玄武岩纤维对混凝土梁抗裂性能的影响

陈 伟，王 钧，张 可，陈 佳，刘国军，朱占元

(1.四川农业大学土木工程学院，四川 都江堰 611830； 2.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

玄武岩纤维对混凝土梁抗裂性能的影响

陈 伟1，王 钧2，张 可1，陈 佳1，刘国军1，朱占元1

(1.四川农业大学土木工程学院，四川 都江堰 611830； 2.东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为研究玄武岩纤维对混凝土梁抗裂性能的影响，以纤维长度及纤维体积掺率为变化参数，对纤维长度分别为12mm和30mm，纤维体积掺率分别为0.1%和0.2%的4根纤维混凝土梁和1根对比梁进行静载试验，试验中对纤维混凝土梁开裂荷载、裂缝宽度以及挠度进行监测。结果表明：与普通钢筋混凝土梁对比，玄武岩纤维混凝土梁的开裂荷载显著增大，且裂缝宽度发展更为缓慢，相同荷载作用下的裂缝宽度和跨中挠度显著减小，其主要原因是玄武岩纤维改善了混凝土梁的抗裂和阻裂性能，提高了梁的整体刚度。

玄武岩纤维； 混凝土； 裂缝； 挠度

1 引 言

作为五大工程材料之一，混凝土是建筑工程用量最大、应用最广的建筑材料。而混凝土的抗拉性能差，极易开裂，严重影响到结构的安全和耐久性。纤维混凝土是将一定量的短切纤维均匀的分散在普通混凝土中，并与其复合而成的混凝土[1]。纤维混凝土以其优良的抗裂及阻裂性能，弥补了普通混凝土易开裂、抗拉强度低、韧性差的缺点，成为当今工程界推崇的复合材料[2]。工程所用纤维混凝土种类繁多如碳纤维、钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、尼龙纤维等，各国对这些纤维混凝土的力学性能、耐久性等都做了大量研究[3-5]。但现有材料价格昂贵，应用范围受到一定限制。

玄武岩纤维是一种新型无机非金属矿物纤维，由天然的玄武岩矿石高温拉丝而成，材料本身及生产过程均无污染，与碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维并列为我国鼓励发展的4大高技术纤维，2002年“玄武岩纤维及其复合材料”项目列入国家863计划和国家级火炬计划[6]。玄武岩纤维混凝土以其优良的力学性能和耐久性，较高的性价比，已被广泛应用于各个工程领域，也成为国内外学者研究的热点[7-12]。但目前的研究成果主要侧重于玄武岩纤维混凝土抗压强度、抗拉强度、抗渗性等基本力学性能方面，而关于其对混凝土抗裂性能的研究成果还鲜见报导。本文拟针对玄武岩纤维混凝土梁的抗裂性能进行试验研究，为工程实践及理论研究提供参考。

2 试验材料与方法

2.1 原材料

根据《水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维》(GB/T 23265-2009)[13]规定，玄武岩纤维混凝土梁采用强度等级为C40的混凝土制作而成，混凝土组分为哈尔滨水泥有限公司生产的天鹅牌普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)、黑龙江双达电力设备集团生产的Ⅰ级粉煤灰、细度模数2.46的中砂、最大粒径为26.5mm的碎石、西卡聚羧酸系高效减水剂Viscocerete-20HE(减水率为40%)、四川拓鑫短切玄武岩纤维(主要力学性能见表1)、纵向受拉钢筋采用直径为18mm的HRB335钢筋(屈服强度为421MPa，极限抗拉强度542MPa)、箍筋和架立筋采用直径为8mm的HPB235钢筋(屈服强度334MPa，极限抗拉强度452MPa)。

表1 玄武岩纤维主要力学性能

2.2 试验梁设计

试验梁设计时以玄武岩纤维长度和纤维体积掺率为变化参数。由已有关于玄武岩纤维混凝土力学性能的研究成果表明：当玄武岩纤维混凝土中的纤维体积掺率在0.1%～0.2%时，其综合力学性能较好[14]，因此在本试验中玄武岩纤维体积掺率采用0.1%和0.2%，具体试验参数如表2所示。为了测得混凝土立方体抗压强度fcu和劈拉强度ft，在制作试验梁的过程中同时浇筑标准立方体试块(150mm×150mm×150mm)进行抗压和劈拉试验，结果如表2所示。需要说明的是，由于试验中小粒径的粗骨料含量较多，本试验中所采用混凝土的立方体抗压强度值偏低。试件配筋、应变片粘贴位置、加载位置如图1所示。试验中的数据采集通过DH-3816电阻测试系统完成。

