玄武巖纖維在連續梁橋負彎矩區抗裂性能試驗研究

稅 歡，陳 軍

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

兩跨或兩跨以上連續的梁橋，屬于超靜定體系[3]。連續梁在恒活載作用下，產生的支點負彎矩對跨中正彎矩有卸載的作用，使內力狀態比較均勻、分布合理。并且因為跨中截面的彎矩減小，橋跨可以增大[4]。與同樣柱距的簡支梁相比，連續梁受力條件更好，支點處產生的負彎矩對梁跨中截面的正彎矩起到卸載作用，因此跨徑均比簡支梁橋大[5]。并且連續梁梁高可以減小，斷面尺寸可以減小，從而可以節省材料[6]。增大橋下凈空，更因為連續梁剛度大，整體性好，安全度大，減少了橋墩上的接縫，橋面伸縮縫少，改善了行車條件[7]。但是跨中彎矩減小的同時，支點處上緣產生負彎矩，易發生裂縫后受水侵蝕[8]。這樣會縮短橋梁使用壽命，增加維修維護成本[9]。因此，需要尋求徑能夠解決連續梁橋支點處負彎矩區開裂問題的途徑。本文主要研究在水泥混凝土中摻入玄武巖纖維后制作的玄武巖纖維混凝土在負彎矩受力情況下裂縫減少和延緩開裂的情況，希望對減輕負彎矩下連續梁開裂問題有一定的意義。

1 玄武巖纖維作用機理

玄武巖纖維是將火成巖經過1 500～1 600℃熔融后采用耐高溫金屬漏板將熔融物拉成纖維，然后再用拉絲機將粗制纖維進一步制成不同長度、直徑的連續纖維。外觀呈金褐色，具有金屬光澤。玄武巖纖維具強度高、耐腐蝕、原材料來源廣泛、價格低廉等優勢。在混凝土中摻入玄武巖纖維，經過拌和后，玄武巖纖維在水泥膠漿內部形成不定向支撐體系，同時纖維被水泥膠漿握裹后裹附在級料周圍，加強了混凝土的強度，削弱了混凝土的塑性收縮。收縮的能量被分散到無數的纖維絲上，從而有效地增強混凝土的韌性，減少混凝土初凝時收縮引起的裂紋和裂縫。

2 玄武巖纖維混凝土梁負彎矩作用下開裂性能試驗研究

本試驗設計制作5 根玄武巖纖維混凝土梁。2 400 mm 長，45 mm 寬，310 mm 高的試驗梁，采用內摻法拌制玄武巖纖維混凝土。首先，拌和機中投入集料和玄武巖纖維，加入計算拌和用水量的30% 拌和30 s。其次，投入計算水泥、減水劑質量拌和40 s。最后，加入剩余全部的拌和用水攪拌90 s。5 根玄武巖纖維混凝土梁中，玄武巖纖維的摻量分別為0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%[10]。分別驗證不同的玄武巖纖維摻配比例對梁在負彎矩受力狀態下裂縫的開展的影響。本試驗采用伺服液壓試驗機來分配梁四分點對稱加載。試驗過程中，采用應變片配合數據采集儀采集鋼筋和鋼筋混凝土梁的應變數據；用壓力傳感器采集梁體所受荷載數據，用電子裂縫寬度測量儀采裂縫寬度數據，用直尺測量裂縫之間間距。研究荷載－裂縫寬度、鋼筋應變－裂縫寬度、荷載－鋼筋應變之間的關系。通過不同玄武巖纖維的摻量研究負彎矩受力情況下玄武巖纖維對裂縫開展的影響。試驗儀器如圖1 所示。

圖1 玄武巖纖維鋼筋混凝土梁加載試驗儀

2.1 試驗準備

試驗開始之前，應進行充分的準備工作。首先，應保證試驗梁在試驗機上位置準確。在梁體跨中、支座位置做好明顯標記，目的是保證梁中心線、分配梁中心線、試驗機加載裝置中心線重合，支座位置準確。其次，調試試驗數據采集儀，標定傳感器、位移計，調試應變采集儀電阻。

2.2 試驗過程

本次研究試驗過程荷載加載的過程分為荷載預加載和正式試驗兩部分。

荷載預加載的目的是檢驗試驗設備是否處于正常工作狀態，檢校儀器精度，保證試驗的各個環節都處于正常工作狀態。

正式試驗時采用分級增加荷載的加載方式，初始荷載增加幅度為2 kN/次。當加載數值增加到計算荷載的85% 時，為保證試驗過程緩慢清晰，荷載增加幅度調低為1 kN/次。當觀察到第一條裂縫后，調高荷載增加幅度為2 kN/次。當荷載增加到計算極限承載荷載的90% 時，再次調低荷載增加幅度為1 kN/次，直至試件破壞。當觀察到第一條裂縫后續的加載過程中每兩次荷載加載之間需要持荷2 min。試驗過程中，采集裂縫寬度、裂縫長度、裂縫間距、鋼筋和梁體的應變水平，并做好記錄。試驗過程如圖2 所示。

圖2 玄武巖纖維鋼筋混凝土梁試驗過程

2.3 試驗結果

2.3.1 玄武巖纖維摻量與鋼筋應變、裂縫寬度、跨中撓度之間的關系

本次試驗采用抗彎加載試驗機對試驗梁進行加載，觀察不同荷載作用下，不同玄武巖纖維摻量試驗梁的裂縫寬度和鋼筋應變及跨中撓度。試驗數據如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 荷載－裂縫寬度試驗數據

圖4 荷載－鋼筋應變試驗數據

圖5 荷載－跨中撓度試驗數據

由試驗數據可以看出：（1）相同荷載作用下，隨著玄武巖纖維摻量的增加，試驗梁負彎矩區鋼筋的應變逐漸降低，裂縫寬度減小，跨中撓度減小，并在摻量為0.5% 達到最小值，其后隨著玄武巖摻量的增加指標略有回升。可以初步判定，玄武巖纖維的摻入可以改善試驗梁負彎矩區的抗裂性能，并且玄武巖纖維的摻量為0.5% 最佳。（2）相同玄武巖摻量的情況下，隨著荷載增大，玄武巖纖維摻量越大，試驗指標增加的幅度越小。這也從另一方面說明玄武巖纖維的摻入可以延緩裂縫的產生，降低裂縫對梁體造成的危害。

3 結語

本文主要研究了在混凝土梁中摻入玄武巖纖維后，混凝土梁負彎矩區裂縫開展情況。根據試驗數據，可以得出如下結論：

（1）玄武巖纖維的摻入可以延緩混凝土梁裂縫的產生。

（2）玄武巖纖維的摻入可以降低裂縫寬度。

（3）玄武巖纖維的摻入量控制在0.5% 左右最佳。