全輕頁巖陶粒-纖維-鋼筋混凝土梁的快速加載試驗(yàn)研究

劉宗輝，謝拂曉(1. 河南理工大學(xué) 生態(tài)建筑與環(huán)境構(gòu)建河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；2. 河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；. 河南省第二建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 45000)

全輕頁巖陶粒-纖維-鋼筋混凝土梁的快速加載試驗(yàn)研究

劉宗輝1,2，謝拂曉3
(1. 河南理工大學(xué) 生態(tài)建筑與環(huán)境構(gòu)建河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；2. 河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3. 河南省第二建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000)

為研究全輕頁巖陶粒纖維鋼筋混凝土梁的動力特性以及力學(xué)性能，對摻加纖維種類分別為鋼纖維、碳納米管纖維、聚丙烯纖維的強(qiáng)度等級為LC40的全輕頁巖陶粒纖維鋼筋混凝土梁進(jìn)行快速加載試驗(yàn)，并與其靜載試驗(yàn)進(jìn)行對比。結(jié)果表明：在受到?jīng)_擊作用時(shí)，纖維的加入能阻止裂紋的擴(kuò)展，減少沖擊作用對試件的破壞程度，提高試件的抗裂性及試驗(yàn)梁的屈服荷載、極限荷載和抗沖擊性能。其中，摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁提高效果較為明顯，且全輕頁巖陶粒纖維鋼筋混凝土梁的承載能力比靜載時(shí)的大，而且裂縫寬度變小，裂縫間距變窄。

頁巖陶粒；全輕混凝土；全輕纖維鋼筋混凝土；靜載試驗(yàn)；快速加載試驗(yàn)

現(xiàn)代建筑中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無疑是應(yīng)用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)，但是混凝土構(gòu)件在使用過程中不可避免地要受到地震、爆炸、沖擊等動態(tài)荷載的作用，發(fā)生在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的各種事故也屢見不鮮。其中，以低速沖擊事故尤為普遍，此類沖擊荷載的特點(diǎn)是荷載強(qiáng)度高，作用時(shí)間短，但卻對結(jié)構(gòu)造成極大破壞，甚至造成人員傷亡，導(dǎo)致不可估量的損失。近年來，國內(nèi)外研究人員對鋼筋混凝土梁的靜力性能進(jìn)行了大量深入研究，建立了梁的設(shè)計(jì)方法，并編制了設(shè)計(jì)規(guī)范[1-4]。然而，對鋼筋混凝土梁動力性能的研究卻屈指可數(shù)。文獻(xiàn)[5]-[10]給出了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載作用下的破壞模式、破壞變形、鋼筋及混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律以及大量的計(jì)算模型，但就如何更有效地提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，仍值得深入研究。

按照我國《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51-2002)[11]的規(guī)定，由輕粗集料、輕砂(普通砂)、水泥和水配制而成的混凝土，其干表觀密度不大于1 950 kg/m3者，稱為輕骨料混凝土 (Light Weight Concrete，簡稱LWC)。其中，由輕粗、細(xì)骨料所配制的混凝土稱為全輕混凝土(All-lightweight concrete，簡稱ALWC)。與普通骨料混凝土相比，LWC具有獨(dú)特的性能：比強(qiáng)度高；隔熱、保溫、保濕；耐火性好；抗震性能好；耐久性好；抗裂性好；無堿集料效應(yīng)；綜合經(jīng)濟(jì)效益好[3-4]。在結(jié)構(gòu)斷面相同的條件下，由于結(jié)構(gòu)自重的減小，結(jié)構(gòu)承載力得以提高。LWC由于密度小、質(zhì)量輕、彈性模量低，使得結(jié)構(gòu)承受動荷載的能力增強(qiáng)，在地震荷載作用下所承受的地震力小，振動波的傳遞速度比較慢，且結(jié)構(gòu)的自振周期長，對沖擊能量的吸收快，減震效果顯著。加入鋼纖維和聚丙烯纖維[9]的輕骨料混凝土具有很好的抗拉強(qiáng)度及韌性[10-11]，可以很好地提高構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度、屈服荷載、極限荷載及抗沖擊能力[12]。

