鋼纖維摻量對輕骨料混凝土預制板樓抗沖切性能影響的試驗研究

張艷英 盧玫 杜中華 李壘成 王江鋒

1 華北水利水電大學建筑學院 2 河南省紡織建筑設計院有限公司（450011）3 華北水利水電大學地球科學與工程學院（450000）

0 前言

輕骨料混凝土同普通混凝土相比， 具有自重輕、強度高、保溫性能好等優點，非常適宜于在現代化裝配式建筑中使用。同時輕骨料混凝土可采用摻入鋼纖維、炭纖維、煤矸石、燒制陶粒、粉煤灰等材料。 因此，如能以輕骨科混凝土代替預制板中的普通混凝土， 不但可保留組合樓板原先的各種優點，還能降低樓板自重，從而降低工程的造價，便于運輸和組裝。 同時，還可降低工業廢料所造成的環境污染[1]。

目前我國對于預制板的研究，絕大部分集中于對普通混凝土預制板力學性能的研究上，而對輕骨料混凝土預制板的研究很少。文章針對輕骨料鋼纖維混凝土預制板進行了試驗，研究了輕骨料混凝土預制板中鋼纖維的含量對預制板抗沖切性能的影響，為輕骨料混凝土在預制板中的應用提供了試驗數據和理論基礎。

1 鋼纖維輕骨料混凝土預制板抗沖切試驗

1.1 試驗材料

預制板輕骨料混凝土主要成分為普通硅酸鹽水泥（P·O 52.5）、燒制陶粒粗骨料、機制砂細骨料和鋼纖維，物理力學性能參數見表1～表4。 外加劑采用聚羧酸系高性能減水劑（指標符合混凝土外加劑規范《GB 8076—2008》的要求[2]），實測減水率為19%。 普通混凝土粗骨料采用連續級配5～20 mm的碎石，拌制參照規范《混凝土結構設計規范》[3]GB 50010—2010）。

表1 燒制陶粒的物理性能指標

表2 機制砂的物理性能指標

表3 鋼纖維性能特性參數

本試驗輕骨料混凝土預制板材料配比參考文獻[4]經驗，水灰比為0.44，機制砂含量為40%，鋼纖維摻量為0.8%～1.6%。 混凝土攪拌試驗過程中先將鋼纖維外表面裹一層水泥漿, 并提前將燒制陶粒噴水預濕，以便混凝土配合料之間更好地黏結，其攪拌嚴格按照 《輕骨料混凝土技術規程》[5]JGJ 51—2002 的施工工藝進行。鋼纖維輕骨料混凝土配合比設計參數分別見表4。

1.2 試件的設計與制作

該試驗共設計制作8 塊輕骨料混凝土預制板，板中間均配置方柱柱頭 （柱截面為300 mm×300 mm，柱頭長350 mm），板的制作尺寸為1 200 mm×1 200 mm，有效板跨均為1 000 mm，板厚150 mm，板采用單面配筋，縱橫向配筋率相同，均為φ12@200，輕骨料混凝土中鋼纖維體積參量變化為0～1.6%[6-7]。試件設計情況見表5，配筋狀況如圖1 所示。

表4 鋼纖維輕骨料混凝土配合比參數

表5 試件列表

圖1 板配筋圖

1.3 試驗的裝置及實驗方法

為了獲得輕骨料混凝土應變、鋼筋應變、板中各個測點撓度、 開裂荷載與極限承載力等試驗數據，本試驗采用電阻應變片來測量混凝土及鋼筋的應變。 混凝土應變片采用型號為SZ300-100AA，柵格尺寸4 mm×100 mm，電阻值120 Ω。 鋼筋應變片采用型號為BXl20-5AA，電阻值為120 Ω，柵格尺寸3 mm×5 mm。 運用靜態電阻應變儀同時采集混凝土應變、鋼筋應變和壓力傳感器的應變。 混凝土及鋼筋應變都采用共溫度補償1/2 橋路的方案測試。 試件試驗過程，先將輕骨料混凝土預制板的受拉面向下，柱頭向上，板的四邊支在直徑為60 mm鋼滾軸上，支座之間的距離均為1 200 mm，再用600 kN 液壓千斤頂在輕骨料混凝土預制板中心逐級加載。

試驗開始前，首先進行預壓加載試驗，檢查測量儀表是否能正常工作， 然后進行正式逐級加載。試驗全過程均按照分級加載，每級加載30 kN。當開裂荷載及極限承載力達到80%時，荷載適當加密。觀察板底裂縫的情況，做好拍片和記錄工作，重點記錄板底的撓度、角隅的撓度、鋼筋及混凝土的應變數據、輕骨料預制板在加載過程中的全部變化。

