剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁抗弯性能与抗弯承载力分析

董健苗 李洋洋 殷玲 马发林 周悦志

摘  要：通过对剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁进行抗弯性能的试验研究，验证其平截面假定，得到试验梁的荷载-跨中挠度曲线、钢筋荷载-应变曲线和破坏形态，并对试验梁的开裂荷载和抗弯承载力进行理论分析.试验结果表明：剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁和自密实轻骨料混凝土梁均满足平截面假定;掺加剑麻纤维或增加配筋率，能有效改善试验梁的裂缝形态并提高抗弯刚度，当剑麻纤维掺量为2 kg/m3时裂缝条数最多，但间距和宽度最小，韧性最好;剑麻纤维对自密实轻骨料混凝土梁的开裂荷载有一定影响，当剑麻纤维掺量为3 kg/m3时，开裂荷载提高最大为40%;开裂荷载和极限荷载建议采用本文修正后的推导公式计算，可与试验值吻合较好.

关键词：自密实轻骨料混凝土梁;剑麻纤维;抗弯性能;承载力

中图分类号：TU528.572           DOI：10.16375/j.cnki.cn45‐1395/t.2019.01.002

0    引言

梁的抗弯承载力是建筑结构设计和加固工程中的重点，在混凝土基体中掺加不同类型的纤维是增强混凝土梁抗弯性能的有效方法之一，且得到越来越多国内外学者的肯定[1-2].大量研究表明，钢纤维的掺入能够明显改善混凝土梁的抗裂性能，有效减小梁的裂缝宽度，增加其弯曲刚度，改变荷载位移曲线，提高其延性和抗弯能力[3-4].张欢欢[5]基于钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯性能试验，提出掺入适宜掺量的钢纤维可提高陶粒混凝土与梁底部纵筋之间的粘结滑移能力，增大约束变形作用，阻碍微裂缝的发展，延缓陶粒混凝土的破坏过程，提高陶粒混凝土梁的抗弯承载力.路鹏飞等[6]对钢纤维混凝土梁进行四点弯曲试验，提出荷载-挠度曲线随纤维体积掺量和长径比的增加而更加饱满，峰值荷载及其增幅均随之增大.Kang 等[7]通过研究不同种类纤维对混凝土梁的弯曲性能影响规律，提出梁的抗弯承载力和耗能随纤维变形增大而增大，其弯曲强度随纤维体积掺量的增加而增大，且呈一定的线性关系[8-9].Yoo 等[10]由钢纤维混凝土梁开裂后性能变化，提出较高纤维体积掺量和较低强度均能提高断裂能，纤维体积掺量大于1%时能够有效提高混凝土梁的弯曲韧性和弯曲强度[11].近年来，学者对聚丙烯纤维、玄武岩纤维、耐碱玻璃纤维等其他种类的纤维进行了混凝土梁抗弯性能试验研究，结果表明，一定掺量的纤维可改善混凝土梁的破坏形态，使其由脆性破坏逐渐变为延性破坏，同时提高了梁的整体刚度和抗冲击能力[12-14].目前，对植物纤维的研究主要集中在以其为原料的自密实轻骨料混凝土的配合比设计、工作性能和基本力学性能等方面，结构部件承载力等方面尚无足够完整的研究成果.

剑麻纤维具有价廉质轻，拉伸强度和断裂强度高的特点[15-16]，作为天然纤维增强材料对自密实轻骨料混凝土结构承载力等方面具有重要的研究意义.本文对8根强度等级为C40的试验梁进行静力荷载试验，得到荷载-跨中挠度曲线、荷载-应变曲线及试验梁的破坏形态，验证其平截面假定，并根据试验结果对剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁的开裂荷载和受弯承载力进行理论分析.

1    试验原材料及配合比

1.1   试验原材料

水泥：广西鱼峰集团有限公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，技术指标见表1.

粉煤灰：来宾电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，技术指标见表2.

细骨料：柳州河砂，细度模数为2.7，表观密度为2 700 kg/m3，级配合格.

粗骨料：湖北宜昌宝珠陶粒有限公司生产的900级页岩圆球型陶粒，技术指标见表3.

外加剂：苏州弗克技术股份有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率为30%.

剑麻纤维：广西剑麻集团生产，平均直径为304 μm，试验纤维长度为10 mm，技术指标见表4.

