钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能测试方法

摘要

本发明公开了一种钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能的测试方法，选用淤泥－污泥复合型高强粘土陶粒作为为基础原材料；向高强粘土陶粒中添加钢纤维，配制LC50的承重型钢纤维高强陶粒混凝土；制备钢纤维高强陶粒混凝土梁；分别对钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗弯性能与抗剪性能进行试验研究；研究随着钢纤维的变化，对高强陶粒混凝土梁弯剪性能增韧效果的影响，找出钢纤维掺入的最佳参数；研究钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能，探讨适用于钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯、抗剪承载力的计算公式。本发明有很强的工程实践意义，使高强陶粒混凝土具有更广泛的应用领域，为污泥、淤泥的无害化、经济化提供有效途径。

说明书

技术领域

本发明属于混凝土领域，尤其涉及一种钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪 性能测试方法。

背景技术

陶粒混凝土又称为轻骨料混凝土是指用轻粗骨料、轻砂或（普通砂）、 水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m³的混凝土。和普通混凝土 相比，陶粒混凝土具有保温、隔热、隔音性能好、无碱骨料反应危害等优点， 而且由于陶粒混凝土自重轻，弹性模量低，对冲击能量的吸收快，不容易遭 受外力的破坏，其在大跨桥梁结构、高层建筑和海事工程中具有广阔的应用 前景。同时它还是一种生态环保型建筑材料，随着可持续发展战略的贯彻实 施，它的这种优势显得更加突出。高强陶粒混凝土是指利用高强陶粒配置出 的密度等级为1600kg/m³-1950kg/m³，强度等级为LC30以上的结构用陶粒混 凝土。高强陶粒混凝土不仅具有陶粒混凝土的上述优点，而且与普通混凝土 具有相近的强度，因此，高强陶粒混凝土已大量应用在土木工程中的高层建 筑（52层的美国休斯顿贝壳广场大厦），大跨度结构（南京太阳宫广场顶部 8根跨度为8m的拱形肋梁），桥梁工程（挪威Boknasunde，tEidsvollSunduru 和Salhus等大桥）以及一些特殊工程（如海洋平台，软土地基上的建筑） 中，取得了很高的技术经济价值。

以美国为代表的北美地区、以挪威为代表的北欧地区以及亚洲的日本等 国是世界上陶粒混凝土研究与应用较为先进的国家和地区。在这些国家和地 区，高强度陶粒混凝土的研究与应用也走在世界的前列。国外近几年来对陶 粒的研究主要集中在两个方面：一是用新型陶粒制备陶粒混凝土，主要是制 备高强高性能的陶粒研究和利用工业或农业的废弃物(节能材料）制备陶粒 的研究；二是对各种自密实陶粒混凝土的力学性能和耐久性能进行研究。我 国近几年来对陶粒混凝土的性能也进行了较多的研究，如对高强陶粒混凝土 构件力学性能的研究，自密实轻骨料混凝土的性能研究及钢纤维陶粒混凝土 的基本力学性能的研究等。关于陶粒混凝土的技术标准主要有：JGJ51-2002 《轻骨料混凝土技术规程》及JGJ12-2006《轻骨料混凝土结构技术规程》等。 上世纪九十年代起，随着我国经济和高层建筑、节能建筑的快速发展，陶粒 及其混凝土制品以其综合优势步入了快速发展期。随着节能建筑的不断发 展，陶粒混凝土制品的市场需求会较快扩大，预计到2015年陶粒混凝土的 生产和应用会步入快速发展期。近年来，国内各地的超高层建筑、大跨度建 筑和大型桥梁工程等很多都采用了高强陶粒混凝土，技术和经济指标较佳， 高强陶粒混凝土的生产和应用也获得了较快发展。随着天然碎石资源短缺和 价格提高，高强陶粒混凝土的性能和经济优势会占领市场，应用范围和市场 需求会迅速扩大。

