李建鏘

(福建省博意設(shè)計(jì)有限公司 福建泉州 362000)

1 鋼纖維陶?；炷羾?guó)外研究現(xiàn)狀

陶粒混凝土因具有輕質(zhì)、高強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)，理今在世界上快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。眼下應(yīng)用最廣泛的陶粒骨料主要有黏土陶粒、葉巖陶粒、粉煤灰陶粒。國(guó)內(nèi)一些采用陶粒混凝土的重大工程主要有：珠海國(guó)際會(huì)議中心；武漢證券大廈；云南建工醫(yī)院；天津永定新河大橋；京珠高速公路湖北段漢江大橋。其中，永定新河大橋應(yīng)用了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力陶?；炷粒瑵h江大橋使用了纖維高強(qiáng)陶?；炷羀1]。

在陶粒混凝土中加入適量的鋼纖維后所形成的鋼纖維陶?；炷疗湮锢砗土W(xué)性能都有所改良和提高，具體表現(xiàn)為：①相對(duì)較高的抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度；②很好的抗沖擊性能；③優(yōu)異的抗裂和抗疲勞性能；④抗變形能力強(qiáng)；⑤韌性好；⑥耐磨性能與抗?jié)B性能較高；⑦施工方便，性價(jià)比高，其應(yīng)用前景十分可觀[2]。

隨著鋼纖維混凝土新材料在工程中的不斷應(yīng)用，關(guān)于鋼纖維混凝土的應(yīng)用技術(shù)和材料性能理論也在不斷發(fā)展。尤其是混凝土的物理力學(xué)性能，為了滿足工程界的需要，其性能要求越來越高，鋼纖維混凝土在今后有著很大的發(fā)展空間[3-4]。

鋼纖維陶?；炷潦且环N新型的建筑材料，它在保持陶粒骨料輕質(zhì)的特點(diǎn)下，兼具了鋼纖維對(duì)混凝土的性能增強(qiáng)作用。國(guó)外許多學(xué)者都對(duì)鋼纖維陶?；炷吝M(jìn)行了各種力學(xué)性能的試驗(yàn)研究。上世紀(jì)80年代初期，英國(guó)Sheffield大學(xué)進(jìn)行了鋼纖維陶?；炷量箾_擊性試驗(yàn)研究[5]和鋼纖維陶?；炷恋墓ぷ餍匝芯縖6]。日本對(duì)于鋼纖維陶?；炷烈沧隽撕芏嘣囼?yàn)研究。日本早期的《水泥混凝土》中就有關(guān)于鋼纖維陶?；炷亮W(xué)性能研究。90年代中期美國(guó)通過試驗(yàn)研究鋼纖維對(duì)陶粒混凝土各種力學(xué)性能提高和施工性能的影響。澳大利亞New South Wales大學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了各種纖維對(duì)飛灰輕骨料混凝土干縮性能的改善。研究結(jié)果表明，鋼纖維比其它低彈性模量纖維更好地抑制飛灰輕骨料混凝土干縮開裂[7]。我國(guó)香港大學(xué)R.V.Balendran試驗(yàn)，研究了鋼纖維對(duì)高強(qiáng)陶粒混凝土和普通骨料高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度及延性的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，鋼纖維體積率對(duì)鋼纖維高強(qiáng)陶?；炷恋呐褟?qiáng)度和抗彎性能的改善要優(yōu)于普通高強(qiáng)混凝土[8]。本文擬基于純扭作用下的鋼纖維對(duì)高強(qiáng)陶粒混凝土的阻裂效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為工程實(shí)際運(yùn)用提供試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

(1)水泥：采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)42.5MPa。

(2)鋼筋：試驗(yàn)涉及的鋼筋分別有：直徑6mm的HPB300鋼筋、直徑8mm的HPB300鋼筋、直徑10mm的HPB300鋼筋。通過鋼筋拉伸試驗(yàn)得出性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋼筋實(shí)測(cè)參數(shù)