1.2   试验配合比

根据《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283-2012），采用绝对体积法配制强度等级为C40的剑麻纤维自密实轻骨料混凝土，其水胶比为0.345，陶粒体积掺量为0.41，砂率为0.41，减水剂掺量为1%，粉煤灰掺量百分比为25%，剑麻纤维掺量分别为1 kg/m³、2 kg/m³和3 kg/m³.本试验先加入经表面预湿处理的陶粒和砂子，再掺入剑麻纤维，搅拌30 s使其均匀分散，然后加入水泥、粉煤灰、水和减水剂继续搅拌，并按照自密实混凝土施工要求，即浇筑过程中无需振捣，注满后刮平表面，成型后拆模，自然条件养护28 d后进行力学试验.

1.3   剑麻纤维自密实轻骨料混凝土和钢筋的基本性能

剑麻纤维自密实轻骨料混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉強度、棱柱体轴心抗压强度和静力弹性模量等力学性能根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）和《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13-2009）的要求，采用与试件同一批注模混凝土拌合物，标准试件尺寸150 mm×150 mm×150 mm，各力学性能每个配合比3块，并在与试验梁同等自然环境下浇水养护28 d后进行试验.各组拌和物的工作性能均满足规范要求，其工作性能和力学性能如表5所示.

本试验所用的HRB335和HRB400级的B8、C10、C14和C16钢筋，根据《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499）的要求对其进行力学性能指标检验，结果均符合国家标准.

2    试验方案

2.1   试件设计

本试验以剑麻纤维掺量和纵筋配筋率为变量，共设计并制作了8根剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁，其具体命名、几何尺寸和配筋情况如表6和图1所示.

2.2    加载方案

本试验采用250 t MTS电液伺服系统三分点两点对称加载，按照GB0152-92《混凝土结构试验方法标准》分级加载且速率为（0.15±0.02）mm/min，试验梁加载如图2所示.

2.3    测量方案

本试验采用数字采集仪D3816采集应变片应变、荷载和位移.试验梁的测点布置为：采用位移计测量梁跨中、1/4跨和支座处的挠度;采用长100 mm的应变片测量梁顶部、底部以及侧面跨中不同截面高度的混凝土的应变;采用长3 mm的应变片测量跨中和加载点处的纵向受拉钢筋的应变.

3    试验结果及分析

3.1    破坏形态

本试验8根试验梁均为适筋梁且发生弯曲破坏，其中D14系列试验梁的破坏形态如图3所示.

试验梁自加载至破坏大致分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、钢筋屈服至破坏阶段.弹塑性阶段，此阶段裂缝以延伸发展为主、新增为辅，挠度变化不大;钢筋屈服至破坏阶段，此阶段裂缝长度和宽度增长迅速，挠度急速增大，直至受压区混凝土压碎.在相同配筋率的情况下，与未掺剑麻纤维的受拉钢筋直径为14 mm的试验梁L-D14相比，掺1 kg/m3、2 kg/m3和3 kg/m3剑麻纤维的试验梁L-D14-SF1、L-D14-SF2、L-D14-SF3的裂缝条数增加，但裂缝宽度和裂缝间距明显减少;当纤维掺量为2 kg/m3时，裂缝数量最大，裂缝间距和宽度最小，即出现了大量的小裂纹，这正好与未掺剑麻纤维时形成的少量大裂纹相反，因此材料在断裂前能够达到高得多的应变能密度[17].在相同剑麻纤维掺量的情况下，增加配筋率可减小裂缝宽度和裂缝间距.纵向受拉钢筋直径为16 mm的D16系列试验梁也具有相同规律.

3.2   荷载  -跨中挠度曲线

本试验所有梁构件的荷载-跨中挠度曲线如图4所示.

由图4可知：1）所有试验梁在开裂前的荷载-跨中挠度曲线呈线性且有明显的屈服点;2）同配合比的试验梁的屈服荷载和极限荷载都随着配筋率的增加而增大，其韧性也相对提高;3）达到开裂荷载后，同配筋率试验梁在同荷载作用下，与梁L-D14相比，梁L-D14-SF1的挠度基本没变，而L-D14-SF2、L-D14-SF3的挠度值分别增大约25.40%或10.23%，说明掺加剑麻纤维可使自密实轻骨料混凝土梁的能量吸能能力提高，当掺量为2 kg/m3时，开裂后的试验梁吸能能力最强;4）比较荷载-挠度曲线与横坐标轴所围面积可知，当剑麻纤维掺量为2 kg/m3时试验梁韧性最好.D16系列梁具有相同规律.

