凍融循環下玄武巖纖維混凝土梁的受彎承載力研究

［摘 要］ 為研究玄武巖纖維混凝土梁在凍融環境下的受彎承載力，對不同凍融次數（0、50、100）下的普通混凝土梁和玄武巖纖維混凝土梁進行靜力受彎試驗，研究了試件梁的極限荷載和開裂荷載、梁截面應變、梁荷載－鋼筋應變、梁荷載－撓度曲線等。結果表明：摻入玄武巖纖維的試件梁，對其開裂荷載和極限荷載分別提升了13%和5%；隨著凍融次數的增加所有試件梁的極限荷載和開裂荷載都隨之減小，但摻入玄武巖纖維的試件梁退化速率要小于普通混凝土梁，凍融100次后的玄武巖纖維混凝土梁較沒凍融之前的梁的極限荷載和開裂荷載分別降低了11%和8%，而普通混凝土梁下降了13%和10%。經歷100次凍融后的普通混凝土梁由設計的適筋破壞變為了超筋破壞，而玄武巖纖維混凝土梁仍為適筋破壞，說明玄武巖纖維的摻入不僅提高了試件梁的界限配筋率，還降低了凍融帶來的損傷。

［關鍵詞］ 玄武巖纖維； 凍融循環試驗； 正截面承載力； 鋼筋混凝土梁

［中圖分類號］ TU528.572 ［文獻標識碼］ A

寒冷地區溫度環境影響是導致混凝土性能退化的主要原因之一，由于溫度變化較大，混凝土內部孔隙水反復凍融，使得混凝土內部受到損傷 [1]。混凝土結構在潮濕環境、排水系統、接觸雨水等部位都會受到不同程度的凍融損傷。郭容邑[2]對48根鋼筋混凝土梁進行凍融試驗，試驗結果表明：試件梁在經歷了凍融循環后，其承載力呈現下降的趨勢，并且隨著凍融次數的增多，承載力的衰減速度越來越快；曹大富[3]對不同強度和不同配筋率的混凝土梁進行了凍融循環試驗，結果表明：凍融循環后部分設計的適筋梁會發生超筋破壞；現行的混凝土結構設計規范中的極限承載力、開裂彎矩仍然適用于凍融后的混凝土梁；曹大富[4]研究了凍融循環后混凝土受壓本構模型，研究表明：凍融循環作用后的混凝土，在單軸受壓初期存在一個“壓實”的效應，應力－應變曲線開始時內凹，隨后變為外凸。

20世紀中葉以來，研究者提出在混凝土結構中摻入纖維材料，來提高混凝土結構的力學性能，研究人員對各種纖維混凝土結構進行了多項研究。玄武巖纖維是一種綠色新型的混凝土增強材料，它擁有良好的綜合性能，并且造價相較于其他纖維成本更低。徐存東[5]等人對玄武巖纖維在凍融環境下的力學性能進行了研究，其試驗結果表明：玄武巖纖維的最佳摻量為0.1%～0.15%之間，此時的摻量對于混凝土的力學性能提升最大。趙艷茹[6]用四點彎曲試驗，對玄武巖纖維混凝土梁進行了研究。試驗結果表明：玄武巖纖維的摻入使得梁的開裂荷載、極限荷載、撓度等都有所提升。譚智芳[7]研究了玄武巖纖維混凝土梁的抗彎性能，其結果表明：加入了玄武巖纖維的混凝土梁，其抗彎承載力會有所提升，且承載力隨著纖維摻量體積的增加而增加。

可以看出玄武巖纖維的摻入使得混凝土結構的力學性能得到了改善，但對于凍融環境下的纖維混凝土結構目前的研究較少，本文選題針對玄武巖纖維混凝土梁構件在凍融環境下的抗彎承載力進行研究。