(3)陶粒粗骨料：采用圓形粘土陶粒，筒壓強(qiáng)度8.5MPa，堆積密度890.7kg/m3,1h吸水率10.7%，顆粒表觀密度1428.6kg/m3，粒徑在10～19mm之間。

(4)細(xì)骨料：采用河沙，中砂，細(xì)度模數(shù)2.9。

(5)普通粗骨料：級(jí)配良好的碎石。

(6)鋼纖維：福建廈門市國(guó)橋牌寬波浪形鋼纖維,主要特征參數(shù):長(zhǎng)度為30mm,等效直徑為1.11mm,換算長(zhǎng)徑比為27，抗拉強(qiáng)度大于700MPa。

(7)水：采用普通自來水。

試驗(yàn)以鋼纖維體積率為主要控制參數(shù)，將10根梁(表2)分為3組，其中A2梁為普通混凝土對(duì)比梁，A1為不加鋼纖維的陶?；炷亮?，B1、B2、C1、C2、C3、D1、D2 、D3分別為不同鋼纖維體積率下的8根鋼纖維陶?；炷亮骸Ｍㄟ^實(shí)驗(yàn)得出梁的裂縫發(fā)展情況。

表2 試件梁主要參數(shù)表

為了使裂縫出現(xiàn)在試件梁的跨中，梁配筋采用梁兩端加密箍筋做法。截面采用寬150mm高250mm，跨度為2000mm的梁。配筋時(shí)，箍筋采用直徑6mm的HPB300，鋼筋間距分別以100mm、150mm、200mm為變化條件。縱向鋼筋采用HPB300，鋼筋以8mm、10mm為變化條件。

陶粒強(qiáng)度等級(jí)C40，通過試算試配調(diào)整得出配合比。每根梁陶?；炷粮鶕?jù)配合比對(duì)應(yīng)得出各種材料每立方米用量如表3所示。

表3 試件每立方米材料用量表 kg

攪拌澆筑陶?；炷林饕鞒?如圖1所示。

圖1 攪拌工藝流程圖

2.2 試驗(yàn)加載方案

本試驗(yàn)采用量程為50kN手搖千斤頂進(jìn)行加載?？古ぴ囼?yàn)采用以扭轉(zhuǎn)角為主控條件，扭矩為輔助控制。加載方式采用一端用兩個(gè)千斤頂將梁構(gòu)件固定于鋼架上，如圖2(a)，另一端施加扭矩詳圖2(b)。中間部分形成純扭段。在陶?；炷帘砻娌荚O(shè)應(yīng)變片以測(cè)量陶?；炷翍?yīng)變。貼片位置為梁跨中的兩側(cè)面純扭段沿45°角，水平方向間距100mm均勻貼片(每側(cè)3片，雙面貼)。使用傾角儀(DXL360，分辨率0.02°)測(cè)量扭轉(zhuǎn)角度。通過加載前標(biāo)零，加載時(shí)測(cè)量加載端相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的方法，測(cè)量梁構(gòu)件的扭率。這種方法比起應(yīng)用位移計(jì)測(cè)量并推算角度的傳統(tǒng)方法更加便捷，且更為精確。

試驗(yàn)在華僑大學(xué)土木工程試驗(yàn)室進(jìn)行，測(cè)試內(nèi)容主要是采集梁在扭轉(zhuǎn)荷載下扭矩與應(yīng)變關(guān)系，同時(shí)觀測(cè)裂縫發(fā)展情況。

初始加載方案，按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.05deg/m觀察一次并采集數(shù)據(jù)控制，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為0.14deg/m時(shí)，構(gòu)件首先在A面中軸線附近位置出現(xiàn)第一條微裂縫，裂縫長(zhǎng)度約為30mm，寬度十分細(xì)小，大概在0.2mm左右，裂縫與水平線夾角約為45°。此時(shí)扭矩為3.03kN·m。

