徐义洪
辽宁省交通高等专科学校，辽宁 110122
摘要：本文通过对钢纤维碱激发混凝土的材性试验和6根钢筋钢纤维碱激发混凝土梁的受弯性能试验，研究了钢纤维掺量对碱激发混凝土轴压强度、劈拉强度和三点弯曲断裂能的影响；以及对梁构件受弯承载力、变形能力、位移延性、跨中截面应变和破坏模式的变化规律。
关键词：钢纤维；碱激发混凝土；材料性能；弯曲性能；延性
1试验概况与方法
1.1配合比
本试验的碱激发混凝土原材料包括：天然河砂（粒径为1.25~5mm）；天然碎石（粒径为5~25mm）；自来水；氢氧化钠（纯度≥96%的分析纯固体）；硅酸钠溶液（浓度33%）；F级粉煤灰；高炉矿渣粉；端部弯钩型钢纤维（长度60mm、长径比80，抗拉强度约1100MPa）；钢纤维掺量分别为40、80kg/m（3对应体积掺量0.5%和1.0%）。
1.2材性试验方法
轴心抗压强度试验和弹性模量采用尺寸为100mm×100mm×300mm的棱柱体试块进行测定，劈拉强度试验采用尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试块测定；三点弯曲断裂试验采用尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体进行，在试件侧面跨中有宽度为2mm，深度为20mm的预置裂缝，以测试裂缝开口位移（CMOD），两支座间的距离为300mm，试验加载速度为0.2mm/min，采集荷载和试件挠度，同时采用夹式引伸计测量裂缝开口位移。
1.3配筋梁构件试验概况
弯曲性能试验梁尺寸为150mm×250mm×2000mm，剪跨段550mm。梁内所有钢筋均为变形钢筋HRB400；混凝土保护层厚度为25mm。通过静力加载方式对简支梁进行了四点弯曲直至破坏的试验，加载速度为6kN/min，荷载等级为每级20kN，接近开裂时改为每级10kN直至试验梁开裂，之后变为每级20kN直至破坏，每级持荷5min。测试内容包括：跨中及支座处竖向位移、纵筋应变及沿截面高度均匀分布混凝土应变、裂缝宽度和间距。试验参数为钢纤维掺量、纵筋配筋率。试件编号中AAC表示碱激发混凝土，14表示纵向受拉筋直径为14mm，05表示钢纤维体积掺量为0.5%（40kg/m3），其余试件以此类推。
2材性试验结果及分析
钢纤维掺量对轴压强度和弹性模量没有明显影响；下降段呈现出随着钢纤维掺量的增加，下降趋势变缓，混凝土轴压的脆性破坏变为延性破坏，曲线与横坐标包络面积增加，抗变形性能增强，掺加钢纤维使轴压强度提高了6.9%~10.3%。随钢纤维掺量的增大，极限荷载和极限变形均有相应的提高，应力-应变曲线下所包围的面积逐渐增大。钢纤维的加入可以有效地提高碱激发混凝土的抗拉强度，而且有效地改善了碱激发混凝土的劈拉变形性能和劈拉韧性。试件破坏后仍被钢纤维连接为一体；掺加钢纤维可以使碱激发混凝土的劈拉强度提高32.5%~53.4%。纤维使峰值后的曲线呈平缓下降的趋势，而不像无纤维混凝土近于直线下降。随着钢纤维掺量的增大，曲线的饱满程度显著提高，材料的脆性降低、延性增大。三点弯曲断裂试验结果表明：把钢纤维加入碱激发混凝土，发挥钢纤维对碱激发混凝土的阻裂、增强和增韧作用，是改善碱激发混凝土脆性的有效方法。
3配筋梁构件试验结果及分析
