鋼筋鋼纖維混凝土軸拉構件裂縫性態試驗研究

楊雪楓，吳海林，劉亞楠

(三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌443002)

1 基本概況

鋼筋混凝土因其優良的力學性能廣泛的應用于各類結構工程當中，對于水電站壓力管道等這類需要限裂的結構，允許混凝土開裂以充分發揮鋼材性能，而對混凝土裂縫寬度有著嚴格限制[1]。但在許多工程實踐中混凝土的裂縫寬度已遠遠大于規范允許值[2]，對結構的承載能力及耐久性構成極大威脅，裂縫控制問題已成為鋼筋混凝土結構的一個突出問題。在混凝土基體中加入不同類型的纖維以提高混凝土物理力學性能是當前普遍采用的方法之一[3- 4]，這其中又以鋼纖維的使用最為普遍。鋼纖維混凝土以其優良的抗拉、抗剪、抗彎、阻裂、耐沖擊、高韌性等性能在土木、建筑、交通、水利和隧道等方面有著廣泛的應用[5-7]。廣大學者對鋼纖維混凝土的基本力學性能進行了深入地研究[8-12]，結果表明，混凝土加入鋼纖維能大大提高混凝土的抗滲、變形能力以及抗拉強度，降低鋼筋混凝土結構的裂縫寬度[13-17]。本文從裂縫控制的角度出發，開展鋼筋鋼纖維混凝土軸拉試驗，研究鋼纖維體積率對鋼筋混凝土軸拉構件裂縫性態的影響，并對裂縫寬度計算公式的使用提出建議，為鋼筋鋼纖維混凝土構件的設計提供建議與參考。

本文以C25混凝土為基體混凝土，考慮鋼纖維體積率與配筋率兩個主要因素，共設計制作15個試件，試件基本參數如表1所示，試件形式如圖1所示。

所選用材料如下：剪切波紋形鋼纖維，長徑比為80，長32 mm，等效直徑0.4 mm；普通硅酸鹽水泥P·O42.5；優質河沙；粒徑為5～20 mm的碎石；水源為自來水；減水劑為固含量為40%±1%的聚羧酸母液。鋼纖維的體積率為分別0.5%、1%、1.5%、2%，混凝土基體配合比見表2。

表1 試件基本參數

表2 混凝土基體配合比 kg·m-3

圖1 受拉構件示意(單位：cm)

2 裂縫開展過程

鋼筋鋼纖維混凝土軸心拉伸試件裂縫的生發過程主要如下：

(1)當荷載達到試件開裂荷載時，大部分試件首先從試件的某一面開始出現橫向細微裂縫，隨著荷載的加大，橫向裂縫進一步向相鄰兩個面延伸，最終部分裂縫貫穿整個截面。

(2)當荷載繼續增大，大部分試件在中部附近出現第二條橫向裂縫，并且一旦出現某一條貫穿主裂縫，該裂縫寬度發展較快，而其他次裂縫發展緩慢。

(3)隨著荷載進一步增大，試件的主裂縫寬度明顯增大，主裂縫和次裂縫條數趨于穩定，裂縫寬度增大。

(4)在裂縫突然四面貫通時，由于試件制作時可能存在鋼纖維結團的問題以及開裂后試件內部的不規則變化，最早出現裂縫一側的裂縫寬度有變小的可能。

試驗完成后，將試件各表面最終形成的橫向裂縫在圖上展開，部分試件的裂縫開展的整體形態如圖2所示。

圖2 軸拉試件裂縫展開

通過對所有試件裂縫的觀測與分析，并與文獻[18-19]進行對比發現，鋼纖維的摻入能提高試件的初裂荷載，減小最大裂縫寬度，延緩主裂縫的發展過程；另一方面增加了鋼筋混凝土軸拉試件的裂縫條數。對于主裂縫形態，與未摻鋼纖維的試件相比，摻有鋼纖維的試件的裂縫普遍要更加獨立，不整齊，主裂縫周圍有更多的微裂紋。這些現象均體現了鋼纖維的阻裂作用。

3 試驗結果及分析

3.1 初裂荷載

初裂荷載與鋼纖維體積率關系如圖3所示。從圖3可以看出，鋼纖維體積率在0.5%～2.0%范圍內時，鋼筋鋼纖維混凝土試件的初裂荷載隨著鋼纖維體積率的增大而提高，當鋼纖維體積率在0.5%～1.0%時，初裂荷載提高顯著，當鋼纖維體積率大于1.5%時，增幅趨于平緩。與不摻鋼纖維的試件相比，鋼纖維的摻入能使試件的初裂荷載提高14.9%～52.8%。

圖3 初裂荷載與鋼纖維體積率關系(單位:m)

3.2 裂縫寬度計算模式

參照CECS 38—2004《纖維混凝土結構技術規程》[20]對鋼纖維混凝土裂縫寬度值進行計算。首先確定在不考慮鋼纖維作用下的鋼筋混凝土構件的最大裂縫寬度，然后再考慮鋼纖維作用的組合系數得到鋼筋鋼纖維混凝土構件的最大裂縫寬度，按如下公式進行計算：

