鋼纖維混凝土配筋梁力學性能試驗研究

姚云龍

(中國鐵建投資集團有限公司 北京 100855)

隨著我國城鄉一體化的快速發展，混凝土結構在建筑工程中也占據了越來越重要的地位。混凝土作為構成建筑結構的主要材料，其受力性能的研究也逐漸得到較大的關注。由于建筑結構形式的不同，在建筑結構壽命周期內混凝土材料可能面臨各種復雜的受力情況，傳統的混凝土材料已逐漸無法滿足需要。通過在混凝土中添加鋼纖維，能夠顯著改善混凝土的受力性能，提高混凝土的抗壓強度并減小混凝土承受荷載后的損傷。鋼纖維混凝土在遭受荷載作用下能夠表現出優良的力學特性，主要表現為：鋼纖維混凝土抗裂性能好；相比較素混凝土鋼纖維混凝土在抵抗外力荷載時表現出優異的韌性性能；鋼纖維抵抗破壞的能力較強。因此鋼纖維混凝土得以迅速發展，在建筑結構中越來越被頻繁地使用，對鋼纖維混凝土的研究分析十分必要。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

20世紀初期，國外研究者開始嘗試往素混凝土中摻加纖維材料，以增強混凝土的受力性能。其中，鋼纖維屬于應用時間早且普及范圍廣的一種添加材料。1910年，美國科學家POTER H F 在學術期刊上發表了第一篇關于鋼纖維混凝土的論文。基于此，鋼纖維混凝土越來越受到人們的關注，其在人類實際生活中的應用開始得到普及。由于二戰爆發，鋼纖維混凝土在軍事工程領域再度得到發展和普及，英、德、美、法等國的科學家，先后開展了鋼纖維混凝土的研究并出具了相應的研究報告。但這些研究報告并沒有太多關于鋼纖維混凝土理論層次方面的解釋，更沒有解釋鋼纖維對混凝土的增強機制，因而限制了鋼纖維混凝土在建筑工程中的應用和普及。20世紀60年代初，鋼纖維混凝土開始真正意義上得到工程領域方面學者的重視和研究。1963 年，美國科學家ROMUALDI J P 發表了關于鋼纖維混凝土關于裂縫發展機理方面的研究成果，首次提出鋼纖維混凝土的阻裂機理等一系列概念，為鋼纖維混凝土在以后的普及開辟了道路。科學家SWAMY R N 和NAAMAN A E 提出了關于在增強機理方面的復合材料強化法則，這極大地彌補了鋼纖維混凝土的理論研究不足的缺陷，使后人在鋼纖維混凝土理論方面有了實質性的進展。與此同時，國際標準協會也開始重視鋼纖維混凝土這一新型材料，他們設立了關于鋼纖維混凝土的技術標準委員會。21世紀，在世界范圍內迎來了新型材料在研制方面的發展熱潮，鋼纖維混凝土也是其中之一，不僅如此，關于材料的增強理論，在廣義和狹義上都取得了令人矚目的成果[1-6]。

1.2 國內研究現狀

20 世紀末，我國開始了鋼纖維混凝土的研究，近10 年來在該領域的研究有了突飛猛進的發展。部分理論研究者與現場技術人員，通過總結分析國內近10年的有關鋼纖維混凝土抗拉強度（劈裂法）、抗折強度方面的試驗數據、現場施工數據等資料，基于復合材料強度理論和鋼纖維混凝土強度規律，推導出了鋼纖維混凝土設計參數并初步推廣到施工現場實際應用[7-9]。阮燕等人[10]過制備鋼纖維混凝土并開展軸心抗壓試驗與三點抗折試驗，發現鋼纖維能夠提供混凝土的抗變形能力以及彎曲韌性能力。郭金龍等人[11]在鋼纖維混凝土SHPB 試驗研究的基礎上進行了數值模擬，初步分析了鋼纖維混凝土動力抗壓強度隨應變率的變化。姚良發[12]通過制作21 組尺寸為400 mm×100 mm×100 mm的梁試件并對其進行了三點彎曲斷裂試驗，分析裂紋擴展路徑，計算裂縫尺寸，分析出鋼纖維的存在對于混凝土結構具有重要影響。中國工程建設標準化協會還編制并頒布了《纖維混凝土結構技術規程》（CECS 38：2004）[13]和《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13：2009）[14]，使鋼纖維混凝土在我國得到了極大的應用與發展。

