不同芳綸纖維體積參量的再生混凝土梁的受彎研究

岳迪 胡曉南

【摘要】對摻雜了芳綸纖維的再生混凝土梁的受彎性能進行研究，比較其與普通混凝土梁受彎時在撓度和承載力方面的影響。被測試件共分五組且截面尺寸及配筋率相同，芳綸的體積參量分別為0、0.08%、0.12%、0.16%。分析結果表明，不同芳綸纖維體積參量的再生混凝土梁與普通混凝土梁破壞機理基本相同。摻入芳綸纖維的再生混凝土梁，在受彎過程中，屈服時間延長、韌性延長、開裂荷載提升、極限荷載提升，纖維參入量與開裂荷載及極限荷載存在非線性關系。

【關鍵詞】芳綸纖維；再生混凝土梁；受彎

自然資源相對貧乏的我國，應該尋求新的發展道路來實現可持續發展，在土木工程中，廢棄的混凝土及纖維帶來了很嚴重的環境問題，影響了生態，如果我們將其再次加工并混入混凝土中，即節約的資源又減少了污染，實現了環境保護，具有一定的社會效益及經濟效益。

芳綸纖維在結構中主要用于加固，其對比碳纖維及玻璃纖維具有更高的彈性模量，從理論上講，再生混凝土梁參入芳綸纖維應該會改善混凝土構件的力學性能，本文主要研究將芳綸纖維摻入再生混凝土梁中的力學參數，通過實驗研究其變形和承載能力的差異并以此為基礎，對后續研究進行前期準備，始之逐漸成熟、完善。再生混凝土及纖維混凝土的研究在當今研究的比較廣泛，但是多為對其的材料性能進行研究，而將芳綸纖維摻入混凝土后的研究很少，基于上述原因，筆者從此方面著手，改變芳綸纖維的體積參入量，進行梁的抗彎試驗，分析力學性能。

一、試驗概況

1.不同體積參量的芳綸纖維再生混凝土梁的設計。將本校實驗室試驗廢棄的C40混凝土再次人工打碎，廢棄的芳綸纖維為結構加固后剩余的邊角料，拆分成股，并統一裁剪成20mm長度的線條。選用碎石為天然骨料，粒徑5-20mm，再生粗骨料的粒徑與碎石相同。普通河沙，水泥選用42.5R，屬于普通硅酸鹽水泥。普通梁為NC0，再生梁為RCO，FRC08代表摻入芳綸纖維體積比為0.08%，FRC12代表摻入芳綸纖維體積比為0.12%，FRC16代表摻入芳綸纖維體積比為0.16%，再生骨料取代率為50%，水灰比0.5%。

本試驗為了初步研究芳綸纖維摻入量對再生混凝土梁的抗彎影響，共設計了5組，每組2根，共10根矩形截面梁，梁截面尺寸均為150mm×300mm，長2250mm。其中，1組為普通混凝土梁，作為基準，編號NC0，強度C40。另外4組為芳綸纖維再生混凝土梁，編號分別為RC0、FRC05、FRC10、FRC15，芳綸纖維摻量體積比分別為0、0.08%、0.12%以及0.16%，再生粗骨料取代率均為50%。

本試驗在跨中均不設架立筋為了消除剪力對廢棄纖維再生混凝土梁抗彎性能的影響，即750mm的純彎段受純彎矩作用。在剪彎段配架立筋和箍筋。其中縱向鋼筋采用直徑18mm的HRB335熱軋鋼筋，架立筋與箍筋采用直徑8mm的HPB235熱軋鋼筋，縱筋配筋率均為1.29%。

2.加載設計。試驗加載方式為三分點集中，作用點分別位于相鄰支座處的600mm處。

本次試驗為單調一次性加載。加載前，為了保證儀器設備的正常運作先進行一級加載，一切正常后卸載至0，準備正式加載。

試驗梁開裂以后，緩慢加荷，每級荷載保持為使用荷載的20%，接近破壞時級距加密。每加一部分荷載，持續一定時間后，進行各項讀數的記錄工作，直至破壞。

開始加載時，實行分步加載，在達到開裂荷載的90%以前，每個子步為使用荷載的20%，達到90%后，每個子步為使用荷載的5%，可以準確記錄開裂時的荷載，開裂后繼續每個子步為20%的使用荷載施加，直到破壞。

