屈少欽, 張 陽(yáng), 盧九章, 霍文斌

(1. 湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 北京市政路橋管理養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100097；3.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)作為21世紀(jì)最具有發(fā)展前景的水泥基材料，具有超高的抗壓強(qiáng)度(大于150 MPa)，以及優(yōu)越的抗拉性能和韌性。UHPC的抗拉性能很大程度上取決于摻入其中的隨機(jī)分布的非連續(xù)短切纖維，大量的研究證明了纖維特性對(duì)UHPC抗拉性能的影響顯著，例如纖維的材質(zhì)、幾何尺寸、形狀、摻量等等[1-3]。

基于微觀力學(xué)的觀點(diǎn)，UHPC在受拉過(guò)程中會(huì)形成多條裂縫，而裂縫處分布著的許多穿過(guò)裂縫的纖維則起到了橋聯(lián)和傳遞拉應(yīng)力的重要作用[4]；隨著裂縫的逐漸擴(kuò)展和裂縫寬度的增大，裂縫處的纖維會(huì)逐漸從UHPC基體中被拔出，而纖維的承載力隨著纖維的滑移不斷變化。影響這一過(guò)程的主要內(nèi)因是纖維-基體界面的剪切應(yīng)力傳遞機(jī)制[5]。纖維-基體界面的粘接性能是影響界面剪切應(yīng)力傳遞機(jī)制的主要因素之一。

現(xiàn)有研究正嘗試通過(guò)改善纖維-基體界面粘接性能來(lái)改善UHPC的力學(xué)性能。一方面研究發(fā)現(xiàn)基體特性(如基體的抗壓強(qiáng)度[5])對(duì)纖維-基體界面粘接性能的影響，另一方面部分學(xué)者也采用化學(xué)處理鋼纖維的方式來(lái)改善纖維-基體的界面粘接性能。SOULIOTI[6]研究了單根磷酸鋅改性鋼纖維從水泥基材料中拔出的力學(xué)性能，并發(fā)現(xiàn)磷酸鋅對(duì)直鋼纖維的拉拔性能影響顯著，處理后的鋼纖維表面變得更加粗糙,使得纖維-基體界面的粘接變得更加牢固。國(guó)內(nèi)學(xué)者季韜[7]同樣主導(dǎo)了一系列單纖維拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證了磷酸鋅能夠增強(qiáng)鋼纖維與UHPC基體間的化學(xué)粘接力和靜摩檫力，從而提高鋼纖維在UHPC中的平均粘接強(qiáng)度和拔出功。

盡管現(xiàn)有研究表明磷酸鋅處理能夠改善鋼纖維與基體之間的粘接性能，但是關(guān)于磷酸鋅改性鋼纖維對(duì)UHPC的抗拉性能的影響還沒(méi)有被探討，因此本文將通過(guò)一組UHPC試件的直拉試驗(yàn)來(lái)分析討論磷酸鋅對(duì)UHPC抗拉性能的影響，并進(jìn)一步研究配筋磷酸鋅改性鋼纖維UHPC的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)概述

1.1 磷酸鋅改性鋼纖維制備過(guò)程

磷酸鋅改性鋼纖維需的改性試劑[6,8]的成分質(zhì)量占比如下：磷酸鋅0.46%，H3PO4溶液0.91%，水98.63%，其中磷酸鋅為粉末狀固體，化學(xué)式為Zn3(PO4)2·2H2O，H3PO4溶液的磷酸濃度為85%。

制備的基本原理是通過(guò)“溶解-再結(jié)晶”過(guò)程將磷酸鋅轉(zhuǎn)移至鋼纖維表面形成磷酸鋅保護(hù)層，制備改性鋼纖維的基本過(guò)程見(jiàn)圖1，并大致可以分為以下幾個(gè)步驟：首先，將按照配重計(jì)算得到的所需水量加入恒溫水浴鍋中，然后將水加熱至85 ℃并保持恒溫；恒溫狀態(tài)下，適量的二水磷酸鋅固體粉末置于水浴鍋底部，同時(shí)加入適量的H3PO4溶液，配制好改性試劑；將待改性的鋼纖維置于紗布中以方便移動(dòng)并防止被磷酸鋅粉末污染，紗布包裹的鋼纖維置入改性試劑中，放置10 min左右取出；取出的鋼纖維處于濕潤(rùn)狀態(tài)，需要放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中在150℃下放置15min左右，以保證鋼纖維變得完全干燥。按照上述步驟可以制備出磷酸鋅改性鋼纖維。

