玄武巖纖維改性HSCC柱偏心受壓試驗(yàn)研究

王鈞　白雪石　薛鶴

摘 要：為研究玄武巖纖維的加入對(duì)高強(qiáng)自密實(shí)混凝土長(zhǎng)柱受力性能的改善作用，以玄武巖纖維體積摻量0.1%和0.2%、長(zhǎng)度15 mm和30 mm為參數(shù)，設(shè)計(jì)制作了10個(gè)長(zhǎng)細(xì)比為6的高強(qiáng)自密實(shí)混凝土長(zhǎng)柱，進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)。結(jié)果表明：玄武巖纖維的加入，可明顯改善高強(qiáng)自密實(shí)混凝土柱偏心受壓的受力性能、延性;大、小偏心受壓構(gòu)件開(kāi)裂荷載分別提升20.7%、11.8%，極限承載力最大增幅為18.2%、16.7%;大、小偏心構(gòu)件受壓過(guò)程中，玄武巖纖維的加入使應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的混凝土應(yīng)變受到較為顯著的影響，當(dāng)達(dá)到大極限承載力時(shí)，最大的拉、壓應(yīng)變下降25.0%、15.0%;由于玄武巖纖維的作用，大偏心受壓試件達(dá)到極限承載力時(shí)，跨中最大撓度提升7.6%，提高了構(gòu)件變形能力，但纖維長(zhǎng)度、體積摻量改變引起的撓度效應(yīng)不大。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;高強(qiáng)自密實(shí)混凝土;柱;承載力;變形

中圖分類號(hào)：TU375.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2020）01-0090-08

Abstract：In order to study the improvement of high-strength self-compacting concrete（HSCC） slender column after adding basalt fiber， ten HSCC slender columns in a slenderness ratio of 6 were designed for eccentric compression test， based on the parameters of basalt fiber volume in 0.1% and 0.2%， length in 15mm and 30mm.The results show that the addition of basalt fiber can significantly improve the stress performance and ductility of HSCC columns under eccentric compression. The cracking load of large and small eccentric compression members is increased by 20.7% and 11.8% respectively， and the maximum increase in ultimate bearing capacity is 18.2% and 16.7% respectively. During the compression of large and small eccentric members， the addition of basalt fiber has a remarkable impact on the concrete strain corresponding to its stress peak. When the maximum ultimate bearing capacity is reached， the maximum tensile and compressive strains are reduced by 25.0% and 15.0%; when the large eccentric compression specimens reaches the ultimate bearing capacity under the action of basalt fiber， the maximum deflection in the mid-span increases by 7.6%， which improves the members deform-ability while has no big deflection effect by the change of fiber length and volume content.

Keywords：basalt fiber; high-strength self-compacting concrete; columns; bearing capacity; deformation

玄武巖纖維（BF）以良好的抗拉性、耐腐蝕性、廣闊的溫度適用范圍等優(yōu)勢(shì)，使其與混凝土結(jié)合可廣泛應(yīng)用于嚴(yán)寒、沿海等工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣的建筑物中[1-4]。在實(shí)際工程中，針對(duì)建筑物因大跨、重載和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素，引起的混凝土結(jié)構(gòu)自重大、澆筑后振搗困難、施工不易等問(wèn)題，高強(qiáng)自密實(shí)混凝土（HSCC）可有效發(fā)揮作用[5-6]。將BF應(yīng)用到HSCC結(jié)構(gòu)中，不僅可在提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、減輕自重的同時(shí)解決振搗困難、減少噪聲，還可以提高混凝土的抗裂性，提高結(jié)構(gòu)耐久性[7-9]。

