2 、D3分別為不同鋼纖維體積率下的8根鋼纖維陶粒混凝土梁。通過實驗得出梁的裂縫發展情況。

表2 試件梁主要參數表

為了使裂縫出現在試件梁的跨中，梁配筋采用梁兩端加密箍筋做法。截面采用寬150mm高250mm，跨度為2000mm的梁。配筋時，箍筋采用直徑6mm的HPB300，鋼筋間距分別以100mm、150mm、200mm為變化條件。縱向鋼筋采用HPB300，鋼筋以8mm、10mm為變化條件。

陶粒強度等級C40，通過試算試配調整得出配合比。每根梁陶粒混凝土根據配合比對應得出各種材料每立方米用量如表3所示。

表3 試件每立方米材料用量表 kg

攪拌澆筑陶粒混凝土主要流程,如圖1所示。

圖1 攪拌工藝流程圖

2.2 試驗加載方案

本試驗采用量程為50kN手搖千斤頂進行加載。抗扭試驗采用以扭轉角為主控條件，扭矩為輔助控制。加載方式采用一端用兩個千斤頂將梁構件固定于鋼架上，如圖2(a)，另一端施加扭矩詳圖2(b)。中間部分形成純扭段。在陶粒混凝土表面布設應變片以測量陶粒混凝土應變。貼片位置為梁跨中的兩側面純扭段沿45°角，水平方向間距100mm均勻貼片(每側3片，雙面貼)。使用傾角儀(DXL360，分辨率0.02°)測量扭轉角度。通過加載前標零，加載時測量加載端相對扭轉角的方法，測量梁構件的扭率。這種方法比起應用位移計測量并推算角度的傳統方法更加便捷，且更為精確。

試驗在華僑大學土木工程試驗室進行，測試內容主要是采集梁在扭轉荷載下扭矩與應變關系，同時觀測裂縫發展情況。

初始加載方案，按照扭轉角度每增加0.05deg/m觀察一次并采集數據控制，當扭轉角為0.14deg/m時，構件首先在A面中軸線附近位置出現第一條微裂縫，裂縫長度約為30mm，寬度十分細小，大概在0.2mm左右，裂縫與水平線夾角約為45°。此時扭矩為3.03kN·m。

隨后，加載方案改為按照扭轉角度每增加0.10 deg/m觀察一次，并采集數據控制。隨著扭矩增加，微裂縫陸續出現，并主要分布于中軸線附近位置。原有微裂縫變寬，并向兩端延伸，延伸方向與水平線夾角約為45°。當扭轉角為0.55deg/m時，扭矩為6.29kN·m，裂縫的長度已經延伸到梁頂端和低端，寬度達到0.4mm左右，并與底部和底部裂縫初步貫通。梁跨中部有形成與水平線夾角約為45°角的貫通主裂縫趨勢。

當扭轉角度為0.90deg/m時，扭矩為7.52kN·m已經形成十分明顯的主裂縫，裂縫寬度為1mm左右，主裂縫位置剛好出現在梁跨偏左部位，與水平線夾角約為45°角，為螺旋形貫穿裂縫。當梁主裂縫出現后，梁構件表面幾乎沒有新裂縫產生，其余已出現的短小次裂縫延伸速度有變緩趨勢。

當扭轉角度為1.30deg/m時，扭矩為8.39kN·m，此時扭矩不再上升。主裂縫寬度達到2mm左右，主裂縫附近混凝土起皮掉落。加載方案改為按照扭轉角度每增加0.20 deg/m觀察一次，并采集數據控制。隨后，扭矩均維持在8kN·m左右波動，直到轉角度為2.80deg/m時，扭矩開始下降，認為構件已經破壞，停止加載。裂縫分布位置如圖2～圖3所示。

