橋梁工程用鋼纖維混凝土裂紋擴展特性試驗研究

摘要：為驗證鋼筋混凝土中添加鋼纖維后得到的新型材料特性，利用參數已知的混凝土材料澆筑試驗構件，完成鋼纖維混凝土裂紋擴展特性研究。在澆筑得到的試件上選擇若干測量點，安裝應變貼片并在選定位置放置激光位移計。在伺服疲勞結構試驗機上按照設定的載荷參數依次對混凝土試件進行靜力載荷加載試驗，獲取試件的擾度、裂紋擴展規律并測量構件裂紋數量、寬度和長度。試驗結果表明，混凝土構件添加鋼纖維后，試件的靜力循環次數增加，鋼纖維含量為1.5%的構件循環受力次數較0.5%含量至少增加了45.1萬次；裂紋數量、寬度以及長度明顯減少，即添加了鋼纖維后可以有效提升構件的裂紋擴展特性。

關鍵詞：橋梁工程；鋼纖維混凝土；裂紋擴展；擾度

中圖分類號：TQ177.6+7；TU528文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0109-04

Experimental study on crack propagation characteristics of steel fiber reinforced concrete for bridge engineering

YE Xiong

（Guangxi Xinfazhan Communication Group Co.，Ltd.，Nanning 530025，China）

Abstract：To verify the new material properties obtained by adding steel fibers to reinforced concrete，the crack propagation characteristics of steel fiber reinforced concrete were studied by pouring test components of concrete materials with known parameters.A number of measuring points were selected on the poured specimen，strain gauge patches were installed，and laser displacement gauges were placed at selected positions.On the servo fatigue struc?ture testing machine，static load loading tests were carried out on concrete specimens in sequence according to the set load parameters，the disturbance degree and crack propagation law of the specimens were obtained，and the num?ber，width and length of cracks of the components were measured.The experimental results showed that after adding steel fibers to concrete components，the number of static cycles of the specimens increased.The number of cyclic forces on components with a steel fiber content of 1.5%increased by at least 451 000 times compared to those with a steel fiber content of 0.5%.The number，width，and length of cracks were significantly reduced，indicating that the addition of steel fibers can effectively enhance the crack propagation characteristics of the component.

Key words：bridge engineering；steel fiber reinforced concrete；crack propagation；disturbance

隨著現代化建筑的需求逐漸向著高強度、高耐久度以及大跨度等方向發展，從而產生了其他工藝制作的高強混凝土、鋼纖維混凝土等新型混凝土[1-2]。大量文獻研究結果指出，疲勞現象是影響橋梁耐久性的主要因素之一，它與橋梁結構的構造條件和材料的性能以及外部核載有關。由于社會發展，過橋車流量的增加和重車的數量增長，導致橋梁產生疲勞現象，構件表面會形成裂紋，鋼筋腐銹，加速了構件的破壞。所以，有一部分早期建造的橋梁，因為疲勞現象，導致被破壞，造成人員傷亡，財產損失[3-5]。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土具有一系列優異的物理和機械性能。研究將開展橋梁工程用鋼纖維混凝土裂紋擴展特性試驗探討，以期獲取更為可靠的分析結果，為日后的研究提供數據支撐。

1試件設計與制作

1.1試件設計

根據研究結果可知，在多次荷載的作用下，鋼纖維混凝土構件會出現相應的裂紋，并且裂紋的數量與長度會隨著荷載次數的增加而增長，導致橋梁工程用鋼纖維混凝土構件的剛度發生變化，使其失去承載能力[6-7]。為研究橋梁工程用鋼纖維混凝土裂紋擴展特性，此次研究中設定了多組具有針對性的鋼纖維鋼筋混凝土（SFRC）疲勞實驗。實驗中使用的試件參數設定如下：

（1）長度：35 000 mm；（2）截面尺寸：300 mm×500 mm；（3）鋼纖維摻入量：0.5%/1.0%/1.5%；（4）鋼筋數量（根）：6/10/22。