實(shí)際工程中，鋼筋混凝土柱常處于偏心受壓受力狀態(tài)，因此，開(kāi)展玄武巖纖維改性HSCC柱偏心受壓性能研究具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值。目前，關(guān)于玄武巖纖維應(yīng)用到混凝土柱的研究相對(duì)較少，王新忠等[10-11]、侯敏等[12]、夏海濤[13]等分別針對(duì)配筋玄武巖纖維混凝土柱、玄武巖纖維再生混凝土柱、玄武巖纖維高強(qiáng)混凝土柱的受壓性能展開(kāi)研究。然而，以自密實(shí)、高強(qiáng)為特性，結(jié)合BF改性的HSCC柱偏心受力性能研究尚未見(jiàn)報(bào)道，基于HSCC的應(yīng)用廣泛程度，有必要作進(jìn)一步探討[14-15]。

以玄武巖纖維的體積摻量、長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)柱受壓的偏心距為變量，制備BF改性HSCC構(gòu)件柱，進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)，研究BF的加入對(duì)配筋HSCC柱受力性能的改善效果，豐富BF改性HSCC的研究?jī)?nèi)容。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5組10個(gè)HSCC長(zhǎng)柱試件，每組兩個(gè)柱分別進(jìn)行偏心距為40、120 mm的受壓試驗(yàn)。為探究BF對(duì)試件受力性能的影響，BF體積摻量分別取0、0.1%、0.2%，長(zhǎng)度分別取15、30 mm，偏心距分別取40、120 mm。試件基本參數(shù)與編號(hào)規(guī)則分別見(jiàn)表1、圖1。

表1 試件基本參數(shù)

根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)》（GT/B 288.1—2010）測(cè)得縱筋、箍筋的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度如表2。為避免柱偏心受壓時(shí)發(fā)生局壓破壞，于柱頂布置4 mm厚鋼板，試件設(shè)計(jì)尺寸與配筋情況詳見(jiàn)圖2。

1.2 試驗(yàn)材料及力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 281—2012）等規(guī)范，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60高強(qiáng)自密實(shí)混凝土，設(shè)計(jì)配合比[15]如表3所示。主要組成材料為：水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見(jiàn)表4;細(xì)骨料選用中砂，細(xì)度模數(shù)為2.71、表觀密度為2 530 kg/m3;粗骨料選用粒徑小于20 mm的碎石，表觀密度為2 733 kg/m3，粒徑級(jí)配為5～20 mm;減水劑選用聚羧酸系高效減水劑，減水率為40%;摻合料采用I級(jí)粉煤灰及微硅粉;纖維選用山東聚源玄武巖纖維股份有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，具體參數(shù)如表5所示。

澆筑混凝土前，對(duì)混凝土進(jìn)行了強(qiáng)度值及流動(dòng)性測(cè)試試驗(yàn)。混凝土強(qiáng)度值由同條件下成型養(yǎng)護(hù)28 d的3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）測(cè)得后取平均值，擴(kuò)展度依據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283—2012）測(cè)得，結(jié)果列于表6。

1.3 加載方案

試驗(yàn)采用人工加載千斤頂?shù)姆绞?。試件上、下端均放置刀口鉸支座，圖3為加載裝置圖。據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50152—2012）進(jìn)行1～2次預(yù)加載，荷載值為計(jì)算承載力的10%，計(jì)算承載力按規(guī)范[16]公式計(jì)算得到。正式加載采用分級(jí)單調(diào)加載，每級(jí)加載計(jì)算極限荷載的10%，加載達(dá)到極限荷載的80%后開(kāi)始緩慢加載，每級(jí)加荷減半，不同階段的持荷時(shí)間統(tǒng)一按規(guī)范要求，記錄各級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)的變形值及裂縫開(kāi)展情況等，直至試件破壞，停止試驗(yàn)，獲取試件實(shí)測(cè)承載力及破壞形態(tài)。

1.4 測(cè)點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)采集

為分析試件受壓過(guò)程中的混凝土、鋼筋應(yīng)變與試件側(cè)向撓度的變化，對(duì)構(gòu)件表面混凝土、內(nèi)部鋼筋布置應(yīng)變片，其位置如圖4所示。圖4（b）中標(biāo)注的a側(cè)為圖4（a）試件左視圖，b側(cè)為圖4（a）試件右視圖。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

