聚丙烯纤维混凝土梁抗剪性能试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 5 期 ( 总 第 3 0 7 期 ) N u mb e r 5 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 5 0 1 2 聚丙烯纤维混凝 土梁抗剪性能试验研 究 张广泰。 唐巍 ( 新疆大学 建筑工程学院， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 4 7 ) 摘要： 分析了聚丙烯纤维掺量、 配箍率 、 混凝土强度等级 、 剪跨比四个参数对混凝土梁斜截面初裂剪力和抗剪承载力的影响。 提 出了聚丙烯纤维混凝土梁斜截面受剪承载力计算方法 ， 为工程实践提供理论依据。 关键词 ： 聚丙烯纤维 ； 初裂剪力； 抗剪承载力； 剪跨比 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 4 6 0 4 E x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n s h e a r r e s i s t a n c e o f i n c l i n e d s e c t i on o f p o l y p r o p y l e n e f i b e r c on c r e t e b e a ms ZHAN G Gu a n g t a i ， T ANG W e i ( C i v i l C o n s t r u c ti o n C o l l e g e o f X i n j i a n g U n i v e r s i t y ， U r u m q i 8 3 0 0 4 7 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th r o u g h a n a l y z i n g t h e ma i n v a r i a b l es we r e p o l y p r o py l e n e fib e r v o l u me fra c tio n， s tir r u p c o n t e n t ， c o n c r e t e s tre n g t h a n d s h e a r s p an r a tio S t ud y i n g t h a t t he d i a g o n a l c r a c k i n g s ge n g th an d s h e ar s e n g t h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms we r e i mp a c t e d o n p a r a me t e r o f t h e f o u r Ba s e d o n the r e s ul t s a n d a n a l y s i s ， t h e c a l c u l a ti o n me tho d of t h e s h e ar c a p a c i t y o f p o l y p r o py l e n e fib e r r e i n f o r c e d c o n c ret e b e am i s p r o po s e d， wh i c h c a n p r o v i d e the the o r e ti c a l b a s i s f o r the e n g i ne e r i n g p r a c tic e Key wor ds po l y p r o p y l e n e fib e r ； d i a g o n al c r a c kin g s t r e n g t h； s h e ar s t r e n gt h； s h e ar s pa n r a ti o 0 引 言 目 前在实际工程中混凝土裂缝问题普遍存在 ， 严重影 响到结构的安全和耐久性 。 纤维混凝土因具有 良好的抗裂 性能已经被大量应用在实际工程 中， 目前国内外对于钢纤 维混凝土的抗拉压 、 抗剪和抗折等力学性能做 了诸多试验 研究 ， 已制定 出钢纤维混凝土应用技术规程及试验方法标 准 。 张宏战等 将 2 根高强混凝土梁 与 2 0根钢纤维高强 混凝土梁进行抗 剪性 能试验 ， 对 比分析混凝土强度等级 、 剪跨 比、 配箍率 、 钢纤 维体积 掺率 以及种类 对高强混凝土 初裂剪力与抗剪极限承载力的影响规律 ， 得 出钢纤维混凝 土梁斜截面承载力计算式 。 