钢纤维混凝土配筋梁力学性能试验研究

姚云龙

(中国铁建投资集团有限公司 北京 100855)

随着我国城乡一体化的快速发展，混凝土结构在建筑工程中也占据了越来越重要的地位。混凝土作为构成建筑结构的主要材料，其受力性能的研究也逐渐得到较大的关注。由于建筑结构形式的不同，在建筑结构寿命周期内混凝土材料可能面临各种复杂的受力情况，传统的混凝土材料已逐渐无法满足需要。通过在混凝土中添加钢纤维，能够显著改善混凝土的受力性能，提高混凝土的抗压强度并减小混凝土承受荷载后的损伤。钢纤维混凝土在遭受荷载作用下能够表现出优良的力学特性，主要表现为：钢纤维混凝土抗裂性能好；相比较素混凝土钢纤维混凝土在抵抗外力荷载时表现出优异的韧性性能；钢纤维抵抗破坏的能力较强。因此钢纤维混凝土得以迅速发展，在建筑结构中越来越被频繁地使用，对钢纤维混凝土的研究分析十分必要。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

20世纪初期，国外研究者开始尝试往素混凝土中掺加纤维材料，以增强混凝土的受力性能。其中，钢纤维属于应用时间早且普及范围广的一种添加材料。1910年，美国科学家POTER H F 在学术期刊上发表了第一篇关于钢纤维混凝土的论文。基于此，钢纤维混凝土越来越受到人们的关注，其在人类实际生活中的应用开始得到普及。由于二战爆发，钢纤维混凝土在军事工程领域再度得到发展和普及，英、德、美、法等国的科学家，先后开展了钢纤维混凝土的研究并出具了相应的研究报告。但这些研究报告并没有太多关于钢纤维混凝土理论层次方面的解释，更没有解释钢纤维对混凝土的增强机制，因而限制了钢纤维混凝土在建筑工程中的应用和普及。20世纪60年代初，钢纤维混凝土开始真正意义上得到工程领域方面学者的重视和研究。1963 年，美国科学家ROMUALDI J P 发表了关于钢纤维混凝土关于裂缝发展机理方面的研究成果，首次提出钢纤维混凝土的阻裂机理等一系列概念，为钢纤维混凝土在以后的普及开辟了道路。科学家SWAMY R N 和NAAMAN A E 提出了关于在增强机理方面的复合材料强化法则，这极大地弥补了钢纤维混凝土的理论研究不足的缺陷，使后人在钢纤维混凝土理论方面有了实质性的进展。与此同时，国际标准协会也开始重视钢纤维混凝土这一新型材料，他们设立了关于钢纤维混凝土的技术标准委员会。21世纪，在世界范围内迎来了新型材料在研制方面的发展热潮，钢纤维混凝土也是其中之一，不仅如此，关于材料的增强理论，在广义和狭义上都取得了令人瞩目的成果[1-6]。

1.2 国内研究现状

20 世纪末，我国开始了钢纤维混凝土的研究，近10 年来在该领域的研究有了突飞猛进的发展。部分理论研究者与现场技术人员，通过总结分析国内近10年的有关钢纤维混凝土抗拉强度（劈裂法）、抗折强度方面的试验数据、现场施工数据等资料，基于复合材料强度理论和钢纤维混凝土强度规律，推导出了钢纤维混凝土设计参数并初步推广到施工现场实际应用[7-9]。阮燕等人[10]过制备钢纤维混凝土并开展轴心抗压试验与三点抗折试验，发现钢纤维能够提供混凝土的抗变形能力以及弯曲韧性能力。郭金龙等人[11]在钢纤维混凝土SHPB 试验研究的基础上进行了数值模拟，初步分析了钢纤维混凝土动力抗压强度随应变率的变化。姚良发[12]通过制作21 组尺寸为400 mm×100 mm×100 mm的梁试件并对其进行了三点弯曲断裂试验，分析裂纹扩展路径，计算裂缝尺寸，分析出钢纤维的存在对于混凝土结构具有重要影响。中国工程建设标准化协会还编制并颁布了《纤维混凝土结构技术规程》（CECS 38：2004）[13]和《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13：2009）[14]，使钢纤维混凝土在我国得到了极大的应用与发展。