ωfmax=ωmax(1-βcwλf)

(1)

式中，ωfmax為按荷載效應的標準組合，并考慮長期作用影響計算的鋼筋鋼纖維混凝土構件的最大裂縫寬度，mm；ωmax為根據鋼纖維混凝土的強度等級，不考慮鋼纖維的影響，按現行有關混凝土結構設計規范計算的鋼筋混凝土構件最大裂縫寬度，mm；βcw為鋼纖維對鋼筋鋼纖維混凝土構件裂縫寬度的影響系數，宜通過試驗確定；λf為鋼纖維含量特征值。

3.3 平均裂縫間距

平均裂縫間距與鋼纖維體積率的關系如圖4所示。從圖4可以看出，鋼纖維的摻入對試件的裂縫間距無明顯影響。總體來說，摻入有鋼纖維的試件的平均裂縫間距略微小于不摻纖維的情況。分析其原因，主要有以下兩個方面：一方面是鋼纖維的加入提高了混凝土與鋼筋之間的粘結力，使得鋼筋向混凝土傳遞應力的能力增強，從而使混凝土的應力有增大的趨勢，但另一鋼纖維混凝土開裂后還具有一定抗拉強度，鋼纖維在裂縫截面仍能承擔一部分拉應力，從而減小了鋼筋應力。綜合上述兩方面的分析，鋼纖維的摻入增強了鋼筋向混凝土傳遞應力的能力，但同時又減小了開裂后的鋼筋應力，兩者效應相互疊加，使得混凝土的應力并無明顯變化。本次試驗結合文獻[21]的模型試驗表明，鋼纖維的摻入對試件的主裂縫間距的影響不是很顯著，并且沒有明顯的變化規律，故在計算混裂縫間距時，建議采用和普通鋼筋混凝土構件相同的計算公式。

圖4 平均裂縫間距與鋼纖維體積率關系

3.4 平均裂縫寬度

鋼筋應力與平均裂縫寬度關系如圖5所示，從圖5可以看出，鋼筋應力與平均裂縫寬度大致呈線性關系，在同等鋼筋應力水平情況下，鋼纖維的摻入能明顯降低裂縫寬度。同時也發現，在某些鋼筋應力水平情況下，平均裂縫寬度甚至會出現鋼纖維體積率的增大使平均裂縫寬度增大的情況。分析其原因，一是鋼纖維在攪拌的過程中可能出現了結團的現象，使得試件部分區域的應力集中，從而使平均裂縫寬度增大，二是鋼纖維混凝土開裂后內部的不規則變化也可能使平均裂縫寬度在某些鋼筋應力情況下出現反常的變化情況。

圖5 不同鋼纖維體積率情況下鋼筋應力與平均裂縫寬度的關系

3.5 最大裂縫寬度

將結果帶入式(1)中，計算得到鋼纖維對鋼筋鋼纖維混凝土構件裂縫寬度的影響系數βcw的值為0.48。與規范推薦的βcw值0.45相比，試驗所得的計算值偏大，按規程方法計算的最大裂縫寬度結果偏大，說明對于鋼纖維混凝土軸拉構件，按照規程中給出的βcw值的計算結果偏于安全。

圖6 裂縫寬度分布統計

最大裂縫寬度與鋼纖維體積率的關系如圖7所示，從圖7可以看出，摻有鋼纖維的鋼筋混凝土試件裂縫寬度值明顯小于不摻鋼纖維的普通混凝土裂縫寬度。當鋼筋直徑相同時，鋼筋鋼纖維混凝土試件的最大裂縫寬度隨著鋼纖維體積率的增大而降低，且降低幅度較為顯著。當鋼纖維體積率在0.5%～2%之間時，與不摻鋼纖維相比，試件的最大裂縫寬度降低2.6%～37.5%。

圖7 最大裂縫寬度與鋼纖維體積率的關系

4 結 論

(1)鋼纖維的摻入可以提高試件的開裂荷載，鋼纖維體積率在0.5%～2.0%范圍內，試件的開裂荷載隨著鋼纖維體積率的增大而增大，且在0.5%～1.0%范圍內增幅最大，與不摻鋼纖維的試件相比，鋼纖維的摻入能使試件的初裂荷載提高了14.9%～52.8%。

(2)鋼纖維的摻入對裂縫間距的影響不大，為簡化計算，建議裂縫間距計算時仍按照GB50010—2010《混凝土結構設計規范》中的公式進行計算。

(3)鋼纖維的摻入能明顯降低構件的裂縫寬度，裂縫寬度隨鋼纖維體積率的增大而減小，但由于鋼纖維在攪拌的過程中可能出現結團的現象，使得試件部分區域應力集中，以及鋼纖維混凝土開裂后內部的不規則變化等原因可能會出現在某些鋼筋應力水平下，裂縫寬度隨鋼纖維體積率的增大反而會增大的現象。