本文主要研究全輕頁巖陶粒纖維鋼筋混凝土(All-lightweight shale ceramsite fiber steel reinforced concrete，簡稱ALWSCFSRC)梁在快速加載實(shí)驗(yàn)下的動態(tài)特性及力學(xué)性能，為防災(zāi)減災(zāi)、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)以及安全評估提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5根矩形截面梁，截面尺寸b×h=150 mm×300 mm，梁長L=3 000 mm，凈跨1 500 mm，ALWC設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為LC40。其中，兩根為全輕頁巖陶粒鋼筋混凝土梁，其中一根做靜載正截面受彎試驗(yàn)研究，一根做動載對比梁，其余3根為不同種類纖維的ALWSCFSRC梁，梁的架立筋為兩根直徑為12 mm的HRB400級鋼筋，縱向受拉鋼筋為3根直徑為14 mm的HRB400級鋼筋，配筋率為0.843%，箍筋選用HPB300級圓鋼，φ6@150沿梁長均勻布置，配箍率0.25%，保護(hù)層厚度為25 mm。試驗(yàn)梁的截面尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)梁的配筋圖

1.2 試驗(yàn)原材料及配合比

試驗(yàn)所用原材料為：P.O42.5R普通硅酸鹽水泥；II級粉煤灰；頁巖陶粒：洛陽正全實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的700級碎石型頁巖陶粒(以下簡稱陶粒)，粒徑≤15 mm，筒壓強(qiáng)度為3.5 MPa，堆積密度為660 kg/m3，24 h吸水率為4.3%；粗骨料為頁巖陶粒，粒徑大小5～15 mm；細(xì)骨料為頁巖陶砂，細(xì)度模數(shù)為2.33～3.36，連續(xù)級配；纖維為鋼纖維、聚丙烯纖維和碳納米管，其性能指標(biāo)見表1、表2。

表1 鋼纖維和聚丙烯纖維性能指標(biāo)

表2 碳納米管性能指標(biāo)

本試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為LC40的ALWSCFRC，配合比依據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51-2002)設(shè)計(jì)，ALWSCFRC配合比如表3所示。

表3 ALWSCFRC配合比

注：鋼纖維按體積率摻量計(jì)；碳納米管按水泥質(zhì)量的百分比計(jì)。JL為靜載梁，L-1、L-2、L-3、L-4為動載梁。

1.3 試件制備

鋼筋骨架綁扎完成后，將鋼筋骨架放進(jìn)模板并固定位置，然后將攪拌好的混凝土倒入模具，試驗(yàn)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和混凝土，一次性用振動棒、平板振動器振搗澆筑成型，每根試驗(yàn)梁澆筑時(shí)，均預(yù)留6個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，以測定試驗(yàn)梁混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度。澆筑結(jié)束后將其表面抹平，然后用塑料薄膜覆蓋防止水分蒸發(fā)，待試驗(yàn)梁表面干燥后即可拆模，拆模后對試驗(yàn)梁和試塊進(jìn)行編號，在室溫下灑水養(yǎng)護(hù)28 d。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在總參工程兵科研三所設(shè)計(jì)的KG-400型靜-動載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為消除剪力對正截面受彎性能的影響，采用三分點(diǎn)加載試驗(yàn)方案，在跨中形成500 mm的純彎段，縱向受拉鋼筋應(yīng)變測點(diǎn)位于3根鋼筋跨中處，靜態(tài)正截面受彎性能試驗(yàn)由人工使用千斤頂進(jìn)行加載，由KDJ016靜態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動讀取荷載、位移和應(yīng)變。ALWSCFSRC梁的動態(tài)正截面受彎性能試驗(yàn)直接使用KG-400型靜-動載試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，由Topview-2000動態(tài)信號測試分析儀自動采集荷載、位移和應(yīng)變。試驗(yàn)過程中仔細(xì)觀察試驗(yàn)梁的破壞過程、裂縫的出現(xiàn)及其發(fā)展規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原材料的基本力學(xué)性能