(a)固定端示意圖 (b)固定端現場圖

(a)加載端示意圖 (b)加載端現場圖1 (c) 加載端現場圖2圖3 試件加載端

3 試驗結果及分析

3.1 試驗現象

以構件A1梁為例，具體試驗過程如下：初始加載方案按照扭轉角度每增加0.05deg/m觀察一次，并采集數據控制，當扭轉角為0.14deg/m時，構件首先在A面中軸線附近位置出現第一條微裂縫，裂縫長度約為30mm，寬度十分細小，大概在0.2mm左右，裂縫與水平線夾角約為45°，此時扭矩為3.03kN·m。

隨后，加載方案改為按照扭轉角度每增加0.10 deg/m觀察一次，并采集數據控制。隨著扭矩增加，微裂縫陸續出現，并主要分布于中軸線附近位置。原有微裂縫變寬，并向兩端延伸，延伸方向與水平線夾角約為45°。當扭轉角為0.55deg/m時，扭矩為6.29kN·m，裂縫長度已經延伸到梁頂端和底端，寬度達到0.4mm左右，并與底部裂縫初步貫通。梁跨中部有形成與水平線夾角約為45°角貫通主裂縫趨勢。

當扭轉角度為0.90deg/m時，扭矩為7.52kN·m，已經形成十分明顯的主裂縫，裂縫寬度為1mm左右，主裂縫位置剛好出現在梁跨偏左部位，與水平線夾角約為45°角，為螺旋形貫穿裂縫。當梁主裂縫出現后，梁構件表面幾乎沒有新裂縫產生，其余已出現的短小次裂縫延伸速度呈變緩趨勢。

當扭轉角度為1.30deg/m時，扭矩為8.39kN·m，此時扭矩不再上升。主裂縫寬度達到2mm左右，主裂縫附近混凝土起皮掉落。隨后，加載方案改為按照扭轉角度每增加0.20deg/m觀察一次，并采集數據控制。隨后，扭矩均維持在8kN·m左右波動，直到轉角度為2.80deg/m時，扭矩開始下降，認為構件已經破壞，停止加載。裂縫分布位置如圖4所示。

圖4 構件A1裂縫展開圖

3.2 試驗結果分析

試驗結果表明：10根梁的受力破壞過程大體相同。在裂縫出現之前彈性階段，構件截面長邊首先出現與水平線夾角為35°～50°不等的斜裂縫。根據試驗可以總結出：當箍筋配置較多時，斜裂縫與水平線夾角也越大，箍筋配置較少時斜裂縫與水平線夾角較小，且可能出現與水平線平行的貫通水平裂縫。隨著扭矩增大，斜裂縫向構件邊緣延伸，裂縫數量不斷增加，在構件展開面上均勻分布。當扭矩增加到一定值后，形成環繞整個受扭梁構件的貫通螺旋形裂縫。此時，梁構件形成一個帶裂縫受荷的空間籠型結構。裂縫出現后，扭轉角急劇增大，梁構件抗扭剛度顯著下降。

試驗還表明：當純扭梁構件出現主裂縫時，隨著扭矩增加，主裂縫變寬，主裂縫表面起皮脫落。但是，其余次裂縫延伸速度變緩，甚至不延伸，梁構件表面不再有新的裂縫出現。

試驗比較，明顯看出：鋼纖維能很有效地增大純扭梁構件的開裂扭矩，并且在梁構件破壞時，由于有鋼纖維的鏈接作用，表面起皮后相對于不摻鋼纖維的陶粒混凝土梁及普通混凝土梁，不會出現壓碎的混凝土或陶粒混凝土整塊掉落現象。

將此次試驗結果匯總于表4，Tcr表示梁構件的開裂扭矩，當梁構件表面剛出現斜裂縫時的扭矩判斷為梁構件的開裂扭矩； θcr表示混凝土開裂時的相對扭轉角。

表4 純扭作用下梁構件的特征荷載和相應扭轉角的實測值

根據陶粒混凝土應變與扭矩關系圖可得出：陶粒混凝土在開裂前基本處于彈性狀態。開裂后，陶粒混凝土應變快速增大，而且隨著陶粒混凝土表面應變的增大，裂縫貫穿應變片直到應變片破壞。圖5對比了A1，B1，C1，D1，A2梁構件混凝土表面應變與扭矩的關系。

