玄武岩纤维混凝土梁裂缝和变形试验研究

王钧+栾奕+叶焕军

摘要：为研究玄武岩纤维的掺入对钢筋混凝土梁裂缝和变形的影响，以玄武岩纤维体积掺率和纤维长度为变化参数，设计制作5根试验梁，通过静载试验获得了玄武岩纤维混凝土梁在受力过程中的裂缝分布、裂缝宽度和跨中挠度等试验数据，并与普通混凝土梁进行对比。基于试验数据分析结果提出了玄武岩纤维混凝土梁最大裂缝宽度和短期刚度计算方法。结果表明：玄武岩纤维的掺入可有效阻止钢筋混凝土梁裂缝的开展并提高梁构件的延性。

关键词：玄武岩纤维；混凝土梁；试验研究；裂缝；变形

中图分类号：TU528.572文献标志码：A

Abstract： In order to study the influence of mixing of basalt fiber on crack and deformation of reinforced concrete beams， five test beams were made with the parameters of volume ratio and length of basalt fiber， and the static load tests were carried out. The test data of crack distribution， crack width and midspan deflection of basalt fiber reinforced concrete beams in the process of stress were obtained and compared with common concrete beams. Based on the analysis results of test data， the calculation methods of maximum crack width and short term stiffness of basalt fiber reinforced concrete beams were presented. The results show that the mixing of basalt fiber can effectively prevent cracks extension in reinforced concrete beams and improve the ductility of beams.

Key words： basalt fiber； concrete beam； experimental research； crack； deformation

0引言

混凝土是当今建筑行业使用最广泛的建筑材料之一，其应用遍布于民用和工业建筑、交通、水利、军事、海港等各工程领域，但混凝土抗拉强度低、易开裂、变形性能差等缺陷在一定程度上影响了工程质量，限制了其更广泛的应用。长期以来许多学者都在探索改善混凝土性能的方法和途径[1]。吴中伟[2]曾经提出“复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是核心”。纤维混凝土较普通混凝土具有更好的抗裂性能，已成为当今混凝土改性研究的热点[34]。纤维的掺入使普通混凝土梁最大裂缝宽度与短期刚度的计算公式不再适用于纤维混凝土梁，目前各国相关学者对于纤维混凝土的研究主要集中在碳纤维与钢纤维上，对于玄武岩纤维混凝土多见其基本力学性能的研究，而对玄武岩纤维混凝土梁短期刚度和裂缝的研究尚未见系统报道。玄武岩纤维作为一种新兴的环保型无机纤维材料，具有性价比高、抗拉强度高、耐腐蚀、耐高温、抗裂性能好等优点，是其他纤维材料的良好替代品[5]。相关研究表明[69]，把纤维掺入到混凝土中可有效阻止混凝土梁裂缝的开展并提高混凝土梁的变形能力。针对上述情况，本文通过玄武岩纤维混凝土简支梁受弯试验，着重探究玄武岩纤维的掺入对混凝土梁裂缝开展与变形的影响，为玄武岩纤维混凝土在工程中的应用提供理论依据。

1试验概况

1.1试验梁设计

根据玄武岩纤维长度和体积掺率的不同，设计并制作5根试验梁，试验梁的外形尺寸和配筋均一致，梁宽b为160 mm，梁高h为300 mm，跨度l为2 300 mm，净跨l0为2 100 mm。受拉纵筋采用HRB335级钢筋，受压纵筋采用HPB300级钢筋，箍筋采用直径为10 mm的HPB300级钢筋，箍筋间距为100 mm。试验梁参数如表1所示。试验梁配筋如图1所示。

