蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁受弯性能研究*

杨文瑞， 袁 娇， 黎惠莹， 冯中敏， 张 颉

(东华理工大学土木与建筑工程学院， 南昌 330012)

0 引言

近年来，中国经济增长迅速，因而产生的大量建筑垃圾对环境造成了一定程度的污染，因此，将废弃混凝土破碎后经过筛分，部分或全部替代天然粗骨[1-3]成为近年来研究的一个热点。再生混凝土相对于普通混凝土抗压强度更低、抗裂性能更差，有关研究[4-7]表明加入钢纤维能弥补再生混凝土的缺陷，目前对钢纤维再生混凝土力学性能的研究相对较多[8-9]，而有关钢纤维再生混凝土构件性能各方面的研究相对较少[10-12]，仅在钢纤维再生混凝土柱、梁这一方面有少量研究，而梁、板、柱是建筑结构中的主体构件，因此，钢纤维再生混凝土梁、板、柱等构件具有一定的研究价值。

蒸汽养护(简称蒸养)预制构件具有周期短、成本低、方便施工等优点，由于蒸养与标准养护方式相比有着明显的优势，因此，在工程中应用广泛，尤其是在高速铁路工程建设中运用较多。近年来，对蒸养的研究主要体现在蒸养制度对构件的损伤变化规律[13-14]、蒸养制度对构件性能的影响[15]、在蒸养的情况下加入外加剂或替代部分原材料对构件的影响规律[16]这三个方面，由此可见，从这三个方面深入研究蒸养具有一定的研究价值和工程意义。

混凝土中钢筋的腐蚀是降低构件使用寿命的一个关键因素，玻璃纤维筋(glass fiber rein forced plastic，GFRP)具有更强的耐腐蚀性能、更高性价比等优势，因此，用其代替钢筋运用于混凝土构件中能弥补钢筋的不足，相关研究[17]表明使用GFRP筋，混凝土构件能表现出更好的性能。然而目前对蒸养GFRP筋混凝土构件的研究相对较少。

综上所述，为了能够使蒸养混凝土、钢纤维再生混凝土、GFRP筋三者有机结合在一起并发挥其各自的优势，探究三者有机结合在一起时构件的相关性能及变化规律，本试验制作了4根不同钢纤维体积率的GFRP筋钢纤维再生混凝土梁并对其进行蒸养；研究不同钢纤维体积率对蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁受弯性能的影响，为蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土结构在工程中的应用提供参考。

1 试验设计

1.1 试件设计

1.1.1 GFRP筋和钢筋

本试验使用的GFRP筋由无碱玻璃纤维(E-glass)与乙烯基树脂(vinyl ester)通过拉挤成型，其螺距为14mm，深度为0.325mm，直径为10mm，如图1所示。GFRP筋抗拉强度为1 090MPa，极限拉力为93.3kN，屈服强度为939MPa，弹性模量为50.9GPa(通过拉伸试验获得)。钢筋为HRB400热轧带肋钢筋，直径为14mm，如图2所示。

图1 GFRP筋

图2 热轧带肋钢筋

1.1.2 钢纤维再生混凝土

图3 钢纤维照片

钢纤维再生混凝土养护模式为先蒸养再标养，目标强度为30MPa，本试验所使用水泥为32.5级普通硅酸盐水泥，细骨料为天然河沙，粗骨料为天然碎石，再生粗骨料原料为本学院实验室废弃混凝土，钢纤维再生混凝土配合比根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)进行配比，再生混凝土配合比为水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.42∶1.27∶2.96，水灰比为0.42，砂率为30%。钢纤维照片如图3所示，抗拉强度为450MPa，长度为40mm，长径比为41。