拌合混凝土中使用的水泥型號為普通硅酸鹽水泥，具體力學性能參數如表1所示。

（1）河沙：40%砂率的河砂，細度模數為2.5～2.8；（2）粗骨料：4.5～20 mm的碎石，顆粒級良好；（3）粉煤灰：等級為I級，水灰比0.35；（4）減水劑：馬貝聚梭酸減水劑；（5）水：自來水。

使用上述材料，將鋼纖維混凝土配合比設定如下：

（1）鋼纖維：0.5%/1.0%/1.5%；（2）水泥：450 kg/m3；（3）水：180 kg/m3（4）減水劑：4.5 kg/m3；（5）粉煤灰：120 kg/m3；（6）河砂：531 kg/m3；（7）碎石：1 240 kg/m3。

在實驗前，使用以上材料澆筑SFRC邊長為200 mm標準立方體試件進行測試，得到試驗試件的基本力學性能。SFRC基本參數如表2所示。

試件制作過程中使用的鋼筋均經過檢測，保證其符合當前的技術要求。

1.2試件制作

為獲取到更為真實的實驗試件，此次實驗試件結構示意圖如圖1所示。

實驗試件的鋼筋骨架由專業人員捆扎，并嚴格按照設計要求進行操作，保證實驗試件受力均勻[8]。在混凝土磨具中涂抹機油，便于后續脫模。

混凝土采用專用攪拌機進行拌合，鋼纖維在混凝土中隨機放置，不考慮鋼纖維方向與位置對試件的影響。將原材料按照配合比倒入攪拌機中，充分混合10 min后，加入自來水進行二次攪拌，立即進行試件澆筑。澆筑過程采用分層澆筑形式。與此同時，使用振動棒進行振搗，保證試件密度達到要求。

澆筑完成的試件放置在自然通風的環境中，放置5 d后進行脫模。而后，在試件表面覆蓋雜草進行為期30 d的養護，養護完成后將其放置自然環境中靜置6個月。

應用以上試件制作過程，獲取3組試件，每組3個，備用。

2實驗操作

2.1實驗方案

主要使用計算機控制電液伺服疲勞結構試驗機進行荷載實驗，加載頻率設定為10 Hz。與此同時，使用CMOD測量引伸儀[9-10]測量試件裂縫張開位移，具體實驗設備安裝結構如圖2所示。

在試件表面隨機安裝應變貼片，通過此貼片確定不同試件的裂縫應變數據。

2.2實驗結果測算

2.2.1撓度計算公式

研究中不考慮受拉區域混凝土的抗拉能力，混凝土構件的受彎變形，撓度計算公式可表示為：

式中：“表示加載形式與邊界條件相關系數；H表示實驗試件的計算跨徑；M表示實驗試件最大彎矩；S表示實驗試件的截面抗彎剛度。

2.2.2疲勞裂紋擴展理論

式中：Δk表示應力強度因子賦值；Z表示試驗環境常數；N表示試驗設備加載頻率；d表示增量；c表示裂紋長度。在此公式的基礎上，整合出更適用本次實驗的裂紋擴展規律：

式中：km（m）ax表示荷載峰值處對應的應力強度因子[11-12]。

3實驗結果分析

按照以上設計的實驗過程對3組試件進行靜力加載，不斷按照設定的實驗數據向試件反復施加載荷。使用安裝在水平和垂直方向不同數量的激光位移計以及動態應變測試系統對靜力加載大小變化的過程和關鍵參數節點進行測量，以記錄在實驗過程中試件的擾度、剛度以及疲勞裂紋擴展變化數據。

為測量試件的疲勞裂紋擴展情況，對每一個試件進行數次完全相同的靜力循環施加處理，以試件發生嚴重形變，即塑性變化為截止點，記錄試件在不同大小靜力載荷下能承受的最多次數，從而分享不同參數試件的穩定性。

在向所有試件靜力載荷時，施加部件需要緩慢勻速施加，同時需要設定所有的靜力頻率相同，控制構件內部出現結構共振問題，以免對實驗結果產生干擾，記錄在相應狀態下的試件基本數值。按照式（1）～式（2）對測量的數據計算處理，得到如表3所示的試件撓度和裂紋擴展規律統計結果。