大偏心受壓破壞的5個(gè)試件，其破壞形態(tài)、跨中縱向鋼筋荷載應(yīng)變曲線分別如圖5（a）、圖6（a）所示。當(dāng)加載接近計(jì)算承載力20%時(shí)，柱中部a側(cè)先后出現(xiàn)2條橫向裂縫;隨著荷載的不斷增加，a側(cè)不斷出現(xiàn)新裂縫的同時(shí)，舊裂縫持續(xù)向水平方向兩側(cè)延伸，直至貫通，此時(shí)，構(gòu)件的側(cè)向撓度也漸為明顯，a側(cè)中部裂縫的寬度逐漸變大，發(fā)展為主裂縫。在受力過(guò)程中，當(dāng)加載約達(dá)到極限承載力的80%時(shí)，監(jiān)測(cè)到a側(cè)受拉鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服，繼續(xù)加載，b側(cè)混凝土被壓碎。構(gòu)件最終縱向鋼筋的受拉應(yīng)變均大于受壓應(yīng)變，受拉鋼筋均屈服而受壓鋼筋應(yīng)變較小，尚未達(dá)屈服。大偏心構(gòu)件呈現(xiàn)明顯的延性破壞特征。

小偏心受壓破壞的5個(gè)試件，其破壞形態(tài)、跨中縱向鋼筋荷載應(yīng)變曲線分別如圖5（b）、圖6（b）所示。在荷載增加過(guò)程中，試件的a側(cè)出現(xiàn)較少?gòu)澢芽p，且裂縫發(fā)展較緩慢。當(dāng)構(gòu)件接近破壞時(shí)，b側(cè)牛腿處出現(xiàn)豎向裂縫，試件內(nèi)部持續(xù)發(fā)出“嘶嘶”的聲音。隨著聲音不斷加急變大，受壓承載力達(dá)到極限，試件突然發(fā)出很大“砰”的響聲，b側(cè)中部附近混凝土壓碎脫落，少部分碎塊崩出，破壞處呈錐體，裸露出部分箍筋與縱筋，全過(guò)程中，受拉與受壓鋼筋均未發(fā)生屈服，摻加纖維的小偏心構(gòu)件和對(duì)照組構(gòu)件都表現(xiàn)為脆性破壞。

2.2 荷載分析

將10個(gè)偏心受壓柱的開(kāi)裂荷載及極限承載力數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)，大、小偏心受壓試驗(yàn)結(jié)果如表7、表8所示。

由表7可以看出，玄武巖纖維的加入提高了大偏心受壓HSCC柱的開(kāi)裂荷載和極限荷載。在大偏心構(gòu)件受力過(guò)程中，纖維的加入分擔(dān)部分拉區(qū)混凝土應(yīng)力，延緩拉區(qū)混凝土微裂縫的產(chǎn)生，有效推遲受拉鋼筋屈服，使構(gòu)件受力過(guò)程中能夠承擔(dān)更高的荷載，進(jìn)而提高構(gòu)件極限承載力。當(dāng)玄武巖纖維體積摻量為0.1%、纖維長(zhǎng)度為15 mm時(shí)，Pcr、Pu提高幅度最大，分別為20.7%、18.2%。

由表8可知，BF體積摻量0.1%時(shí)，可顯著提升小偏心受壓HSCC柱開(kāi)裂荷載與極限承載力，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為15 mm時(shí)，試驗(yàn)組Pcr、Pu值最大，較對(duì)照試件提高11.8%、16.7%。

因此，對(duì)于偏心受壓柱，體積摻量為0.1%、長(zhǎng)度為15 mm的玄武巖纖維參數(shù)是改性HSCC柱偏心受壓性能的較理想?yún)?shù)值。BF的加入能有效阻止HSCC柱偏心受壓時(shí)初始裂縫產(chǎn)生，并延緩其增長(zhǎng)，提高HSCC柱開(kāi)裂后的持荷能力。