表2 试验梁参数

图1 应变片布置及截面配筋图Fig.1 Gage layout drawing and reinforcement drawing of the section

2.3 试验方案

试验装置如图2所示，采用300kN的油压千斤顶对称集中加载；对试验梁施加的荷载大小通过千斤顶上方的拉压传感器测得；试验梁在加载过程中的变形通过布置于支座、加载点及跨中的位移计测得。预加载分三级进行[15]，每级荷载取试验梁极限荷载预估值的5%；当确认设备、仪表工作正常后卸载至零，稍后开始正式加载。正式加载时，在临近开裂荷载预估值时减小施加荷载的步长，此时按每级荷载约为极限荷载预估值的1/50施加，受弯开裂荷载(Pbcr)取纯弯区段第一条裂缝出现时所施加的荷载，受剪开裂荷载(Pscr)取弯剪区段第1条斜裂缝出现时所施加的荷载。裂缝宽度用裂缝观测仪读取。

1．拉压传感器；2．300kN油压千斤顶；3．位移计图2 试验装置图Fig.2 Test set-up

3 试验结果与分析

3.1 开裂荷载

试验过程中，梁的纯弯区段首先出现垂直裂缝，随着荷载的增加，纯弯区段裂缝条数不断增多，荷载达到某一数值时，在弯剪区段出现斜裂缝。开裂荷载如表3所示。

表3 开裂荷载

当构件中的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土即开裂。玄武岩纤维属于中等弹性模量纤维，掺入混凝土后，在混凝土中形成一定的网状结构，与骨料协同受力，构件受力后基体将力传递给纤维时，纤维承担了部分拉应力，一定程度上起到了阻裂的作用[16]。由表3可知：在纤维长度一定的情况下，随纤维体积掺率的增加，抗弯开裂荷载和抗剪开裂荷载都略有增大，如：当纤维长度为12mm时，纤维体积掺率为0.2%的玄武岩纤维混凝土梁较纤维体积掺率为0.1%的梁，抗弯开裂荷载无变化，而抗剪开裂荷载提高了7.14%；在纤维长度为30mm的情况下，抗弯开裂荷载和抗剪开裂荷载分别提高了16.67%和6.79%。当纤维体积掺率一定时，开裂荷载随纤维长度的增大而提高，纤维体积掺率为0.1%时，纤维长度30mm的玄武岩纤维混凝土梁的抗弯开裂荷载比纤维长度12mm的梁提高了20%，当体积掺率为0.2%时，纤维长度30mm的玄武岩纤维混凝土梁抗弯开裂荷载比纤维长度12mm的梁提高了40%，而上述两种情况下试验梁相应的抗剪开裂荷载分别提高了10.35%和10%。

尽管纤维长度和纤维体积掺率两因素对开裂荷载都有一定的影响，但通过SPSS统计分析发现，单个因素对梁开裂荷载的影响较小。故在此考虑纤维自身特征长径比lf/df及纤维体积掺率ρf的综合作用，通过引入纤维特征参数λf[17]，如式(1)所示，分析其对开裂荷载的影响，其中纤维特征参数定义为长径比与纤维体积掺率之积[17](各试件的纤维特征参数如表3所示)。通过对试验数据进行相关性统计分析发现：纤维特征参数λf与抗弯开裂荷载的相关系数为0.65，p值为0.058；与抗剪开裂荷载的相关系数为0.977，P值为0.004。因此根据上述相关性统计分析结果可知：在本试验中玄武岩纤维的掺入对试验梁抗弯开裂荷载的影响较小，而对其抗剪开裂荷载的影响相对较大，并随纤维特征参数的增大，抗剪开裂荷载不断增大，如图3所示。

(1)

