全轻页岩陶粒-纤维-钢筋混凝土梁的快速加载试验研究

刘宗辉，谢拂晓(1. 河南理工大学 生态建筑与环境构建河南省工程实验室，河南 焦作 454000；2. 河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000；. 河南省第二建设集团有限公司，河南 新乡 45000)

全轻页岩陶粒-纤维-钢筋混凝土梁的快速加载试验研究

刘宗辉1,2，谢拂晓3
(1. 河南理工大学 生态建筑与环境构建河南省工程实验室，河南 焦作 454000；2. 河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000；3. 河南省第二建设集团有限公司，河南 新乡 453000)

为研究全轻页岩陶粒纤维钢筋混凝土梁的动力特性以及力学性能，对掺加纤维种类分别为钢纤维、碳纳米管纤维、聚丙烯纤维的强度等级为LC40的全轻页岩陶粒纤维钢筋混凝土梁进行快速加载试验，并与其静载试验进行对比。结果表明：在受到冲击作用时，纤维的加入能阻止裂纹的扩展，减少冲击作用对试件的破坏程度，提高试件的抗裂性及试验梁的屈服荷载、极限荷载和抗冲击性能。其中，掺入钢纤维的试验梁提高效果较为明显，且全轻页岩陶粒纤维钢筋混凝土梁的承载能力比静载时的大，而且裂缝宽度变小，裂缝间距变窄。

页岩陶粒；全轻混凝土；全轻纤维钢筋混凝土；静载试验；快速加载试验

现代建筑中，钢筋混凝土结构无疑是应用最广泛的建筑结构，但是混凝土构件在使用过程中不可避免地要受到地震、爆炸、冲击等动态荷载的作用，发生在钢筋混凝土结构上的各种事故也屡见不鲜。其中，以低速冲击事故尤为普遍，此类冲击荷载的特点是荷载强度高，作用时间短，但却对结构造成极大破坏，甚至造成人员伤亡，导致不可估量的损失。近年来，国内外研究人员对钢筋混凝土梁的静力性能进行了大量深入研究，建立了梁的设计方法，并编制了设计规范[1-4]。然而，对钢筋混凝土梁动力性能的研究却屈指可数。文献[5]-[10]给出了钢筋混凝土结构在承受冲击荷载作用下的破坏模式、破坏变形、钢筋及混凝土的应力-应变规律以及大量的计算模型，但就如何更有效地提高钢筋混凝土结构的抗冲击性能，仍值得深入研究。

按照我国《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)[11]的规定，由轻粗集料、轻砂(普通砂)、水泥和水配制而成的混凝土，其干表观密度不大于1 950 kg/m3者，称为轻骨料混凝土 (Light Weight Concrete，简称LWC)。其中，由轻粗、细骨料所配制的混凝土称为全轻混凝土(All-lightweight concrete，简称ALWC)。与普通骨料混凝土相比，LWC具有独特的性能：比强度高；隔热、保温、保湿；耐火性好；抗震性能好；耐久性好；抗裂性好；无碱集料效应；综合经济效益好[3-4]。在结构断面相同的条件下，由于结构自重的减小，结构承载力得以提高。LWC由于密度小、质量轻、弹性模量低，使得结构承受动荷载的能力增强，在地震荷载作用下所承受的地震力小，振动波的传递速度比较慢，且结构的自振周期长，对冲击能量的吸收快，减震效果显著。加入钢纤维和聚丙烯纤维[9]的轻骨料混凝土具有很好的抗拉强度及韧性[10-11]，可以很好地提高构件的抗压强度、屈服荷载、极限荷载及抗冲击能力[12]。

本文主要研究全轻页岩陶粒纤维钢筋混凝土(All-lightweight shale ceramsite fiber steel reinforced concrete，简称ALWSCFSRC)梁在快速加载实验下的动态特性及力学性能，为防灾减灾、结构和构件的抗震设计以及安全评估提供依据。

