修義軍， 何湘峰， 李芳園， 劉瓊偉， 邵旭東

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510635； 2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，簡稱UHPC)是指抗壓強(qiáng)度超過150 MPa，并具有超高韌性、超長耐久性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的統(tǒng)稱。與普通混凝土相比，UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)性能與耐久性能，因此目前UHPC已逐漸開始應(yīng)用于橋梁工程中，涉及范圍包含主梁、華夫板、拱圈、橋梁接縫及舊橋加固等多方面[1]。

抗拉性能對混凝土的承載能力與耐久性能有重要影響，在進(jìn)行普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時一般不需要考慮其較低的抗拉強(qiáng)度，而UHPC由于具有較高的抗拉強(qiáng)度，故其受拉本構(gòu)關(guān)系在進(jìn)行UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中扮演著重要的角色。直接拉伸試驗(yàn)是獲得UHPC材料受拉本構(gòu)最直接準(zhǔn)確的方式，由于目前尚未形成統(tǒng)一的UHPC直接拉伸試驗(yàn)裝置標(biāo)準(zhǔn)，故直接拉伸試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)裝置已成為一大主要研究方向。杜任遠(yuǎn)[2]等學(xué)者對4種不同纖維體積摻量(0%、1%、2%及3%)下的UHPC試件進(jìn)行了直接拉伸試驗(yàn)，狗骨頭形試件尺寸為50 mm×100 mm×150 mm，試驗(yàn)裝置采用端部提拉式裝卡方式，結(jié)果表明該直接拉伸試驗(yàn)存在一定的失敗率(可達(dá)25%)。學(xué)者Wille[3]等總結(jié)了UHPC直接拉伸試驗(yàn)裝置的端部條件一般有允許轉(zhuǎn)動和端部固定兩種形式，而端部條件形式的變化對UHPC直接拉伸本構(gòu)曲線具有較顯著的影響。此外，部分學(xué)者指出端部粘結(jié)式方案盡管可較準(zhǔn)確地測試UHPC試件初裂前的彈性性能，但測試應(yīng)變硬化性能還不夠精確，而且該試驗(yàn)裝置容易由于端部粘結(jié)區(qū)域附近較低的基體抗拉強(qiáng)度而引起端部粘結(jié)失效[4-5]。

目前，直接拉伸試驗(yàn)主要包括外夾式、內(nèi)埋式及粘貼式3種拉伸裝置，而理想的直接拉伸試驗(yàn)裝置應(yīng)滿足試件受力均勻、對中效果良好、試件制作與夾持方便等特點(diǎn)[6]。為此，針對以上3種直接拉伸試驗(yàn)裝置中存在的不足，本文首先針對加大試件端部提拉的外夾式方案Ⅰ、夾緊試件端部夾拉的外夾式方案Ⅱ、端部預(yù)埋栓釘?shù)膬?nèi)埋式方案及粘貼式方案展開了相關(guān)試驗(yàn)研究，然后結(jié)合這4種裝置設(shè)計出一種簡單適用新型直接拉伸試驗(yàn)裝置，以期為獲得UHPC材料真實(shí)的受拉性能提供相應(yīng)的參考。

1 4種拉伸裝置下的可行性研究

1.1 外夾式方案Ⅰ

根據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]，對總長為600 mm、中間截面尺寸為100 mm×100 mm的狗骨頭形試件進(jìn)行了相關(guān)的試研究性試驗(yàn)，其中，受拉荷載與受拉應(yīng)力間的轉(zhuǎn)換采用計算公式(1)，為使引伸計與應(yīng)變片這兩種變形測量裝置能相互核對，將引伸計讀數(shù)按照公式(2)換算成相應(yīng)的應(yīng)變值(以下拉伸方案同此)。

(1)

(2)

式中：σ為受拉試件的應(yīng)力值，MPa;F為受拉試件荷載值，kN；A為受拉試件的截面面積,mm2；ε為換算后的微應(yīng)變；l0為引伸計的標(biāo)距,mm；Δl為標(biāo)距范圍內(nèi)的變形量,mm。