試驗(yàn)前依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對預(yù)留的鋼筋試件進(jìn)行直接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)加載設(shè)備為WEW-1000B型微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，通過直接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)以獲得鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度。每種鋼筋預(yù)留3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。鋼筋的力學(xué)性能見表4。

對預(yù)留的ALWSCSRC立方體試塊和不同種類纖維的ALWSCFSRC立方塊試件進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)加載設(shè)備為SYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)，通過試驗(yàn)測得JL、L-1、L-2、L-3、L-4混凝土的實(shí)測抗壓強(qiáng)度平均值分別為34.4 MPa、34.4 MPa、36.8 MPa、41.1 MPa、36.5 MPa。

表4 鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)

由圖2可以看出，靜載試驗(yàn)梁(JL)最終破壞時(shí)刻,受壓區(qū)混凝土的剝落較快速加載試驗(yàn)梁明顯，與摻有纖維的試驗(yàn)梁相比更甚。

在快速加載試驗(yàn)中，L-2～L-4試驗(yàn)梁受壓區(qū)混凝土的剝落情況比L-1梁好，并且裂縫條數(shù)較多，裂縫寬度較窄。說明摻有纖維的試驗(yàn)梁具有更好抗沖擊性能，對比試驗(yàn)梁表面的破壞形態(tài)，對其破壞程度由大到小排列，為：L-1>L-4>L-2>L-3。

L-1梁沖擊點(diǎn)下方受壓區(qū)混凝土破壞嚴(yán)重，保護(hù)層基本全部脫落，鋼筋部分裸露，其中跨中的一條彎曲裂縫發(fā)展較深，試驗(yàn)梁跨中部位破壞嚴(yán)重，其他部位裂紋出現(xiàn)較少，沖擊荷載對構(gòu)件造成較嚴(yán)重的破壞。

L-2梁沖擊點(diǎn)下方受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)輕微剝落，但未露出鋼筋，跨中出現(xiàn)多條明顯的彎曲裂縫，試件的受彎段分布很多微細(xì)裂紋，但跨中裂縫寬度較其他裂縫寬度大。

L-3梁沖擊點(diǎn)下方受壓區(qū)混凝土基本無破壞，試驗(yàn)梁的受彎段裂縫條數(shù)多而密集，且裂縫寬度較小，基本保持了較好的整體性。

L-4梁沖擊點(diǎn)下方受壓區(qū)混凝土保護(hù)層脫落嚴(yán)重，破壞僅次于L-1梁，有許多密集的裂縫，但是裂縫寬度明顯沒有L-1梁大，試驗(yàn)梁變形嚴(yán)重。

分析可知，在沖擊作用過程中，纖維的加入起到了阻止裂紋擴(kuò)展的作用，試件內(nèi)雜亂分布的纖維通過變形均勻分布試件內(nèi)的應(yīng)力，減少了沖擊對試件的破壞程度，使試件的抗裂性能大大提高。在產(chǎn)生裂縫之后，橫跨在裂縫上的纖維，阻礙了裂縫的擴(kuò)展，改變了荷載的傳播方向，通過增加新的裂紋提高了試件的抗沖擊能力。

圖2 試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)

2.3 受彎性能分析

2.3.1 荷載-撓度曲線

圖3為各試驗(yàn)梁實(shí)測的荷載-跨中撓度曲線。由圖3可知，快速加載ALWSCSRC梁與靜載試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線的形態(tài)基本相同。從開始加載至試件破壞，試件梁經(jīng)歷了彈性工作階段、帶裂縫工作階段和破壞階段。彈性階段時(shí)，荷載與撓度成正比，曲線大致呈線性關(guān)系。開裂后，梁的剛度降低，變形加快，荷載-撓度曲線上出現(xiàn)第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由于纖維的摻入限制了ALWSCFSRC梁裂縫寬度及裂縫高度的急劇增長，所以ALWSCFSRC梁的荷載-撓度曲線斜率變化幅度略小于ALWSCSRC梁，即相同荷載作用下，ALWSCFSRC梁的跨中撓度較ALWSCSRC梁小，摻入的纖維種類不同，試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線斜率L-3>L-2>L-4>L-1，且都明顯大于靜載試驗(yàn)梁?？v筋屈服后，梁的剛度急劇下降，荷載-撓度曲線上出現(xiàn)第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，試件梁荷載提高的幅度較小，但跨中撓度顯著增大；由于裂縫的迅速擴(kuò)展，截面剛度急劇降低，受壓區(qū)高度顯著減小，當(dāng)受壓區(qū)混凝土被壓碎，構(gòu)件破壞。以上分析說明，纖維的加入可明顯改善試驗(yàn)梁的變形性能，且摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁(L-3)的表現(xiàn)效果較為明顯。