1 试验设计

1.1 试件设计

试验共设计了5根矩形截面梁，截面尺寸b×h=150 mm×300 mm，梁长L=3 000 mm，净跨1 500 mm，ALWC设计强度等级为LC40。其中，两根为全轻页岩陶粒钢筋混凝土梁，其中一根做静载正截面受弯试验研究，一根做动载对比梁，其余3根为不同种类纤维的ALWSCFSRC梁，梁的架立筋为两根直径为12 mm的HRB400级钢筋，纵向受拉钢筋为3根直径为14 mm的HRB400级钢筋，配筋率为0.843%，箍筋选用HPB300级圆钢，φ6@150沿梁长均匀布置，配箍率0.25%，保护层厚度为25 mm。试验梁的截面尺寸及配筋如图1所示。

图1 试验梁的配筋图

1.2 试验原材料及配合比

试验所用原材料为：P.O42.5R普通硅酸盐水泥；II级粉煤灰；页岩陶粒：洛阳正全实业有限公司生产的700级碎石型页岩陶粒(以下简称陶粒)，粒径≤15 mm，筒压强度为3.5 MPa，堆积密度为660 kg/m3，24 h吸水率为4.3%；粗骨料为页岩陶粒，粒径大小5～15 mm；细骨料为页岩陶砂，细度模数为2.33～3.36，连续级配；纤维为钢纤维、聚丙烯纤维和碳纳米管，其性能指标见表1、表2。

表1 钢纤维和聚丙烯纤维性能指标

表2 碳纳米管性能指标

本试验采用设计强度等级为LC40的ALWSCFRC，配合比依据《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)设计，ALWSCFRC配合比如表3所示。

表3 ALWSCFRC配合比

注：钢纤维按体积率掺量计；碳纳米管按水泥质量的百分比计。JL为静载梁，L-1、L-2、L-3、L-4为动载梁。

1.3 试件制备

钢筋骨架绑扎完成后，将钢筋骨架放进模板并固定位置，然后将搅拌好的混凝土倒入模具，试验采用强制式搅拌机拌和混凝土，一次性用振动棒、平板振动器振捣浇筑成型，每根试验梁浇筑时，均预留6个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，以测定试验梁混凝土的立方体抗压强度。浇筑结束后将其表面抹平，然后用塑料薄膜覆盖防止水分蒸发，待试验梁表面干燥后即可拆模，拆模后对试验梁和试块进行编号，在室温下洒水养护28 d。

1.4 试验方法

试验在总参工程兵科研三所设计的KG-400型静-动载试验机上进行，为消除剪力对正截面受弯性能的影响，采用三分点加载试验方案，在跨中形成500 mm的纯弯段，纵向受拉钢筋应变测点位于3根钢筋跨中处，静态正截面受弯性能试验由人工使用千斤顶进行加载，由KDJ016静态应变仪和数据采集系统自动读取荷载、位移和应变。ALWSCFSRC梁的动态正截面受弯性能试验直接使用KG-400型静-动载试验机进行加载，由Topview-2000动态信号测试分析仪自动采集荷载、位移和应变。试验过程中仔细观察试验梁的破坏过程、裂缝的出现及其发展规律。

2 试验结果与分析

2.1 原材料的基本力学性能

试验前依据试验标准对预留的钢筋试件进行直接拉伸强度试验，试验加载设备为WEW-1000B型微机液压万能试验机，通过直接拉伸强度试验以获得钢筋的屈服强度、极限抗拉强度。每种钢筋预留3个标准试样，试验结果取平均值。钢筋的力学性能见表4。

对预留的ALWSCSRC立方体试块和不同种类纤维的ALWSCFSRC立方块试件进行立方体抗压强度试验，试验加载设备为SYE-2000型压力试验机，通过试验测得JL、L-1、L-2、L-3、L-4混凝土的实测抗压强度平均值分别为34.4 MPa、34.4 MPa、36.8 MPa、41.1 MPa、36.5 MPa。