2 試驗設計

2.1 鋼纖維混凝土立方體試塊抗壓試驗設計

本試驗采用萬測HCT 系列A 型微機控制電液伺服壓力試驗機，規格型號為HCT-305A，最大試驗力為300 kN。壓力機主機結構采用兩柱框架式，上下壓板距離調節方式為活塞調節及墊板調節，壓力機準確強度等級為1級，即試驗力示值相對誤差為±1%以內。

混凝土立方體試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，共制作了3組混凝土立方體試塊，為避免偶然誤差造成試驗數據不準，其中每組共設計18個標準立方體試塊。3組混凝土立方體試塊中，1組鋼纖維含量為0%，另外2組鋼纖維含量為1%和2%。

2.2 鋼纖維混凝土配筋梁靜載試驗設計

混凝土配筋梁靜載試驗中，共設計加工了3 根實際尺寸的混凝土梁試件，每根試件長度均為2 800 mm，截面尺寸為200 mm×400 mm。本次試驗的3根試件，底部配筋均配置1 排3 根直徑為25 mm 的HRB 400 級螺紋鋼筋，頂部均配置1 排2 根直徑為16 mm 的HRB 400級螺紋鋼筋，箍筋直徑為8 mm間距為100 mm。試件梁的縱筋配筋率均為2.01%，箍筋間距為100 mm，配箍率為0.503%。3根混凝土配筋梁試件中，1根為不含鋼纖維混凝土試件，另外2根鋼纖維含量分別為1%和2%。表1為試件混凝土配合比設計。

表1 試件混凝土配合比設計

3 立方體試塊試驗結果與分析

3.1 立方體試塊破壞形態

圖1為立方體試塊抗壓試驗后試塊破壞及表面裂紋分布形態，根據實驗立方體試件抗壓破壞試驗后表面開裂形態，通過對標準立方體抗壓試驗現象進行分析發現：0鋼纖維立方體在試驗過程中爆裂現象明顯，18 個立方體中有17 個發生爆裂；0 鋼纖維立方體破壞現象多表現為劈裂破壞，包括粗骨料石子的劈裂，除此之外還出現縱向大裂紋，對于1%、2%纖維立方體，表現為裂紋較少且相對均勻，裂而不散；與0纖維的爆裂現象相比，含鋼纖維1%、2%的立方體破壞形式為立方體四周區破壞，核心區基本完好。

3.2 立方體試塊應力曲線

圖2為立方體加載時間-破壞荷載曲線圖。其中，圓形點擬合的曲線為不含鋼纖維的立方體試塊加載時間-破壞荷載曲線，三角形點擬合的曲線為含1%鋼纖維的立方體試塊加載時間-破壞荷載曲線，正方形點擬合的曲線為含2%鋼纖維的立方體試塊加載時間-破壞荷載曲線。通過對比分析3種試塊的破壞荷載-加載時間曲線，研究人員發現：在初始上升段，都呈現出線性增長規律，且直線的斜率為10 kN/s，這與初始時機器設定的加載結果是一致的；各種鋼纖維含量的試塊在破壞荷載到達峰值時，均表現為快速直線下降的特點，但鋼纖維含量越高其峰值也越高，其中，鋼纖維含量為0%、1%、2%的立方體試塊峰值荷載的總體平均值分別為923.78 kN、1 090.16 kN、1 187.77 kN，在數值上破壞荷載總體趨勢為上升趨勢；破壞荷載到達峰值后的下降段，這3種鋼纖維含量的試塊表現出一定的差異性，鋼纖維含量為0%的試塊峰值荷載到達923.78 kN后迅速下降至800.10 kN后屈服破壞，鋼纖維含量為1%的試塊峰值荷載到達1 090.16 kN后迅速下降至910.09 kN后屈服破壞，鋼纖維含量為2%的試塊峰值荷載到達1 187.77 kN后迅速下降至588.26 kN后屈服破壞，鋼纖維含量為2%的試塊到達峰值后其下降段更長，即不含鋼纖維的試塊荷載達到峰值幾乎接近破壞，而含有鋼纖維的試塊達到峰值后仍能繼續發揮抵抗作用，且隨著鋼纖維含量越高，此現象越明顯。