圖3 試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度曲線 圖4 試驗(yàn)梁荷載-縱筋拉應(yīng)變曲線

2.3.2 荷載-縱筋應(yīng)變曲線

試件梁荷載-縱向受拉鋼筋應(yīng)變分布曲線如圖4所示。由圖4可知，動載試驗(yàn)梁跨中鋼筋荷載-應(yīng)變曲線同靜載試驗(yàn)梁基本一致，彈性階段，荷載較小，截面尚未開裂，構(gòu)件表現(xiàn)為彈性變形特征，鋼筋應(yīng)變增長都近似為直線。隨著荷載的逐漸增大，在構(gòu)件純彎段或加載點(diǎn)附近出現(xiàn)第一批垂直裂縫，此時(shí)，構(gòu)件鋼筋應(yīng)力較開裂前明顯增大，荷載-跨中鋼筋應(yīng)變曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，這是因?yàn)槭芾瓍^(qū)的混凝土開裂，部分退出工作，原來由混凝土承受的拉應(yīng)力傳遞給鋼筋，使鋼筋應(yīng)變突然加大。進(jìn)入帶裂縫工作階段后，由于ALWSCFSRC梁中加入纖維的輕骨料混凝土具有較好的抗拉性能，能夠與縱向受拉鋼筋協(xié)同工作，共同承擔(dān)拉力，相同荷載下，ALWSCFSRC梁的鋼筋應(yīng)變較小，即隨著荷載的繼續(xù)增大，縱筋的應(yīng)變增加較小，使得試驗(yàn)梁的屈服荷載明顯高于ALWSCSRC梁，且纖維種類不同提高效果依次為L-3>L-2>L-4>L-1。因此，在縱筋配筋率相同時(shí)，采用摻入纖維的輕骨料的混凝土可在一定程度上延緩鋼筋的屈服，提高試件的屈服荷載，大大提高了試件的抗沖擊能力，且相同屈服荷載作用下，使用摻入纖維的輕骨料混凝土可以降低試驗(yàn)梁的鋼筋用量。

2.3.3 極限承載力分析

試驗(yàn)梁的實(shí)測極限承載力值如表5所示。

表5 實(shí)測極限承載力

與靜載試驗(yàn)梁相比，L-1快速加載試驗(yàn)梁極限承載力增加了15%；摻入纖維的快速加載載試驗(yàn)梁的極限承載力與基準(zhǔn)試驗(yàn)梁L-1相比，極限承載力分別增加了12.2%、23.8%、3.9%。由此可知：ALWSCFSRC梁承受動力荷載的能力較靜力荷載好。與ALWSCSRC梁相比，摻入纖維的ALWSCFSRC梁的抗沖擊性能較好，其中摻有鋼纖維的ALWSCFSRC梁的效果最為明顯，抗沖擊性能最好。

3 抗彎正截面極限承載力計(jì)算

受彎構(gòu)件正截面受壓區(qū)LWC的應(yīng)力圖形可簡化為等效的矩形應(yīng)力圖，矩形應(yīng)力圖的受壓區(qū)高度可取等于按截面應(yīng)變保持平面的假定所確定的中和軸高度乘以系數(shù)β1=0.75。矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值取為LWC軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc乘以系數(shù)α1，本試驗(yàn)梁混凝土強(qiáng)度為LC40，所以α1=1.0。

