钢筋钢纤维混凝土轴拉构件裂缝性态试验研究

杨雪枫，吴海林，刘亚楠

(三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

1 基本概况

钢筋混凝土因其优良的力学性能广泛的应用于各类结构工程当中，对于水电站压力管道等这类需要限裂的结构，允许混凝土开裂以充分发挥钢材性能，而对混凝土裂缝宽度有着严格限制[1]。但在许多工程实践中混凝土的裂缝宽度已远远大于规范允许值[2]，对结构的承载能力及耐久性构成极大威胁，裂缝控制问题已成为钢筋混凝土结构的一个突出问题。在混凝土基体中加入不同类型的纤维以提高混凝土物理力学性能是当前普遍采用的方法之一[3- 4]，这其中又以钢纤维的使用最为普遍。钢纤维混凝土以其优良的抗拉、抗剪、抗弯、阻裂、耐冲击、高韧性等性能在土木、建筑、交通、水利和隧道等方面有着广泛的应用[5-7]。广大学者对钢纤维混凝土的基本力学性能进行了深入地研究[8-12]，结果表明，混凝土加入钢纤维能大大提高混凝土的抗渗、变形能力以及抗拉强度，降低钢筋混凝土结构的裂缝宽度[13-17]。本文从裂缝控制的角度出发，开展钢筋钢纤维混凝土轴拉试验，研究钢纤维体积率对钢筋混凝土轴拉构件裂缝性态的影响，并对裂缝宽度计算公式的使用提出建议，为钢筋钢纤维混凝土构件的设计提供建议与参考。

本文以C25混凝土为基体混凝土，考虑钢纤维体积率与配筋率两个主要因素，共设计制作15个试件，试件基本参数如表1所示，试件形式如图1所示。

所选用材料如下：剪切波纹形钢纤维，长径比为80，长32 mm，等效直径0.4 mm；普通硅酸盐水泥P·O42.5；优质河沙；粒径为5～20 mm的碎石；水源为自来水；减水剂为固含量为40%±1%的聚羧酸母液。钢纤维的体积率为分别0.5%、1%、1.5%、2%，混凝土基体配合比见表2。

表1 试件基本参数

表2 混凝土基体配合比 kg·m-3

图1 受拉构件示意(单位：cm)

2 裂缝开展过程

钢筋钢纤维混凝土轴心拉伸试件裂缝的生发过程主要如下：

(1)当荷载达到试件开裂荷载时，大部分试件首先从试件的某一面开始出现横向细微裂缝，随着荷载的加大，横向裂缝进一步向相邻两个面延伸，最终部分裂缝贯穿整个截面。

(2)当荷载继续增大，大部分试件在中部附近出现第二条横向裂缝，并且一旦出现某一条贯穿主裂缝，该裂缝宽度发展较快，而其他次裂缝发展缓慢。

(3)随着荷载进一步增大，试件的主裂缝宽度明显增大，主裂缝和次裂缝条数趋于稳定，裂缝宽度增大。

(4)在裂缝突然四面贯通时，由于试件制作时可能存在钢纤维结团的问题以及开裂后试件内部的不规则变化，最早出现裂缝一侧的裂缝宽度有变小的可能。

试验完成后，将试件各表面最终形成的横向裂缝在图上展开，部分试件的裂缝开展的整体形态如图2所示。

图2 轴拉试件裂缝展开

通过对所有试件裂缝的观测与分析，并与文献[18-19]进行对比发现，钢纤维的掺入能提高试件的初裂荷载，减小最大裂缝宽度，延缓主裂缝的发展过程；另一方面增加了钢筋混凝土轴拉试件的裂缝条数。对于主裂缝形态，与未掺钢纤维的试件相比，掺有钢纤维的试件的裂缝普遍要更加独立，不整齐，主裂缝周围有更多的微裂纹。这些现象均体现了钢纤维的阻裂作用。

3 试验结果及分析

3.1 初裂荷载

初裂荷载与钢纤维体积率关系如图3所示。从图3可以看出，钢纤维体积率在0.5%～2.0%范围内时，钢筋钢纤维混凝土试件的初裂荷载随着钢纤维体积率的增大而提高，当钢纤维体积率在0.5%～1.0%时，初裂荷载提高显著，当钢纤维体积率大于1.5%时，增幅趋于平缓。与不掺钢纤维的试件相比，钢纤维的掺入能使试件的初裂荷载提高14.9%～52.8%。

图3 初裂荷载与钢纤维体积率关系(单位:m)

3.2 裂缝宽度计算模式

参照CECS 38—2004《纤维混凝土结构技术规程》[20]对钢纤维混凝土裂缝宽度值进行计算。首先确定在不考虑钢纤维作用下的钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度，然后再考虑钢纤维作用的组合系数得到钢筋钢纤维混凝土构件的最大裂缝宽度，按如下公式进行计算：