1 實驗設計

1.1 原材料與配合比

以玄武巖纖維摻量和凍融次數為關鍵參數設計6根鋼筋混凝土梁進行靜力受彎實驗，每根梁預留3個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，用于測量混凝土的抗壓強度。試件梁的截面尺寸均為130 mm×220 mm。所有試件的箍筋均配置A8@75、架立筋均配置B6。箍筋為HPB300級，受拉鋼筋和架立筋均為HRB400級。混凝土強度適配為C40等級，試件梁的保護層厚度為25 mm，玄武巖纖維摻量均為0.15%。試件尺寸及配筋如圖1所示，試件主要參數如表1所示。

按規范α1取值為1，β1為0.8，fc為19.1 MPa，本文縱筋為HRB400，ξb為0.518，計算的本次試件的界限配筋率為2.7%。因為凍融后會降低混凝土抗壓強度的數值，所以適筋梁有可能發生超筋破壞，為驗證此現象，本文試驗設計的配筋率為1.61%。

1.2 實驗方案設計

使用TDR-1型迅速凍融測試機進行0、50、100次快速凍融循環試驗。28 d的水養護后，編號試件。因為梁尺寸問題，需要定制凍融試件盒，試件盒尺寸為1600 mm×200 mm×250 mm，然后將試件放置凍融盒內，再放入凍融測試機中；混凝土試塊放入凍融機自帶的凍融盒內，設定機器內溫度（-18 ± 2） ～ （ 5 ± 2） ℃，凍融循環1輪時間4 h左右（圖2）。達到相應的循環次數后，取出試件并進行抗彎試驗。

在每根試件梁的2根縱筋跨中部位分別布置1片鋼筋電阻應變片， 由于本次試驗需要經歷凍融環境， 所以需要對鋼筋應變片進行防凍防潮處理， 用環氧樹脂加固化劑涂抹到應變片表面進行防凍， 待其凝固后用紗布纏繞進行防潮。 混凝土應變在梁跨中表面處進行粘貼， 頂部和底部應變片距離梁頂部和底部各10 mm， 其余沿截面高度50 mm均勻分布， 在截面中部均勻加密2片應變片， 具體如圖3所示。

試驗采用三分點加載，如圖4所示。荷載測量通過力值傳感器收集，混凝土應變和鋼筋應變數據通過采集儀收集，梁的撓度數值使用位移計測量；加載機制為力值控制，加載速率為0.05 kN/min，加載過程分為開裂前和開裂后，試件開裂前按照預估開裂荷載的15%分級加載，開裂后按照預估極限荷載的20%分級加載，每一級荷載持荷3分鐘，使試件梁的變形得到充分發展，期間對跨中撓度、應變片讀數、荷載值進行記錄，并描繪裂縫的發展，并對跨中主裂縫進行寬度測量。

1.3 立方體試塊試驗結果及分析

立方體抗壓強度：

混凝土立方體抗壓強度按照規范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）[10]中規定的公式計算：

式中：fcc為混凝土立方體試件抗壓強度，MPa，計算結果應精確值0.1 MPa； F為試件破壞荷載，N；A為試件承壓面積，mm2。

本次試驗采用100 mm×100 mm×100 mm的非標準試塊，采用YA-3000型壓力機（圖5）。

立方體抗壓強度及強度損失如表2所示。

分析上述抗壓強度數據可以看出，凍融循環次數與混凝土的抗壓強度有著緊密聯系，無論是普通混凝土還是玄武巖纖維混凝土其抗壓強度隨著凍融次數的增多而不斷減小。凍融50次后，普通混凝土的相對抗壓強度為88%，玄武巖纖維混凝土相對抗壓強度為90%；凍融100次后兩種混凝土相對抗壓強度曲線衰減速率均增大，混凝土相對抗壓強度下降速率提升。兩種類型混凝土的相對抗壓強度下降趨勢相似，但玄武巖纖維混凝土下降趨勢要緩和一些，說明玄武巖纖維的摻入降低了混凝土抗壓強度對于凍融循環的敏感性。

