玄武岩纤维筋透水混凝土梁抗弯性能试验研究*

张春东，于宝国，张鸿涛，李 想，姚 勇，陈代果,3

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213； 2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；3.中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽 合肥 230026)

0 引言

透水混凝土是海绵城市建设的主要材料，依靠其贯通孔隙结构实现透气、透水[1-2]。目前，透水混凝土广泛应用于市政道路铺装、停车场地坪、广场地面等工程中，取得了良好的生态、经济效益[3]。如果将透水混凝土作为主要材料用于河道边坡支护工程中[4]，一方面能够保证河道水陆生态系统交互界面通畅，使河道水体可在河流沿岸土壤中渗透循环；另一方面透水混凝土自身的多孔结构能够为水陆生态系统过渡带动植物和微生物提供栖息空间，且透水混凝土蜂窝状多孔结构能够过滤水中大颗粒悬浮物，使河道水体可通过物理过滤、微生物净化、植物吸收等多种途径得到净化。由此可见，透水混凝土在河道护坡工程中具有独特的生态价值与经济效益，可推广应用。

为保证良好的透气、透水性能，利用透水混凝土修筑护坡时，支护厚度不宜过大，宜采用薄壁式结构。为满足护坡工程承载力和变形要求，需在透水混凝土薄壁式构件中配置受力筋，使混凝土与受力筋协同工作。由于透水混凝土具有透气、透水功能，混凝土中的钢筋易锈蚀，降低了构件耐久性。玄武岩纤维筋依靠玄武岩纤维与合成基体材料，具有耐腐蚀性好、抗拉强度高等特点[5-6]，将其配置在透水混凝土结构中可有效解决钢筋锈蚀问题。为此，本文通过开展玄武岩纤维筋透水混凝土梁正截面抗弯性能试验研究，为透水混凝土新型生态护坡工程结构设计可行性分析提供依据，对玄武岩纤维筋透水混凝土梁式构件在实际工程中的应用提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料

自行制备透水混凝土[7]，原材料采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥、粒径5～10mm碎石、Sika聚羧酸减水剂、SR-02生态混凝土增强剂。透水混凝土立方体抗压强度为21.67MPa，弹性模量为31.3GPa，泊松比为0.28，线膨胀系数为7.636×10-6/℃。玄武岩纤维筋极限抗拉强度为1 001MPa，弹性模量为48GPa，极限拉应变为0.029εsu，线膨胀系数为10.04×10-6/℃。

1.2 试验梁设计

根据GB 50010—2010(2015年版)《混凝土结构设计规范》[8]有关规定，计算得到截面尺寸为300mm×150mm(高×宽)的玄武岩纤维筋透水混凝土梁最小配筋率为0.19%，最大配筋率为0.26%，可知最大配筋率较小，且与最小配筋率仅相差0.07%，表明玄武岩纤维筋透水混凝土梁设计中易出现超筋状态，即超筋状态成为其工作常态。这是由于玄武岩纤维筋弹性模量低，承受梁底拉应力时，拉应变增长迅速，梁变形大，易使受压区透水混凝土被压碎。为此，设计并制作6根试验梁，采用加密玄武岩纤维箍筋的方法提高梁斜截面承载力，试验梁长度均为3 000mm，跨度均为2 600mm，配筋如表1所示。

表1 试验梁配筋

1.3 试验梁制作

玄武岩纤维筋钢筋笼绑扎完成后，在纵向受拉钢筋跨中位置及左右各300mm处粘贴应变片，测量试验梁纯弯段纵向受拉钢筋拉应变随弯矩的变化情况。为保证应变片与玄武岩纤维筋有效黏结，使用凝胶将玄武岩纤维筋应变片粘贴位置修补为光滑的表面。为防止修补处凝胶对玄武岩纤维筋物理力学性能造成影响，并防止试验过程中玄武岩纤维筋与透水混凝土应变差对应变片造成损坏，应使凝胶覆盖厚度尽量小。将玄武岩纤维筋钢筋笼放入模具中，采用分层浇筑法[9]，将透水混凝土分3层浇入模具中，并利用振捣棒分层振捣密实。将梁表面抹平，覆盖防水布，24h后拆模并洒水养护。