式中：λf—纤维特征参数；ρf—纤维体积积参率；lf—纤维长度；df—纤维直径。

图3 λf与Pscr关系Fig.3 Relationship of λf and Pscr

3.2 裂缝扩展

混凝土结构的最大的缺点是易开裂，而研发纤维混凝土的目的就是为了延迟混凝土的开裂及限制裂缝宽度的发展，进而提高混凝土结构的耐久性。本试验中，试验梁纯弯区段先出现垂直裂缝，当裂缝出现后，随着荷载的增加，仅裂缝数目不断增多、长度不断发展，而宽度几乎没有变化，故试验中未对纯弯区段的裂缝宽度进行监测。当荷载增大到某一数值时，梁两端的弯剪区段内出现腹剪斜裂缝，继续加载，斜裂缝宽度不断增大，并向支座和加载点延伸，与加载点处的裂缝交汇，最后出现多条斜裂缝及一条贯通支座至加载点的宽度较大的主斜裂缝。因纯弯区段的裂缝宽度几乎没有变化，而斜裂缝扩展比较显著，故试验中仅对斜裂缝的宽度进行了监测，如图4所示。

图4 最大裂缝宽度变化曲线Fig.4 Curves of maximum crack width

如图4所示，对比玄武岩纤维混凝土梁与普通混凝土梁最大裂缝宽度变化曲线，玄武岩纤维混凝土梁的开裂荷载较普通混凝土梁有一定的提高；开裂后，同级荷载作用下，与普通混凝土梁相比玄武岩纤维混凝梁的最大裂缝宽度减小。分析可知：当掺入玄武岩纤维后，玄武岩纤维不仅对混凝土起到了阻裂的作用，提高了开裂荷载，还限制了裂缝宽度的开展。当截面的拉应力达到混凝土极限拉应力时，混凝土开裂，对比表1和表2可知，玄武岩纤维的抗拉强度高于混凝土的抗拉强度，基体混凝土开裂后，裂缝处部分玄武岩纤维并没有断裂，荷载由横跨裂缝的纤维传递给裂缝的两侧面，使本不再受拉的裂缝两侧面能够继续承受荷载。裂缝间的应力重分布，减小了裂缝端部的应力集中现象，从而延缓了裂缝的扩展速度，使得同级荷载作用下，与普通混凝土梁相比玄武岩纤维混凝梁的裂缝宽度减小，而且在本试验数据范围内这种作用随纤维特

征参数的增大更为明显。

此外，由于玄武岩纤维阻止裂缝的扩展，减小了裂缝宽度，并且分担了混凝土的部分拉力，从而提高了梁的整体刚度，对减小梁跨中挠度有积极作用。如图5所示，加载初期，荷载较小，梁跨中挠度相差不大，当荷载增大到一定程度时，玄武岩纤维的阻裂作用方才体现，从而在相同荷载下，与普通混凝土梁相比，跨中挠度变小。

图5 不同荷载下试验梁的变形Fig.5 Deformation of test beam under different load

3.3 破坏形态

由于玄武岩纤维的掺入使得梁斜截面受剪开裂荷载明显提高，且随着纤维特征参数的增大，开裂荷载也随着增大。斜裂缝出现的推迟，使得梁纯弯段内的竖向裂缝得以更加充分地发展，裂缝间距变小并且分布均匀，试验梁最终发生剪切破坏。破坏时，普通混凝土梁在弯剪区段仅有一条较宽的主斜裂缝，伴随着混凝土崩裂的巨响；玄武岩纤维混凝土梁除有一条连接支座和加载点的主斜裂缝外，与其平行还有多条不同程度开展的斜裂缝，且只有混凝土表皮轻微的爆裂声，整个破坏过程表现出很好的延性，破坏形态如图6所示。

图6 试验梁弯剪区段破坏形态 (a) L-0-0; (b) L-1-12; (c) L-2-12; (d) L-1-30; (e) L-2-30Fig.6 Failure state of beams in bending shear section

1.玄武岩纤维的掺入，增大了梁纯弯区段和弯剪区段的开裂荷载，并随纤维特征参数的增大，抗剪开裂荷载不断增大，起到了明显阻裂作用。

2.混凝土开裂后，跨越裂缝的玄武岩纤维继续承载，有效的阻止裂缝的扩展，使得同级荷载作用下，与无纤维的普通混凝土梁相比，玄武岩纤维混凝土梁的裂缝宽度变小，整体刚度增大，跨中挠度减小。

3.玄武岩纤维的掺入，使得纯弯段内的竖向裂缝间距变小并且分布均匀，表现出很好的延性。

[1] 沈荣熹. 纤维增强水泥与纤维增强混凝土[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006, (9):1～15.

