玄武巖筋與鋼筋梁受彎性能試驗對比分析

王 凱

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 概述

玄武巖筋材料與傳統鋼筋材料相比，抗拉承載力顯著提高、耐腐蝕能力強且自重較小，不失為一種理想的鋼筋替代建材。但其抗拉彈性模量較小，僅為鋼筋材料的1/5～1/4，同等力下筋材的變形更大，不易滿足工程正常使用；另外玄武巖筋應力本構關系為一條斜線，無受力屈服階段，屬脆性破壞。

單煒等[1]對玄武巖筋與混凝土材料的粘結-滑移本構關系進行了研究，建立了滑移本構關系的理論模型；朱紹鐵[2]通過結構試驗研究了不同配筋率與混凝土強度等級對梁體受彎性能的影響；榮天時[3]通過對玄武巖筋梁體的抗彎性能與抗剪性能研究證實了玄武巖復合筋可以部分替代鋼筋在建材中使用；范小春等[4]對不同鋼纖維摻量與配筋率的試驗梁進行受彎試驗，探討了梁表面裂縫分形維數與荷載等級、鋼纖維體積摻量、配筋率及跨中撓度之間的關系；孫朋永等[5]通過有限元模型不斷調整玄武巖筋配筋率，解決梁體撓度過大及裂縫發展過快的問題；甘怡等[6]通過有限元軟件對預應力與非預應力玄武巖筋梁體的裂縫、撓度與承載力指標進行了對比分析。

本文采用室內模型梁體加載試驗手段，對普通鋼筋梁體、玄武巖筋梁體以及混合配筋梁體的受力響應特性進行對比分析，總結加載工況下梁體撓度、筋材應力應變、梁體平截面變化、裂縫開展等規律。

2 試驗設計

共設置4片模型梁，梁體長度L=4 000 mm，截面尺寸b×h=460 mm×230 mm，參數見表1。試驗模型梁及各測點布設示意圖見圖1。試驗現場見圖2。

表1 模型梁具體參數

實驗過程中為準確得到梁體的開裂荷載，梁體開裂前按每3 kN為一個臺階，梁體開裂后每5 kN一個臺階，直至模型梁體加載破壞。

3 試驗現象與結果分析

3.1 試驗現象描述

對于模型梁L2，當荷載增加到15 kN時，跨中純彎段首先出現細微裂縫，寬度不足0.1 mm，同時伴隨梁體撓度陡增；荷載增大，純彎段逐漸出現多條豎向裂縫，且裂縫寬度與長度發展較快；當荷載增加至45 kN時，跨中加載點外范圍出現斜裂縫，并且隨著荷載的增加逐漸向加載點位置擴展；當加載至95 kN時，剪壓區主斜裂縫貫穿至分配梁加載點，此時跨中純彎段豎向裂縫已發展至混凝土受壓區，裂縫高度幾乎不再增加，寬度略有增加，此后主斜裂縫寬度發展加快，寬度逐漸超過純彎段內豎向裂縫寬度；當加載至130 kN時，斜裂縫寬度已達到8 mm，持載過程中壓區混凝土壓潰且梁體下撓明顯，梁體破壞，見圖3。

3.2 荷載-撓度曲線

荷載-撓度曲線見圖4，模型梁L1加載過程中撓度變化分級明顯。試驗荷載為0 kN～21 kN時，梁體未開裂，此階段撓度變化值占比3.75%；試驗荷載為22 kN～85 kN，混凝土開裂階段，此階段撓度變化值占比30.6%；試驗荷載為86 kN～110 kN，鋼筋屈服階段。

模型梁L2荷載-撓度曲線分為兩個線性階段。試驗荷載為0 kN～15 kN時，梁體未開裂，對應撓度值占比4.1%；此后開裂荷載直至梁體加載破壞，荷載位移曲線并未發生明顯拐點，曲線趨勢較玄武巖筋應力應變曲線相似，呈線性增大。由于玄武巖筋彈性模量僅為鋼筋的1/5～1/4，混凝土開裂后玄武巖筋梁體撓度發展更快。L3與L4則與兩者規律相差不大。