初裂前，试验梁处于弹性阶段，钢纤维的掺入使开裂荷载略为提高，开裂挠度略降低；开裂后，曲线斜率减小，梁的刚度降低，三维随机分布的钢纤维在混凝土开裂后能够跨越裂纹面，通过与混凝土基体的黏结锚固作用传递应力，提高了构件开裂截面的刚度，使荷载-跨中挠度曲线的斜率明显高于无纤维碱激发混凝土梁的斜率。纵筋屈服后，曲线近似水平发展，挠度快速增大，荷载增加的速度减缓，在钢纤维被拔出或拉断后，荷载快速降低后趋于平缓，裂缝继续扩展，更多的钢纤维发挥阻裂作用，在荷载-跨中挠度曲线上表现为下降后转平直段；之后钢纤维碱激发混凝土梁直至达到极限荷载后破坏。钢纤维的掺入可明显提高钢筋碱激发混凝土梁的抗弯承载力，尤其在配筋率较低（0.821%）的情况下，钢纤维的增强作用更明显。在配筋率为1.072%的条件下，钢纤维对碱激发混凝土梁抗弯承载力的增强作用减弱，因为相同掺量的钢纤维对试验梁抗弯承载力的贡献是相同的，而配筋率较高的普通碱激发混凝土梁抗弯承载力较高，钢纤维的作用变得不够明显，故随着配筋率的提高，钢纤维对试验梁抗弯承载力的提高作用减弱。对于钢纤维碱激发混凝土梁AAC14-05，受压区混凝土压碎但有着钢纤维桥联并没有剥落，主裂缝宽度与间距明显减小，裂缝扩展缓慢且大部分只达到中和轴位置即停止向上扩展，在主裂缝之间出现了宽度和高度较小的次裂缝，剪切斜裂缝也只扩展到中和轴位置，在纵筋附近未发现沿筋裂缝。对于梁AAC14-10，随着钢纤维掺量增加到1.0%，主裂缝数量宽度减小高度降低，没有出现沿筋裂缝和剪切斜裂缝，受压区混凝土压碎时呈现出延性破坏，说明掺入钢纤维可以延缓碱激发混凝土梁开裂，将弯剪破坏的钢筋碱激发混凝土梁破坏模式变为弯曲破坏，构件的韧性与延性受到了明显改善。
在混凝土开裂前，压缩和拉伸应变都保持在较小的值，因为碱激发混凝土梁处于弹性阶段，在此阶段钢筋和钢纤维碱激发混混凝土梁开裂后，开裂截面处发生应力重分布，原来由钢筋和受拉区混凝土共同承担的拉力转移给钢筋和横跨裂缝的钢纤维，钢筋应变迅速增大，但在相同荷载等级下，由于横跨裂缝钢纤维的桥联作用，钢纤维混凝土梁中纵筋应变要小于无纤维混凝土梁中纵筋应变，且钢纤维掺量越多，效果越明显。与无纤维碱激发混凝土梁相比，掺入0.5%的钢纤维可以使纵筋拉应变降低13.8%~16.3%，掺入1.0%的钢纤维可以使纵筋拉应变降低22.6%~24.4%；可见掺入钢纤维可以明显降低纵筋的应变，提高碱激发混凝土梁的受弯性能。无纤维碱激发混凝土梁的峰值压应变接近混凝土轴心受压的竖向应变，而含钢纤维的碱激发混凝土梁的峰值压应变则小于相应钢纤维掺量的碱激发混凝土轴心受压的竖向应变。表明钢筋钢纤维碱激发混凝土梁抵抗变形的能力好于无纤维钢筋碱激发混凝土梁。
4结论
（1）把钢纤维加入到碱激发混凝土中，可以发挥钢纤维对混凝土的阻裂、增强和增韧作用，可以有效改善碱激发混凝土的脆性。钢纤维对碱激发混凝土抗压强度和弹性模量影响不大，但对抗变形性能、抗拉强度和断裂能有较大的提升作用。
（2）钢纤维的掺入提高了碱激发混凝土梁的抗弯承载力和位移延性，钢纤维掺量为80kg/m3时，可提高抗弯承载力6.7%~18.2%，位移延性提高了35.8%~45.6%。纤维掺量相同时，在配筋率较低的试验梁中，钢纤维的作用更加明显。
（3）碱激发混凝土梁的荷载-挠度特性、开裂和破坏模式都类似于水泥混凝土梁，钢纤维可以减缓碱激发混凝土梁弯曲裂缝和剪切裂缝的扩展，与无纤维碱激发混凝土梁相比，钢纤维碱激发混凝土梁呈现出裂缝宽度变小、分布密，高度相对较小，裂缝条数增多的破坏特征。
（4）钢纤维掺量的增加明显地降低了同荷载级别下纵向钢筋应变，提高开裂截面的刚度，减小了各级荷载下梁的挠度变形，跨中截面混凝土应变分布依旧遵循平截面假定。
（5）根据试验值与规范预测值相比较，发现用于钢纤维水泥混凝土梁的设计计算式同样可以用于钢纤维碱激发混凝土梁，但设计计算式偏于保守安全，且低估了低掺量钢纤维碱激发混凝土对钢筋钢纤维碱激发混凝土梁抗弯承载力的贡献。
参考文献
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