應(yīng)變片及引伸計結(jié)果均定量地說明該方案下的對中效果較好，圖1中試件的斷裂位置及破壞形態(tài)亦可定性地說明該方案中的對中要求基本可以得到滿足。不過，從圖1可發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)束之后的夾具本身變形較大，這是由于UHPC試件的直接拉伸峰值強(qiáng)度較大(可達(dá)到11 MPa左右)，故后續(xù)試驗(yàn)的安全性及對中性是否滿足要求不得而知，因此本文最終放棄了該試驗(yàn)方案，并在后續(xù)試驗(yàn)中應(yīng)考慮具有較高剛度的夾具。

圖1 端部提拉的外夾式方案Ⅰ

1.2 外夾式方案Ⅱ

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，本次研究試驗(yàn)采用總長為860 mm的狗骨頭形試件，其中間截面尺寸為80 mm×80 mm，試件側(cè)面夾持處墊上薄薄的銅片以防止局部應(yīng)力集中。如圖2所示，試驗(yàn)過程中采用引伸計與應(yīng)變片共同來測定試件的變形，試驗(yàn)結(jié)果表明：兩個引伸計間的數(shù)值相差較大，前后左右應(yīng)變片的數(shù)值相差也較大，引伸計換算后的應(yīng)變值也難以與應(yīng)變片測試值相符，說明此方式下的試件偏心率較大，試件對中性有待提高。同時，由于該試件體積較大，試件對中性調(diào)整的難度因此也加大，故此方法并未被納入最終的可選方案內(nèi)。

圖2 端部夾拉的外夾式方案Ⅱ

1.3 內(nèi)埋式方案

之前的內(nèi)埋式方法中大多采用預(yù)埋鋼筋的方式，但此方法下鋼筋的埋置深度不好掌握，埋深過長易引起鋼筋自身下?lián)隙绊憣χ?，埋深過短易引起鋼筋與UHPC之間脫黏失效。因此，本文采用預(yù)埋栓釘與鋼板，并充分利用球鉸可轉(zhuǎn)動性的優(yōu)點(diǎn)，其中栓釘分為等長栓釘與不等長栓釘兩種方案，等長栓釘?shù)某叽缇鶠镸16×50 mm，不等長栓釘?shù)某叽绶秶鸀镸16×34 mm～M16×104 mm，與栓釘焊接在一起的鋼板厚20 mm，澆筑后的試件均為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體(含鋼板厚度)。如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)力達(dá)到7.5 MPa左右時，試件從等長栓釘端部位置斷裂；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到9.5 MPa左右時，裂縫從不等長栓釘端部位置貫通?？梢?，不同的栓釘設(shè)計會引起強(qiáng)度測試值的差異，且栓釘端部的局部削弱作用會誘導(dǎo)UHPC試件開裂，故該方法會引起強(qiáng)度和開裂位置的誤判，不可納入直接拉伸試驗(yàn)的可選范圍。

(a)預(yù)埋等長栓釘

1.4 粘貼式方案

如圖4所示，本文采用兩種粘貼式的方法：其一是只將試件端部粗糙化處理后，用環(huán)氧樹脂膠將試件與端部鋼板粘結(jié)在一起；其二是將試件端部與局部側(cè)面粗糙化處理后，先用環(huán)氧樹脂膠將試件與端部鋼板粘結(jié)在一起，再將粘結(jié)鋼板與試件側(cè)面用鋼片進(jìn)行粘結(jié)加固。粘結(jié)完成后的棱柱體試件尺寸均為100 mm×100 mm×440 mm(含粘結(jié)鋼板厚度)，其中兩端粘結(jié)鋼板分別厚20 cm，為加速環(huán)氧膠的硬化過程，所有試件均置于溫度為60 ℃～70 ℃的環(huán)境中固化6 h左右。雙鋼板并帶雙向球鉸的試驗(yàn)裝置使該方法下的直接拉伸試驗(yàn)對中效果良好，但端部與局部側(cè)面均粘結(jié)處理后的試件在應(yīng)力達(dá)到7.5 MPa左右時便出現(xiàn)側(cè)面鋼片脫黏的現(xiàn)象，而只對端部進(jìn)行粘結(jié)處理試件發(fā)生端部鋼板脫黏時的應(yīng)力則更低(僅約6 MPa)，兩種情況下的脫黏應(yīng)力均不是試件最終的破壞應(yīng)力。因此，粘貼式方法仍無法用于直接拉伸試驗(yàn)中。

(a)端部粘結(jié)

