玄武巖纖維在連續(xù)梁橋負彎矩區(qū)抗裂性能試驗研究

稅 歡，陳 軍

（中國市政工程西南設(shè)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(xù)的梁橋，屬于超靜定體系[3]。連續(xù)梁在恒活載作用下，產(chǎn)生的支點負彎矩對跨中正彎矩有卸載的作用，使內(nèi)力狀態(tài)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(xù)梁受力條件更好，支點處產(chǎn)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(xù)梁梁高可以減小，斷面尺寸可以減小，從而可以節(jié)省材料[6]。增大橋下凈空，更因為連續(xù)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(chǎn)生負彎矩，易發(fā)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(xù)梁橋支點處負彎矩區(qū)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(xù)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(jīng)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(xù)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(yōu)勢。在混凝土中摻入玄武巖纖維，經(jīng)過拌和后，玄武巖纖維在水泥膠漿內(nèi)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(shù)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(shè)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(nèi)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(zhì)量拌和40 s。最后，加入剩余全部的拌和用水?dāng)嚢?0 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(tài)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(yīng)變片配合數(shù)據(jù)采集儀采集鋼筋和鋼筋混凝土梁的應(yīng)變數(shù)據(jù)；用壓力傳感器采集梁體所受荷載數(shù)據(jù)，用電子裂縫寬度測量儀采裂縫寬度數(shù)據(jù)，用直尺測量裂縫之間間距。研究荷載－裂縫寬度、鋼筋應(yīng)變－裂縫寬度、荷載－鋼筋應(yīng)變之間的關(guān)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(zhǔn)備

試驗開始之前，應(yīng)進行充分的準(zhǔn)備工作。首先，應(yīng)保證試驗梁在試驗機上位置準(zhǔn)確。在梁體跨中、支座位置做好明顯標(biāo)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(zhǔn)確。其次，調(diào)試試驗數(shù)據(jù)采集儀，標(biāo)定傳感器、位移計，調(diào)試應(yīng)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(yù)加載和正式試驗兩部分。

荷載預(yù)加載的目的是檢驗試驗設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，檢校儀器精度，保證試驗的各個環(huán)節(jié)都處于正常工作狀態(tài)。

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(dāng)加載數(shù)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(diào)低為1 kN/次。當(dāng)觀察到第一條裂縫后，調(diào)高荷載增加幅度為2 kN/次。當(dāng)荷載增加到計算極限承載荷載的90% 時，再次調(diào)低荷載增加幅度為1 kN/次，直至試件破壞。當(dāng)觀察到第一條裂縫后續(xù)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(yīng)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(jié)果

2.3.1 玄武巖纖維摻量與鋼筋應(yīng)變、裂縫寬度、跨中撓度之間的關(guān)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(yīng)變及跨中撓度。試驗數(shù)據(jù)如圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 荷載－裂縫寬度試驗數(shù)據(jù)

圖4 荷載－鋼筋應(yīng)變試驗數(shù)據(jù)

圖5 荷載－跨中撓度試驗數(shù)據(jù)

由試驗數(shù)據(jù)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(qū)鋼筋的應(yīng)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(biāo)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(qū)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(biāo)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(chǎn)生，降低裂縫對梁體造成的危害。

3 結(jié)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(qū)裂縫開展情況。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

（1）玄武巖纖維的摻入可以延緩混凝土梁裂縫的產(chǎn)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。