混凝土等级和剪缝间距对肯纳夫纤维增强混凝土梁柱接头抗剪性能的影响

时间：2026年1月1日

来源：Next Research

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剑麻纤维混凝土梁柱节点抗剪性能研究，采用G25和G40混凝土，四种剪切间距（100-175mm），添加0.75%剑麻纤维补偿剪切不足。结果表明纤维不影响坍落度和抗压强度，但提升抗拉（32%）和抗弯（18.42%-19.51%）强度，并改善裂缝特征与极限荷载。G40混凝土配合125-150mm间距时抗剪性能最佳，挠度减少30.6%-4.09%，极限荷载提升10.52%-15.78%。该研究为可持续建筑材料提供新思路。

Ige Samuel Ayeni|Yatim Mohamad Jamaludin|Nor Hasanah Binti Abdul Shukor Lim

马来西亚吉隆坡斯古代乌特姆大学（UTM）土木工程学院，邮编81300

摘要

本研究探讨了在不同荷载条件下，混凝土等级和剪切加固方式对添加 kenaf 纤维的梁柱接头剪切性能的影响。由于天然纤维具有经济性、可持续性以及改善开裂后行为的潜力，其在结构混凝土中的应用受到了广泛关注。本实验使用了 25 级和 40 级混凝土，并设置了四种不同的剪切间距。每种混凝土等级制备了四个梁柱接头样本：对照样本的剪切加固间距为 100 毫米，其他样本的剪切加固间距分别增加了 25%、50% 和 75%。为了弥补剪切加固的不足，向梁柱接头中添加了长度为 25 毫米、体积占比为 0.75% 的 kenaf 纤维，且添加比例分别为 25%、50% 和 75%。研究考察了接头的开裂特征，如裂缝长度、类型、角度、裂缝密度、裂缝间距以及破坏载荷和变形性能。同时，还测定了两种混凝土等级的普通混凝土和 kenaf 纤维增强混凝土的力学性能、坍落度值，并进行了扫描电子显微镜（SEM）分析。测试结果表明，添加 kenaf 纤维并未改善混凝土的坍落度值或抗压强度，但确实达到了设计的混凝土强度要求。然而，添加 kenaf 纤维后，40 级和 25 级混凝土的抗拉劈裂强度分别提高了 32% 和 18.42%，抗弯强度分别提高了 12.38% 和 19.51%。SEM 图像显示 kenaf 纤维在混凝土中起到了桥接作用。当混凝土等级从 25 级提升到 40 级时，变形减少了 39.41%。此外，当剪切间距从 25% 增加到 50% 时，25 级和 40 级混凝土的变形分别减少了 30.6% 和 4.09%；而破坏载荷则增加了 15.78% 和 10.52%。最佳剪切性能出现在使用较高等级混凝土（G40）、kenaf 纤维以及较大剪切间距（125 毫米和 150 毫米）的组合中。这些发现为未来绿色建筑材料的开发提供了依据，有助于推动经济高效且环保的结构应用。

引言

建筑行业正朝着更加环保和可持续的方向发展。在这方面，天然纤维增强混凝土已成为传统钢筋的可行替代品，既能降低建筑的碳足迹，又能提高混凝土构件的结构完整性 [30]。Kenaf 纤维来自 Kenaf 植物（Hibiscus cannabinus），因其出色的刚性、抗冲击性、柔韧性、弹性模量、可生物降解性、易于获取、低成本、可再生性、低密度、对机械磨损的耐受性以及吸收二氧化碳（CO₂）的能力而受到关注 [26,39]。多项研究表明，在混凝土或钢筋混凝土混合物中使用 kenaf 纤维可以提高结构性能 [62]。通过使用碱性处理，可以进一步改善其在混凝土中的性能 [30,41]。然而，如果选择不当，纤维的长度、直径、长径比和体积等因素可能会对混凝土性能产生不利影响 [17]。Syed 等人 [64] 认为 kenaf 纤维可以将板的破坏模式从脆性转变为韧性。Guo 等人 [31] 发现 kenaf 纤维可以防止水泥浆体的收缩问题。Fook 和 Yatim [27] 提出，当使用长度为 25 毫米、体积占比为 0.75% 的 kenaf 纤维时，其性能最佳。Azimi 等人 [13] 结论指出，添加 kenaf 纤维后，梁的抗弯强度、延展性、承载能力和抗剪强度均得到提升。当 kenaf 纤维与其他纤维（如剑麻纤维、芦荟纤维、香蕉纤维、钢纤维、黄麻纤维、电子玻璃纤维和玻璃纤维）混合使用时，其在混凝土中的效果更为显著 [14,21,47,51,60,61]。

钢筋混凝土结构中梁柱接头的关键要素对于确保结构完整性和安全性至关重要。这些接头容易发生剪切相关失效，因为它们承受着复杂的荷载，如弯矩、轴向力和剪切力 [2,63]。它们是连接梁和柱的关键部件，使结构具备应对各种应力（包括横向和纵向应力）的能力 [49]。在结构工程中，梁柱接头的剪切性能一直是研究的重点 [16]。因此，研究人员和工程师对这些问题进行了深入研究，并制定了设计规范和标准，以提高梁柱接头的抗剪性能 [43]。例如 ACI318R（2014）、Eurocode 2（2005）、Eurocode 8（2004）和 ACI 318（2019）等规范要求梁柱接头必须满足“强柱弱梁”的设计原则。建议在关键区域和接头处采用密集的剪切加固，以防止脆性破坏，并提高接头的延展性、抗剪强度和承载能力。然而，这种设计要求导致接头处钢筋过于密集，从而影响混凝土的密实度，进而影响接头的剪切性能。此外，接头几何形状、钢筋细节、材料质量和荷载类型等多种因素也会影响梁柱接头的剪切性能 [15,37,42,50]。