1.2 试件制作

为研究钢纤维体积率对蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁受弯性能的影响，本试验共制作4根截面为120mm×200mm、长度为1 500mm的试验梁；箍筋选用直径为6mm的普通钢筋，箍筋间距为150mm。本试验将普通钢筋作为受压筋，GFRP筋作为受拉筋，试件相关尺寸及配筋见图4。4根试验梁蒸养制度根据高速铁路桥涵工程质量验收标准中相关规定确定，蒸养过程为常温下静停4h→升温4h→恒温8h→降温4h，共20h，恒温温度(60±5)℃。蒸养过程中通过温度感应片监测混凝土内部温度，以此保证蒸养过程中混凝土内部温度为恒温(60±5)℃，蒸养结束后进行标养，达到规定龄期后进行试验。详细试件设计参数见表1。试验梁浇筑同时制作尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试块，用以实测试验梁的抗压强度、观测钢纤维对再生混凝土脆性的改善情况。

图4 试件尺寸及配筋图

试件设计参数 表1

1.3 加载制度及测量方法

试验梁采用四分点加载，并且严格按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)中有关规定对所有试验梁进行同步分级加载，加载方式为荷载控制。预估标准荷载通过计算约为70kN，试验梁出现裂缝之前，每级荷载为5kN；当出现裂缝并且荷载未达到使用荷载时，每级荷载为10kN；当达到使用荷载时，每级荷载为5kN，构件破坏时停止加载，图5为试件加载照片。

图5 试件加载照片

在受拉钢筋受拉一侧粘贴钢筋应变片得到受拉钢筋应力变化情况，为得到试验梁跨中垂直于梁底方向的混凝土荷载-应变变化曲线，在试验梁的侧面均匀粘贴3个混凝土应变片；为得到试验梁荷载-挠度变化曲线，在试验梁受拉一侧的中间及两侧共放置3个位移计，梁顶部两侧共放置2个位移计，用以记录试验梁挠度变化情况；为方便观测试验梁在加载过程中的破坏形态以及裂缝开展情况，试验前在试验梁的一侧均匀涂刷一层白色涂料，待干燥后用马克笔画出100mm×100mm方格网(每个网格尺寸为5cm×5cm)，试验时根据裂缝开展情况，用马克笔标注裂缝开展走向以及裂缝出现时的荷载值。

2 试验结果分析

2.1 再生混凝土立方体试块抗压强度及破坏形态

图6 不同钢纤维体积率的再生混凝土立方体试块抗压强度折线图

不同钢纤维体积率的再生混凝土立方体试块抗压强度折线图如图6所示，掺入钢纤维体积率为0%，0.5%，1.0%，1.5%的再生混凝土立方体试块的抗压强度分别为26.5，29.4，32.1，29.8MPa。由此可见，掺入钢纤维的再生混凝土立方体试块比未掺入钢纤维的再生混凝土立方体试块抗压强度更高，钢纤维掺入量为0.5%，1.0%，1.5%的再生混凝土立方体试块相比于未掺入钢纤维的再生混凝土立方体试块的抗压强度分别提高了10.94%，21.13%，12.45%，分析其主要原因在于钢纤维能填充再生混凝土内部的细小缝隙，增强了再生混凝土的密实度。从图6中可以看出，当钢纤维体积率小于1.0%时，再生混凝土立方体试块抗压强度随钢纤维体积率的增大而增大；当钢纤维体积率大于1.0%时，再生混凝土立方体试块抗压强度随钢纤维体积率的增大而减小；钢纤维体积率为1.0%时，再生混凝土立方体试块抗压强度为最优，此时钢纤维在再生混凝土内分散性较好，混凝土流动性大且密实度最佳，因而钢纤维再生混凝土立方体试块抗压强度最大。

图7 不同钢纤维体积率的再生混凝土立方体试块抗压破坏形态

不同钢纤维体积率的再生混凝土立方体试块抗压破坏形态如图7所示，与未掺入钢纤维的再生混凝土立方体试块相比，掺入钢纤维的再生混凝土立方体试块破坏前无明显现象，裂缝也相对较少，且破坏时试块较为完整，只有少量混凝土的剥落。未掺入钢纤维的再生混凝土立方体试块破坏时的现象与普通混凝土立方体试块相似，破坏前均出现大量裂缝，并有大量混凝土剥落，破坏时试块不完整。钢纤维和混凝土之间有一定黏性，较好地保持了再生混凝土破坏时的完整性。因此，掺入钢纤维可在一定程度上改善混凝土的脆性。