陈伟等 通过对玄武岩纤维体 积掺率和纤维长度两个变化参数 的分析得 出玄武 岩纤 维 混凝土梁的斜截面初裂剪力 和抗剪 承载力计算 的经验计 算式并与普通混凝土抗剪承载力计算式相适用 。 而国内对于聚丙 烯纤维混凝土梁斜截面受力 性能的 试验研究没有文献报道。 聚丙烯纤维混凝土不仅保持 了混 凝土材料 的优 良的抗 压强度 ， 而且使 混凝 土材料在抗折 、 劈裂抗拉强度、 抗裂 和抗 塑性 收缩 、 改善混凝 土和易性等 方 面也得到一定的提升 ， 同时 ， 聚丙 烯纤 维混凝土具有极 其稳定的化学性能和优越的耐久性能 ( 抗渗和抗冻 ) ， 是近 年来在国内外发展迅速的一种新型复合 建筑材料 “ 。 笔 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 0 1 8 基 金项 目 ： 新疆维吾尔 自治区 自然科学基金资助项 目( 2 0 1 4 2 1 1 A 0 0 6 ) 46 者通过对聚丙烯纤维掺量、 配箍率、 剪跨 比、 混凝土强度等 级的分析 ， 探讨各因素对混凝土梁斜 截面抗剪承载力的影 响变化规律 ， 在普通混凝土抗剪承载力计算式 中引入聚丙 烯纤维增强系数和特征参数 ， 得 出聚丙烯纤维混凝土抗剪 承载力计算式。 1 试 验 1 1 原材料 ( 1 ) 水 选用乌鲁木齐市 自来水 。 ( 2 ) 水泥 采用新疆 红雁池水泥厂生产的 P 0 4 2 5 级水泥。 ( 3 ) 粗集料 选用卵石 ， 1 0 4 0 mm连续级配 ， 其性能指标见表 1 。 表 1 卵石的性能指标 ( 4 ) 细集料 砂采用乌鲁木齐地区附近砂场生产的砂 ， 由于含泥量 较高 ， 对砂进行 了初步筛洗 ， 其性能指标见表 2 。 表 2 砂的性能指标 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 5 ) 聚丙烯纤维 采用江苏苏博特新 材料 股份有限公 司生 产的润强 丝 抗裂防渗纤维 ， 见表 3 。 表 3 聚丙烯纤维主要力学性能 ( 6 ) 锂渣粉 锂渣粉由新疆乌鲁木齐锂业有限公司生产 。 ( 7 ) 减水剂 减水剂选用聚羧酸减水剂， 为液状 ， 含 固量 1 5 ， 掺量 1 。 1 2混 凝 土 配合 比 混凝土配合 比按 C 4 0 、 C 6 0强度 等级进行 设计 ， 具体 设计过程参照 J G J 5 5 _ _ 2 0 1 1 普通混凝土配合 比设计规 程 ， 设计配合 比见表 4 。 表 4 混凝土的设计配合比 m 1 3 试验梁设计 试验共有 8根聚丙烯纤维混凝 土梁和 2根普 通混凝 土对 比梁 。 试件截面尺寸为 b h=1 5 0 n l n l 2 0 0 m l T l ， 实 测截面有效高度 h =1 6 0 mm， 长为 1 5 0 0 m i l l 。 截 面纵筋 采用 4 D1 4 m m 的 H R B 5 0 0高强钢筋 ， 配筋率为 P= 2 5 6 。 箍筋采 用 A 6 5的 H P B 3 0 0钢筋 ， 架立筋采用 2 B 8 m m 的 H R B 3 3 5 钢筋 ， 钢筋 的主要力学指标实测值如表 5所示。 表 5 钢 筋的 力学性 能 实测值 试验梁在剪跨 区沿梁 高 4 5 。 方 向在箍筋上贴钢筋应变 片， 并在混凝土上同样位置贴混凝土应变 片。 试验 中的数 据采集通过 D H一 3 8 1 6电阻测试系统完成。 试验梁的主要 性能参数见表 6 ， 试件配筋见 图 1 。 表 6因素水平表 为防止试验中混凝土梁 的受弯破坏先于受剪破坏 ， 在 适筋范围内计算配置足够多的纵向受拉钢筋 。 1 4试 验 方 案 试验装置如图 2所示 ， 采用 5 0 0 k N 的油压 千斤顶将 力 施 加 在 分 配 梁 上 对 称 集 中加 载 ， 预 加 载 分 三 级 进 行 ， 每级取试验梁极 限荷载预估值 5 的荷载 ， 确认设 备 、 仪表工作正常后卸载至 0 MP a ， 之后开始正式加载。 正 式加载过程 中每级荷载取 1 0 k N， 在接近开裂荷载预估 值 时每级荷载减半 ， 取发现第一条斜裂缝 出现时所施加的荷 载为开裂荷载。 图 1 截面配筋图( 单位： mm) 分配梁 图 2试验装 置 图 ( 单位 ： mm) 2 试验 结果 与分析 2 1 现 象描 述 ( 1 ) 八根试验梁呈剪压破坏如图 3 ， 以 L l 为例描述加 载过程中的剪压破坏的试验现象 。 剪压破坏 ： 加载初期在纯弯 区段前后出现多条竖 向裂 缝 ， 荷载不断增加裂缝逐渐增 多 ， 但 宽度和高度发展 都 比 较缓慢 。 当施加荷载升 至 3 9 9 k N 时， 弯剪 区段支座处 出 现垂直裂缝并沿斜向延伸形成多条斜裂缝 ， 进 而逐渐发展 成一条主斜 裂缝 ( 但很 细微 ) 。 