3试验分析

3.1裂缝分析

最大裂缝宽度随荷载变化曲线如图6所示。裂缝观测仪观测到的跨越裂缝的玄武岩纤维如图7所示。

由图6可以看出：相同荷载作用下，玄武岩纤维混凝土梁最大裂缝宽度均小于普通混凝土梁，混凝土中掺入玄武岩纤维能起到阻裂效果；对比试验梁L112与L212，L130与L230，当玄武岩纤维长度相同时，玄武岩纤维体积掺率越大，相同荷载作用下试验梁最大裂缝宽度越小，增大玄武岩纤维体积掺率在一定程度上可提高混凝土的抗裂性能；将试验梁L112与L130，L212与L230进行对比发现，随着玄武岩纤维长度的增加，相同荷载作用下试验梁裂缝宽度有所减小，此现象证实了玄武岩纤维长度是影响混凝土抗裂性能的因素之一，适当增加纤维长度可对混凝土的抗裂性能产生有利影响。玄武岩纤维在混凝土中乱向分布，其良好的抗拉强度性能降低了微裂缝周围的应力集中现象，阻止了混凝土梁内部微裂缝的发展，当混凝土开裂时，跨越裂缝的纤维能继续承受裂缝间的拉应力，在一定范围内提高玄武岩纤维长度，增大纤维的体积掺率，可使玄武岩纤维乱向分布更广，跨越的微裂缝数更多，阻裂效果更明显。

3.2试验梁变形分析

试验梁荷载跨中挠度曲线如图8所示。由图8可以看出：玄武岩纤维混凝土梁同普通混凝土梁的受力过程均经历3个阶段，即未开裂阶段、带裂缝工作阶段与破坏阶段。

未开裂阶段5根试验梁荷载挠度曲线呈直线变化，玄武岩纤维混凝土梁与普通混凝土梁荷载挠度曲线的斜率几乎相同，掺有玄武岩纤维的试验梁挠度相比梁L00变化不大。

带裂缝工作阶段试验梁受拉区混凝土开裂，试验梁荷载挠度曲线出现转折，由于受拉区钢筋的作用，混凝土即使开裂，裂缝发展也比较缓慢，在该阶段试验梁荷载挠度曲线斜率相比未开裂阶段有所下降，但基本呈直线状，可认为试验梁在此阶段仍具有很好的线弹性。从表3可知，玄武岩纤维的体积掺率和长度都是影响试验梁变形的因素，玄武岩纤维可连接裂缝两端，与混凝土共同承担拉应力，起到阻裂作用，提高了混凝土梁的整体性，进而改善梁的刚度。

破坏阶段随着荷载的不断增加，受拉区钢筋屈服，荷载挠度曲线再次出现拐点，试验梁挠度增量增大，试验梁最终破坏时玄武岩纤维混凝土梁挠度大于普通混凝土梁，原因是玄武岩纤维的掺入能增强混凝土梁的变形能力，提高受弯构件的延性。4试验梁最大裂缝宽度与短期刚度计算4.1最大裂缝宽度计算

以《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）中钢筋混凝土梁的裂缝宽度计算公式为参考并结合文献[10]～[12]，提出玄武岩纤维混凝土梁的裂缝宽度计算方法。

式中：ωmax为普通钢筋混凝土梁最大裂缝宽度；Es为纵向受拉钢筋弹性模量；αcr为构件受力特征系数，取1.9；Ψ为裂缝间纵向钢筋应变不均匀系数；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值；σsk为按荷载效应标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力；deq为受拉钢筋的等效直径；c为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离；ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；di为第i种纵向受拉钢筋公称直径；ni为第i种纵向受拉钢筋的根数；vi为第i种纵向受拉钢筋的相对粘结特性系数。

通过对式（1）中受拉钢筋应力、钢筋应变不均匀系数、平均裂缝间距、构件受力特征系数的分析可知，玄武岩纤维的掺入只对钢筋应力的变化有着不可忽略的影响，这与文献[10]中钢纤维的掺入对混凝土梁最大裂缝宽度计算公式各参数的影响一致。

（3）基于试验数据，提出了玄武岩纤维混凝土梁最大裂缝宽度和短期刚度计算公式，结果表明计算值与试验实测值吻合较好。

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