將表2中混凝土抗壓強度的數據利用線性擬合，擬合出混凝土相對抗壓強度與凍融次數 N 之間關系，擬合曲線相關數值見表 3，兩種混凝土的擬合效果較好。

2 靜力試驗結果及分析

2.1 裂縫分布與破壞形態

1）CC1試件梁：試件未出現裂縫前，試件未見明顯變化。當荷載加載至23 kN時，在梁的純彎段出現了首條豎向裂縫，裂縫寬度測量為0.02 mm，隨著荷載增大，初始裂縫緩慢向上延申，并且出現其他新裂縫。隨著荷載繼續增加，跨中豎向主裂縫不斷向上加寬發展，斜裂縫以較緩于跨中裂縫的加寬速度向上延展。鋼筋屈服后，梁的撓度迅速增加，且裂縫的寬度有明顯增加。試件破壞時荷載為180 kN，純彎段主裂縫發展至寬度超過 1.5 mm，同時梁頂部出現數條橫向裂縫，最終受壓區混凝土被壓碎。試件梁發生正截面適筋破壞。

2）BF1試件梁：試驗加載到 27 kN 時，在純彎段區域產生首條0.02 mm的豎向裂縫；當加載到 175 kN后，裂縫的長度基本不再延伸，但寬度仍然在持續加大；荷載加載至 190 kN 時，混凝土純彎段頂部受壓區出現橫向裂縫，最終試件破壞。試件梁發生正截面適筋破壞。

3）CC2試件梁：凍融50次后試件表面出現小部分不規則的砂漿脫落，觀察到有些許凍融痕跡。試驗加載到22 kN時，在跨中位置出現豎向裂縫。當荷載不斷加大，主裂縫長度也隨之變長，并且會伴隨著斜裂縫的產生，當荷載至174 kN時，試件梁頂部出現橫向裂紋，試件被破壞。試件梁發生正截面適筋破壞。

4）BF2試件梁：凍融50次后玄武巖纖維梁的表面基本無變化，當荷載加至26 kN時，試件純彎段出現首條豎向裂縫，當荷載增至186 kN時，試件的受壓區出現裂縫，試件破壞。試件梁發生正截面適筋破壞。

5）CC3試件梁： 經歷了100次凍融循環的普通混凝土梁表面出現了明顯的凍融損傷， 試件表面砂漿有明顯剝落。 當荷載到20 kN時， 試件純彎段出現首條裂縫， 當荷載增至161 kN時， 試件受壓區出現橫向裂縫， 此時試件的鋼筋還未屈服， 而試件梁已被破壞。 試件梁發生正截面超筋破壞表明： 隨著凍融次數的增加， 原本設計的適筋梁會發生超筋破壞。 主要原因： 1）凍融后降低混凝土的抗壓強度， 導致梁的界限配筋率下降； 2）凍融后混凝土表面損傷明顯， 降低了混凝土的截面面積， 導致梁的配筋率提升。

6）BF3試件梁：凍融100次后的玄武巖纖維梁表面砂漿剝落，試件表面原有的孔洞變大。當荷載加至23 kN時試件純彎段出現首條豎向裂縫，寬度為0.02 mm，當荷載增加至173 kN時，試件梁純彎段頂部出現橫向裂縫，試件破壞。試件梁發生正截面適筋破壞。摻入纖維的混凝土梁在凍融100次后沒有發生超筋破壞是因為玄武巖纖維的摻入不僅提升了梁的抗壓強度，且對凍融損傷有一定的抵御作用，因此梁的截面損失也少于普通混凝土梁。

2.2 試件梁的應變發展

對比分析CC1梁和BF1梁的混凝土應變隨截面高度變化的規律，如圖7a、b所示。從圖中可以看出，混凝土沿截面高度的應變分布呈線性，這說明玄武巖纖維混凝土梁在受彎過程中平截面假定仍然適用，并且可以看到隨著荷載的不斷增加，底部受拉區裂縫不斷上沿，梁的中和軸不斷上移。CC1試件梁在荷載20～25 kN時底部應變發生了突變;BF1試件梁在25～30 kN時底部應變發生了突變，且都在試件表面觀察到了裂縫，觀測到裂縫時的CC1梁荷載為23 kN，BF1梁荷載為27.5 kN。之后隨著荷載的增加，裂縫繼續向上擴展，底部應變逐漸失效。摻入玄武巖纖維的試件梁，開裂荷載提升了13%。