当所施加 荷载 达到 8 0 k N 以上时 ， 主斜裂缝宽度发展迅 速 ， 最 终导致支座与加 载点 区域混凝土被压碎， 主斜裂缝贯通， 试验梁破坏。 加载后期 纯弯区段竖 向裂缝几乎没有发展 。 ( 2 ) 一根梁呈斜拉破坏如图 4 ， 以 L 5为例描述加载过 程 中的斜拉破坏的试验现象 。 斜拉破坏 ： 加载初期试验梁跨 中出现细小裂缝并缓慢 向上发展 ， 随荷载增加裂缝增多 ， 但发展缓 慢一直在 中和 轴 以下 ； 之后剪跨 区支座处出现细微垂直裂 缝 ， 当施加荷 载达到 7 3 5 k N时 ， 竖 向裂缝 出现较为 明显并迅速 向受压 区斜向伸展 ， 使梁沿斜向被拉断。 ( 3 ) 一根梁呈斜压破坏如图 5 ， 以 L 4为例描述加载过 程中的斜压破坏的试验现象。 斜压破坏 ： 加载初期同剪压、 斜拉破坏一样 ， 跨中出现 细微裂缝 发展 较慢 ； 当施加荷载达 到 3 7 8 k N 时， 剪跨 区 出现第一条垂 直裂缝 ； 荷载达到 9 9 8 k N时 ， 主斜裂缝 出 现 ， 从加载点到支承点接近一 条斜 线 ， 主斜 裂缝周 围有 几 条斜裂缝 ， 与主斜裂缝一起将剪跨 内的混凝土分割成几个 斜向的短柱而压坏 。 47 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 般。 图 9 将纤维掺量与配箍率作对 比， 从 图中可以看 出， 当 聚丙烯纤维掺量 P 从 0增 大到 3 k g m。 时 ， 抗剪 承 载力 只提高 了 1 0 。 在提高梁 的抗剪承载力方 面， 箍筋 的作 用明显优于聚丙烯纤维的作用 ， 但聚丙 烯纤维在初期阻止 斜裂缝 的产生和发展等方面较为突出。 l2 O 9 O 堇 6 0 3 0 盏 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 0 一 图 8 剪 力 一箍 筋应 变 曲线 p ( k g m ) ， p ， 图9纤维掺量p 。 和配箍率 P 。 对 的影响 2 2 3混凝土强度等级的影响 当混凝 土 抗 压 强 度 强 度 从 4 5 9 MP a增 大 到 6 6 4 MP a 时 ， 聚丙烯纤维掺 量为 0 - 3 k g m3 的试件 ， 梁 的 初裂剪力 提高了 2 9 - 5 1 。 试验 中不论是弯剪斜裂缝 还是腹剪斜裂缝 ， 它的出现都直接受 混凝土抗拉强度的控 制 ， 随着聚丙烯纤维掺量 的增加 ， 混凝 土强度等级从 C 4 0 提高至 C 6 0 ， 混凝土抗拉强度 提升 了 2 4 ， 从而导致梁 的抗剪承载力 的提高了2 2 。 2 2 4 剪跨 比的影响 根据本次试验结果绘制 的 ( V ) 与剪跨 比 的关 系如图 1 0 ， 可见 在基体 强度 为 C 4 0强 度等 级、 配箍 率 为 0 2 2 、 纤维掺量为 3 k g m 条件下 ， 剪跨 比从 1 依次增加 到 2和 3 ， 聚丙烯纤维混凝土梁 的破坏形态也依次从斜压 转变成剪压和斜拉 ， 聚丙烯纤维 混凝 土梁的初裂剪力 和抗剪承载力 亦随之下降。 剪跨 比 圈 1 O 剪跨比 对 ( ) 的影响 3 承载力计算方法 从理论上分析 ， 聚丙烯纤维 的掺人使钢筋与混凝 土间 的黏结应力增 大进 而延缓 了裂缝附近钢筋 与混凝 土 间的 黏结滑移。 即认为黏结应力与聚丙烯纤维的长度 f f 、 直径 d ， 和纤维体积掺率 p 有关 。 定义纤维特征参数 A 为纤维体 积掺率 P 与长径比 f f 之积 ， 即 Af = p f l f d f ( 1 ) 式中： A 纤维特征参数 ； p 纤维体积掺率 ； Z 纤维长度 ； d 纤维直径 。 文献 8 采用纤维增强系数 和纤维特征参数 A 两 个参数来对混凝土梁斜截面抗剪承载力进行修正。 根据试 验结果及理论分析 ， 提出在集中荷载作用下考虑聚丙烯纤 维增强系数| 8 及特征参数 A ， 的聚丙烯纤维混凝土梁抗剪 承载力的计算式 ： = ( 1 + ， ) f t b h 。 + L v ( 2 ) 式 中： 。 聚丙烯纤维 昆 凝土梁斜截面抗剪承载力 ； A 计算截面的剪跨 比， 可取 A= a h 。 ， a为集 中荷 载作用点至支座 的距离 ； 当 A 3时， 取 A= 3 ； 聚丙烯纤维对梁斜截面承载力的影响系数 ； A 纤维特征参数 ； 与基体混凝土相对应 的纤维混凝土抗拉强度 ； b 截面宽度 ； 截面有效高度 ； 箍筋抗拉强度实测值 ； A 。 同一截面 内箍筋截 面积 ， A =n A ， n表 示 箍筋肢数 ， A 为单肢箍筋截面积； 沿构件长度方 向的箍筋间距 。 如图 1 1 所示 ， 将试验梁斜截面受剪破坏时 A 和 卢 的 相应值置于坐标中。 