二、現象與結果

1.材料力學性能。預留5個立方體試塊，測其混凝土立方體抗壓強度。同時，測預留縱筋的屈服強度以及極限強度。NCO、RC0、FRC08、FRC12、FRC16的混凝土立方體抗壓強度（fcu/MPa）分別為41.04、38.97、41.85、44.01、41.02。縱筋的屈服（fy/MPa）為385，極限強度（fu/MPa）為530。

2.試驗現象。摻加了芳綸纖維的再生混凝土適筋梁在受彎時與普通混凝土適筋梁一樣經歷了彈性、開裂、屈服以及極限四個階段，最后都是鋼筋先屈服然后混凝土受壓區壓碎。無摻入芳綸纖維的再生混凝土梁開始加載初期，混凝土處于彈性工作狀態。第一條裂縫出現在荷載值為58.2kN。隨著荷載的增加，鋼筋的應變變大，混凝土梁的跨中撓度增大，裂縫增多增寬，混凝土受壓區為塑性表現。荷載超過160kN時，以上參數變化加快。混凝土完全破壞時的荷載為190kN。其余3組摻入芳綸纖維的混凝土梁與普通混凝土梁開裂時的規律基本相同，但是延性更好。

3.試驗結果。

各組試驗梁所測試驗數據詳見表1。

三、芳綸纖維再生混凝土梁撓度和承載力分析

1.撓度。五組試件基本都是在跨中撓度達到8mm的時候，受拉鋼筋達到屈服，與摻入芳綸纖維的含量無明顯關系，此時荷載基本上都是195KN左右。但是在鋼筋屈服后達到極限承載力這一階段隨著參入量的改變，其受彎時的延性明顯好于普通混凝土梁，跨中撓度可以達到19mm，而普通混凝土梁只能達到8-11mm。但是參入量在0.12%時由于0.08%以及0.16%，這種現象并不是隨著摻入量的增加而增加，與用芳綸纖維布加固混凝土梁類似，會有折減的發生。

通過以上現象，分析其原因為鋼筋的彈性模量遠遠小于芳綸纖維的彈性模量，且芳綸纖維剪斷混入混凝土中，在加載初期，鋼筋先達到屈服，纖維的作用不明顯，所以會出現撓度無明顯差異的情況。但是當鋼筋屈服后，摻入的混凝土的芳綸纖維發揮作用，雖然纖維與混凝土之間的粘結作用影響其性能的充分發揮，但是效果也是十分明顯，纖維繼續受拉，代替鋼筋繼續工作，整體提高了梁的抗彎性能。至于為什么摻入量為0.12%時的極限承載力高于0.16%時的極限承載力，筆者認為是由于隨著摻入的增加，影響了混凝土與纖維之間的作用，從粘結機理上分析是影響了纖維與包裹其混凝土的內摩擦。

2.承載力分析。從表2可以看出，摻入芳綸纖維的再生混凝土梁與普通混凝土梁和再生混凝土梁對比，開裂荷載提高提高程度為摻入芳綸纖維再生混凝土>再生混凝土>普通混凝土，表中數據顯示RCO開裂荷載相對于基數降低22%，FRC12增加

8.9%，RCO極限荷載相對于基數降低-1.7%，FRC12增加8.9%.

其原因是芳綸纖維的摻入抑制了混凝土梁的開裂，纖維的抗拉與鋼筋互相作用，增強了極限荷載及開裂荷載，纖維一直在其自身的彈性工作區發揮作用，性能發揮充分。

四、結論

1.與普通混凝土梁時受彎時的破壞機理相同。2.芳綸纖維再生混凝土梁，由于纖維的高彈性模量，使之在鋼筋屈服后代替鋼筋工作，提高了抗彎承載力。3.相比于普通混凝土梁，芳綸纖維的摻入明顯提升了梁的開裂荷載和極限荷載。

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