隨后，加載方案改為按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.10 deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制。隨著扭矩增加，微裂縫陸續(xù)出現(xiàn)，并主要分布于中軸線附近位置。原有微裂縫變寬，并向兩端延伸，延伸方向與水平線夾角約為45°。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為0.55deg/m時(shí)，扭矩為6.29kN·m，裂縫的長(zhǎng)度已經(jīng)延伸到梁頂端和低端，寬度達(dá)到0.4mm左右，并與底部和底部裂縫初步貫通。梁跨中部有形成與水平線夾角約為45°角的貫通主裂縫趨勢(shì)。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度為0.90deg/m時(shí)，扭矩為7.52kN·m已經(jīng)形成十分明顯的主裂縫，裂縫寬度為1mm左右，主裂縫位置剛好出現(xiàn)在梁跨偏左部位，與水平線夾角約為45°角，為螺旋形貫穿裂縫。當(dāng)梁主裂縫出現(xiàn)后，梁構(gòu)件表面幾乎沒有新裂縫產(chǎn)生，其余已出現(xiàn)的短小次裂縫延伸速度有變緩趨勢(shì)。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度為1.30deg/m時(shí)，扭矩為8.39kN·m，此時(shí)扭矩不再上升。主裂縫寬度達(dá)到2mm左右，主裂縫附近混凝土起皮掉落。加載方案改為按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.20 deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制。隨后，扭矩均維持在8kN·m左右波動(dòng)，直到轉(zhuǎn)角度為2.80deg/m時(shí)，扭矩開始下降，認(rèn)為構(gòu)件已經(jīng)破壞，停止加載。裂縫分布位置如圖2～圖3所示。

(a)固定端示意圖 (b)固定端現(xiàn)場(chǎng)圖

(a)加載端示意圖 (b)加載端現(xiàn)場(chǎng)圖1 (c) 加載端現(xiàn)場(chǎng)圖2圖3 試件加載端

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

以構(gòu)件A1梁為例，具體試驗(yàn)過程如下：初始加載方案按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.05deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為0.14deg/m時(shí)，構(gòu)件首先在A面中軸線附近位置出現(xiàn)第一條微裂縫，裂縫長(zhǎng)度約為30mm，寬度十分細(xì)小，大概在0.2mm左右，裂縫與水平線夾角約為45°，此時(shí)扭矩為3.03kN·m。

隨后，加載方案改為按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.10 deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制。隨著扭矩增加，微裂縫陸續(xù)出現(xiàn)，并主要分布于中軸線附近位置。原有微裂縫變寬，并向兩端延伸，延伸方向與水平線夾角約為45°。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角為0.55deg/m時(shí)，扭矩為6.29kN·m，裂縫長(zhǎng)度已經(jīng)延伸到梁頂端和底端，寬度達(dá)到0.4mm左右，并與底部裂縫初步貫通。梁跨中部有形成與水平線夾角約為45°角貫通主裂縫趨勢(shì)。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度為0.90deg/m時(shí)，扭矩為7.52kN·m，已經(jīng)形成十分明顯的主裂縫，裂縫寬度為1mm左右，主裂縫位置剛好出現(xiàn)在梁跨偏左部位，與水平線夾角約為45°角，為螺旋形貫穿裂縫。當(dāng)梁主裂縫出現(xiàn)后，梁構(gòu)件表面幾乎沒有新裂縫產(chǎn)生，其余已出現(xiàn)的短小次裂縫延伸速度呈變緩趨勢(shì)。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)角度為1.30deg/m時(shí)，扭矩為8.39kN·m，此時(shí)扭矩不再上升。主裂縫寬度達(dá)到2mm左右，主裂縫附近混凝土起皮掉落。隨后，加載方案改為按照扭轉(zhuǎn)角度每增加0.20deg/m觀察一次，并采集數(shù)據(jù)控制。隨后，扭矩均維持在8kN·m左右波動(dòng)，直到轉(zhuǎn)角度為2.80deg/m時(shí)，扭矩開始下降，認(rèn)為構(gòu)件已經(jīng)破壞，停止加載。裂縫分布位置如圖4所示。