ALWSCFSRC梁正截面承載力計(jì)算公式為：

(1)

fyAS=a1fcbx

(2)

由式(1)和(2)可得：

(3)

式中：Mu—正截面受彎承載力極限抵抗彎矩，(kN·m)；fc—混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；fy—鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；b—試件的截面寬度，mm；x—混凝土受壓區(qū)計(jì)算高度，mm；h0—截面有效高度，即受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面受壓區(qū)邊緣之間的距離。

根據(jù)式(3)可得試驗(yàn)梁的正截面承載力理論值，并將其與實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果見表6。

表6 正截面承載力的實(shí)測值與理論值比較

由表6可知，在靜載作用下，實(shí)測值與理論值相近，而且實(shí)測值大于理論值，由此表明，按照目前的計(jì)算方法對ALWSCFSRC梁進(jìn)行正截面設(shè)計(jì)是可行的，然而因?yàn)槠浯止橇享搸r陶粒的筒壓強(qiáng)度小于碎石的，致使其承載力稍小于普通鋼筋混凝土梁。但在快速加載作用下，L-1梁比較靜載梁提高了14.42%，摻入纖維的快速加載載試驗(yàn)梁的L-2、L-3、L-4的實(shí)測值與理論值的比值比較基準(zhǔn)試驗(yàn)梁L-1分別增加了6.72%、22.69%、4.2%，可以看出ALWSCFSRC梁在承受動力荷載時(shí)比靜力時(shí)要好，同時(shí)摻入纖維的混凝土梁的抗沖擊性能較好，其中以摻入鋼纖維的效果最為明顯，聚丙烯纖維次之，碳納米管最不顯著，說明摻有鋼纖維的ALWSCFSRC梁抗沖擊性能最好。

4 結(jié)論

(1)在沖擊作用過程中，3種纖維的加入都起到了阻止裂紋擴(kuò)展的作用，試件內(nèi)雜亂分布的纖維通過變形均勻分擔(dān)試件內(nèi)的應(yīng)力，減少沖擊對試件的破壞程度，提高試件的抗裂性；

(2)3種纖維的加入提高了試驗(yàn)梁的屈服荷載、極限荷載和抗沖擊性能，其中摻入鋼纖維的試驗(yàn)梁提高效果最為明顯，聚丙烯纖維次之，碳納米管較??；

(3)開裂后，在相同荷載作用下，摻入纖維的試驗(yàn)梁縱筋應(yīng)變的增加幅度較小，撓度也較??；

(4)無論是靜載試驗(yàn)還是快速加載試驗(yàn)，梁的正截面承載力實(shí)測值和理論值的比值都大于1，即實(shí)測值大于理論值。

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Rapid loading test of all-lightweight shale ceramsite-fiber-reinforced concrete beam

LIU Zong-hui1,2, XIE Fu-xiao3
(1.HenanEngineeringLaboratoryforEco-architectureandEnvironmentConstruction,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China; 2.SchoolofCivilEngineeringofHenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China; 3.No. 2SecondConstructionGroupCo.,Ltd.,Xinxiang453000,China)

In order to study the dynamic characteristics and mechanical properties of full-thickness shale ceramic fiber reinforced concrete beams, The fast loading test of the full-thickness shale ceramic fiber reinforced concrete beams with the fiber grade of steel fiber, carbon nanotube fiber and polypropylene fiber with LC40 grade strength was compared with that of static load test. The results show that the addition of fiber can prevent the expansion of the crack, reduce the damage degree of the specimen and improve the crack resistance of the specimen and the yield load, ultimate load and impact resistance of the test beam. Among them, the effect of reinforced steel beam is more obvious, and the bearing capacity of full-thickness shale ceramic fiber reinforced concrete beam is larger than that of static load, and the crack width becomes smaller and the crack spacing becomes narrower.

shale ceramsite; all-lightweight concrete; all-lightweight fiber reinforced concrete; static load test; rapid loading test

2016-11-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172317)

劉宗輝(1989—)，男，河南平頂山人，碩士研究生。

1674-7046(2017)02-0008-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.002

TU502

A