1.4 加载方案与装置

试验梁均承受由分配钢梁施加的2个集中荷载作用，即三分点加载。分配钢梁所受集中荷载依靠顶部油压千斤顶手动逐级施加，如图1所示。当试验梁产生裂缝后，将加载梯度增至6kN；当试验梁接近破坏时，将加载梯度降至3kN[10]。每级荷载施加完成后，为方便记录试验数据并保证裂缝稳定，需持荷2min。

图1 加载装置示意

1.5 量测内容

1)量测试验梁跨中挠度，所用位移计布置如图1所示。

2)采用UCAM-60A型静态数据采集仪量测不同荷载条件下，试验梁跨中区域透水混凝土应变沿梁高变化情况，在试验梁侧面跨中正截面处平行粘贴5排间距为65mm的应变片，如图2所示。

图2 试验梁应变片布置示意

3)量测玄武岩纤维筋应变，应变片粘贴位置如图3所示。

图3 梁底纵筋应变片布置示意

4)通过读数显微镜量测试验梁受弯时裂缝宽度，进行加载试验前首先使用刷胶滚筒蘸取白色石灰浆，将试验梁侧面刷为白色，然后利用墨斗在试验梁两侧划分出边长50mm的正方形网格，以便清晰、快速观察裂缝发展情况。

5)量测试验梁开裂弯矩、极限承载力等。

2 试验结果与分析

2.1 平截面假定验证

根据加载过程中记录的各级荷载作用下应变片读数，计算得到典型试验梁正截面平均应变，如图4所示。由图4可知，试验梁受弯时正截面应变与梁高近似呈线性变化关系，表明平截面假定依然适用。随着荷载的逐渐增大，试验梁中性轴不断向梁顶方向移动，混凝土受压区高度不断减小，说明透水混凝土与玄武岩纤维筋黏结较好，可协同工作。

图4 典型试验梁跨中正截面平均应变沿梁高变化情况

2.2 配筋率对试验梁开裂弯矩的影响

玄武岩纤维筋应变突变时对应的弯矩即为开裂弯矩，L-1～L-6梁开裂弯矩实测值分别为4.2，4.2，4.9，4.9，4.2，4.9kN·m，可知增大纤维筋配筋率对提高试验梁开裂弯矩的作用不显著。这是因为第1条裂缝产生前，玄武岩纤维筋与透水混凝土黏结紧密、共同变形，此时玄武岩纤维筋拉应变与黏结处透水混凝土拉应变相等，由于玄武岩纤维筋弹性模量小，仅为普通热轧钢筋的1/4，在开裂前的微变形阶段，玄武岩纤维筋承担的拉力较小，对抑制初始裂缝的作用较小。

2.3 试验梁跨中挠度

试验梁荷载-跨中挠度曲线如图5所示。由图5可知，试验梁荷载-跨中挠度曲线无水平段和下降段，破坏前曲线斜率较大。由于试验梁底受拉产生裂缝后，受拉区透水混凝土退出工作，使试验梁截面刚度突然变小，且玄武岩纤维筋弹性模量小，使试验梁受弯开裂后刚度衰减程度较普通钢筋混凝土梁大。开裂后试验梁荷载-跨中挠度曲线近似为直线，这是由于玄武岩纤维筋材料特性不同于普通钢筋，从受拉直至破坏，其应力、应变呈正比线性关系，无如同普通钢筋一样的屈服平台。试验梁裂缝形成初期的延伸高度发展迅速，宽度也较大，而加载后期裂缝延伸高度发展缓慢，可知受压区压应力有效限制了裂缝高度的持续发展。受拉区退出工作的透水混凝土不断向中性轴移动，逐渐稳定在中性轴位置，使试验梁从开裂到破坏的过程中刚度变化较小。

图5 试验梁荷载-跨中挠度曲线

不同跨中挠度下试验梁弯矩如表2所示，表2中M表示破坏弯矩，yu表示承载力破坏时对应的跨中挠度，M1，M2，M3分别表示跨中挠度达L0/200，L0/150，L0/100时对应的弯矩，L0表示试验梁跨度。由表2可知，由于玄武岩纤维筋弹性模量小，使试验梁刚度较低。根据《混凝土结构设计规范》限定的梁式构件正常使用极限状态跨中挠度，可知试验梁抗弯性能仅发挥了32%～43%，具有较大的安全富余度。对梁式构件正常使用极限状态跨中挠度进行限定，主要是为了防止结构过大变形影响使用过程中的舒适性。由于玄武岩纤维筋透水混凝土梁式构件计划用于边坡支护结构中，并不用于房屋建筑、桥梁等人们直接使用的工程中，为提高结构设计经济性，建议将玄武岩纤维筋透水混凝土梁式构件正常使用极限状态跨中挠度限定条件调整为≤L0/100，可使构件抗弯性能发挥66%～89%，且不会造成支护结构存在倾覆的安全隐患。

