張歡歡

(鄭州工程技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，鄭州 450000)

高性能纖維混凝土(High Performance Fiber Reinforced Concrete，HPFRC)是一種具有廣闊市場(chǎng)應(yīng)用前景的新型高強(qiáng)混凝土，一出現(xiàn)便引起了工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。焦楚杰等[1]通過抗彎實(shí)驗(yàn)研究了鋼纖維體積率Vf對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土(SFRHSC)抗彎性能的影響。柳艷杰等[2]分析了鋼纖維摻入率以及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土抗壓性能的影響。徐巍巍等[3]通過單軸受壓實(shí)驗(yàn)，分析了試件的形狀效應(yīng)、尺寸效應(yīng)以及鋼纖維的體積率對(duì)纖維超高性能混凝土抗壓性能、破壞形態(tài)以及彈性模量的影響。徐海濱等[4]通過抗剪性能試驗(yàn)，分析了試件剪跨比、配箍率以及預(yù)應(yīng)力水平對(duì)HPFRC梁抗剪性能的影響。Su等[5]通過剪切實(shí)驗(yàn)從微觀尺度的有限元分析闡述了普通混凝土試件的尺寸效應(yīng)和形狀效應(yīng)軟化機(jī)理。Mahmud等[6]通過摻加鋼纖維活性粉末的超高性能鋼筋混凝土梁三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)和ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了梁的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。但是，針對(duì)具有代表性的力學(xué)參數(shù)，HPFRC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的測(cè)定尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在上述研究基礎(chǔ)上，本文通過對(duì)HPFRC標(biāo)準(zhǔn)試塊的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)與四點(diǎn)抗折的綜合靜力學(xué)試驗(yàn)研究，分析HPFRC在實(shí)驗(yàn)中的破壞形態(tài)及其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

1 試驗(yàn)原材料與配合比

HPFRC具有強(qiáng)度高、延性好的優(yōu)點(diǎn)，纖維的摻入有效增加了超高性能混凝土的延性及韌性，本文試件所采用的均為纖維混凝土材料，摻用的纖維為超高分子量聚乙烯纖維(UPE)與鋼纖維，見圖1、圖2，纖維摻用體積率為2%，纖維的基本參數(shù)見表1。

圖1 UPE纖維

圖2 鋼纖維

表1 纖維參數(shù)

本文試驗(yàn)混凝土材料拌合物有水泥、納米SiO2、微珠、納米CaCO3、石英粉、細(xì)沙、中砂、粗砂、減水劑以及纖維，根據(jù)相關(guān)資料[7]提供的內(nèi)容以及前期試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究了納米材料以及纖維對(duì)超高性能混凝土材料力學(xué)性能的影響，確定了混凝土的最終配合比，見表2。

表2 超高性能混凝土基本配合比 kg

2 抗壓試驗(yàn)

2.1 試件制備、養(yǎng)護(hù)及實(shí)驗(yàn)方法

采用單軸受壓的方法[8]來研究HPFRC的抗壓性能，試件為100 mm3的立方體，采用標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵模具加工成型，采用機(jī)械攪拌方式拌合物料，具體攪拌步驟如下：

1)根據(jù)最終設(shè)計(jì)配合比分別準(zhǔn)備各種材料；

2)向攪拌機(jī)加入砂子、納米鈣、微珠以及石英粉，攪拌大約5 min，待各種材料攪拌均勻；

3)加入設(shè)計(jì)配合比中70%的水以及減水劑和防凍水；

4)待水分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠹尤胨嗪凸杌遥?/p>

5)最后加入剩余的30%的水分；

6)待材料攪拌均勻后，在攪拌機(jī)持續(xù)工作的狀態(tài)下持續(xù)緩慢加入稱量好的鋼纖維，待纖維加入完畢之后再攪拌5 min，將纖維混合均勻；

7)將拌合物自攪拌機(jī)中卸出，將膠乳倒入準(zhǔn)備好的模具中。

筑后覆蓋薄膜并且灑水養(yǎng)護(hù)24 h，然后進(jìn)行48 h設(shè)置溫度為90 ℃熱水浴養(yǎng)護(hù)，最后取出自然養(yǎng)護(hù)28 d，進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置不添加任何纖維的混凝土試塊進(jìn)行對(duì)照。