圖4 構(gòu)件A1裂縫展開圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：10根梁的受力破壞過程大體相同。在裂縫出現(xiàn)之前彈性階段，構(gòu)件截面長(zhǎng)邊首先出現(xiàn)與水平線夾角為35°～50°不等的斜裂縫。根據(jù)試驗(yàn)可以總結(jié)出：當(dāng)箍筋配置較多時(shí)，斜裂縫與水平線夾角也越大，箍筋配置較少時(shí)斜裂縫與水平線夾角較小，且可能出現(xiàn)與水平線平行的貫通水平裂縫。隨著扭矩增大，斜裂縫向構(gòu)件邊緣延伸，裂縫數(shù)量不斷增加，在構(gòu)件展開面上均勻分布。當(dāng)扭矩增加到一定值后，形成環(huán)繞整個(gè)受扭梁構(gòu)件的貫通螺旋形裂縫。此時(shí)，梁構(gòu)件形成一個(gè)帶裂縫受荷的空間籠型結(jié)構(gòu)。裂縫出現(xiàn)后，扭轉(zhuǎn)角急劇增大，梁構(gòu)件抗扭剛度顯著下降。

試驗(yàn)還表明：當(dāng)純扭梁構(gòu)件出現(xiàn)主裂縫時(shí)，隨著扭矩增加，主裂縫變寬，主裂縫表面起皮脫落。但是，其余次裂縫延伸速度變緩，甚至不延伸，梁構(gòu)件表面不再有新的裂縫出現(xiàn)。

試驗(yàn)比較，明顯看出：鋼纖維能很有效地增大純扭梁構(gòu)件的開裂扭矩，并且在梁構(gòu)件破壞時(shí)，由于有鋼纖維的鏈接作用，表面起皮后相對(duì)于不摻鋼纖維的陶粒混凝土梁及普通混凝土梁，不會(huì)出現(xiàn)壓碎的混凝土或陶?；炷琳麎K掉落現(xiàn)象。

將此次試驗(yàn)結(jié)果匯總于表4，Tcr表示梁構(gòu)件的開裂扭矩，當(dāng)梁構(gòu)件表面剛出現(xiàn)斜裂縫時(shí)的扭矩判斷為梁構(gòu)件的開裂扭矩； θcr表示混凝土開裂時(shí)的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角。

表4 純扭作用下梁構(gòu)件的特征荷載和相應(yīng)扭轉(zhuǎn)角的實(shí)測(cè)值

根據(jù)陶粒混凝土應(yīng)變與扭矩關(guān)系圖可得出：陶?；炷猎陂_裂前基本處于彈性狀態(tài)。開裂后，陶?；炷翍?yīng)變快速增大，而且隨著陶?；炷帘砻鎽?yīng)變的增大，裂縫貫穿應(yīng)變片直到應(yīng)變片破壞。圖5對(duì)比了A1，B1，C1，D1，A2梁構(gòu)件混凝土表面應(yīng)變與扭矩的關(guān)系。

圖5 A1，B1，C1，D1，A2梁構(gòu)件混凝土表面應(yīng)變與扭矩關(guān)系對(duì)比圖

根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)：在加載初期，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)緩慢，直到達(dá)到開裂荷載。對(duì)比曲線A1與曲線A2可以清楚地得出：陶?；炷?圓形粘土陶粒粗骨料)比普通混凝土(碎石粗骨料)純扭作用下更容易開裂。陶?；炷翗?gòu)件A1的開裂扭矩約為3.03kN·m，而普通混凝土的開裂扭矩為4.40kN·m，陶?；炷灵_裂扭矩約為普通混凝土開裂扭矩的68.9%。