4 混凝土配筋粱靜載試驗結果與分析

4.1 混凝土配筋粱靜載試驗過程

靜力試驗采用三點加載方式進行，試件梁端部為簡支座。在跨中頂部利用螺旋千斤頂施加集中荷載，利用千斤頂上部500 kN 量程的力傳感器記錄荷載變化曲線。在梁和千斤頂之間布置鋼墊板，鋼墊板對的尺寸為100 mm×200 mm×40 mm。圖3為靜力加載試驗裝置示意圖。

圖3 靜力加載試驗裝置示意圖

在梁底面L/2處布置量程為60 mm的位移傳感器，用來測量梁的撓度曲線。25 mm 受力主筋設置4 個應變片（位于底部中間25 mm 主筋上），編號分別為25-1（距梁跨中50 mm）、25-2（距梁跨中350 mm）、25-3（距梁跨中650 mm）、25-1/4（距梁跨中700 mm）。

4.2 混凝土配筋梁試驗分析

（1）靜力試驗正式加載前，先進行預加載調試各測量儀器，確保各測量儀器均能正常工作再進行正式加載。靜載下，試件FBJ0、FBJ1、FBJ2經歷了相似的裂縫出現、裂縫發展以及破壞形態過程，具體如圖4所示。

圖4 跨中位移-荷載曲線

分析對比FBJ0、FBJ1、FBJ2試件的靜壓荷載-跨中位移曲線，由此可發現：有無鋼纖維，試件在跨中位移-靜壓荷載方面表現出一定的差異，當荷載小于50 kN時，3個試件的荷載與位移曲線的初始斜率基本相同，而跨中荷載上摻有鋼纖維的試件在進入屈服階段的荷載值明顯大于未摻加鋼纖維的試件；FBJ1、FBJ2 試件最大靜壓荷載基本一致，約為55 t，FBJ0試件約為48 t；最大跨中位移方面，FBJ0 試件達到60 mm，FBJ1、FBJ2分別為48 mm、54 mm。

（2）通過分析梁試件中直徑25 mm 受拉主筋的應變曲線，由此可以發現：針對鋼纖維含量為0%、1%、2%的試件，靜力試驗下，應變片25-1、25-2、25-3、25-1/4 記錄的應變時程曲線基本規律差異較大；0%試件中1、2 號位置為波動較大的位置，耗散能量也最多；1%、2%試件中1號位置波動較大，能量耗散較多；隨著纖維的加入，2、3號位置的變形逐漸趨于平緩，說明纖維的加入能夠顯著改善試件整體的變形協調能力，使試件內鋼筋的受力趨于均勻化，減少了極端受力現象的產生。圖5為受拉主筋應變時程。

圖5 受拉主筋應變時程曲線

5 結論與展望

5.1 結論

本文在國內外針對鋼纖維混凝土力學性能研究的基礎上，通過變化鋼纖維含量，對比分析了不同含量鋼纖維混凝土立方體試塊與實際尺寸的混凝土配筋梁的破壞形態、荷載、跨中位移以及鋼筋應變等參數，得到了可供設計及施工參考的結論。

（1）鋼纖維的加入能夠顯著提高混凝土的抗壓強度，提高幅度約為9%～18%，隨著鋼纖維含量的增大強度還會有所提高。

（2）對于混凝土構件，鋼纖維的摻入能夠起到明顯的止裂效果，并提高構件的韌性。

（3）鋼纖維能夠改善試件整體的變形協調能力，使試件內鋼筋的受力趨于均勻化，減少了極端受力現象的產生，從而減輕的混凝土試件的損傷。

5.2 展望

本文對不同含量鋼纖維混凝土立方體試塊及實際尺寸的混凝土配筋梁開展了一定的研究，但由于試驗條件和實際環境的限制，仍有一些問題有待進一步研究、討論。

（1）本文開展的是鋼纖維混凝土的試驗研究，沒有涉及到其他種類纖維的試驗，摻加的材料種類對于混凝土受力性能有很大的影響，因此在這方面有待研究。

（2）本文主要研究了常溫狀態下的試驗，沒有涉及到高溫火災等工況，然而纖維在高溫條件下是否還能發揮止裂增韌效果，還有待研究。

（3）本文采用的是靜力荷載試驗，對于動力荷載的作用尚未開展，未能形成對比，還需進一步研究。

（4）本文僅選取了混凝土立方體試塊及實際尺寸的混凝土配筋梁進行分析研究，對于板、柱等構件形式的研究尚未涉及，但本文的研究成果和方法可為以后鋼纖維混凝土的研究提供參考。