由表3可知，在添加相同比例鋼纖維的條件下，施加靜力時試件發生不同程度的形變，其疲勞裂紋擴展程度也存在差異。施加的靜態壓力越大，同等參數的試件擾度增加越多。并且隨著循環增加次數的增多，擾度增加，直至試件達到其受力的塑性區域，試件最終發生變形無法保持原有力學性能。在對試件循環施加靜力時，由于試件能夠承受的最大應力水平不同，即使試件添加的鋼纖維含量相同，試件的撓度增加量也不同。隨著循環施加次數和靜力施加大小的增加，試件的撓度增加，其中心測量點處的最大撓度大幅度增加。當施加次數達到構件塑性區域附近時，從外表看構件整體損傷已經較為嚴重。此外，增加試件中的鋼纖維含量時，試件的撓度變化區間的上下限明顯增大，鋼纖維1.5%含量的試件其撓度變化區間上下限要遠大于0.5%鋼纖維含量的試件。說明試件添加的鋼纖維含量增多，能夠一定程度上提高試件的塑性極限，提升試件所能夠承受的靜力載荷施加次數。由表3還可知，鋼纖維含量添加越多，試件可以在相對較大的靜力下承受更多次數的測試，1.5%鋼纖維含量的試件，其可承受的最大循環施加次數較含量為0.5%的試件至少增加了45.1萬次，相較于1%含量的試件增加了31.4萬次循環施加次數。說明試件中添加鋼纖維可以提高試件的力學性能，即耐疲勞能力。相同的靜力壓力下，鋼纖維添加的含量增加，可以提高對于較大壓力的承受度，在實際的材料應用工程中，部件的使用年限也會相應的延長。

從裂紋擴展情況來看，相同鋼纖維添加量下，外作用力的增加，會增加試件的裂紋擴展規律值；而增加鋼纖維含量，試件的裂紋擴展規律值會不斷下降。根據裂紋擴展規律值的計算公式可知，試件的裂紋擴展規律值越低，試件出現裂紋的數量相對減少，其結構失穩的概率也會有不同程度的降低。

試件超過最大疲勞能力限值即試件結構失穩時，構件上呈現的裂紋數量、最大和最小裂紋長度的統計數據如表4所示。

由表4可知，試件中添加的鋼纖維含量越高，試件達到結構穩定性的極限時所產生的裂紋數量越低。說明試件在受到外力作用時，其結構在鋼纖維的拉伸下能夠很好地將受力均勻的分散，避免局部應力過大，使得部分結構力學性能突變。

從實驗過程中的裂紋變化來看，循環施加次數較少時，試件結構處于彈性階段，貼片采集到的應力形變較小。當循環次數增加，試件的疲勞損耗增加，試件內部損傷不斷疊加，試件在結構中心點位處開始出現裂紋，激光位移計檢測到明顯形變。

從裂紋的長度上看，試件中鋼纖維含量越高其產生的裂紋長度越小。當構件因受力產生裂紋時，裂紋從結構表面向內部延伸，直到受到構件所添加的鋼纖維阻礙，裂紋停止發展。0.5%鋼纖維含量的試件平均產生的裂紋數量相比鋼纖維1.5%含量的試件要高。此外，0.5%試件受力所產生裂紋的最大寬度為34 mm，比1.5%的試件至少寬17 mm，比1%的試件至少寬6 mm。說明添加了鋼纖維后，不僅能阻礙受力產生裂紋向構件內部發展還能縮小裂紋寬度。

4結語

長跨度橋梁工程已經成為經濟發展建設的重要基礎性工程。橋架結構部件單純使用傳統的鋼筋混凝土已經無法應對實際的工程應用需求。而添加鋼纖維后可以提高混凝土的結構穩定性。研究選取不同鋼纖維添加量的混凝土構件為研究對象，通過對構件施加不同的靜力，測量試件的撓度和裂紋表現。實驗結果表明，在一定范圍內添加鋼纖維可以提高試件的擾度和使用壽命，減少裂紋的產生。

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