为偏于安全取下包线 = 0 4 7 5 。 1 6 1 2 q 0 8 0 4 - - 霉 U U 5 1 0 1 5 2 0 f 图 1 1 与 口 的关系曲线 通过式( 2 ) 计算 聚丙烯 纤维混凝土梁斜截面受剪承载 力计算值 ， 需要注意 ： 取劈裂抗拉强度实测值 ， A 分别取 0 、 O 9 8 、 1 9 6 ， 纤 维增 强系数 3 取下包线值 0 4 7 5 。 将计算 值与实测值进行对 比， 如表 7所示。 下转第 5 4页 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 8 8 ， 平均值为 0 8 6 。 ( 6 ) 三种加固灌浆料 1 0 0 m m X 1 0 0 m m x 3 0 0 m m 和 1 5 0 mm x 1 5 0 m m x 3 0 0 mlT l 试件静力受压 弹性模 量换算 系数范围为0 8 9 - 0 9 6 ， 平均值为 0 9 2 。 与抗压强度规律相反， 随弹生 模量提高， 换算系数噌大， 这有待进一步试验验证。 ( 7 ) 加固灌浆料的 c s H凝胶体积可 比混凝土高出 1 0 2 0 ， 粗骨料粒径较小 ， 水胶 比更低 ， 材料开裂后裂纹 很快失稳扩展， 这使得它的尺寸效应更明显。 参考 文献 ： 1 胡彦辉 ， 岳清瑞 ， 张耀凯 高强灌浆料在结构加 固修补技术中 的应用 J 工业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 6 ) ： 5 8 5 9 2 刘小兵， 臧 军， 刘圆圆， 等 水泥基无收缩灌浆料发展应用 J 粉煤灰 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 3 2 3 4 3 G B T 5 0 4 4 8 -2 0 0 8 ， 水泥基灌浆材料应用技术规范 s 北京： 中国计划出版社 ， 2 0 0 8 4 C A R P I N T E R I A， F E R R O G S i z e e f f e c t s o n t e n s i l e r a c t u r e p r o p e r t i e s ： a un i fie d e x p l a n a t i o n b a s e d o n d i s o r d e r a n d f r a c t a l i t y o f c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e J Ma t e r i a l a n d S t r u c tu r e ， 1 9 9 4 ， 2 8 ： 5 6 3 5 71 5 王兵锋 ， 汤国庆， 唐腾飞 混凝土尺寸效应研究 J 低温建筑技 术 ， 2 0 1 4 ， 6 ： 1 2 1 4 6 钱觉时， 杨再富， 黄煜镔， 等 高强混凝土强度尺寸效应的试验 研究 J 华中科技大学学报 ： 城市科学版 ， 2 0 0 4 ， 2 1 ( I ) ： 1 4 7 办捷， 方志， 杨钻 混凝土单轴受压性能尺寸效应的试验研 J 工业建筑， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 6 ) ： 1 2 2 1 2 6 8 林熙， 季锡贤 ， 殷新博 ， 等 C 6 0 - C I O 0高强混凝土强度尺寸效 应的研究 J 硅酸盐通报 ， 2 0 0 9 ， 3 2 ( 1 O ) ： 2 0 9 0 2 0 9 3 上接第 4 9页 表7梁斜截面受剪承载力计算值与实测值 结果表明： 试验梁斜截 面抗剪 承载力 的计算值与试验 值 比值的平均值为 0 8 7 ， 标准差 为 0 1 0 ， 统计结果表 明计 算值 与 实测值较吻合 。 4 结论 ( 1 ) 聚丙烯纤维混凝土梁斜截面初裂剪力和抗剪极限 承载力均随聚丙烯纤维的掺量增加而提高 ， 并能有效延缓 第一 一 条斜裂缝的出现和阻止其发生发展 。 ( 2 ) 箍筋在提高混凝土梁受剪承载力方面的作用要 明 显大于聚丙烯纤维 ， 但聚丙烯纤维在 阻裂和提高初裂剪力 方而有 显著优势 。 ( 3 ) 随混凝土强度等级 的提高 、 剪跨 比的降低 ， 聚丙烯 纤维 昆 凝土梁斜截面初裂剪力和抗剪承载力均随之提高。 