此外，研究人员在接头区域或整个梁柱结构中添加了纤维。通过增加剪切加固的数量和改善混凝土的密实度，可以防止接头剪切失效。尽管纤维在接头处的性能取决于其类型、长度和体积，但这一方法确实提高了接头的抗剪强度 [1]。Mukherjee 和 Joshi [45] 研究了循环荷载下纤维增强混凝土中梁柱接头的行为，使用了碳纤维和玻璃纤维。结果表明，这两种纤维都有助于钢筋混凝土的抗震加固和接头修复。无论加固细节和损伤程度如何，接头的强度和屈服载荷都有所提高，其中碳纤维的表现优于玻璃纤维。Röhm 等人 [57] 还研究了钢纤维增强梁柱子组件在循环反向荷载下的行为，使用了末端带钩的钢纤维（长度分别为 30 毫米和 50 毫米，体积占比为 1%）和末端直的钢纤维（长度为 13 毫米，体积占比为 0.5%），发现钢纤维增强了接头的刚性。研究表明，所有含钢纤维的试样在延展性方面均优于 Eurocode 规范的要求，并解决了接头处钢筋过于密集的问题。

Hooda 等人 [33] 对外部梁柱接头进行了结构性能的实验研究，使用了不同比例的钢纤维（0.5%、1.0% 和 1.5%）。实验表明，添加钢纤维可以提高梁柱接头的结构性能，表现为接头刚度、承载能力、裂缝宽度、变形和曲率延展性的提升。研究还发现，适当增加剪切加固间距不会影响接头性能，且钢纤维增强混凝土可用于接头区域以减少钢筋过度密集的问题。Ganesan 等人 [28] 研究了混合纤维增强混凝土梁柱接头在循环反向荷载下的行为，使用了聚丙烯纤维和钢纤维，发现混合纤维可以提高接头的延展性和首次断裂载荷。混合纤维的比例为 1% 的钢纤维与 0.15% 的聚丙烯纤维时效果最佳。报告指出，长纤维容易产生球化现象，而短纤维则较少出现这种情况。此外，Hanif 和 Kanakubo [32] 研究了纤维增强水泥基复合材料中梁柱接头的剪切性能，发现纤维体积和类型对接头砂浆基质有显著影响。

最后，混凝土等级和剪切加固间距是影响梁柱接头剪切性能的两个重要因素。优化剪切间距可以提高约束效果和荷载传递能力，降低接头脆性失效的风险；较高等级的混凝土通常具有更好的抗压和抗剪性能。因此，将 kenaf 纤维添加到不同等级的混凝土中，并结合适当的剪切加固措施，可以提升接头的抗剪强度、刚度保持能力和整体韧性。本研究旨在探讨混凝土等级和剪切间距对 kenaf 纤维增强混凝土梁柱接头剪切性能的影响，以满足对可持续建筑材料和结构完整性的需求，并提高接头在单调荷载下的剪切性能。评估内容包括裂缝特征和其他基本剪切性能参数的分析。选择外部接头作为研究对象，是因为它在失效过程中受影响最大 [7,23,34,44,52]。评估 kenaf 纤维增强混凝土改善关键结构部件剪切性能的潜力，以及减少对不可再生和高能耗材料的依赖，对于推动环保建筑实践具有重要意义。研究结果将为未来设计规范和法规提供有益的参考，促进更加环保和结构合理的建筑方式。

研究方法

实验中使用了来自同一供应商的 ASTM Type I 级水泥。粗骨料采用碎花岗岩，最大粒径为 10 毫米；细骨料使用天然河砂。在饱和干燥状态下进行骨料配比。图 1 和图 2 展示了细骨料和粗骨料的粒径分布。实验过程中使用便携式自来水进行混合等操作。所用钢材的直径分别为 16 毫米和 8 毫米。

梁柱接头的裂缝特征

测试中考察了梁柱接头的以下裂缝特征：平均裂缝长度、裂缝类型、裂缝角度、裂缝间距以及破坏载荷。A1、A2、A3 和 A4 分别代表使用 25 级混凝土制成的梁柱接头。对照样本（A1）的剪切间距为 100 毫米；A2、A3 和 A4 的剪切间距分别为 125 毫米（增加 25%）、150 毫米（增加 50%）和 175 毫米（增加 75%）。

结论

综上所述，通过实验研究混凝土等级和剪切间距对添加 kenaf 纤维的梁柱接头剪切性能的影响，获得了有关利用天然纤维提高混凝土构件结构完整性的重要信息。根据研究结果得出以下结论：

与低等级混凝土（G25）相比，高等级混凝土（G40）

作者贡献

本研究由 Ige Samuel Ayeni、Yatim Mohamad Jamaludin 和 Nor Hasanah Binti Abdul Shukor Lim 共同构思，并负责数据收集、分析和编辑。所有作者都对文章初稿提出了反馈意见。Ige Samuel Ayeni 撰写了初稿，最终稿件得到了所有作者的审阅和认可。

未引用参考文献

[9,10,[18], [19], [20]

作者贡献声明

Ige Samuel Ayeni：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法设计、数据分析、概念构思。Yatim Mohamad Jamaludin：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目监督、概念构思。Nor Hasanah Binti Abdul Shukor Lim：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目监督。