圖5 A1，B1，C1，D1，A2梁構件混凝土表面應變與扭矩關系對比圖

根據圖5可以發現：在加載初期，應變增長緩慢，直到達到開裂荷載。對比曲線A1與曲線A2可以清楚地得出：陶粒混凝土(圓形粘土陶粒粗骨料)比普通混凝土(碎石粗骨料)純扭作用下更容易開裂。陶粒混凝土構件A1的開裂扭矩約為3.03kN·m，而普通混凝土的開裂扭矩為4.40kN·m，陶粒混凝土開裂扭矩約為普通混凝土開裂扭矩的68.9%。

普通混凝土(碎石粗骨料)的抗剪強度，主要取決于硬化水泥砂漿和碎石粗骨料的抗剪強度，以及碎石粗骨料與硬化水泥砂漿之間粘結接口的粘結強度。粘土陶粒的抗剪強度，通常情況下低于碎石粗骨料。據文獻[9]試驗研究表明：粘土陶粒混凝土的抗剪強度，主要由粘土陶粒本身的抗剪強度決定。尤其是高強混凝土更是如此。粘土陶粒混凝土的受剪破壞面通常會貫穿陶粒骨料[10]，根據圖6構件破壞面現場照片可以清晰地得出此結論。通過梁構件扭轉試驗，也從一定程度上印證了陶粒混凝土抗拉強度低于普通混凝土[11]。

圖6 陶粒混凝土破壞面

根據圖4，對比曲線A1、B1、C1、D1可以清楚地得出：摻入鋼纖維的陶粒混凝土梁構件，其開裂扭矩隨著鋼纖維的體積率增加而明顯增大。

鋼纖維體積率為0.5的陶粒混凝土梁構件B1開裂扭矩為3.92 ，相對于A1開裂扭矩約增長29.4%。鋼纖維體積率為1.0的陶粒混凝土梁構件C1開裂扭矩為4.57 ，相對于A1開裂扭矩約增長50.8%。鋼纖維體積率為1.5的陶粒混凝土梁構件D1開裂扭矩為5.87 ，相對于A1開裂扭矩約增長93.7%。且在鋼纖維體積率為1.5的情況下，陶粒混凝土開裂扭矩大于普通碎石粗骨料混凝土。

鋼纖維提高陶粒混凝土的開裂扭矩，主要表現在抑制和延緩陶粒混凝土微裂紋產生和延伸[12]：

(1)陶粒混凝土澆搗過程，由于水泥水化干縮產生原始微裂縫。鋼纖維可以很有效地抑制這些原始微裂縫的產生。

(2)在對陶粒混凝土施加扭轉荷載過程，隨著陶粒混凝土的自身應力加大，其內部微裂縫勢必發生延伸、貫通。而在這些微裂縫延伸的路徑上，由于有鋼纖維的阻礙，微裂縫的延伸將受到很大程度延緩。

綜上，可以得出以下結論：

(1)在受扭狀態下，陶粒混凝土梁的開裂扭矩小于普通碎石粗骨料混凝土梁。

(2)從一定程度上反應了陶粒混凝土相比于普通碎石粗骨料混凝土更易于受拉開裂。

(3)鋼纖維的摻入，能很好地提高陶粒混凝土梁構件的開裂扭矩。增大鋼纖維的摻入量，能很有效地延緩陶粒混凝土梁構件受扭開裂。

(4)鋼纖維對于延緩陶粒混凝土受拉開裂效果明顯。

4 結語

結合纖維混凝土與陶粒混凝土的特點，鋼纖維陶粒混凝土將在工程界有著廣泛的應用。對于鋼纖維陶粒混凝土的理論研究，還尚未達到鋼筋混凝土那樣成熟的地步，特別是針對鋼纖維陶粒混凝土預制構件的承載力，尚需進一步研究。

試驗結果表明：在陶粒混凝土中摻入鋼纖維，能很好地提高陶粒混凝土梁構件的開裂扭矩。增大鋼纖維的摻入量，能很有效地延緩陶粒混凝土梁構件受扭開裂。