這是因?yàn)椋捎谶m量BF在高強(qiáng)自密實(shí)混凝土中的亂向分布狀態(tài)，使纖維之間呈三維無(wú)規(guī)則相互搭接方式，與周圍的骨料共同作用，構(gòu)成大范圍的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使柱中鋼筋骨架得到二次加強(qiáng)，構(gòu)成新的受力骨架體系，能夠承擔(dān)一部分應(yīng)力集中的對(duì)混凝土產(chǎn)生的破壞。同時(shí)，纖維的摻入，主要提高構(gòu)件抗拉性能。在應(yīng)力作用下，可消耗部分能量，削弱受力過(guò)程中應(yīng)力傳遞至柱拉區(qū)混凝土的速度與強(qiáng)度，從而起到改善混凝土脆性開(kāi)裂的作用，延緩初始裂縫的產(chǎn)生。

在微裂縫出現(xiàn)后，纖維還可發(fā)揮橋接裂縫的作用，并使裂縫開(kāi)裂路徑更曲折，減慢微裂縫持續(xù)擴(kuò)展的速率，提高構(gòu)件開(kāi)裂后達(dá)到破壞時(shí)的極限承載力。

基于表7、表8試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析試件偏心受壓時(shí)開(kāi)裂荷載、極限荷載隨參數(shù)變化的規(guī)律，結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8中的曲線走向可知，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，大偏心受壓柱開(kāi)裂荷載、極限荷載總體下降趨勢(shì)，但較纖維體積摻量的變化，纖維長(zhǎng)度的改變對(duì)Pcr、Pu實(shí)測(cè)值影響更大，纖維長(zhǎng)度由15 mm增至30 mm，Pcr、Pu較對(duì)照組降低10.4%、11.7%。

這是因?yàn)椋?dāng)纖維體積摻量一定，長(zhǎng)度為30 mm的BF數(shù)量是長(zhǎng)度為15 mm的1/2，致使纖維發(fā)揮橋接作用削弱。雖然，纖維體積摻量過(guò)多時(shí)，對(duì)大偏心受壓構(gòu)件產(chǎn)生降低作用，但仍未超過(guò)摻入纖維對(duì)其的增強(qiáng)作用，大偏心受壓構(gòu)件受力過(guò)程中抗拉性能起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致纖維長(zhǎng)度由15 mm增至30 mm時(shí)，對(duì)大偏心受壓構(gòu)件開(kāi)裂荷載、極限承載力的改善效果降低。

對(duì)于小偏心受壓試件，由圖7、圖8中的曲線觀察，當(dāng)纖維長(zhǎng)度由15 mm增至30 mm時(shí)，試件開(kāi)裂荷載值、極限荷載值上下波動(dòng)較小。而隨纖維體積摻量的增大，纖維對(duì)混凝土性能的影響較為明顯，當(dāng)玄武巖纖維長(zhǎng)度15 mm，體積摻量由0.1%增至0.2%時(shí)，柱開(kāi)裂荷載與極限荷載呈現(xiàn)出22.4%、33.1%較大幅度下降，表明玄武巖纖維體積摻量改變對(duì)試件小偏心受壓性能的作用更明顯。

這是因?yàn)椋?dāng)BF摻量為0.2%時(shí)，自密實(shí)性能降低，增大纖維在其中團(tuán)聚風(fēng)險(xiǎn)，使得構(gòu)件的內(nèi)部缺陷增多。對(duì)于小偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)纖維摻量過(guò)高，纖維對(duì)基材性能的增強(qiáng)作用減弱效果進(jìn)一步表現(xiàn)在受力過(guò)程中，致使構(gòu)件韌性受到較大影響，加速其破壞過(guò)程。