然而，随着陶粒混凝土强度的不断提高，陶粒混凝土本身的脆性问题也 愈加明显，其脆性的问题将使高强陶粒混凝土的优点不能够得到完全发挥， 限制了高强陶粒混凝土在土木工程领域的广泛应用。针对普通混凝土的大量 研究表明：钢纤维的掺入可以大大提高混凝土的韧性，显著改善混凝土的延 性，而这些正是高强陶粒混凝土迫切需要的。并且随着陶粒混凝土的广泛应 用，国内外学者对陶粒混凝土的研究已取得了大量丰富的成果，但是对钢纤 维高强陶粒混凝土的研究却比较少，本发明对钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯 剪性能展开试验研究，以填补国内长期以来在该方面的空白，为钢纤维高强 陶粒混凝土的工程应用提供技术支持。作为一种经济、环保、可持续发展的 新型材料，高强陶粒混凝土具有广阔的应用前景，但是要使高强陶粒混凝土 克服自身的脆性等弱点，使其具有更广泛的应用领域，有关掺加纤维等改性 高强陶粒混凝土及其构件的研究就显得非常重要。而且该技术的研究开发并 推广应用将促进泉州市陶粒及其混凝土和制品的生产和应用，为污泥、淤泥 的无害化、经济化处理提供有效途径，减轻结构自重，降低地基和基础处理 费用，增强结构抗震能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能的测 试方法，旨在解决现有的技术存在的随着陶粒混凝土强度的不断提高，陶粒 混凝土本身的脆性问题也愈加明显，其脆性的问题将使高强陶粒混凝土的优 点不能够得到完全发挥，限制了高强陶粒混凝土在土木工程领域的广泛应用 的问题。

本发明是这样实现的，一种钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能测试方 法，该方法包括：

步骤一：选用淤泥－污泥复合型高强粘土陶粒作为为基础原材料；

步骤二：向高强粘土陶粒中添加钢纤维，配制LC50的承重型钢纤维高 强陶粒混凝土；

步骤三：将配制好的钢纤维高强陶粒混凝土加入到模具中，制备钢纤维 高强陶粒混凝土梁；

步骤四：分别对钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗弯性能与抗剪性能进行试 验研究；

步骤五：研究随着钢纤维的变化，对高强陶粒混凝土梁弯剪性能增韧 效果的影响，找出钢纤维掺入的最佳参数；

步骤六：研究钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能，探讨适用于钢纤维 高强陶粒混凝土梁抗弯、抗剪承载力的计算公式。

进一步，试验采用华侨大学土木工程实验室多通道梁板伺服试验机进行 加载，试验机能同时实现力与位移双重控制，为了模拟简支梁的受力特性， 梁底采用两点支撑于支座上，支撑点位于梁两端的形式。试验所有的力、位 移和应变信号均通过DH3816采集完成。

进一步，抗剪抗弯实验是分析钢纤维体积率、钢纤维长径比、配箍率、 配筋率及剪跨比等试验参数，对钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能的影 响。

进一步，钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯性能试验研究的具体方法为：

(a)对9根不同钢纤维体积率、钢纤维长径比、配筋率的梁进行抗弯试 验，基于实验结果，分析各个参数对钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯性能的影 响；

(b)利用有限元软件ABAQUS，对钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗弯性能进 行非线性分析，并对计算结果与试验结果进行分析比较，以进一步研究钢纤 维高强陶粒混凝土梁的抗弯规律；

(c)在理论分析和试验资料的基础上，探讨适用于钢纤维高强陶粒混凝 土受弯梁裂缝宽度、承载力计算方法，并提出相关的设计建议。

进一步，钢纤维高强陶粒混凝土梁抗剪性能试验研究的具体方法为：

(a)对9根不同钢纤维体积率、剪跨比及配箍率的梁进行抗剪试验，研 究其斜裂缝的开裂和发展变化、箍筋的应力分布以及构件的破坏特征等规 律；

(b)利用有限元软件ABAQUS，对钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗剪性能进 行非线性分析，并对计算结果与试验结果进行分析比较，以进一步研究钢纤 维高强陶粒混凝土梁的抗剪规律；

(c)在理论分析和试验资料的基础上，探讨适用于钢纤维高强陶粒混凝 土梁抗剪承载力计算方法，并提出相关的设计建议。

进一步，钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯性能研究中，共制作9个矩形截 面试验梁，其中8个为高强陶粒混凝土梁，1个为同强度普通混凝土梁对比 件，混凝土强度等级为LC50，梁截面尺寸b*h=150mm*300mm，梁长2700mm； 本发明考虑影响抗弯性能的参数有：钢纤维体积率：0、0.5%、1.0%、1.5%； 纵筋配筋率：0.84%、1.15%、1.91%；钢纤维长径比：30、50。