普通混凝土(碎石粗骨料)的抗剪強(qiáng)度，主要取決于硬化水泥砂漿和碎石粗骨料的抗剪強(qiáng)度，以及碎石粗骨料與硬化水泥砂漿之間粘結(jié)接口的粘結(jié)強(qiáng)度。粘土陶粒的抗剪強(qiáng)度，通常情況下低于碎石粗骨料。據(jù)文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)研究表明：粘土陶粒混凝土的抗剪強(qiáng)度，主要由粘土陶粒本身的抗剪強(qiáng)度決定。尤其是高強(qiáng)混凝土更是如此。粘土陶粒混凝土的受剪破壞面通常會(huì)貫穿陶粒骨料[10]，根據(jù)圖6構(gòu)件破壞面現(xiàn)場(chǎng)照片可以清晰地得出此結(jié)論。通過梁構(gòu)件扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，也從一定程度上印證了陶?；炷量估瓘?qiáng)度低于普通混凝土[11]。

圖6 陶?；炷疗茐拿?/p>

根據(jù)圖4，對(duì)比曲線A1、B1、C1、D1可以清楚地得出：摻入鋼纖維的陶粒混凝土梁構(gòu)件，其開裂扭矩隨著鋼纖維的體積率增加而明顯增大。

鋼纖維體積率為0.5的陶?；炷亮簶?gòu)件B1開裂扭矩為3.92 ，相對(duì)于A1開裂扭矩約增長(zhǎng)29.4%。鋼纖維體積率為1.0的陶粒混凝土梁構(gòu)件C1開裂扭矩為4.57 ，相對(duì)于A1開裂扭矩約增長(zhǎng)50.8%。鋼纖維體積率為1.5的陶?；炷亮簶?gòu)件D1開裂扭矩為5.87 ，相對(duì)于A1開裂扭矩約增長(zhǎng)93.7%。且在鋼纖維體積率為1.5的情況下，陶?；炷灵_裂扭矩大于普通碎石粗骨料混凝土。

鋼纖維提高陶?；炷恋拈_裂扭矩，主要表現(xiàn)在抑制和延緩陶?；炷廖⒘鸭y產(chǎn)生和延伸[12]：

(1)陶?；炷翝矒v過程，由于水泥水化干縮產(chǎn)生原始微裂縫。鋼纖維可以很有效地抑制這些原始微裂縫的產(chǎn)生。

(2)在對(duì)陶?；炷潦┘优まD(zhuǎn)荷載過程，隨著陶?；炷恋淖陨響?yīng)力加大，其內(nèi)部微裂縫勢(shì)必發(fā)生延伸、貫通。而在這些微裂縫延伸的路徑上，由于有鋼纖維的阻礙，微裂縫的延伸將受到很大程度延緩。

綜上，可以得出以下結(jié)論：

(1)在受扭狀態(tài)下，陶粒混凝土梁的開裂扭矩小于普通碎石粗骨料混凝土梁。

(2)從一定程度上反應(yīng)了陶粒混凝土相比于普通碎石粗骨料混凝土更易于受拉開裂。

(3)鋼纖維的摻入，能很好地提高陶?；炷亮簶?gòu)件的開裂扭矩。增大鋼纖維的摻入量，能很有效地延緩陶粒混凝土梁構(gòu)件受扭開裂。

(4)鋼纖維對(duì)于延緩陶?；炷潦芾_裂效果明顯。

4 結(jié)語

結(jié)合纖維混凝土與陶?；炷恋奶攸c(diǎn)，鋼纖維陶?；炷翆⒃诠こ探缬兄鴱V泛的應(yīng)用。對(duì)于鋼纖維陶粒混凝土的理論研究，還尚未達(dá)到鋼筋混凝土那樣成熟的地步，特別是針對(duì)鋼纖維陶?；炷令A(yù)制構(gòu)件的承載力，尚需進(jìn)一步研究。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在陶?；炷林袚饺脘摾w維，能很好地提高陶?；炷亮簶?gòu)件的開裂扭矩。增大鋼纖維的摻入量，能很有效地延緩陶?；炷亮簶?gòu)件受扭開裂。