2.2 蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁受弯性能

2.2.1 平截面假定

图8为不同荷载等级下混凝土应变随截面高度变化的结果。钢纤维体积率相同时，随着荷载增加，4根试验梁的混凝土应变持续增加，相对于受压区，受拉区混凝土应变变化更快。在试验梁加载到一定程度时，随着荷载的增加，受拉区混凝土应变增大速率加快，受压区混凝土应变增大速率缓慢。受拉区与受压区再生混凝土的应变分布随着荷载的增大整体表现出三角形状，试验梁基本符合平截面假定。

图8 试验梁混凝土应变分布

2.2.2 破坏形态及抗弯承载力

试验梁受弯破坏形态如图9所示。从图9中可看出，4根试验梁的破坏结果基本相似，均属于正截面受弯破坏。开裂前4根试验梁均无明显变化，当荷载达到开裂荷载时，在试验梁底部受拉区域中部会出现一条垂直裂缝；随着荷载的增加，裂缝扩展并向上延伸，同时伴有其他细小裂缝出现。当荷载值小于20kN时，4根试验梁的主裂缝数量没有明显区别；当荷载大于30kN时，相比未掺入钢纤维的试验梁，掺入钢纤维的试验梁的细小裂缝数量有所增加，但主裂缝数量减少。钢纤维和混凝土之间的黏性延缓了混凝土的破碎。从主裂缝的数量来看，钢纤维的掺入能在一定程度上抑制裂缝的发展。

试验梁的抗弯承载力如表2所示，试验梁开裂前由混凝土承担主要的拉应力，此时钢纤维承担了一部分拉应力，因而钢纤维试验梁开裂荷载比未掺入钢纤维的试验梁高，钢纤维体积率越大，试验梁开裂荷载提高越明显。混凝土开裂后，由GFRP筋和钢纤维承担主要拉应力。钢纤维掺入量越多，试验梁的极限荷载提高越明显。

试验梁抗弯承载力 表2

2.2.3 GFRP筋荷载-应变曲线

不同钢纤维体积率试验梁中的GFRP筋荷载-应变曲线如图10所示。从图10中可以看出，加载初期，混凝土处于弹性工作阶段，主要由混凝土和钢纤维承担主要的拉应力。随着荷载的增加，GFRP筋的荷载-应变曲线基本呈线性上升趋势。当混凝土开裂退出工作后，由GFRP筋和钢纤维承担主要拉应力，钢筋应变骤然增大，此时GFRP筋荷载-应变曲线有一个突变，斜率减小。随荷载进一步增加，GFRP筋应变随之增大，此时荷载-应变曲线斜率基本保持不变。相同荷载下，相比未掺入钢纤维的试验梁，掺入钢纤维的试验梁的GFRP筋应变较小，原因在于钢纤维在整个加载过程中分担了一部分拉应力。相比未掺入钢纤维的试验梁，钢纤维掺入量为0.5%，1.0%，1.5%的试验梁GFRP筋的应变分别降低了25.8%，20.16%，6.8%。

2.2.4 试验梁荷载-跨中挠度曲线

图11为试验梁荷载-跨中挠度变化曲线。可以看出，4根试验梁在加载初期的跨中挠度变化曲线基本相似，呈直线变化趋势。当混凝土出现裂缝时，掺入钢纤维的试验梁跨中挠度曲线变化较为平缓，未掺入钢纤维的试验梁跨中挠度曲线变化较快，曲线斜率增大。从最大跨中挠度来看，由于掺入钢纤维的试验梁极限荷载增大，因此掺入钢纤维的试验梁跨中挠度均有所增大，其中跨中挠度最大的为L-G-1.5试验梁，比未掺入钢纤维的试验梁跨中挠度提高了40.92%。在未达到使用荷载时，相同荷载下掺入钢纤维的试验梁跨中挠度更小。钢纤维与混凝土之间有一定黏性，抑制了裂缝的发展，提高了试验梁的刚度和延性。

图10 不同钢纤维体积率试验梁中的GFRP筋荷载-应变曲线

图11 不同钢纤维体积率试验梁的荷载-跨中挠度曲线

图12 钢纤维影响系数拟合分析

3 挠度验算分析

由2.2.1节可知，试验梁在荷载作用下符合平截面假定，根据相关构件计算方法，本试验梁的最大挠度计算公式为：

(1)