4 9 冷发光， 邢锋 ， 冯乃谦 ， 等 粉煤灰高性能混凝土试件 强度尺寸 效应研究E J 混凝土， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 1 8 1 9 1 0 苏捷， 方志 普通混凝土与高强混凝土抗压强度的尺寸效应 J 建筑材料学报 ， 2 0 1 3 ， 1 6 ( 6 ) ： 1 0 7 8 1 0 8 1 1 1 唐欣薇， 石建军， 郭长青， 等 自密实混凝土强度尺寸效应的试 验与数值仿真 J 水力发电学报 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 3 ) ： 1 4 5 1 5 1 1 2 王泽云 不同强度等级混凝土尺寸效应的讨论 J 四川建筑科 学研究， 2 0 0 5 ， 3 1 ( 1 ) ： 9 5 9 8 1 3 吴元， 李延和， 李树林 豆石型灌浆料的工作及力学性能试验 研究 J 工业建筑， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 6 ) ： 8 2 8 5 1 4 - 吴元 豆石型灌浆料的力学及变形性能试验研究 J 工业建 筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 9 ) ： 8 2 8 4 1 5 - 汪秀石 ， 李树林 ， 吴元 豆石型灌浆料的力学及变形性能试验 研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 9 ) ： 8 2 8 4 1 6 吴元， 王凯， 杨晓婧， 等 水泥基灌浆料基本力学性能试验研究I - J 建筑结构 ， 2 0 1 4 ， 4 4 ( 1 9 ) ： 9 5 9 8 1 7 王立成 ， 邢立坤 ， 宋玉普 混凝土劈裂抗拉强度和弯曲抗压强 度尺寸效应的细观 数值分析 J 工程力学 ， 2 0 1 4 ， 3 1 ( 1 0 ) ： 6 97 6 1 8 苏捷 ， 方志 ， 杨钻 混凝土抗折强度尺寸效应的试验研究 J 工 业建筑， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 1 2 ) ： 6 2 6 6 1 9 - 韩宇栋， 张君 ， 王振波 粗骨料体积分数对混凝土弹模和 抗压 强度的影响 J 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 1 3 ， 4 5 ( 4 ) ： 8 4 9 1 第一作者 联 系地址 联 系电话 张磊( 1 9 8 3一) ， 男 ， 硕士研究生 ， 工程师， 主要从事结 构工程及材料研究。 北京市朝阳区北三环东路 3 0号 中国建筑科学研究院 主楼 1 8层( 1 0 o o 1 3 ) 01 0 6 4 51 7 2 8 7 ( 4 ) 在普通混凝土梁的斜截面承载力 的计算式基础上 考虑聚丙烯纤维的作用 ， 引入纤 维增强 系数和纤维特 征参 数 ， 得到 了聚丙烯纤维 的混凝 土梁斜 截面承载力计算 式 ， 计算式的计算值与试验实测值相 比较 ， 吻合 良好。 参考文献： 1 张宏战， 黄承逵， 张瑞瑾 钢纤维高强混凝土箍筋梁抗剪性能 试验 J 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 1 7 8 1 1 7 8 5 2 陈伟， 王钧 玄武岩纤维混凝土梁斜截面受剪试验 J 沈阳建 筑大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 l ， 3 8 ( 1 0 ) ： 6 7 4 6 7 8 3 王志钊 聚丙烯纤维混凝土综合性能试验研究 D 杭州 ： 浙江 大学， 2 0 0 4 4 张伟 聚丙烯纤维高强混凝土的力学性能试验研究 D 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 1 0 ， 5 5 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 6 姚振刚 ， 刘祖华 建筑结构试验 M 上海 ： 同济大学出版社 ， 1 9 9 6 7 欧阳煜， 张云超， 李翔 玄武岩纤维布加固钢筋混凝土梁抗剪 试验研究 J 工业建筑， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 1 ) ： 1 3 4 1 3 7 8 黄承逵 纤维混凝土结构 M 北京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 第一作者 ： 联 系地 址 ： 联 系 电话 张广泰( 1 9 6 3一 ) ， 男 ， 教授 ， 硕士生导师。 新疆乌鲁木齐市延安路 1 2 3 0号 新疆大学南校区建筑 工程学院( 8 3 0 0 4 7 ) 1 3 8 9 9 9l 8 6 92 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m