圖1 磷酸鋅改性鋼纖維制備過(guò)程圖示

1.2 原材料及配合比

試驗(yàn)用UHPC的基體配合比如1.1所示，其中水泥型號(hào)為P.O 52.5，石英砂顆粒尺寸范圍為0.9～2.0 mm，硅微灰的相對(duì)密度為2.626 g /cm3，及其平均顆粒尺寸為50.1 μm，減水劑型號(hào)為聚羧酸高效減水劑(HRWRA)。另外，2種鋼纖維加入到UHPC中，其幾何特性和相關(guān)參數(shù)如表1和圖2所示。其中端鉤鋼纖維的體積摻量為2%，直鋼纖維的體積摻量為1%。

表1 UHPC基體配合比Table 1 Mix proportion of UHPC matrix成分配比(質(zhì)量/水泥質(zhì)量)P.O 52.5水泥1.0石英砂(0.9～2.0 mm)1.1硅微灰(50.1 μm)0.2硅灰0.2粉煤灰0.1聚羧酸減水劑(HRWRA)0.015水0.18

表2 鋼纖維參數(shù)Table 2 Parameters of steel fiber形狀長(zhǎng)度/mm直徑/mm密度/(g·cm-3)抗拉強(qiáng)度/MPa端鉤鋼纖維130.27.82 000直鋼纖維80.1157.83 000

圖2 鋼纖維的幾何形狀及尺寸

試驗(yàn)中試件采用的縱向配筋為熱軋帶肋鋼筋，強(qiáng)度等級(jí)為HRB400，直徑為Φ8。

1.3 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)需要驗(yàn)證磷酸鋅對(duì)UHPC、配筋UHPC抗拉性能的影響，因此設(shè)計(jì)了4組對(duì)照直拉試件如表3所示，其中US、TS分別表示普通鋼纖維和纖維改性鋼纖維，PU、RU分別表示素UHPC和配筋UHPC。直拉試件的的幾何尺寸和配筋如圖3所示，試件形式呈狗骨頭型，其中部較窄的區(qū)域?yàn)闇y(cè)量段，測(cè)量段的橫截面積為100 mm×50 mm；US-RU、TS-RU的中部設(shè)置了相同配筋，圖示①號(hào)筋為縱向鋼筋，是主要的承載鋼筋，而②號(hào)筋和③號(hào)筋分別是試件端部的箍筋和架立鋼筋，其主要作用是防止試件端部在加載過(guò)程中出現(xiàn)混凝土壓碎破壞情況而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，同時(shí)也起到了為縱向鋼筋定位的作用。

表3 試件及其參數(shù)Table 3 Specimen and its parameters編號(hào)纖維改性配筋縱向配筋率/%US-PU———TS-PU磷酸鋅——US-RU—3Φ83.02TS-RU磷酸鋅3Φ83.02注:—表示未改性或者未配筋,每組試件包含3個(gè)相同的試件。

圖3 直拉試件幾何尺寸和配筋(單位：mm)

澆筑完成的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室下養(yǎng)護(hù)48 h后拆模，拆模后試件繼續(xù)放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室下養(yǎng)護(hù)至齡期28 d。

1.4 加載裝置及制度

圖4展示了軸拉試驗(yàn)裝置的基本組成。加載時(shí)，軸拉試件兩端被活動(dòng)夾具所固定，并通過(guò)變截面段的圓弧面受壓區(qū)傳遞拉力荷載；為了保證試件只受到軸向拉力作用，活動(dòng)夾具沿受拉軸方向通過(guò)萬(wàn)向球鉸與伺服拉力試驗(yàn)機(jī)連接。2支雙懸臂鉗式引伸計(jì)固定在試件兩側(cè)測(cè)量軸拉變形，實(shí)際測(cè)量標(biāo)段長(zhǎng)度為150 mm，引伸計(jì)位移數(shù)據(jù)和荷載數(shù)據(jù)均通過(guò)同一套閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)同步實(shí)時(shí)記錄。直拉試驗(yàn)采用位移控制加載，加載速率為100 με/min。加載過(guò)程中同時(shí)采用裂縫寬度儀測(cè)量關(guān)鍵時(shí)刻的裂縫寬度。

圖4 加載裝置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 磷酸鋅改性對(duì)UHPC抗拉性能的影響