3.3 梁體平截面應變情況

以各試驗模型梁極限荷載為標準，每0.1倍極限荷載為單位，測量模型梁體跨中不同截面高度處梁體表面應變的分布情況，驗證玄武巖筋梁體受彎變形平截面假定符合情況。各模型梁平截面應變分布見圖5。

普通鋼筋梁體L1，當試驗加載值不大于0.7倍極限荷載，模型梁跨中截面應變分布均能滿足平截面假定；玄武巖筋梁體L2，加載值不大于0.4倍極限荷載時，模型梁跨中截面基本滿足平截面假定；對于混合配筋梁體L3，加載值不大于0.5倍極限荷載時，模型梁跨中截面基本滿足平截面假定；對于小直徑玄武巖筋梁體L4，加載值不大于0.3倍極限荷載時，模型梁跨中截面基本滿足平截面假定。

3.4 筋體材料應變分析

通過圖6中各模型梁筋材加載條件下應變曲線線型可看出，對于普通鋼筋混凝土梁，其鋼筋應變曲線較為平緩，同梁體撓度曲線線型類似；對于玄武巖筋梁體，其筋材應變變化呈兩階段折線線型，由玄武巖筋材應變特性大致推算出梁體破壞時玄武巖筋應變值約為12 000～14 000微應變，約占玄武巖筋極限微應變(約20 000)的60%～70%。

對于混合配筋梁體，可以看出普通鋼筋與玄武巖筋荷載-應變曲線變化趨勢基本相同，既未表現出普通鋼筋應變曲線中屈服平臺線型，也未呈現出玄武巖筋應變曲線線型增加直至破壞的態勢，表明混合配筋條件下兩種筋體受荷過程中基本能夠協同變形、共同受力。

3.5 裂縫開展情況

在相同荷載作用條件下，玄武巖筋模型梁的撓度發展更快速，對應梁體裂縫的發生與發展也較普通鋼筋梁體快速；各模型梁體不同荷載作用下裂縫寬度與數量變化曲線如圖7所示。

普通鋼筋梁體，曲線分布形式與荷載撓度曲線類似，屈服時梁體裂縫最大寬度約為0.25 mm且發展較慢，裂縫寬度變化不大，數量顯著增多。模型梁L2開裂荷載較小且梁體開裂后裂縫寬度發展較快，荷載增加至約1/2倍極限荷載時，裂縫最大寬度不變，數量持續增長；繼續加載直至達到梁體極限荷載，主裂縫寬度突增，梁體破壞。

模型梁L3裂縫寬度與數量曲線變化趨勢綜合了鋼筋梁體與玄武巖筋梁體，裂縫寬度發展近似線性。小直徑玄武巖筋模型梁L4裂縫寬度變化曲線與L2梁類似，裂縫寬度增加較快，且梁體破壞階段裂縫寬度幾乎無平臺變化段；小直徑梁體裂縫數量增加的更快，梁體破壞時裂縫數量最多。

4 結語

1)結構破壞形式：模型梁L1受彎破壞，模型梁L2，L3剪壓破壞，模型梁L4呈現受彎破壞。卸載后玄武巖筋梁體撓度變形回升明顯。

2)撓度發展規律：普通鋼筋梁體荷載-撓度曲線基本可分為三個階段，鋼筋屈服前梁體撓度發展占比總撓度約30%～40%；玄武巖筋梁體荷載-撓度曲線呈兩階段線性變化，梁體開裂后玄武巖筋梁體撓度發展更快。

3)平截面應變：玄武巖筋梁體較普通鋼筋梁體更快地進入非平截面應變階段，混合配筋梁體進入非平截面應變階段要延遲于純玄武巖筋梁體。

4)筋體材料應變情況：玄武巖筋筋材應變變化呈兩階段折線線型，伴隨梁體開裂筋材應變存在明顯拐點。

5)裂縫發展情況：不同筋材的梁體破壞階段裂縫寬度與數量有所差異，等配筋率條件下，玄武巖筋梁體裂縫較密，且加載前期裂縫平均寬度較普通鋼筋大，加載后期裂縫平均寬度較普通鋼筋小。