钢纤维掺量对轻骨料混凝土预制板楼抗冲切性能影响的试验研究

张艳英 卢玫 杜中华 李垒成 王江锋

1 华北水利水电大学建筑学院 2 河南省纺织建筑设计院有限公司（450011）3 华北水利水电大学地球科学与工程学院（450000）

0 前言

轻骨料混凝土同普通混凝土相比， 具有自重轻、强度高、保温性能好等优点，非常适宜于在现代化装配式建筑中使用。同时轻骨料混凝土可采用掺入钢纤维、炭纤维、煤矸石、烧制陶粒、粉煤灰等材料。 因此，如能以轻骨科混凝土代替预制板中的普通混凝土， 不但可保留组合楼板原先的各种优点，还能降低楼板自重，从而降低工程的造价，便于运输和组装。 同时，还可降低工业废料所造成的环境污染[1]。

目前我国对于预制板的研究，绝大部分集中于对普通混凝土预制板力学性能的研究上，而对轻骨料混凝土预制板的研究很少。文章针对轻骨料钢纤维混凝土预制板进行了试验，研究了轻骨料混凝土预制板中钢纤维的含量对预制板抗冲切性能的影响，为轻骨料混凝土在预制板中的应用提供了试验数据和理论基础。

1 钢纤维轻骨料混凝土预制板抗冲切试验

1.1 试验材料

预制板轻骨料混凝土主要成分为普通硅酸盐水泥（P·O 52.5）、烧制陶粒粗骨料、机制砂细骨料和钢纤维，物理力学性能参数见表1～表4。 外加剂采用聚羧酸系高性能减水剂（指标符合混凝土外加剂规范《GB 8076—2008》的要求[2]），实测减水率为19%。 普通混凝土粗骨料采用连续级配5～20 mm的碎石，拌制参照规范《混凝土结构设计规范》[3]GB 50010—2010）。

表1 烧制陶粒的物理性能指标

表2 机制砂的物理性能指标

表3 钢纤维性能特性参数

本试验轻骨料混凝土预制板材料配比参考文献[4]经验，水灰比为0.44，机制砂含量为40%，钢纤维掺量为0.8%～1.6%。 混凝土搅拌试验过程中先将钢纤维外表面裹一层水泥浆, 并提前将烧制陶粒喷水预湿，以便混凝土配合料之间更好地黏结，其搅拌严格按照 《轻骨料混凝土技术规程》[5]JGJ 51—2002 的施工工艺进行。钢纤维轻骨料混凝土配合比设计参数分别见表4。

1.2 试件的设计与制作

该试验共设计制作8 块轻骨料混凝土预制板，板中间均配置方柱柱头 （柱截面为300 mm×300 mm，柱头长350 mm），板的制作尺寸为1 200 mm×1 200 mm，有效板跨均为1 000 mm，板厚150 mm，板采用单面配筋，纵横向配筋率相同，均为φ12@200，轻骨料混凝土中钢纤维体积参量变化为0～1.6%[6-7]。试件设计情况见表5，配筋状况如图1 所示。

表4 钢纤维轻骨料混凝土配合比参数

表5 试件列表

图1 板配筋图

1.3 试验的装置及实验方法

为了获得轻骨料混凝土应变、钢筋应变、板中各个测点挠度、 开裂荷载与极限承载力等试验数据，本试验采用电阻应变片来测量混凝土及钢筋的应变。 混凝土应变片采用型号为SZ300-100AA，栅格尺寸4 mm×100 mm，电阻值120 Ω。 钢筋应变片采用型号为BXl20-5AA，电阻值为120 Ω，栅格尺寸3 mm×5 mm。 运用静态电阻应变仪同时采集混凝土应变、钢筋应变和压力传感器的应变。 混凝土及钢筋应变都采用共温度补偿1/2 桥路的方案测试。 试件试验过程，先将轻骨料混凝土预制板的受拉面向下，柱头向上，板的四边支在直径为60 mm钢滚轴上，支座之间的距离均为1 200 mm，再用600 kN 液压千斤顶在轻骨料混凝土预制板中心逐级加载。

试验开始前，首先进行预压加载试验，检查测量仪表是否能正常工作， 然后进行正式逐级加载。试验全过程均按照分级加载，每级加载30 kN。当开裂荷载及极限承载力达到80%时，荷载适当加密。观察板底裂缝的情况，做好拍片和记录工作，重点记录板底的挠度、角隅的挠度、钢筋及混凝土的应变数据、轻骨料预制板在加载过程中的全部变化。