試驗(yàn)過程主要分為3個(gè)步驟：1)啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，將試件安置在試驗(yàn)機(jī)的下固定端上，調(diào)整上加載端，使加載端壓頭靠近但不接觸試件；2)安置位移傳感器，通過電腦控制加載端與試件接觸、歸0；3)開始逐步加載，一直到試件被完全破壞。依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱為《標(biāo)準(zhǔn)》)的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)機(jī)器使用YAW-3000型電液伺服壓力微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)，對(duì)100 mm3試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，由于《標(biāo)準(zhǔn)》中并沒有規(guī)定關(guān)于超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的加載方式，經(jīng)過多次試驗(yàn)后定義該加載方式為：在加載的開始階段采用力控制的加載方式，設(shè)置力的增加速率為2 kN/s，加載至50 kN，維持20 s確保試驗(yàn)試塊與加載端接觸完全，采用位移控制方式，以0.4 mm/min的加載端位移加載至1 400 kN，然后再保持20 s，最后改變加載速率為0.2 mm/min進(jìn)行加載，當(dāng)試塊的剩余強(qiáng)度約為其峰值的40%時(shí)停止試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)裝置如圖3所示，為了獲取試塊的應(yīng)力曲線圖，測(cè)量試塊的豎向位移，在壓力機(jī)的上壓頭對(duì)稱安裝2個(gè)位移計(jì)用以測(cè)量混凝土試件在受力方向的變形，最終獲取試驗(yàn)記錄的試驗(yàn)力-位移曲線。

圖3 抗壓試驗(yàn)設(shè)置

2.2 抗壓試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，未摻加纖維的素混凝土試塊受壓時(shí)為典型的環(huán)箍效應(yīng)的X交叉型剪切破壞，試件隨著不斷加載，混凝土碎片不斷迸出，到達(dá)峰值強(qiáng)度后，突然破壞，整體性喪失，最終僅部分芯部殘留，破壞形態(tài)如圖4(a)所示，表現(xiàn)出脆性破壞的性質(zhì)。當(dāng)混凝土中加入U(xiǎn)PE纖維時(shí)，破壞形態(tài)如圖4(b)所示，試件的破壞形式為首先在邊緣處產(chǎn)生裂縫，隨著不斷加載，裂縫逐漸變寬最終形成貫穿的裂縫；當(dāng)混凝土中加入鋼纖維時(shí)，試塊表面出現(xiàn)多道微裂縫，隨后呈現(xiàn)出多道裂紋進(jìn)而出現(xiàn)脫皮的現(xiàn)象，纖維不斷被拔出同時(shí)發(fā)出嗤嗤聲，到達(dá)峰值強(qiáng)度后，微裂紋逐漸貫通并演化為大裂縫，承壓面截面面積增大，致使試件向外鼓脹，表現(xiàn)出裂而不散的狀態(tài),纖維混凝土試塊完整性較好，試驗(yàn)過程中表現(xiàn)為塑性破壞的性質(zhì),破壞形態(tài)如圖4(c)所示。

(a)素混凝土試塊 (b)UPE纖維混凝土試塊 (c)鋼纖維混凝土試塊

對(duì)比分析可知，摻入鋼纖維的實(shí)驗(yàn)組裂紋數(shù)量較多，微裂紋發(fā)展得比較均勻飽滿，充分發(fā)揮了纖維改善超高性能混凝土(UHPC)基體延性的作用；摻入U(xiǎn)PE纖維的實(shí)驗(yàn)組微裂紋數(shù)量少，少有碎片剝落；待試塊開裂后，微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展和貫通，形成了造成試件破壞的幾條主裂縫，整體性與鋼纖維相比則較差。

計(jì)算超高性能混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcc：

(1)

式中：F為試塊破壞荷載，N；A為試塊承壓面積，mm2。

試塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示，可知高性能UPE纖維混凝土試塊抗壓強(qiáng)度為92 MPa，高性能鋼纖維混凝土試塊抗壓強(qiáng)度為116 MPa，未摻加纖維的素混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度為56 MPa?？芍咝阅芾w維混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度明顯高于未摻加纖維的素混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，鋼纖維混凝土是素混凝土強(qiáng)度的2倍，UPE纖維混凝土是素混凝土強(qiáng)度的1.6倍，并且鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)程度要大于UPE纖維，鋼纖維的加入有效約束了

圖5 試塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試件的橫向變形，進(jìn)一步提升了試件的彈性模量。這是由于纖維的摻入強(qiáng)化了其與基體間的界面區(qū)域，減少了薄弱層，提高了二者界面的黏結(jié)力，基體的破壞形態(tài)和變形能力發(fā)生變化。界面區(qū)首先發(fā)生破壞，裂縫形成后，纖維的橋架效應(yīng)開始發(fā)揮作用，纖維很難被拔出，從而能充分發(fā)揮其對(duì)基體混凝土增強(qiáng)和增韌效果。

3 抗折試驗(yàn)

3.1 試件制備、養(yǎng)護(hù)及實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，使用與抗壓試驗(yàn)相同的試驗(yàn)機(jī)對(duì)100 mm×100 mm×400 mm長(zhǎng)方體試塊進(jìn)行抗折試驗(yàn)，試塊的澆筑方式與上一節(jié)相同。在試塊上表面粘細(xì)鋼條后連接位移計(jì)，將試塊中部變形數(shù)據(jù)導(dǎo)出，考慮《標(biāo)準(zhǔn)》中并沒有給出超高性能混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的加載制度，經(jīng)過多次試驗(yàn)以后總結(jié)出本試驗(yàn)的加載制度為：全程使用位移控制施加均勻連續(xù)的荷載，設(shè)定加載速率為0.2 mm/s，試驗(yàn)過程中在安全防護(hù)的前提下人工觀察試塊，當(dāng)試塊完全破壞時(shí)停止試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)設(shè)置如圖6所示。