进一步，钢纤维高强陶粒混凝土梁抗剪性能研究中，共制作9个矩形截 面试验梁，其中8个为高强陶粒混凝土梁，1个为同强度普通混凝土梁对比 件，陶粒混凝土强度等级为LC50，梁截面尺寸b*h=200mm*300mm，梁长 2400mm；本发明考虑影响抗剪强度的参数有：钢纤维体积率：0、0.5%、1.0%、 1.5%；剪跨比λ：1、1.5、2.0；配箍率：0.283%、0.189%、0.142%。

效果汇总：

本发明提供的钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能测试方法，有很强的 工程实践意义，其成果将为钢纤维在高强陶粒混凝土结构当中的工程应用提 供技术支持。并且本发明的研究从提高其韧性等性能入手，使高强陶粒混凝 土具有更广泛的应用领域，提高泉州市厂家在高层建筑、大跨度建筑、桥梁 工程等应用领域的竞争能力，以节能、抗震、经济等优势扩大并占领市场， 厂家还可以努力拓展海外市场。更重要的是，本发明的研究开发并推广应用 将促进我国陶粒及其混凝土制品的生产和应用，为污泥、淤泥的无害化、经 济化处理提供有效途径，减轻结构自重，降低地基和基础处理费用，增强结 构抗震能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能测试方 法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例提供的钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能测试方 法的流程图。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

结合附图1对本案例进行说明，本发明实施例公开了一种钢纤维高强陶 粒混凝土梁的弯剪性能测试方法，该方法包括：

S101：选用淤泥－污泥复合型高强粘土陶粒作为为基础原材料；

S102：向高强粘土陶粒中添加钢纤维，配制LC50的承重型钢纤维高强 陶粒混凝土；

S103：将配制好的钢纤维高强陶粒混凝土加入到模具中，制备钢纤维高 强陶粒混凝土梁；

S104：分别对钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗弯性能与抗剪性能进行试验 研究；

S105：研究随着钢纤维的变化，对高强陶粒混凝土梁弯剪性能增韧效 果的影响，找出钢纤维掺入的最佳参数；

S106：研究钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能，探讨适用于钢纤维高 强陶粒混凝土梁抗弯、抗剪承载力的计算公式。

作为本案例的一优化方案，试验采用华侨大学土木工程实验室多通道梁 板伺服试验机进行加载，试验机能同时实现力与位移双重控制，为了模拟简 支梁的受力特性，梁底采用两点支撑于支座上，支撑点位于梁两端的形式。 试验所有的力、位移和应变信号均通过DH3816采集完成。

作为本案例的一优化方案，抗剪抗弯实验是分析钢纤维体积率、钢纤维 长径比、配箍率、配筋率及剪跨比等试验参数，对钢纤维高强陶粒混凝土梁 的弯剪性能的影响。

作为本案例的一优化方案，钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯性能试验研究 的具体方法为：

(a)对9根不同钢纤维体积率、钢纤维长径比、配筋率的梁进行抗弯试 验，基于实验结果，分析各个参数对钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯性能的影 响；

(b)利用有限元软件ABAQUS，对钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗弯性能进 行非线性分析，并对计算结果与试验结果进行分析比较，以进一步研究钢纤 维高强陶粒混凝土梁的抗弯规律；

(c)在理论分析和试验资料的基础上，探讨适用于钢纤维高强陶粒混凝 土受弯梁裂缝宽度、承载力计算方法，并提出相关的设计建议。

作为本案例的一优化方案，钢纤维高强陶粒混凝土梁抗剪性能试验研究 的具体方法为：

(a)对9根不同钢纤维体积率、剪跨比及配箍率的梁进行抗剪试验，研 究其斜裂缝的开裂和发展变化、箍筋的应力分布以及构件的破坏特征等规 律；

(b)利用有限元软件ABAQUS，对钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗剪性能进 行非线性分析，并对计算结果与试验结果进行分析比较，以进一步研究钢纤 维高强陶粒混凝土梁的抗剪规律；

(c)在理论分析和试验资料的基础上，探讨适用于钢纤维高强陶粒混凝 土梁抗剪承载力计算方法，并提出相关的设计建议。

作为本案例的一优化方案，钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯性能研究中， 共制作9个矩形截面试验梁，其中8个为高强陶粒混凝土梁，1个为同强度 普通混凝土梁对比件，混凝土强度等级为LC50，梁截面尺寸 b*h=150mm*300mm，梁长2700mm；本发明考虑影响抗弯性能的参数有：钢纤 维体积率：0、0.5%、1.0%、1.5%；纵筋配筋率：0.84%、1.15%、1.91%；钢 纤维长径比：30、50。