2.3 混凝土荷載應(yīng)變分析

為探究加載過(guò)程中，玄武巖纖維的加入對(duì)混凝土構(gòu)件應(yīng)變變化的影響，分別繪制大、小偏心受壓構(gòu)件a、b側(cè)中部拉、壓區(qū)混凝土的荷載應(yīng)變曲線，如圖9所示。其中，圖9（a）、（b）應(yīng)變數(shù)據(jù)分別選取圖4所示a、b側(cè)柱中混凝土應(yīng)變片數(shù)據(jù)的平均值。

從圖9可以看出：在同級(jí)荷載受力作用下，BF體積摻量0.1%、長(zhǎng)度15 mm的玄武巖纖維高強(qiáng)自密實(shí)混凝土柱大、小偏心受壓下的混凝土拉、壓應(yīng)變均較對(duì)照組小，且在最大幅度提高極限承載力的同時(shí)，試件的最大拉、壓應(yīng)變可分別降低對(duì)照組的25.0%、15.0%。

這是由于混凝土在受力過(guò)程中，內(nèi)部由初始微小裂縫的產(chǎn)生逐漸過(guò)渡到宏觀裂縫的出現(xiàn)并發(fā)展，部分薄弱混凝土砂漿整體被分裂，導(dǎo)致裂面間產(chǎn)生一定相對(duì)滑移，而在混凝土中摻加適量BF，可在裂縫處增強(qiáng)摩阻力，并以其較高的彈性模量分擔(dān)更多的承載力，提高混凝土柱極限承載力，從而降低壓區(qū)混凝土產(chǎn)生的最大應(yīng)變值。

2.4 荷載撓度分析

為分析玄武巖纖維的加入對(duì)構(gòu)件受力過(guò)程中跨中撓度變化的影響，以大偏心受壓構(gòu)件為例，繪制了荷載跨中撓度關(guān)系曲線，如圖10所示。

觀察與分析圖10可知，在承受相同荷載時(shí)，加入纖維的混凝土構(gòu)件，構(gòu)件跨中撓度值小于對(duì)照組，達(dá)到極限承載力時(shí)，跨中最大變形增幅7.6%。纖維的摻加可較小幅度的改善HSCC柱構(gòu)件的變形能力。由于玄武巖纖維在拉區(qū)混凝土中發(fā)揮了較好的增韌阻裂作用，當(dāng)接近極限荷載時(shí)，跨中變形雖增大，但增長(zhǎng)幅度小于對(duì)照組構(gòu)件，降低了由柱中變形的迅速增大而引起的附加彎矩值的加劇增長(zhǎng)，從而使柱的承載力得到相應(yīng)提高。

3 結(jié)論

基于玄武巖纖維改性HSCC柱偏心受壓試驗(yàn)，獲得不同纖維摻量、纖維長(zhǎng)度、偏心距等參數(shù)改變時(shí)柱受力性能的試驗(yàn)結(jié)果，基于試驗(yàn)與分析獲得如下結(jié)論。

1）對(duì)于偏心受壓柱，體積摻量為0.1%、長(zhǎng)度為15 mm的玄武巖纖維參數(shù)是改性HSCC柱偏心受壓性能的相對(duì)最佳值。

2）當(dāng)摻入最佳參數(shù)的玄武巖纖維時(shí)，大、小偏心受壓構(gòu)件的開(kāi)裂荷載最大增幅分別為20.7%、11.8%，極限承載力也達(dá)到增幅最大值，分別為18.2%、16.7%。

3）玄武巖纖維的摻入可有效分擔(dān)混凝土應(yīng)變，較為顯著地影響大偏心受壓構(gòu)件拉區(qū)混凝土與小偏心受壓構(gòu)件壓區(qū)混凝土的最大應(yīng)變值，最佳摻量時(shí)可分別減小25.0%、15.0%。

4）玄武巖纖維的摻加可在一定程度上改善混凝土柱構(gòu)件的變形能力，使大偏心受壓構(gòu)件中部最大撓度增幅達(dá)到7.6%，但BF體積摻量、長(zhǎng)度參數(shù)的改變對(duì)撓度影響不大。

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（編輯 胡玲）