表2 不同跨中挠度下试验梁弯矩

2.4 试验梁裂缝分布

试验梁受弯时裂缝发展与分布情况如图6所示。由图6可知，当试验梁配筋率增大时，裂缝数量增多，裂缝间距缩小，且出现树杈形裂缝，这是因为随着配筋率的增加，玄武岩纤维筋与透水混凝土的黏结力增强；配筋率较大的L-5，L-6梁，其靠近支座处的弯剪区域在加载后期出现弯剪裂缝，试验过程中发现斜向弯剪裂缝均由加载初期竖向弯拉裂缝倾斜发展而成。剪跨段数条弯剪裂缝中仅有1条裂缝宽度随着荷载的增加迅速增大，但当试验梁发生破坏时，弯剪主裂缝未跨越箍筋，各梁均未发生剪切破坏。

图6 试验梁裂缝开展情况

试验梁主裂缝平均宽度、最大裂缝宽度分别如图7，8所示。由图7，8可知，试验梁主裂缝平均宽度与承受的荷载并不是完全的线性增长关系，随着配筋率的增加，主裂缝平均宽度存在缩小现象，产生该现象原因是在原有裂缝附近产生了新裂缝，使原裂缝处玄武岩纤维筋与透水混凝土发生了应力重分布；在各级荷载作用下，多条弯拉主裂缝交替发展为最大宽度裂缝。总体上，试验梁主裂缝平均宽度、最大裂缝宽度随着荷载的增加而增大。

图7 试验梁主裂缝平均宽度

图8 试验梁最大裂缝宽度

综上所述，增大玄武岩纤维筋透水混凝土梁配筋率，可有效减小梁受弯时的裂缝间距、主裂缝平均宽度、最大裂缝宽度，可知增大配筋率对限制梁底裂缝开展具有重要作用。

最大裂缝宽度下超筋破坏试验梁弯矩如表3所示，表3中s表示最大裂缝宽度，Ma，Mb，Mc分别表示最大裂缝宽度达0.3，1.0，1.5mm时对应的弯矩。由表3可知，由于玄武岩纤维筋弹性模量小，使试验梁最大裂缝宽度较普通钢筋混凝土梁大。根据《混凝土结构设计规范》限定的梁式构件正常使用极限状态最大裂缝宽度，可知试验梁抗弯性能仅发挥了11%～17%，具有较大的安全富余度。对梁式构件正常使用极限状态最大裂缝宽度进行限定，主要是为了防止裂缝宽度过大暴露构件内部钢筋，从而造成钢筋锈蚀，降低构件耐久性。由于玄武岩纤维筋由玄武岩纤维和胶结材料构成，与空气和水接触后钢筋不被锈蚀，具有较好的耐久性。为提高结构设计合理性，建议将玄武岩纤维筋透水混凝土梁式构件正常使用极限状态最大裂缝宽度限定条件调整为≤1mm，可使构件抗弯性能发挥67%～95%，且不降低构件耐久性。

表3 最大裂缝宽度下试验梁弯矩

3 结语

1)玄武岩纤维筋透水混凝土梁界限配筋率低，与最小配筋率相差较小，所以超筋状态是其工作常态。超筋状态下梁跨中挠度可达L0/100以上，具有良好的变形能力，梁破坏具有明显预兆。

2)增大玄武岩纤维筋配筋率不能有效提高玄武岩纤维筋透水混凝土梁开裂弯矩，这是由于玄武岩纤维筋弹性模量小造成的。

3)玄武岩纤维筋透水混凝土梁抗弯刚度较低，裂缝发展较迅速，正常使用极限状态发生先于承载能力极限状态。因此，进行玄武岩纤维筋透水混凝土梁正截面抗弯承载力设计时，应优先以正常使用极限状态为设计准则。

4)为保证结构设计经济性与合理性，玄武岩纤维筋透水混凝土梁正常使用极限状态应调整为跨中挠度≤L0/100、最大裂缝宽度≤1mm。