作为本案例的一优化方案，钢纤维高强陶粒混凝土梁抗剪性能研究中， 共制作9个矩形截面试验梁，其中8个为高强陶粒混凝土梁，1个为同强度 普通混凝土梁对比件，陶粒混凝土强度等级为LC50，梁截面尺寸 b*h=200mm*300mm，梁长2400mm；本发明考虑影响抗剪强度的参数有：钢纤 维体积率：0、0.5%、1.0%、1.5%；剪跨比λ：1、1.5、2.0；配箍率：0.283%、 0.189%、0.142%。

一种钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能测试方法，钢纤维高强陶粒混 凝土梁抗弯性能试验研究，本研究拟采用室内试验、理论分析、数值模拟等 手段综合展开。基于实验结果，全面研究钢纤维体积率、钢纤维长径比、配 筋率等参数，对钢纤维高强陶粒混凝土抗弯梁的破坏模式、受弯承载力、混 凝土应变变化规律、荷载-挠度变化关系及裂缝开展规律的影响。并应用有 限元软件ABAQUS进行数值模拟工作。在理论分析和试验资料的基础上，探 讨适用于钢纤维高强陶粒混凝土受弯梁裂缝宽度、承载力的计算方法及公 式。

钢纤维高强陶粒混凝土梁抗剪性能试验研究，本研究拟采用室内试验、 理论分析、数值模拟等手段综合展开。基于实验结果，全面研究钢纤维体积 率、剪跨比、配箍率等参数，对钢纤维高强陶粒混凝土抗剪梁的破坏模式、 抗剪承载力、混凝土应变变化规律、荷载—挠度变化关系及裂缝开展规律的 影响，并应用有限元软件ABAQUS进行数值模拟工作。在理论分析和试验资 料的基础上，探讨适用于钢纤维高强陶粒混凝土抗剪梁裂缝宽度、承载力的 计算方法及公式。

工作原理：

本发明提供了一种钢纤维高强陶粒混凝土梁的弯剪性能测试方法，该研 究方法的步骤包括：钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯性能试验研究：对9根不 同钢纤维体积率、钢纤维长径比、配筋率的梁进行抗弯试验，基于实验结果， 分析各个参数对钢纤维高强陶粒混凝土梁抗弯性能的影响；利用有限元软件 ABAQUS，对钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗弯性能进行非线性分析，并对计算 结果与试验结果进行分析比较，以进一步研究钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗 弯规律；在理论分析和试验资料的基础上，探讨适用于钢纤维高强陶粒混凝 土受弯梁裂缝宽度、承载力计算方法；钢纤维高强陶粒混凝土梁抗剪性能试 验研究：对9根不同钢纤维体积率、钢纤维剪跨、配箍率的梁进行抗剪试验， 研究其斜裂缝的开裂和发展变化、箍筋的应力分布以及构件的破坏特征等规 律：利用有限元软件ABAQUS，对钢纤维高强陶粒混凝土梁的抗剪性能进行非 线性分析，并对计算结果与试验结果进行分析比较，以进一步研究钢纤维高 强陶粒混凝土梁的抗剪规律；在理论分析和试验资料的基础上，探讨适用于 钢纤维高强陶粒混凝土梁抗剪承载力计算方法。本发明提供的钢纤维高强陶 粒混凝土梁的弯剪性能的测试方法，有很强的工程实践意义，其成果将为钢 纤维在高强陶粒混凝土结构当中的工程应用提供技术支持。并且本发明的研 究从提高其韧性等性能入手，使高强陶粒混凝土具有更广泛的应用领域，提 高泉州市厂家在高层建筑、大跨度建筑、桥梁工程等应用领域的竞争能力， 以节能、抗震、经济等优势扩大并占领市场，厂家还可以努力拓展海外市场。 更重要的是，本发明的研究开发并推广应用将促进我国陶粒及其混凝土制品 的生产和应用，为污泥、淤泥的无害化、经济化处理提供有效途径，减轻结 构自重，降低地基和基础处理费用，增强结构抗震能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。