3.2 抗折試驗(yàn)結(jié)果分析

試塊抗折破壞形態(tài)如圖7所示，對(duì)照組的素混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件施加荷載時(shí)，達(dá)到峰值之前，試件表面開始出現(xiàn)極少數(shù)的微裂紋，但試件整體形態(tài)并無任何變化；到達(dá)峰值之后，瞬間斷裂破壞，失效無任何征兆，試件幾乎同時(shí)斷成兩半，完整性徹底喪失；其破壞面為貫穿試件的大斷裂面，屬于典型的脆性破壞,破壞形態(tài)如圖 7(a)所示。對(duì)于摻入鋼纖維的試塊而言，隨著荷載的增大，會(huì)不斷聽到纖維拔出的聲音，繼而形成許多微裂紋，直至達(dá)到峰值，1條主裂縫出現(xiàn)并逐漸延伸變寬，薄弱面演化為破壞面，宣告結(jié)構(gòu)失效；但期間由于諸多微裂紋的出現(xiàn)，斷裂有一定的緩沖時(shí)間,破壞形態(tài)如圖7(b)所示。摻入U(xiǎn)PE纖維的試件斷裂過程中會(huì)在主斷裂面周圍形成許多微裂縫，有的微裂紋甚至出現(xiàn)在支座處，這些微裂紋的出現(xiàn)增強(qiáng)了構(gòu)件的延性，耗能能力的提升導(dǎo)致構(gòu)件失效過程推遲，抗震能力得到改善；充分發(fā)揮了纖維改善UHPC基體延性的作用，整體性和韌性較優(yōu),破壞形態(tài)如圖 7(c)所示。

計(jì)算超高性能混凝土抗折強(qiáng)度ft：

(2)

式中：F為試件破壞時(shí)最大荷載，N；l為支座間的跨度，取300 mm；b為試件截面的寬度，取100 mm；h為試件截面的高度，取100 mm。

試塊的荷載-位移曲線如圖8所示，鋼纖維混凝土試塊的極限荷載為47 kN，UPE混凝土試塊的極限荷載為28 kN，未摻加纖維的素混凝土試塊的極限荷載為18 kN，運(yùn)用式(2)計(jì)算3種類型混凝土試塊的抗折強(qiáng)度分別為：14.1，8.4，5.4 MPa，高性能鋼纖維混凝土試塊抗折強(qiáng)度為素混凝土的2.61倍，UPE纖維混凝土試塊的抗折強(qiáng)度為素混凝土的1.56倍。由此可知鋼纖維對(duì)試塊抗折強(qiáng)度的提高較為明顯，由于裂縫處鋼纖維的存在，使裂縫處鋼纖維和骨料的黏結(jié)力增大，有效抑制了裂縫的開展，進(jìn)而提高了鋼纖維混凝土試塊的抗裂能力及韌性，使試塊能承擔(dān)更大的拉力。從界面力學(xué)角度可以解釋上述現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因：UHPC基體本身界面黏結(jié)強(qiáng)度較低，摻入纖維后，纖維在基體中隨機(jī)分布，其與基體的接觸面得到了改善，形成了新的化學(xué)黏著力。承受荷載時(shí)，二者之間的黏結(jié)作用形成了橋架作用，保證了界面應(yīng)力的有效傳遞，并約束了混凝土基體內(nèi)部微裂紋的發(fā)展，進(jìn)而提高了UHPC基體抗折強(qiáng)度。

圖8 荷載-位移曲線

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

1)高性能纖維混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度明顯高于素混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，鋼纖維混凝土是素混凝土強(qiáng)度的2倍，UPE纖維混凝土是素混凝土強(qiáng)度的1.6倍，并且鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)程度要大于UPE纖維，鋼纖維的加入有效約束了試件的橫向變形，進(jìn)一步提升了試件的彈性模量。

2)高性能鋼纖維混凝土試塊抗折強(qiáng)度為素混凝土的2.61倍，UPE纖維混凝土試塊的抗折強(qiáng)度為素混凝土的1.56倍，鋼纖維對(duì)試塊抗折強(qiáng)度的提高較為明顯，由于在裂縫處鋼纖維的存在，使裂縫處鋼纖維和骨料的黏結(jié)力增大，有效抑制了裂縫的開展，進(jìn)而提高了鋼纖維混凝土試塊的抗裂能力及韌性，進(jìn)而使試塊能承受更大的拉力。