2 基于前述拉伸裝置下的改進(jìn)性研究

2.1 改進(jìn)裝置試驗(yàn)設(shè)計

以上4種拉伸裝置均具有各自的局限性，主要包括對中困難與粘結(jié)失效兩大方面，為此，本文主要從這兩方面的難點(diǎn)入手以尋求簡單合適的直接拉伸試驗(yàn)裝置。

其一，文獻(xiàn)[5]中提到雙向球鉸可提高拉伸試件的對中效果，現(xiàn)將狗骨頭形試件端部夾拉的外夾式方案Ⅱ(無雙向球鉸)與棱柱體形試件的粘貼式方案(有雙向球鉸)下的部分應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪于圖5中，并由圖5可知：在無雙向球鉸方案中，雖然各個表面上的應(yīng)變隨應(yīng)力的增加基本呈線性增加，但在同一應(yīng)力下的各應(yīng)變值相差較大，且應(yīng)變差值隨應(yīng)力的增大而增大，圖中試件的前后偏心率與左右偏心率最大分別可達(dá)48%與30%；而帶雙向球鉸方案中盡管應(yīng)變差值也隨應(yīng)力的增大而增大，但圖中前后偏心率與左右偏心率最大僅為7%與12%。因此，本文決定將雙向球鉸用于最終的直接拉伸試驗(yàn)方案中。

圖5 有、無雙向球鉸方案間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比

其二，為防止拉伸過程中試驗(yàn)裝置與試件間發(fā)生粘結(jié)失效的情況，本文采用加大試件端部提拉的方法，試件由上下兩個特制夾具固定住，并在試驗(yàn)機(jī)夾頭裝置與試件端部鋼板之間設(shè)置雙向球鉸。瑞士UHPC設(shè)計指南[8]建議直接拉伸試驗(yàn)采用截面尺寸為50 mm×30 mm的狗骨頭形試件，而為減小纖維取向?qū)HPC直接拉伸性能的影響，本文最終按照文獻(xiàn)[9]采用50 mm×100 mm截面的狗骨頭形試件，具體的直接拉伸試件尺寸與試驗(yàn)裝置詳見圖6。

圖6 改進(jìn)后的直接拉伸試驗(yàn)方案

在最終的直接拉伸試驗(yàn)中，采用應(yīng)變片與電子千分表雙重測試的方法來驗(yàn)證試件的對中性，其中應(yīng)變片粘貼在試件4個側(cè)面對應(yīng)的正中處，千分表架設(shè)在試件的前后兩面，且千分表的標(biāo)距為200 mm。試件裝置裝配好后首先將試件上端的拉力桿固定在60 t電子伺服萬能試驗(yàn)機(jī)的上夾頭內(nèi)，然后緩慢上升試驗(yàn)機(jī)的橫梁，直至另一端的拉力桿深入橫梁的夾頭內(nèi)，最后夾緊夾頭。由于本文直接拉伸試驗(yàn)裝置的研究重點(diǎn)為夾具，而夾具本身具有一定的尺寸，故應(yīng)確保試驗(yàn)機(jī)能夾緊夾具，且其行程應(yīng)滿足要求。正式試驗(yàn)前，在材料彈性范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)加載，微調(diào)試件或夾具使其偏心率不大于15%。

按照瑞士UHPC設(shè)計指南[8]的相關(guān)規(guī)定：在達(dá)到拉伸峰值荷載前，直接拉伸試驗(yàn)采用0.2 mm/min的夾頭位移加載速率來控制加載，之后該夾頭位移速率可提升至0.4 mm/min；當(dāng)試件殘余強(qiáng)度等于峰值強(qiáng)度的20%時，或試件測量段長度的平均伸長量大于所用纖維最大長度的50%時,便可結(jié)束加載。在拉伸過程中，當(dāng)試件發(fā)生可視裂縫后，采用精度為0.01 mm的裂縫寬度觀測儀測量試件的裂縫寬度，且用鋼尺測量試驗(yàn)過程中的裂縫長度，并記錄下相應(yīng)的裂縫寬度、裂縫長度及荷載值。

