玄武岩纤维在连续梁桥负弯矩区抗裂性能试验研究

税 欢，陈 军

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

两跨或两跨以上连续的梁桥，属于超静定体系[3]。连续梁在恒活载作用下，产生的支点负弯矩对跨中正弯矩有卸载的作用，使内力状态比较均匀、分布合理。并且因为跨中截面的弯矩减小，桥跨可以增大[4]。与同样柱距的简支梁相比，连续梁受力条件更好，支点处产生的负弯矩对梁跨中截面的正弯矩起到卸载作用，因此跨径均比简支梁桥大[5]。并且连续梁梁高可以减小，断面尺寸可以减小，从而可以节省材料[6]。增大桥下净空，更因为连续梁刚度大，整体性好，安全度大，减少了桥墩上的接缝，桥面伸缩缝少，改善了行车条件[7]。但是跨中弯矩减小的同时，支点处上缘产生负弯矩，易发生裂缝后受水侵蚀[8]。这样会缩短桥梁使用寿命，增加维修维护成本[9]。因此，需要寻求径能够解决连续梁桥支点处负弯矩区开裂问题的途径。本文主要研究在水泥混凝土中掺入玄武岩纤维后制作的玄武岩纤维混凝土在负弯矩受力情况下裂缝减少和延缓开裂的情况，希望对减轻负弯矩下连续梁开裂问题有一定的意义。

1 玄武岩纤维作用机理

玄武岩纤维是将火成岩经过1 500～1 600℃熔融后采用耐高温金属漏板将熔融物拉成纤维，然后再用拉丝机将粗制纤维进一步制成不同长度、直径的连续纤维。外观呈金褐色，具有金属光泽。玄武岩纤维具强度高、耐腐蚀、原材料来源广泛、价格低廉等优势。在混凝土中掺入玄武岩纤维，经过拌和后，玄武岩纤维在水泥胶浆内部形成不定向支撑体系，同时纤维被水泥胶浆握裹后裹附在级料周围，加强了混凝土的强度，削弱了混凝土的塑性收缩。收缩的能量被分散到无数的纤维丝上，从而有效地增强混凝土的韧性，减少混凝土初凝时收缩引起的裂纹和裂缝。

2 玄武岩纤维混凝土梁负弯矩作用下开裂性能试验研究

本试验设计制作5 根玄武岩纤维混凝土梁。2 400 mm 长，45 mm 宽，310 mm 高的试验梁，采用内掺法拌制玄武岩纤维混凝土。首先，拌和机中投入集料和玄武岩纤维，加入计算拌和用水量的30% 拌和30 s。其次，投入计算水泥、减水剂质量拌和40 s。最后，加入剩余全部的拌和用水搅拌90 s。5 根玄武岩纤维混凝土梁中，玄武岩纤维的掺量分别为0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%[10]。分别验证不同的玄武岩纤维掺配比例对梁在负弯矩受力状态下裂缝的开展的影响。本试验采用伺服液压试验机来分配梁四分点对称加载。试验过程中，采用应变片配合数据采集仪采集钢筋和钢筋混凝土梁的应变数据；用压力传感器采集梁体所受荷载数据，用电子裂缝宽度测量仪采裂缝宽度数据，用直尺测量裂缝之间间距。研究荷载－裂缝宽度、钢筋应变－裂缝宽度、荷载－钢筋应变之间的关系。通过不同玄武岩纤维的掺量研究负弯矩受力情况下玄武岩纤维对裂缝开展的影响。试验仪器如图1 所示。

图1 玄武岩纤维钢筋混凝土梁加载试验仪

2.1 试验准备

试验开始之前，应进行充分的准备工作。首先，应保证试验梁在试验机上位置准确。在梁体跨中、支座位置做好明显标记，目的是保证梁中心线、分配梁中心线、试验机加载装置中心线重合，支座位置准确。其次，调试试验数据采集仪，标定传感器、位移计，调试应变采集仪电阻。

2.2 试验过程

本次研究试验过程荷载加载的过程分为荷载预加载和正式试验两部分。

荷载预加载的目的是检验试验设备是否处于正常工作状态，检校仪器精度，保证试验的各个环节都处于正常工作状态。

正式试验时采用分级增加荷载的加载方式，初始荷载增加幅度为2 kN/次。当加载数值增加到计算荷载的85% 时，为保证试验过程缓慢清晰，荷载增加幅度调低为1 kN/次。当观察到第一条裂缝后，调高荷载增加幅度为2 kN/次。当荷载增加到计算极限承载荷载的90% 时，再次调低荷载增加幅度为1 kN/次，直至试件破坏。当观察到第一条裂缝后续的加载过程中每两次荷载加载之间需要持荷2 min。试验过程中，采集裂缝宽度、裂缝长度、裂缝间距、钢筋和梁体的应变水平，并做好记录。试验过程如图2 所示。

图2 玄武岩纤维钢筋混凝土梁试验过程

2.3 试验结果

2.3.1 玄武岩纤维掺量与钢筋应变、裂缝宽度、跨中挠度之间的关系

本次试验采用抗弯加载试验机对试验梁进行加载，观察不同荷载作用下，不同玄武岩纤维掺量试验梁的裂缝宽度和钢筋应变及跨中挠度。试验数据如图3、图4、图5 所示。

图3 荷载－裂缝宽度试验数据

图4 荷载－钢筋应变试验数据

图5 荷载－跨中挠度试验数据

由试验数据可以看出：（1）相同荷载作用下，随着玄武岩纤维掺量的增加，试验梁负弯矩区钢筋的应变逐渐降低，裂缝宽度减小，跨中挠度减小，并在掺量为0.5% 达到最小值，其后随着玄武岩掺量的增加指标略有回升。可以初步判定，玄武岩纤维的掺入可以改善试验梁负弯矩区的抗裂性能，并且玄武岩纤维的掺量为0.5% 最佳。（2）相同玄武岩掺量的情况下，随着荷载增大，玄武岩纤维掺量越大，试验指标增加的幅度越小。这也从另一方面说明玄武岩纤维的掺入可以延缓裂缝的产生，降低裂缝对梁体造成的危害。

3 结语

本文主要研究了在混凝土梁中掺入玄武岩纤维后，混凝土梁负弯矩区裂缝开展情况。根据试验数据，可以得出如下结论：

（1）玄武岩纤维的掺入可以延缓混凝土梁裂缝的产生。

（2）玄武岩纤维的掺入可以降低裂缝宽度。

（3）玄武岩纤维的掺入量控制在0.5% 左右最佳。