表4 钢筋的力学性能指标

2.2 试验梁破坏形态

由图2可以看出，静载试验梁(JL)最终破坏时刻,受压区混凝土的剥落较快速加载试验梁明显，与掺有纤维的试验梁相比更甚。

在快速加载试验中，L-2～L-4试验梁受压区混凝土的剥落情况比L-1梁好，并且裂缝条数较多，裂缝宽度较窄。说明掺有纤维的试验梁具有更好抗冲击性能，对比试验梁表面的破坏形态，对其破坏程度由大到小排列，为：L-1>L-4>L-2>L-3。

L-1梁冲击点下方受压区混凝土破坏严重，保护层基本全部脱落，钢筋部分裸露，其中跨中的一条弯曲裂缝发展较深，试验梁跨中部位破坏严重，其他部位裂纹出现较少，冲击荷载对构件造成较严重的破坏。

L-2梁冲击点下方受压区混凝土出现轻微剥落，但未露出钢筋，跨中出现多条明显的弯曲裂缝，试件的受弯段分布很多微细裂纹，但跨中裂缝宽度较其他裂缝宽度大。

L-3梁冲击点下方受压区混凝土基本无破坏，试验梁的受弯段裂缝条数多而密集，且裂缝宽度较小，基本保持了较好的整体性。

L-4梁冲击点下方受压区混凝土保护层脱落严重，破坏仅次于L-1梁，有许多密集的裂缝，但是裂缝宽度明显没有L-1梁大，试验梁变形严重。

分析可知，在冲击作用过程中，纤维的加入起到了阻止裂纹扩展的作用，试件内杂乱分布的纤维通过变形均匀分布试件内的应力，减少了冲击对试件的破坏程度，使试件的抗裂性能大大提高。在产生裂缝之后，横跨在裂缝上的纤维，阻碍了裂缝的扩展，改变了荷载的传播方向，通过增加新的裂纹提高了试件的抗冲击能力。

图2 试验梁的破坏形态

2.3 受弯性能分析

2.3.1 荷载-挠度曲线

图3为各试验梁实测的荷载-跨中挠度曲线。由图3可知，快速加载ALWSCSRC梁与静载试验梁的荷载-挠度曲线的形态基本相同。从开始加载至试件破坏，试件梁经历了弹性工作阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。弹性阶段时，荷载与挠度成正比，曲线大致呈线性关系。开裂后，梁的刚度降低，变形加快，荷载-挠度曲线上出现第一个转折点，由于纤维的掺入限制了ALWSCFSRC梁裂缝宽度及裂缝高度的急剧增长，所以ALWSCFSRC梁的荷载-挠度曲线斜率变化幅度略小于ALWSCSRC梁，即相同荷载作用下，ALWSCFSRC梁的跨中挠度较ALWSCSRC梁小，掺入的纤维种类不同，试验梁的荷载-挠度曲线斜率L-3>L-2>L-4>L-1，且都明显大于静载试验梁。纵筋屈服后，梁的刚度急剧下降，荷载-挠度曲线上出现第二个转折点，试件梁荷载提高的幅度较小，但跨中挠度显著增大；由于裂缝的迅速扩展，截面刚度急剧降低，受压区高度显著减小，当受压区混凝土被压碎，构件破坏。以上分析说明，纤维的加入可明显改善试验梁的变形性能，且掺入钢纤维的试验梁(L-3)的表现效果较为明显。

图3 试验梁荷载-跨中挠度曲线 图4 试验梁荷载-纵筋拉应变曲线

2.3.2 荷载-纵筋应变曲线

试件梁荷载-纵向受拉钢筋应变分布曲线如图4所示。由图4可知，动载试验梁跨中钢筋荷载-应变曲线同静载试验梁基本一致，弹性阶段，荷载较小，截面尚未开裂，构件表现为弹性变形特征，钢筋应变增长都近似为直线。随着荷载的逐渐增大，在构件纯弯段或加载点附近出现第一批垂直裂缝，此时，构件钢筋应力较开裂前明显增大，荷载-跨中钢筋应变曲线出现转折，这是因为受拉区的混凝土开裂，部分退出工作，原来由混凝土承受的拉应力传递给钢筋，使钢筋应变突然加大。进入带裂缝工作阶段后，由于ALWSCFSRC梁中加入纤维的轻骨料混凝土具有较好的抗拉性能，能够与纵向受拉钢筋协同工作，共同承担拉力，相同荷载下，ALWSCFSRC梁的钢筋应变较小，即随着荷载的继续增大，纵筋的应变增加较小，使得试验梁的屈服荷载明显高于ALWSCSRC梁，且纤维种类不同提高效果依次为L-3>L-2>L-4>L-1。因此，在纵筋配筋率相同时，采用掺入纤维的轻骨料的混凝土可在一定程度上延缓钢筋的屈服，提高试件的屈服荷载，大大提高了试件的抗冲击能力，且相同屈服荷载作用下，使用掺入纤维的轻骨料混凝土可以降低试验梁的钢筋用量。