磷酸鋅改性前后的UHPC直拉試件的荷載/拉應(yīng)力-位移/名義應(yīng)變曲線如圖5、圖6所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。表中數(shù)據(jù)顯示，在極限荷載下，TS-PU 相較于US-PU抗拉強(qiáng)度提升了18.4%，位移量提升了113.1%。這說(shuō)明磷酸鋅改性后的UHPC的抗拉強(qiáng)度和延性均得到了明顯提升，但是表中數(shù)據(jù)也表明兩種UHPC的初裂強(qiáng)度和主裂縫寬度則無(wú)明顯變化，這說(shuō)明磷酸鋅對(duì)UHPC的開(kāi)裂性能的影響可以忽略不計(jì)。

(a) US-PU

圖6 UHPC試件荷載/拉應(yīng)力-位移/名義應(yīng)變均值曲線

表4 UHPC受拉性能Table 4 Tensile performance of UHPC試件初裂強(qiáng)度均值/MPa極限抗拉強(qiáng)度均值/MPa位移/mm主裂縫寬度/mmUS-PU8.999.880.1300.05TS-PU8.9511.700.2770.06

同樣，UHPC的本構(gòu)曲線也能得到類(lèi)似的結(jié)果。當(dāng)UHPC試件未開(kāi)裂時(shí)，2種UHPC的荷載及位移曲線基本保持一致，且都表現(xiàn)為線性關(guān)系，說(shuō)明試件開(kāi)裂前的抗拉性能和開(kāi)裂強(qiáng)度基本不受磷酸鋅影響。而當(dāng)UHPC開(kāi)裂后，兩者均進(jìn)入了應(yīng)變硬化階段，不同的是US-PU的應(yīng)變硬化段較短，強(qiáng)度值的提升也較小，約等于0.89 MPa；而TS-PU的應(yīng)變硬化段則更加明顯，該階段的強(qiáng)度和位移的提升均明顯大于US-PU，強(qiáng)度提升了2.75 MPa，遠(yuǎn)大于US-PU應(yīng)變階段的強(qiáng)度提升。

上述現(xiàn)象可以用微觀力學(xué)的觀點(diǎn)進(jìn)行解釋。當(dāng)UHPC未開(kāi)裂時(shí)，其受拉性能只和其基本物質(zhì)組成，及物質(zhì)之間的微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)，而磷酸鋅改性鋼纖維摻入到UHPC中相較于普通鋼纖維摻入到UHPC中，只是在鋼纖維與基體的界面之間增加了一層特殊的磷酸鋅過(guò)渡層，也就是只有這部分的微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了變化。根據(jù)磷酸鋅改性鋼纖維的過(guò)程可知，這層磷酸鋅保護(hù)層的厚度很小，只占了鋼纖維總體積的很小一部分，而鋼纖維只占了UHPC總體積的3%左右，因此UHPC中磷酸鋅過(guò)渡層的占比很小，過(guò)渡層微觀結(jié)構(gòu)的變化對(duì)UHPC整體的力學(xué)性能影響也很小。

現(xiàn)有研究[6-7]表明，磷酸鋅對(duì)纖維-基體界面的影響會(huì)導(dǎo)致鋼纖維從基體中拔出時(shí)的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著變化。當(dāng)UHPC開(kāi)裂后，磷酸鋅對(duì)UHPC抗拉性能的影響才開(kāi)始顯露出來(lái)，使得2種UHPC的應(yīng)變硬化的本構(gòu)曲線表現(xiàn)出顯著的差異。而該試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了通過(guò)磷酸鋅改性鋼纖維不僅能夠改善單纖維的拉拔性能，而且還會(huì)進(jìn)一步提升UHPC的宏觀抗拉性能。

2.2 磷酸鋅改性對(duì)配筋UHPC抗拉性能的影響

2組配筋UHPC的直拉試驗(yàn)荷載/拉應(yīng)力-位移/名義應(yīng)變均值曲線如圖7所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，磷酸鋅改性能夠有效提升配筋UHPC的初裂強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，TS-RU相較于US-RU初裂強(qiáng)度增加16%，極限抗拉強(qiáng)度增加6%。與素UHPC不同的是，配筋UHPC的初裂強(qiáng)度更低，這可能是配筋導(dǎo)致UHPC內(nèi)部的缺陷增加所致，而試驗(yàn)結(jié)果則證明磷酸鋅改性能夠減小配筋導(dǎo)致初裂荷載下降的幅度。