由圖7c、d可以看到凍融50次后，CC2試件在荷載加至20～25 kN時，底部應變發生突變，混凝土底部出現裂縫，觀測到裂縫時的荷載為22 kN；BF2底部應變在25～30 kN時發生突變，觀測到裂縫時的荷載為26 kN。凍融50次后普通混凝土梁的開裂荷載由23 kN降低至22 kN，玄武巖纖維混凝土的開裂荷載由27 kN降低至26 kN。

圖7e、f為凍融100次后，不同荷載下試件梁的混凝土應變隨截面高度的變化圖。由圖可以看出混凝土的應變隨截面的分布大體呈現線性。試驗時，CC3底部應變在力值保持為20 kN時，發生突變；BF3底部應變在20～25 kN時發生突變；在凍融100次后普通混凝土梁的開裂荷載由23 kN下降至20 kN，下降了13%；凍融100次后玄武巖纖維混凝土梁的開裂荷載由26 kN下降至23 kN，下降了11%；因此玄武巖纖維不僅提高了普通混凝土梁的開裂荷載；并且在凍融后抵御凍融損傷的效果也強于沒有摻纖維的混凝土梁。

2.3 試件梁的荷載－撓度

為消除支座影響，最終跨中撓度采用跨中位移計數據減去2邊支座處位移計數據的平均值得到。

由圖8可以看出，6根試件梁在加載初期，其撓度隨著荷載呈線性分布。待荷載加至接近極限荷載時，CC1、CC2、BF1、BF2、BF3的曲線斜率減小較快，在荷載變化很小時，位移不斷增大[8]；而CC3梁在達到極限荷載時，荷載快速下降，但位移仍不斷增加。從試件梁的破壞形式來說，CC3并沒有出現其他試件梁那樣具有延時性的屈服平臺，而是沒有預兆性的驟然下降[9]。

2.4 試件梁的荷載－鋼筋應變

由圖9a可以看出，在梁開裂前，受拉鋼筋的應變隨著荷載的增加呈線性增長; 當荷載增至開裂荷載時，受拉區部分混凝土失效，不再承受拉應力，出現應力重分布現象，鋼筋應力增大，曲線斜率降低；鋼筋屈服時，其應變會迅速增大，但荷載增幅很小，此時由于混凝土的底部受拉區失效高度持續變高，導致混凝土受壓區不斷減小，在荷載增量很小的情況下，試件梁的受壓區混凝土應力持續遞增，最終達到混凝土極限壓應力，試件梁受壓區出現橫向裂縫，但鋼筋應變仍在屈服平臺內，簡支梁發生破壞，這兩根試件梁所發生的破壞形式都為正截面適筋破壞；CC1、BF1梁的極限荷載分別為180 kN、190 kN。摻入纖維后對于梁的極限承載力提高了5%。

圖9b為試件梁凍融50次后的荷載－鋼筋應變圖，其曲線走勢與沒有凍融的試件梁相似，都有明顯的屈服平臺，所以凍融50次后的試件仍然為正截面適筋破壞；CC2、BF2的極限荷載分別為174 kN和186 kN。

從圖9c可以看出，凍融100次后，BF2有明顯的屈服平臺，而CC2鋼筋還未達到屈服試件梁就已經破壞了，因此CC2、BF2的破壞形式為超筋破壞和適筋破壞。沒有凍融的梁，在梁開裂的時候，曲線斜率降低；CC3、BF3的極限荷載分別為161 kN、173 kN，100次凍融后摻入纖維的梁極限承載力提高了7%；凍融后的試件相較于CC1、BF1分別降低了10%、8%。玄武巖纖維的摻入提高了試件梁的極限承載力，同時降低了凍融后試件梁的損傷。

2.5 試件梁數據匯總

從表4中可以看到，凍融次數與試件梁的極限荷載和開裂荷載呈負相關，玄武巖纖維的摻入，增強了試件的抗彎性能，提高了試件的開裂荷載和極限荷載，并且減少凍融對于梁的損傷；