3.3   平截面假定的验证

本试验依据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）和《结构设计原理》，需要对与普通混凝土的材料构成不同的剑麻纤维自密实轻骨料混凝土的平截面假定进行验证.D14系列试验梁的跨中截面平均应变分布如图5所示.

由图5可知，自密实轻骨料混凝土梁和剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁截面应变均满足平截面假定.与普通混凝土一样，平截面假定不仅适用于混凝土开裂前，同样适用于开裂后直至受压区混凝土压碎破坏的阶段.说明钢筋和自密实轻骨料混凝土或剑麻纤维自密实轻骨料混凝土之间具有较好的粘结性能，在混凝土破坏之前未有较大的相对滑移.

3.4    钢筋荷载-应变曲线

D14系列试验梁的钢筋荷载-应变曲线如图6所示.

由图6可知：试验梁在开裂前，曲线几乎重合且呈线性，说明钢筋、剑麻纤维和自密实轻骨料混凝土在弹性阶段相互变形协调，此时剑麻纤维的掺加对钢筋的应变影响不大.达到弹塑性阶段时，即试验梁开裂后，因开裂截面处的钢筋发生应力重分布，受拉钢筋应变迅速增大，此时，掺加的剑麻纤维对钢筋应变产生影响：在相同的钢筋应变下，与试验梁L-D14相比，试验梁L-D14-SF1所受荷载基本不变，而试验梁L-D14-SF2和L-D14-SF3所受荷载提高.说明跨越裂缝的剑麻纤维更有效的传递部分的拉应力，使钢筋应变增长速率减小.

4    剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁的抗弯承载力分析

4.1   试验梁的开裂荷载和极限荷载计算

依据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010和《结构设计原理》的计算原则，根据试验梁的破坏形式和试验测得的应力应变关系得到试验梁在极限状态时的平衡关系，并考虑剑麻纤维的具体掺量的影响，对试验梁的开裂荷载和极限荷载进行计算：

4.2   计算值与试验值的对比分析

利用上述公式計算试验梁的开裂荷载和极限荷载，并与试验值对比，详细数据如表6所示.

由表6可知：1）与未掺加剑麻纤维的试验梁相比，剑麻纤维掺量为1 kg/m3或2 kg/m3对试验梁的开裂荷载影响不大，而掺量为3 kg/m3可明显提高开裂荷载，提高40%，这可能是因为试验操作过程中使掺量为1 kg/m3和2 kg/m3的剑麻纤维在基体内体积掺量较少而导致的;2）在相同配筋率的情况下，试验梁掺加剑麻纤维与否对极限荷载的影响差距不大，这与抗压强度试验结果趋势较吻合;3）相同配合比的试验梁相比，配筋率的增加对开裂荷载的影响较小，但大幅度提高了极限荷载，最大提高了38%;4）由开裂荷载的计算值与试验值比值可知，其计算平均误差为1.00，标准差0.09，变异系数0.09.由极限荷载的计算值与试验值比值可知，其计算平均误差为1.00，标准差0.07，变异系数0.07.由此可得，采用本文公式计算的剑麻纤维自密实轻骨料混凝土的开裂荷载和极限荷载与试验值的吻合度较好.

5    结论

1）掺加剑麻纤维使梁的裂缝条数增加，但裂缝宽度和裂缝间距明显减少，有效改善了梁的破坏形态.当掺量为2 kg/m3时，搅拌过程中分散性较掺量为3 kg/m3好，填充较掺量为1 kg/m3时均匀，浆体中水分沿亲水性纤维表面迁移时，水灰比减小程度较大，界面区裂缝数量最大.纤维横在裂纹上，且在自密实混凝土内部形成空间网状结构，阻碍了微裂缝的产生和扩展，使裂缝间距和宽度最小.

2）剑麻纤维对自密实轻骨料混凝土梁的挠度有显著影响，当掺量为2 kg/m3或3 kg/m3时，挠度值比未掺加纤维的试验梁分别增大约25.40%或10.23%，不仅增强试验梁的能量吸能能力，也有效传递部分拉应力以减小钢筋应变增长速率.

3）自密实轻骨料混凝土梁和剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁在受弯过程中的截面应变均满足平截面假定.

4）剑麻纤维对自密实轻骨料混凝土梁的极限荷载的影响不大，而对其开裂荷载有一定影响，当剑麻纤维掺量为3 kg/m3时，开裂荷载提高最大为40%.

5）剑麻纤维自密实轻骨料混凝土梁的开裂荷载和极限荷载建议采用本文推导公式计算，可与试验值吻合较好.

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