圖7 配筋UHPC試件荷載/拉應(yīng)力-位移/名義應(yīng)變均值曲線

表5 配筋UHPC受拉性能Table 5 Tensile performance of reinforced UHPC試件開(kāi)裂強(qiáng)度/MPa極限抗拉強(qiáng)度/MPa① US-RU6.8921.33② TS-RU7.9722.68② / ①1.161.06

2組試件的均值本構(gòu)曲線有比較明顯的分段現(xiàn)象，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和曲線的特點(diǎn)可以分為5段。第I段是配筋UHPC表明尚未開(kāi)裂的階段，該階段試件的剛度最大，其本構(gòu)曲線表現(xiàn)出線彈性的特點(diǎn)，可以認(rèn)為該階段配筋UHPC處在完全彈性階段。第II階段是配筋UHPC開(kāi)裂后，試件的承載仍然隨著荷載的增加而明顯提升，與第I段不同的是該階段配筋UHPC的剛度明顯減小。第III階段是配筋UHPC軟化的初始階段，該階段配筋UHPC的荷載下降速度還相對(duì)較慢，顯然該階段UHPC也已經(jīng)進(jìn)入了軟化階段。第II階段和第III階段是2組試件本構(gòu)曲線差異最明顯的2個(gè)階段，反映了磷酸鋅對(duì)UHPC材料抗拉性能造成的差異。

當(dāng)位移達(dá)到K點(diǎn)時(shí)，本構(gòu)曲線并進(jìn)入了第IV階段，該階段的荷載下架速率明顯加快，K點(diǎn)形成了一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，但是素UHPC軟化時(shí)并不存在這么一個(gè)拐點(diǎn)，據(jù)推斷這可能是鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度的一個(gè)標(biāo)志，當(dāng)鋼筋未達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，鋼筋強(qiáng)度的提升會(huì)減小配筋UHPC因UHPC進(jìn)入軟化階段帶來(lái)整體荷載的下降，而當(dāng)鋼筋達(dá)到最大值后，鋼筋無(wú)法繼續(xù)提供更大的承載能力而導(dǎo)致該階段的荷載下降更快，因此在K點(diǎn)形成了一個(gè)顯著的拐點(diǎn)。當(dāng)位移達(dá)到S點(diǎn)時(shí)，本構(gòu)曲線并進(jìn)入了第Ⅴ個(gè)階段。當(dāng)鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，在一個(gè)相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi),鋼筋的荷載會(huì)維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，而S點(diǎn)則是配筋UHPC的荷載與鋼筋的極限承載力達(dá)到了一致，說(shuō)明該階段UHPC已經(jīng)完全失效，只剩下鋼筋獨(dú)自承擔(dān)荷載。

配筋UHPC的初始本構(gòu)曲線如圖8所示，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)TS-RU產(chǎn)生裂縫時(shí)，應(yīng)力出現(xiàn)明顯下降，位移增大時(shí)，這一現(xiàn)象可能與磷酸鋅改性提升UHPC的初裂強(qiáng)度有關(guān)，因?yàn)樗豒HPC的抗拉試驗(yàn)表明，磷酸鋅改性對(duì)UHPC的開(kāi)裂行為影響很小，而磷酸鋅提升配筋UHPC的初裂強(qiáng)度，導(dǎo)致當(dāng)TS-RU形成裂縫時(shí)裂縫承擔(dān)的荷載更高，而裂縫在初始寬度值下不能承擔(dān)此時(shí)的荷載，因此UHPC的初始裂縫寬度會(huì)突然增加，以使得UHPC的位移量明顯提升，隨著裂縫寬度的增長(zhǎng)，配筋UHPC不斷卸載直到達(dá)到裂縫能夠承擔(dān)的荷載為止。

圖8 配筋UHPC試件本構(gòu)初始曲線

用TS-RU的本構(gòu)曲線減去US-RU的本構(gòu)曲線，我們可以得到兩者的差值，用以表征磷酸鋅改性對(duì)配筋UHPC本構(gòu)曲線的影響值，如圖9所示。