2.2 改進(jìn)方法試驗(yàn)結(jié)果

圖7所示為采用改進(jìn)試驗(yàn)方案后的一組直接拉伸試件破壞形態(tài)。該組UHPC試件均采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的形式，并均摻有體積摻量為2%的端鉤型纖維，其中，纖維長度與纖維直徑分別為13 mm與0.2 mm。圣維南原理中提出，改變邊界面上等效面力的作用方式，試件的內(nèi)力分布在遠(yuǎn)離作用點(diǎn)處往往不發(fā)生改變，即直接拉伸應(yīng)力在試件中部基本呈均勻分布[10]。由圖7可知，所有試件均未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且各主裂縫位置大致均處于試件中部，各主裂縫平面也大致與試件受力方向垂直，故改進(jìn)后的拉伸試驗(yàn)方案基本符合理想的直接拉伸試驗(yàn)方案中的試件受力均勻條件。

圖7 直接拉伸試件破壞形態(tài)

圖8所示為以上3個直接拉伸試件的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，其中應(yīng)變值為兩個引伸計分別采用公式(2)換算后的平均應(yīng)變，并由該圖可知，3條應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€大致吻合，說明這該組試件結(jié)果離散性較小，具有較高的可靠性。

圖8 直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

此外，以第一個試件(即試件編號為N1)為例，由于試件開裂后應(yīng)變片測量結(jié)果便不再準(zhǔn)確，故僅將試件開裂前(即線性偏離點(diǎn)前)的應(yīng)變片與引伸計測量結(jié)果繪于圖9中，并由該圖可知，兩種變形測量裝置的結(jié)果基本一致，在同一拉伸應(yīng)力下，4個側(cè)面上的應(yīng)變片實(shí)測值與前后兩面的引伸計換算應(yīng)變值之間的差值均較小，說明該測量裝置的可靠性亦可得到滿足。

圖9 應(yīng)變片與引伸計測量結(jié)果對比

為了定量地描述直接拉伸試驗(yàn)改進(jìn)方案中的試件對中效果，將各應(yīng)變片的讀數(shù)采用公式(3)來計算試件的偏心率。事實(shí)上，試件一旦發(fā)生開裂后便可能發(fā)生偏拉，即試件拉伸至破壞的過程中不可能一直保證對中良好，《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]中也僅要求試件預(yù)拉過程中的偏心率滿足要求，故表1僅展示直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上線性偏離點(diǎn)處試件上的各應(yīng)變片讀數(shù)及偏心率。

(3)

式中：eε為受拉試件的偏心率；ε1與ε2分別為受拉試件兩側(cè)的微應(yīng)變。

表1 直接拉伸試件的偏心率Table1 Eccentricityofdirecttensilespecimens試件編號應(yīng)變片讀數(shù)前表面應(yīng)變/με后表面應(yīng)變/με左表面應(yīng)變/με右表面應(yīng)變/με前后表面偏心率/%左右表面偏心率/%N11752011561836.98.0N21742031651977.78.8N31711901981635.39.7平均————6.68.8 注:試件編號的命名中,N1、N2及N3分別代表該組試件中的第1個、第2個及第3個試件。

由表1可知，在直接拉伸試驗(yàn)過程中，盡管沒法使試件完全對中，但試件前后表面及左右表面的偏心率均能控制在10%以內(nèi)，說明試件開裂前能滿足偏心率不大于15%的要求[6]，即采用該套試驗(yàn)裝置后能得到較好的對中效果。

3 結(jié)論

a.對于加大試件端部提拉的外夾式方案Ⅰ，試驗(yàn)夾具在較高的UHPC拉伸峰值強(qiáng)度下易發(fā)生變形；而對于夾緊試件端部夾拉的外夾式方案Ⅱ，較大體積的試件加大了對中性調(diào)整的難度，故兩種外夾式方案均不適用。

b.對于端部預(yù)埋等長栓釘和不等長栓釘?shù)膬?nèi)埋式方案，試件主裂縫均從栓釘端部位置處貫通，同時兩種內(nèi)埋式方案下實(shí)測的UHPC峰值強(qiáng)度相差可達(dá)2 MPa，故該方案并不可靠。

c.粘貼式方案中的粘貼鋼板(鋼片)易與UHPC試件發(fā)生脫黏現(xiàn)象，但該方案中的球鉸使得直接拉伸試件具有較好的對中效果。

d.改進(jìn)方案中將雙向球鉸與剛度較大的外夾式裝置結(jié)合在一起，試驗(yàn)表明該改進(jìn)方案對中效果較好，同時操作過程較簡單，可獲得UHPC真實(shí)的拉伸性能。