2.3.3 极限承载力分析

试验梁的实测极限承载力值如表5所示。

表5 实测极限承载力

与静载试验梁相比，L-1快速加载试验梁极限承载力增加了15%；掺入纤维的快速加载载试验梁的极限承载力与基准试验梁L-1相比，极限承载力分别增加了12.2%、23.8%、3.9%。由此可知：ALWSCFSRC梁承受动力荷载的能力较静力荷载好。与ALWSCSRC梁相比，掺入纤维的ALWSCFSRC梁的抗冲击性能较好，其中掺有钢纤维的ALWSCFSRC梁的效果最为明显，抗冲击性能最好。

3 抗弯正截面极限承载力计算

受弯构件正截面受压区LWC的应力图形可简化为等效的矩形应力图，矩形应力图的受压区高度可取等于按截面应变保持平面的假定所确定的中和轴高度乘以系数β1=0.75。矩形应力图的应力值取为LWC轴心抗压强度设计值fc乘以系数α1，本试验梁混凝土强度为LC40，所以α1=1.0。

ALWSCFSRC梁正截面承载力计算公式为：

(1)

fyAS=a1fcbx

(2)

由式(1)和(2)可得：

(3)

式中：Mu—正截面受弯承载力极限抵抗弯矩，(kN·m)；fc—混凝土轴心抗压强度设计值，MPa；fy—钢筋的抗拉强度设计值，MPa；b—试件的截面宽度，mm；x—混凝土受压区计算高度，mm；h0—截面有效高度，即受拉钢筋合力点至截面受压区边缘之间的距离。

根据式(3)可得试验梁的正截面承载力理论值，并将其与实测值进行对比，结果见表6。

表6 正截面承载力的实测值与理论值比较

由表6可知，在静载作用下，实测值与理论值相近，而且实测值大于理论值，由此表明，按照目前的计算方法对ALWSCFSRC梁进行正截面设计是可行的，然而因为其粗骨料页岩陶粒的筒压强度小于碎石的，致使其承载力稍小于普通钢筋混凝土梁。但在快速加载作用下，L-1梁比较静载梁提高了14.42%，掺入纤维的快速加载载试验梁的L-2、L-3、L-4的实测值与理论值的比值比较基准试验梁L-1分别增加了6.72%、22.69%、4.2%，可以看出ALWSCFSRC梁在承受动力荷载时比静力时要好，同时掺入纤维的混凝土梁的抗冲击性能较好，其中以掺入钢纤维的效果最为明显，聚丙烯纤维次之，碳纳米管最不显著，说明掺有钢纤维的ALWSCFSRC梁抗冲击性能最好。

4 结论

(1)在冲击作用过程中，3种纤维的加入都起到了阻止裂纹扩展的作用，试件内杂乱分布的纤维通过变形均匀分担试件内的应力，减少冲击对试件的破坏程度，提高试件的抗裂性；

(2)3种纤维的加入提高了试验梁的屈服荷载、极限荷载和抗冲击性能，其中掺入钢纤维的试验梁提高效果最为明显，聚丙烯纤维次之，碳纳米管较小；

(3)开裂后，在相同荷载作用下，掺入纤维的试验梁纵筋应变的增加幅度较小，挠度也较小；

(4)无论是静载试验还是快速加载试验，梁的正截面承载力实测值和理论值的比值都大于1，即实测值大于理论值。

[1] 中华人民共和国建设部. 混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010．

[2] ACI Committee 318 . Building Code Requirements for Structural Concrete ( ACI318-08 ) and Commentary[S]．Detroit : American Concrete Institute，2008．