在經歷了100次凍融循環后，原本設計的適筋梁發生了超筋破壞，由于玄武巖纖維會降低凍融帶來的損傷，所以玄武巖纖維梁在經歷100次凍融后仍然為適筋梁。

2.6 界限配筋率理論分析

因為凍融后，有些梁試件的破壞形式發生了轉變，下面對界限配筋率進行修正。規范[11]中的界限配筋率公式為：

本次主要考慮凍融后對于混凝土抗壓強度的損傷，將式（1）帶入式（2）得 CC 系列梁和 BF 系列梁得界限配筋率：

計算出各試件的界限配筋率如表5所示。

從表5中可以看出，表中 CC3 未發生超筋破壞，而試驗中 CC3 發生了超筋破壞，可能原因是本文的界限配筋率公式只考慮了凍融對于混凝土抗壓強度的影響，未考慮凍融對于混凝土截面的損傷，凍融損傷減小了截面面積，因此會提高試件梁原本的配筋率，所以 CC3 梁試件配筋率提升了，有可能高于此時的界限配筋率。

3 結論

1）摻入玄武巖纖維的試件梁，在受彎過程中仍然符合平截面假定；經歷過凍融循環后的試件梁在受彎過程中平截面假定仍然適用。

2）隨著凍融循環次數的增加，試件梁表面出現不同程度的凍融痕跡，并伴隨著試件表面的砂漿剝落；玄武巖纖維混凝土梁表面的剝落程度要小于普通混凝土梁。

3）所有試件梁的開裂荷載和極限荷載都隨著凍融次數的增加而減小，但摻入玄武巖纖維的梁試件開裂荷載和極限荷載的下降速率小于普通梁試件；隨著凍融循環次數的增加，凍融降低了混凝土的抗壓強度和梁試件的截面面積，從而使得梁試件發生超筋破壞；玄武巖纖維的摻入抵御了一定的凍融損傷，提高了梁的界限配筋率，從而使得凍融后的梁仍然在適筋破壞范圍內。考慮了凍融對于混凝土抗壓強度的影響，重新修正了混凝土界限配筋率公式，實際試驗中CC3發生了超筋破壞，不符合理論判斷，分析原因：未考慮凍融循環對于混凝土截面面積的影響。

［ 參 考 文 獻 ］

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Study on Flexural Capacity of Basalt Fiber Concrete Beams Under Freeze-Thaw Cycles

ZHANG Yuze， CHEN Yueshun， YI Huaishu， LI Chuanxiong

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ. of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract：" In order to study the influence of freezing-thawing cycles on the flexural properties of basalt fiber concrete， static flexural tests were carried out on ordinary concrete beams and basalt fiber concrete beams with different freezing-thawing times （0， 50， 100）. The failure mode， ultimate load and cracking load， concrete section strain and reinforcement strain， mid-span deflection of the specimen beam are studied. Results： The cracking load and ultimate load of the specimen beam mixed with basalt fiber increased by 13% and 5% respectively. The cracking load and ultimate load of all specimen beams decrease with the increase of freezing-thawing times， but the decreasing rate of the specimen beams mixed with basalt fiber is smaller than that of ordinary concrete beams. The cracking load and ultimate load of basalt fiber concrete beam after 100 times of freezing-thawing decreased by 11% and 8%， respectively， while that of ordinary concrete beam decreased by 13% and 10%.After 100 times of freezing-thawing， the ordinary concrete beam has over-reinforcement failure， but the basalt fiber concrete beam is still suitable for reinforcement failure. It shows that the addition of basalt fiber reduces the damage caused by freeze-thaw cycle.

Keywords： basalt fiber; freeze-thaw cycle test; normal section bearing capacity; reinforced concrete beam

［責任編校： 裴 琴］

［收稿日期］ 2022-11-22

［第一作者］ 張玉澤（1995-），男，湖北咸寧人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為混凝土耐久性。