1.4 轻骨料混凝土预制板抗冲切破坏特征及挠度计算

综合文献研究结果[8-11]，在集中荷载作用下，预制板从开始加载到板体承载力破坏大致分为三个阶段：

第一阶段： 预制板中从开始加载到板上出现第一条裂缝，荷载的位置在中心低板面附近。 此时由钢筋和轻骨料混凝土共同承受荷载，预制板处于线弹性工作阶段。

第二阶段：从预制板上开始出现第一条裂缝后、相续出现裂缝到预制板被破坏，此时钢筋承受荷载增加，有部分轻骨料混凝土退出工作，预制板处于弹塑性工作阶段。

第三阶段：预制板达到极限荷载，集中加载四周出现下陷，钢筋和轻骨料混凝土都退出工作，预制板突然失去承载力，处于冲切破坏阶段。

根据荷载在板上作用位置和形成的裂缝形状的不同，可以将板的冲切破坏类型分为三种：完全冲切破坏、不完全冲切破坏和冲压破坏。

本试验各试件极限承载力及开裂荷载见表6。在中心加载的过程中，本试验各试件达到极限承载力发生开裂时均发生冲切破坏。 掺入钢纤维含量为零的B1，随着荷载的增大，预制板突然失去承载力，属于无预告的脆性破坏。 掺入钢纤维的含量为0.8%、1.2%、1.6%的 B2～B4 破坏时， 由于有钢纤维的保护，没有出现混凝土保护层剥落现象，预制板的表面比较完好，可以看出钢纤维可以有效地保护轻骨料混凝土。 轻骨料混凝土预制板中掺入适量的钢纤维可降低板的脆性破坏程度。 在一定范围内，随着掺量的增大，轻骨料混凝土预制板抗冲切破坏性能不断提高。

由文献[12]的研究结果可得，板构件在正面中心（a/2，b/2）处受集中荷载P 时，此时利用纳维叶解法得到的挠度表达式为：

其中：D——截面弯曲刚度；m、n——正整数，为保证计算精度取值均大于等于3；a、 b——矩形板的边长； （x，y）取（a/2，b/2）。

集中荷载P 取值为等效静载：

其中：

Qe——等效静载；ΔPm——动荷载峰值。

低速冲击作用下钢纤维、钢筋混凝土板的挠度计算公式为：

其中：Es、αE、ρ——纵向受拉钢筋的弹性模量、钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值、纵向受拉钢筋配筋率；As——构件受拉区纵向钢筋的截面面积；h0——混凝土板截面有效高度，在平头低速冲击时， 基本可以忽略侵彻作用对截面有效高度的影响；ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值；ω——板的自振频率；Ω——频率系数；D——截面弯曲刚度。a——板短边计算跨度。m0、m——板构件单位面积质量，m0=1.1 m。

表6 各试件冲切开裂荷载及极限承载力

2.5 钢纤维轻骨料混凝土预制板中心荷载一挠度曲线

图2 预制板中心荷载、挠度曲线

图2为预制板 B1-1、B1-2、B2-1、B2-2、B3-1、B3-2、B4-1、B4-2 8 个试件中心荷载、挠度曲线。 由图2 和表6 可知， 试件发生的破坏均为冲切破坏。预制板在荷载较小时， 基本上处于弹性工作阶段。当达到开裂荷载以后，挠度变形曲线偏离荷载中心轴，但是其荷载、挠度变化关系近似线性变化。 当施加荷载达到极限荷载时，冲切锥形成，板的承载力很快下降。 当荷载稳定在极限荷载范围值时，预制板中心挠度约为破坏时挠度的2.9 倍。 在相对稳定的残余荷载下，板的变形持续不断发展，直到试件最终失去承载力。 轻骨料混凝土预制板随着钢纤维量的不断增加，其开裂荷载也有增加趋势，屈服荷载呈现一定的增长，极限承受荷载随钢纤维掺入量的增加而增加。

由图3 可以得出：

随着轻骨料混凝土中钢纤维的增加，轻骨料混凝土预制板的抗冲切承载力可提高56%～85%；

随着钢纤维体积参量从0.8%～1.6%增加，轻骨料混凝土预制板的抗冲切承载力递增，钢纤维体积参量到1.2%以后提高幅度有下降趋势；

在钢纤维体积掺量在0～1.6%变化时， 可以认为钢纤维体积掺量为1.2%时是轻骨料混凝土预制板最优钢纤维体积掺量。

图3 试验梁的荷载-挠度曲线

2 结语

国内外混凝土冲切试验研究大多在研究现浇板和叠浇板，文章通过对8 块由轻骨料混凝土组成的预制板试件的冲切加载试验，研究了不同钢纤维掺量情况下预制板的抗冲切破坏规律。 随着钢纤维体积掺量从0.8%～1.6%增加，轻骨料混凝土预制板的抗冲切承载力逐渐增加，但是当钢纤维体积掺量达到1.2%以后提高幅度有下降趋势。 可以认为，轻骨料混凝土钢纤维最佳体积掺量为1.2%， 这为进一步研究现浇板抗冲切理论和分析提供了试验数据基础，也为轻骨料混凝土现浇板的设计施工提供参考。