式中：f为梁的最大挠度；M为跨中最大弯矩；l0为构件计算跨度；Bfs为钢纤维再生混凝土梁短期荷载下的刚度。

根据相关规范[18-19]，GFRP矩形截面梁短期刚度Bs的计算公式为：

(2)

式中：h0为截面有效高度；Es为钢筋弹性模量；φ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，φ=1.1-0.65ftk/ρteσfk，其中ftk为钢纤维混凝土抗拉强度标准值，ρte为以有效受拉混凝土截面面积Ate计算的有效纵向钢筋配筋率，σfk为纵向受拉钢筋的应力，当φ<0.2时取φ=0.2，当φ>1时取φ=1；∂E为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值，即Es/Ec；ρ为纵向受拉钢筋配筋率，ρ=As/bh0，其中As为纵向受拉钢筋的截面面积，b为截面宽度。

根据《纤维混凝土结构技术规程》(ECS 38∶2004)[19](简称纤维混凝土规程)，受拉区出现裂缝的纤维混凝土矩形截面受弯构件的短期刚度Bfs计算公式为：

Bfs=Bs(1+βBλf)

(3)

式中：λf为钢纤维含量特征值；βB为此钢纤维对蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土受弯构件短期刚度的影响系数，根据纤维混凝土规程，钢纤维再生混凝土强度等级在C20～C80时，取βB=0.35。

正常使用情况下,正截面受弯承载力大概是受弯承载力Mu的50%～70%，因此取0.7Mu作为弯矩最大值进行计算，将试验测得的数据代入公式(1)，可得出计算挠度，将挠度试验值与计算值进行对比分析，具体如表3所示。

挠度值对比分析 表3

从表3可以看出，试验挠度与计算挠度之比的平均值为1.32,标准差为0.068 2,变异系数为5.17%，4根试验梁的挠度试验值比计算值大。其原因可能在于钢纤维的加入提高了试验梁的极限荷载值，增强了试验梁的延性，GFRP筋替代钢筋作为受拉筋也一定程度上提高了试验梁的挠度。因此，公式(1)计算得出的GFRP筋钢纤维再生混凝土梁挠度较保守。

以钢纤维的体积率η为自变量，对蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁最大挠度影响系数μ进行拟合分析，如图12所示。

由图12可得，蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁最大挠度影响系数μ的拟合公式为：

μ=-0.104η+1.398

(4)

将钢纤维体积率数值代入到公式(4)中，可得到修正后的计算挠度值，将修正后的计算值、试验值进行对比，如表4所示。

挠度对比分析 表4

从表4中可看出，试验挠度与修正后计算挠度之比的平均值为1，标准差为0.030 8，变异系数为3.08%，4根试验梁的挠度试验值与计算值基本吻合。

4 结论

(1)钢纤维能有效提高再生混凝土的抗压强度，改善混凝土的脆性，以钢纤维掺入量为1.0%时的再生混凝土抗压强度为最优。

(2)钢纤维体积率越大，蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁的开裂荷载和极限荷载值越大、主裂缝数量减小，微裂纹的数量增加，添加钢纤维可有效抑制裂缝的发展。

(3)不同钢纤维体积率的蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁基本符合平截面假定。蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁受弯时，钢纤维承担了一部分的拉应力，掺入钢纤维试验梁的GFRP筋的拉应变比未掺入钢纤维的更小，GFRP筋的拉应变随着钢纤维体积率的增大而减小。

(4)当试验梁均达到极限荷载时，掺入钢纤维的试验梁因其极限荷载增大，则极限挠度更大。在试验梁均未达到使用荷载之前，掺入钢纤维的试验梁比未掺入钢纤维的试验梁挠度值更小，钢纤维可一定程度上降低试验梁的挠度。

(5)基于试验数据与计算数据对相关计算公式进行修正，提出对蒸养GFRP筋钢纤维再生混凝土梁最大挠度影响系数μ与钢纤维含量之间的模型。