ωfmax=ωmax(1-βcwλf)

(1)

式中，ωfmax为按荷载效应的标准组合，并考虑长期作用影响计算的钢筋钢纤维混凝土构件的最大裂缝宽度，mm；ωmax为根据钢纤维混凝土的强度等级，不考虑钢纤维的影响，按现行有关混凝土结构设计规范计算的钢筋混凝土构件最大裂缝宽度，mm；βcw为钢纤维对钢筋钢纤维混凝土构件裂缝宽度的影响系数，宜通过试验确定；λf为钢纤维含量特征值。

3.3 平均裂缝间距

平均裂缝间距与钢纤维体积率的关系如图4所示。从图4可以看出，钢纤维的掺入对试件的裂缝间距无明显影响。总体来说，掺入有钢纤维的试件的平均裂缝间距略微小于不掺纤维的情况。分析其原因，主要有以下两个方面：一方面是钢纤维的加入提高了混凝土与钢筋之间的粘结力，使得钢筋向混凝土传递应力的能力增强，从而使混凝土的应力有增大的趋势，但另一钢纤维混凝土开裂后还具有一定抗拉强度，钢纤维在裂缝截面仍能承担一部分拉应力，从而减小了钢筋应力。综合上述两方面的分析，钢纤维的掺入增强了钢筋向混凝土传递应力的能力，但同时又减小了开裂后的钢筋应力，两者效应相互叠加，使得混凝土的应力并无明显变化。本次试验结合文献[21]的模型试验表明，钢纤维的掺入对试件的主裂缝间距的影响不是很显著，并且没有明显的变化规律，故在计算混裂缝间距时，建议采用和普通钢筋混凝土构件相同的计算公式。

图4 平均裂缝间距与钢纤维体积率关系

3.4 平均裂缝宽度

钢筋应力与平均裂缝宽度关系如图5所示，从图5可以看出，钢筋应力与平均裂缝宽度大致呈线性关系，在同等钢筋应力水平情况下，钢纤维的掺入能明显降低裂缝宽度。同时也发现，在某些钢筋应力水平情况下，平均裂缝宽度甚至会出现钢纤维体积率的增大使平均裂缝宽度增大的情况。分析其原因，一是钢纤维在搅拌的过程中可能出现了结团的现象，使得试件部分区域的应力集中，从而使平均裂缝宽度增大，二是钢纤维混凝土开裂后内部的不规则变化也可能使平均裂缝宽度在某些钢筋应力情况下出现反常的变化情况。

图5 不同钢纤维体积率情况下钢筋应力与平均裂缝宽度的关系

3.5 最大裂缝宽度

将结果带入式(1)中，计算得到钢纤维对钢筋钢纤维混凝土构件裂缝宽度的影响系数βcw的值为0.48。与规范推荐的βcw值0.45相比，试验所得的计算值偏大，按规程方法计算的最大裂缝宽度结果偏大，说明对于钢纤维混凝土轴拉构件，按照规程中给出的βcw值的计算结果偏于安全。

图6 裂缝宽度分布统计

最大裂缝宽度与钢纤维体积率的关系如图7所示，从图7可以看出，掺有钢纤维的钢筋混凝土试件裂缝宽度值明显小于不掺钢纤维的普通混凝土裂缝宽度。当钢筋直径相同时，钢筋钢纤维混凝土试件的最大裂缝宽度随着钢纤维体积率的增大而降低，且降低幅度较为显著。当钢纤维体积率在0.5%～2%之间时，与不掺钢纤维相比，试件的最大裂缝宽度降低2.6%～37.5%。

图7 最大裂缝宽度与钢纤维体积率的关系

4 结 论

(1)钢纤维的掺入可以提高试件的开裂荷载，钢纤维体积率在0.5%～2.0%范围内，试件的开裂荷载随着钢纤维体积率的增大而增大，且在0.5%～1.0%范围内增幅最大，与不掺钢纤维的试件相比，钢纤维的掺入能使试件的初裂荷载提高了14.9%～52.8%。

(2)钢纤维的掺入对裂缝间距的影响不大，为简化计算，建议裂缝间距计算时仍按照GB50010—2010《混凝土结构设计规范》中的公式进行计算。

(3)钢纤维的掺入能明显降低构件的裂缝宽度，裂缝宽度随钢纤维体积率的增大而减小，但由于钢纤维在搅拌的过程中可能出现结团的现象，使得试件部分区域应力集中，以及钢纤维混凝土开裂后内部的不规则变化等原因可能会出现在某些钢筋应力水平下，裂缝宽度随钢纤维体积率的增大反而会增大的现象。