[3] British Standard Institute. BS EN1992-1-1:2004 Eurocode 2:Design of Concrete Structures-Part 1-1:General Rules and Rules for Buildings [S]．London: British Standard Institute，2004．

[4] CSA Technical Committee on reinforced concrete design. Comparison between time histories of impact force, Design of concrete structures [S] . Ontario， Canada : Canadian Standards Association，2004．

[5] 展婷变. 动静载荷作用下钢筋混凝土梁的力学行为研究[D]. 北京:北京理工大学, 2016.

[6] 曾翔. 冲击和快速加载作用下钢筋混凝土梁柱构件性能试验与数值模拟研究[D]. 长沙:湖南大学, 2016.

[7] 曾翔, 许斌. 无腹筋钢筋混凝土梁抗冲击行为试验研究[J]. 土木工程学报, 2012, 45(9): 63-73.

[8] Sukontasukkul P, Mindess S. The shear fracture of concrete under impact loading using end confined beams[J]. Materials and Structures, 2003, 36(6): 372-378.

[9] Zineddin M, Krauhammer T. Dynamic response and behavior of reinforced concrete slabs under impact loading[J]. International Journal of Impact Engineering, 2007, 34(6): 1517-1534.

[10] Kazunori Fujikake, Li B, Soeun S. Impact response of reinforced concrete beam and its analytical evaluation[J]. Journal of Structural Engineering, 2009, 135(8): 938-950.

[11] 中华人民共和国建设部. 轻骨料混凝土技术规程：JGJ51-2002[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.

[12] 谭克锋, 袁伟. 高性能轻集料混凝土在氯盐环境中的耐久性预测[J]. 西南科技大学学报, 2008(3): 20-23.

[13] 郭玉顺, 木村薰, 李民伟，等. 高强高耐久性轻骨料混凝土的性能[J]. 混凝土, 2000(10): 8-13.

[14] 汪洪菊. 高强钢纤维碳纳米管混凝土双轴破坏准则及其在千米井筒中的应用[D]. 焦作: 河南理工大学, 2014.

[15] 徐璐. 全轻页岩陶粒纤维混凝土的物理力学性能试验研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2014.

[16] 潘婷婷. 全轻页岩陶粒纤维和非纤维混凝土的耐久性能试验研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2015.

[17] 中华人民共和国建设部. 轻骨料混凝土结构技术规程：JGJ12-2006[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2006.

Rapid loading test of all-lightweight shale ceramsite-fiber-reinforced concrete beam

LIU Zong-hui1,2, XIE Fu-xiao3
(1.HenanEngineeringLaboratoryforEco-architectureandEnvironmentConstruction,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China; 2.SchoolofCivilEngineeringofHenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China; 3.No. 2SecondConstructionGroupCo.,Ltd.,Xinxiang453000,China)

In order to study the dynamic characteristics and mechanical properties of full-thickness shale ceramic fiber reinforced concrete beams, The fast loading test of the full-thickness shale ceramic fiber reinforced concrete beams with the fiber grade of steel fiber, carbon nanotube fiber and polypropylene fiber with LC40 grade strength was compared with that of static load test. The results show that the addition of fiber can prevent the expansion of the crack, reduce the damage degree of the specimen and improve the crack resistance of the specimen and the yield load, ultimate load and impact resistance of the test beam. Among them, the effect of reinforced steel beam is more obvious, and the bearing capacity of full-thickness shale ceramic fiber reinforced concrete beam is larger than that of static load, and the crack width becomes smaller and the crack spacing becomes narrower.

shale ceramsite; all-lightweight concrete; all-lightweight fiber reinforced concrete; static load test; rapid loading test

2016-11-21

国家自然科学基金项目(41172317)

刘宗辉(1989—)，男，河南平顶山人，硕士研究生。

1674-7046(2017)02-0008-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.002

TU502

A