2 试验设计

2.1 钢纤维混凝土立方体试块抗压试验设计

本试验采用万测HCT 系列A 型微机控制电液伺服压力试验机，规格型号为HCT-305A，最大试验力为300 kN。压力机主机结构采用两柱框架式，上下压板距离调节方式为活塞调节及垫板调节，压力机准确强度等级为1级，即试验力示值相对误差为±1%以内。

混凝土立方体试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，共制作了3组混凝土立方体试块，为避免偶然误差造成试验数据不准，其中每组共设计18个标准立方体试块。3组混凝土立方体试块中，1组钢纤维含量为0%，另外2组钢纤维含量为1%和2%。

2.2 钢纤维混凝土配筋梁静载试验设计

混凝土配筋梁静载试验中，共设计加工了3 根实际尺寸的混凝土梁试件，每根试件长度均为2 800 mm，截面尺寸为200 mm×400 mm。本次试验的3根试件，底部配筋均配置1 排3 根直径为25 mm 的HRB 400 级螺纹钢筋，顶部均配置1 排2 根直径为16 mm 的HRB 400级螺纹钢筋，箍筋直径为8 mm间距为100 mm。试件梁的纵筋配筋率均为2.01%，箍筋间距为100 mm，配箍率为0.503%。3根混凝土配筋梁试件中，1根为不含钢纤维混凝土试件，另外2根钢纤维含量分别为1%和2%。表1为试件混凝土配合比设计。

表1 试件混凝土配合比设计

3 立方体试块试验结果与分析

3.1 立方体试块破坏形态

图1为立方体试块抗压试验后试块破坏及表面裂纹分布形态，根据实验立方体试件抗压破坏试验后表面开裂形态，通过对标准立方体抗压试验现象进行分析发现：0钢纤维立方体在试验过程中爆裂现象明显，18 个立方体中有17 个发生爆裂；0 钢纤维立方体破坏现象多表现为劈裂破坏，包括粗骨料石子的劈裂，除此之外还出现纵向大裂纹，对于1%、2%纤维立方体，表现为裂纹较少且相对均匀，裂而不散；与0纤维的爆裂现象相比，含钢纤维1%、2%的立方体破坏形式为立方体四周区破坏，核心区基本完好。

3.2 立方体试块应力曲线

图2为立方体加载时间-破坏荷载曲线图。其中，圆形点拟合的曲线为不含钢纤维的立方体试块加载时间-破坏荷载曲线，三角形点拟合的曲线为含1%钢纤维的立方体试块加载时间-破坏荷载曲线，正方形点拟合的曲线为含2%钢纤维的立方体试块加载时间-破坏荷载曲线。通过对比分析3种试块的破坏荷载-加载时间曲线，研究人员发现：在初始上升段，都呈现出线性增长规律，且直线的斜率为10 kN/s，这与初始时机器设定的加载结果是一致的；各种钢纤维含量的试块在破坏荷载到达峰值时，均表现为快速直线下降的特点，但钢纤维含量越高其峰值也越高，其中，钢纤维含量为0%、1%、2%的立方体试块峰值荷载的总体平均值分别为923.78 kN、1 090.16 kN、1 187.77 kN，在数值上破坏荷载总体趋势为上升趋势；破坏荷载到达峰值后的下降段，这3种钢纤维含量的试块表现出一定的差异性，钢纤维含量为0%的试块峰值荷载到达923.78 kN后迅速下降至800.10 kN后屈服破坏，钢纤维含量为1%的试块峰值荷载到达1 090.16 kN后迅速下降至910.09 kN后屈服破坏，钢纤维含量为2%的试块峰值荷载到达1 187.77 kN后迅速下降至588.26 kN后屈服破坏，钢纤维含量为2%的试块到达峰值后其下降段更长，即不含钢纤维的试块荷载达到峰值几乎接近破坏，而含有钢纤维的试块达到峰值后仍能继续发挥抵抗作用，且随着钢纤维含量越高，此现象越明显。