1.4 輕骨料混凝土預制板抗沖切破壞特征及撓度計算

綜合文獻研究結果[8-11]，在集中荷載作用下，預制板從開始加載到板體承載力破壞大致分為三個階段：

第一階段： 預制板中從開始加載到板上出現第一條裂縫，荷載的位置在中心低板面附近。 此時由鋼筋和輕骨料混凝土共同承受荷載，預制板處于線彈性工作階段。

第二階段：從預制板上開始出現第一條裂縫后、相續出現裂縫到預制板被破壞，此時鋼筋承受荷載增加，有部分輕骨料混凝土退出工作，預制板處于彈塑性工作階段。

第三階段：預制板達到極限荷載，集中加載四周出現下陷，鋼筋和輕骨料混凝土都退出工作，預制板突然失去承載力，處于沖切破壞階段。

根據荷載在板上作用位置和形成的裂縫形狀的不同，可以將板的沖切破壞類型分為三種：完全沖切破壞、不完全沖切破壞和沖壓破壞。

本試驗各試件極限承載力及開裂荷載見表6。在中心加載的過程中，本試驗各試件達到極限承載力發生開裂時均發生沖切破壞。 摻入鋼纖維含量為零的B1，隨著荷載的增大，預制板突然失去承載力，屬于無預告的脆性破壞。 摻入鋼纖維的含量為0.8%、1.2%、1.6%的 B2～B4 破壞時， 由于有鋼纖維的保護，沒有出現混凝土保護層剝落現象，預制板的表面比較完好，可以看出鋼纖維可以有效地保護輕骨料混凝土。 輕骨料混凝土預制板中摻入適量的鋼纖維可降低板的脆性破壞程度。 在一定范圍內，隨著摻量的增大，輕骨料混凝土預制板抗沖切破壞性能不斷提高。

由文獻[12]的研究結果可得，板構件在正面中心（a/2，b/2）處受集中荷載P 時，此時利用納維葉解法得到的撓度表達式為：

其中：D——截面彎曲剛度；m、n——正整數，為保證計算精度取值均大于等于3；a、 b——矩形板的邊長； （x，y）?。╝/2，b/2）。

集中荷載P 取值為等效靜載：

其中：

Qe——等效靜載；ΔPm——動荷載峰值。

低速沖擊作用下鋼纖維、鋼筋混凝土板的撓度計算公式為：

其中：Es、αE、ρ——縱向受拉鋼筋的彈性模量、鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值、縱向受拉鋼筋配筋率；As——構件受拉區縱向鋼筋的截面面積；h0——混凝土板截面有效高度，在平頭低速沖擊時， 基本可以忽略侵徹作用對截面有效高度的影響；ftk——混凝土軸心抗拉強度標準值；ω——板的自振頻率；Ω——頻率系數；D——截面彎曲剛度。a——板短邊計算跨度。m0、m——板構件單位面積質量，m0=1.1 m。

表6 各試件沖切開裂荷載及極限承載力

2.5 鋼纖維輕骨料混凝土預制板中心荷載一撓度曲線

圖2 預制板中心荷載、撓度曲線

圖2為預制板 B1-1、B1-2、B2-1、B2-2、B3-1、B3-2、B4-1、B4-2 8 個試件中心荷載、撓度曲線。 由圖2 和表6 可知， 試件發生的破壞均為沖切破壞。預制板在荷載較小時， 基本上處于彈性工作階段。當達到開裂荷載以后，撓度變形曲線偏離荷載中心軸，但是其荷載、撓度變化關系近似線性變化。 當施加荷載達到極限荷載時，沖切錐形成，板的承載力很快下降。 當荷載穩定在極限荷載范圍值時，預制板中心撓度約為破壞時撓度的2.9 倍。 在相對穩定的殘余荷載下，板的變形持續不斷發展，直到試件最終失去承載力。 輕骨料混凝土預制板隨著鋼纖維量的不斷增加，其開裂荷載也有增加趨勢，屈服荷載呈現一定的增長，極限承受荷載隨鋼纖維摻入量的增加而增加。

由圖3 可以得出：

隨著輕骨料混凝土中鋼纖維的增加，輕骨料混凝土預制板的抗沖切承載力可提高56%～85%；

隨著鋼纖維體積參量從0.8%～1.6%增加，輕骨料混凝土預制板的抗沖切承載力遞增，鋼纖維體積參量到1.2%以后提高幅度有下降趨勢；

在鋼纖維體積摻量在0～1.6%變化時， 可以認為鋼纖維體積摻量為1.2%時是輕骨料混凝土預制板最優鋼纖維體積摻量。

圖3 試驗梁的荷載-撓度曲線

2 結語

國內外混凝土沖切試驗研究大多在研究現澆板和疊澆板，文章通過對8 塊由輕骨料混凝土組成的預制板試件的沖切加載試驗，研究了不同鋼纖維摻量情況下預制板的抗沖切破壞規律。 隨著鋼纖維體積摻量從0.8%～1.6%增加，輕骨料混凝土預制板的抗沖切承載力逐漸增加，但是當鋼纖維體積摻量達到1.2%以后提高幅度有下降趨勢。 可以認為，輕骨料混凝土鋼纖維最佳體積摻量為1.2%， 這為進一步研究現澆板抗沖切理論和分析提供了試驗數據基礎，也為輕骨料混凝土現澆板的設計施工提供參考。