[2] 沈荣熹, 崔琪, 李清海. 新型纤维增强水泥基复合材料[M]. 北京: 中国建材工业出版社, 2004, 33～50.

[3] 郝娟, 余红发, 白康, 韩丽娟, 周鹏, 曹文涛. 混杂纤维对大掺量矿物掺合料混凝土干燥收缩的影响[J]. 材料科学与工程学报, 2008, 26(4):574～578.

[4] 宋贺月, 丁一宁. 钢纤维在混凝土基体中空间分布的研究方法评述[J]. 材料科学与工程学报, 2015, 33(5):768～776.

[5] 王大鹏, 侯子义. 碳纤维表面处理对纤维的分散性和CFRC压敏性的影响[J]. 材料科学与工程学报, 2005, 23(2):266～268.

[6] 王海良, 钟耀海, 杨新磊. 玄武岩纤维混凝土研究进展与建议[J]. 工业建筑, 2013, 43:639～643.

[7] 何军拥, 田承宇. 玄武岩纤维水工高性能混凝土的耐久性研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2013, (5):46～48.

[8] 李文哲, 吴永根, 等. 玄武岩纤维机场道面混凝土抗冻性试验研究[J]. 科技技术与工程, 2013, 13(26):7880～7888.

[9] 吴钊贤. 玄武岩纤维混凝土基本力学性能与应用研究[D]. 武汉理工大学硕士论文, 汪声瑞, 袁海庆, 武汉, 武汉理工大学, 2009.05.

[10] 贺东青, 卢哲安. 短切玄武岩纤维混凝土的力学性能试验研究[J]. 河南大学学报(自然科学版), 2009, 39(3):320～322.

[11] 翟毅, 许金余, 王鹏辉. 纤维混凝土动态压缩力学性能的SHPB试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版), 2009, 41(1):141～148.

[12] 江朝华, 赵晖, 张玮, 邓敏. 玄武岩纤维对水泥砂浆性能及水泥石微观结构的影响[J]. 材料科学与工程学报, 2008, 26(5):765～769.

[13] 水泥混凝土和砂浆用短切玄武岩纤维[S]. GB/T 23265-2009.

[14] 张野. 短切玄武岩纤维混凝土基本力学性能研究[D]. 东北林业大学硕士论文, 王钧, 哈尔滨, 东北林业大学, 2011.06.

[15] 姚振刚, 刘祖华. 建筑结构试验[M]. 上海:同济大学出版社, 1996.

[16] 毕巧巍. 玄武岩纤维混凝土的微结构及BFRP筋纤维混凝土梁斜截面承载力试验研究[D]. 大连理工大学工学博士学位论文, 王清湘, 大连, 大连理工大学, 2012,12.

[17] 黄承逵. 纤维混凝土结构[M]. 北京:机械工业出版社, 2004.

Anti-crack Performance of Reinforced Concrete Beams Strengthened by Basalt Fiber

CHEN Wei1， WANG Jun2， ZHANG Ke1， CHEN Jia1， LIU Guojun1， ZHU Zhanyuan1

(1.College of Civil Engineering, Sichuan Agricultural University, Dujiangyan 611830, China; 2.College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

In order to investigate the effects of basalt fiber on anti-crack performance of concrete beam, static load test was conducted. Taking fiber length and volume ratio as parameters, one control beam without adding basalt fiber and four basalt fiber reinforced concrete beams with fiber lengths 12mm and 30mm, with the volume ratios of 0.1% and 0.2% were tested. The test data was obtained through monitoring of cracking load, crack width and the deflection of beams. The results showed that the cracking load of the basalt fiber reinforced concrete beams increased significantly, crack width development was relatively slow, the crack width and the span deflection decreased under the same load as compared with common reinforced concrete beam. The basalt fiber incorporation improved the beam crack and crack resistance performance, as a consequence, enhancing the overall stiffness of the beams.

basalt fiber； concrete； crack； deflection

1673-2812(2017)01-0144-05

2015-11-07；

2016-01-05

国家青年科学基金资助项目(51408385)

陈 伟(1986-)，女，硕士，讲师，研究方向：纤维混凝土。E-mail:chenweijiegou@163.com。

朱占元(1974-)，男，教授，硕导，研究方向：结构工程。E-mail:zhuzyuan910@163.com。

TU528.572

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.029