4 混凝土配筋粱静载试验结果与分析

4.1 混凝土配筋粱静载试验过程

静力试验采用三点加载方式进行，试件梁端部为简支座。在跨中顶部利用螺旋千斤顶施加集中荷载，利用千斤顶上部500 kN 量程的力传感器记录荷载变化曲线。在梁和千斤顶之间布置钢垫板，钢垫板对的尺寸为100 mm×200 mm×40 mm。图3为静力加载试验装置示意图。

图3 静力加载试验装置示意图

在梁底面L/2处布置量程为60 mm的位移传感器，用来测量梁的挠度曲线。25 mm 受力主筋设置4 个应变片（位于底部中间25 mm 主筋上），编号分别为25-1（距梁跨中50 mm）、25-2（距梁跨中350 mm）、25-3（距梁跨中650 mm）、25-1/4（距梁跨中700 mm）。

4.2 混凝土配筋梁试验分析

（1）静力试验正式加载前，先进行预加载调试各测量仪器，确保各测量仪器均能正常工作再进行正式加载。静载下，试件FBJ0、FBJ1、FBJ2经历了相似的裂缝出现、裂缝发展以及破坏形态过程，具体如图4所示。

图4 跨中位移-荷载曲线

分析对比FBJ0、FBJ1、FBJ2试件的静压荷载-跨中位移曲线，由此可发现：有无钢纤维，试件在跨中位移-静压荷载方面表现出一定的差异，当荷载小于50 kN时，3个试件的荷载与位移曲线的初始斜率基本相同，而跨中荷载上掺有钢纤维的试件在进入屈服阶段的荷载值明显大于未掺加钢纤维的试件；FBJ1、FBJ2 试件最大静压荷载基本一致，约为55 t，FBJ0试件约为48 t；最大跨中位移方面，FBJ0 试件达到60 mm，FBJ1、FBJ2分别为48 mm、54 mm。

（2）通过分析梁试件中直径25 mm 受拉主筋的应变曲线，由此可以发现：针对钢纤维含量为0%、1%、2%的试件，静力试验下，应变片25-1、25-2、25-3、25-1/4 记录的应变时程曲线基本规律差异较大；0%试件中1、2 号位置为波动较大的位置，耗散能量也最多；1%、2%试件中1号位置波动较大，能量耗散较多；随着纤维的加入，2、3号位置的变形逐渐趋于平缓，说明纤维的加入能够显著改善试件整体的变形协调能力，使试件内钢筋的受力趋于均匀化，减少了极端受力现象的产生。图5为受拉主筋应变时程。

图5 受拉主筋应变时程曲线

5 结论与展望

5.1 结论

本文在国内外针对钢纤维混凝土力学性能研究的基础上，通过变化钢纤维含量，对比分析了不同含量钢纤维混凝土立方体试块与实际尺寸的混凝土配筋梁的破坏形态、荷载、跨中位移以及钢筋应变等参数，得到了可供设计及施工参考的结论。

（1）钢纤维的加入能够显著提高混凝土的抗压强度，提高幅度约为9%～18%，随着钢纤维含量的增大强度还会有所提高。

（2）对于混凝土构件，钢纤维的掺入能够起到明显的止裂效果，并提高构件的韧性。

（3）钢纤维能够改善试件整体的变形协调能力，使试件内钢筋的受力趋于均匀化，减少了极端受力现象的产生，从而减轻的混凝土试件的损伤。

5.2 展望

本文对不同含量钢纤维混凝土立方体试块及实际尺寸的混凝土配筋梁开展了一定的研究，但由于试验条件和实际环境的限制，仍有一些问题有待进一步研究、讨论。

（1）本文开展的是钢纤维混凝土的试验研究，没有涉及到其他种类纤维的试验，掺加的材料种类对于混凝土受力性能有很大的影响，因此在这方面有待研究。

（2）本文主要研究了常温状态下的试验，没有涉及到高温火灾等工况，然而纤维在高温条件下是否还能发挥止裂增韧效果，还有待研究。

（3）本文采用的是静力荷载试验，对于动力荷载的作用尚未开展，未能形成对比，还需进一步研究。

（4）本文仅选取了混凝土立方体试块及实际尺寸的混凝土配筋梁进行分析研究，对于板、柱等构件形式的研究尚未涉及，但本文的研究成果和方法可为以后钢纤维混凝土的研究提供参考。