圖9 磷酸鋅改性對(duì)配筋UHPC本構(gòu)曲線的影響值

顯然，磷酸鋅改性位移較小時(shí)，配筋UHPC的荷載值給出了負(fù)反饋；而當(dāng)位移值較大時(shí)，配筋UHPC的荷載值才提供了一個(gè)正向的反饋。從微觀角度來(lái)說(shuō)，這一現(xiàn)象說(shuō)明磷酸鋅改性會(huì)導(dǎo)致鋼纖維在從基體中拔出的初期階段減小鋼纖維的承載能力，而在后期階段提升鋼纖維的承載能力?，F(xiàn)有研究[5]表明，鋼纖維在從基體中拔出過(guò)程中，經(jīng)歷了完全粘接、部分脫粘和完全脫粘3個(gè)階段。完全粘接階段時(shí)，鋼纖維主要依靠化學(xué)粘接作用來(lái)傳遞應(yīng)力，脫粘階段鋼纖維主要依靠摩擦粘接作用來(lái)傳遞應(yīng)力。而試驗(yàn)結(jié)果表明磷酸鋅改性鋼纖維會(huì)減小鋼纖維的化學(xué)粘接作用，而會(huì)增大鋼纖維的摩擦粘接作用。

2.3 磷酸鋅改性對(duì)鋼纖維表面的影響

為了進(jìn)一步探究磷酸鋅對(duì)鋼纖維表面和UHPC力學(xué)性能的影響，掃描電鏡和EDX能譜分析被用于觀測(cè)鋼纖維的表面微觀結(jié)構(gòu)。圖10反映了鋼纖維在掃描電鏡下放大500倍時(shí)的微觀面貌，可以直觀感受到的是，纖維改性后的鋼纖維的表面比未改性的鋼纖維表面更加粗糙。當(dāng)鋼纖維從基體中拔出后，改性的鋼纖維相比未改性的鋼纖維表面的劃痕和基體的殘余物更多。更多的劃痕說(shuō)明鋼纖維在脫粘后基體通道更加粗糙，在鋼纖維與基體產(chǎn)生相對(duì)滑移時(shí)，基體粗糙表面的突起顆粒在鋼纖維表面刻蝕出劃痕，更多的基體殘余物則說(shuō)明磷酸鋅改性鋼纖維與基體間的粘接力更強(qiáng)。

(a)US

當(dāng)放大5 000倍時(shí)，磷酸鋅處理的鋼纖維表面的磷酸鋅保護(hù)層的微觀結(jié)構(gòu)能夠清晰地被觀測(cè)到，如圖11所示，相應(yīng)的能譜分析見(jiàn)圖12。能譜分析表明鋼纖維表面的白色晶體的主要成分是磷酸鋅，可以發(fā)現(xiàn)磷酸鋅在鋼纖維表面主要以2種形式存在，一種是較為密集的團(tuán)狀結(jié)晶，另一種是相對(duì)稀疏的針狀結(jié)晶。當(dāng)磷酸鋅改性鋼纖維從UHPC基體中拔出后，能譜分析表明鋼纖維表面依然存在著部分磷酸鋅，同時(shí)也存在著一些水凝膠材料。

(a) TS鋼纖維

電鏡照和能譜分析表明，由于磷酸鋅保護(hù)層的強(qiáng)度更低，使得UHPC與鋼纖維之間的化學(xué)粘接力下降，而磷酸鋅同時(shí)也能提供一個(gè)更加粗糙的纖維滑移通道，從而使得鋼纖維在基體中滑移時(shí)的摩擦粘接作用更強(qiáng)，且基體顆粒對(duì)鋼纖維表面的劃痕也使得鋼纖維在拔出過(guò)程中會(huì)吸收更多的能量。

3 結(jié)論

根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)分析，可以得到以下結(jié)論：

a.磷酸鋅改性鋼纖維能夠顯著提升UHPC的抗拉強(qiáng)度和延性，但是對(duì)UHPC的抗裂強(qiáng)度和開(kāi)裂行為影響較小。

b.磷酸鋅改性鋼纖維不僅能夠提升配筋UHPC的極限抗拉強(qiáng)度，也能提升配筋UHPC的初裂強(qiáng)度。在配筋UHPC的早期階段，磷酸鋅會(huì)降低其承載力，但隨著位移的提升，磷酸鋅會(huì)提高配筋UHPC的承載力。

c.磷酸鋅改性鋼纖維的表面相較普通鋼纖維更加粗糙，改性鋼纖維的磷酸鋅保護(hù)層一方面會(huì)減小鋼纖維與基體間的化學(xué)粘接作用，另一方面則會(huì)增大鋼纖維與基體間的摩擦粘接作用。