周騰， 裴炳志， 黃政宇， 裴大軍， 徐銳， 方志

(1.湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082； 2.湖北省交通投資集團有限公司， 湖北 武漢 430000)

自超高性能混凝土問世以來，已越來越多地應用于各種工程建筑領域[1]。由于鋼纖維的加入，UHPC的抗拉性能，尤其是裂后抗拉性能得到了很大的提升，研究鋼纖維對UHPC抗拉性能的影響具有重要的意義[2-3]。

已有研究表明：鋼纖維適量加入可以顯著提高UHPC的抗拉強度和峰值應變。楊志慧[4]對活性粉末混凝土軸拉性能的研究表明：鋼纖維體積摻量為2%的試件，其抗拉強度和峰值應變較基體試件分別提高147%和107%；Hassan[5]和杜任遠[6]對UHPC拉伸性能的研究均表明：UHPC中加入2%體積率的鋼纖維后，抗拉強度是基體抗拉強度的近2倍；原海燕[3]對活性粉末混凝土受拉應力-應變曲線的研究表明：隨著鋼纖維體積率的增加，試件的抗拉強度和峰值應變逐漸增加，且破壞形式從脆性轉變?yōu)檠有?；王俊顏[7]研究表明：鋼纖維體積摻量的增加可以顯著提高UHPC的應變硬化能力；Wille[8]研究表明：摻入不同形狀鋼纖維UHPC試件的拉伸強度差異較?。凰戊蚚9]研究了鋼纖維種類對UHPC抗拉強度的影響，結果表明：相同纖維摻量下，短纖維的增強效果明顯好于長纖維。

部分學者研究了纖維混摻對UHPC軸拉性能的影響。徐禮華[10]研究結果表明：聚丙烯纖維的加入能使材料應力-應變曲線整體形狀變得飽滿；張哲等[12]研究了平直和端鉤混雜纖維對UHPC軸拉性能的影響，結果顯示：混合鋼纖維可提高UHPC材料的可視初裂應變。

綜上，目前國內外對UHPC軸拉性能的研究取得了較為豐碩的成果，但應力-應變關系鮮見包含極限應力處的卸載曲線，導致材料塑性耗能和延性等方面的研究較為缺乏?；诖耍撐膶HPC軸拉試件進行軸向拉伸試驗，獲得含不同鋼纖維摻量UHPC的軸拉應力-應變全曲線，以期明確鋼纖維體積摻量對UHPC軸拉時延性和耗能的影響規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 試件設計

不同于其他力學性能試驗，UHPC軸拉試驗成功與否很大程度上取決于試件形狀及試件尺寸[8]。迄今國內外尚未形成UHPC材料軸拉試驗的統(tǒng)一標準，所用試件的形狀和尺寸不盡相同。試件形狀主要有不開口柱體[13]、開口柱體[14]和狗骨形狀[15]三類。不開口柱體試件兩端夾持和對中不易且難以保證在標距內破斷；開口柱體試件的截面開口處存在應力集中，難以實現(xiàn)拉伸過程中的多縫開裂現(xiàn)象。狗骨形試件可克服柱體試件的不足[16]。因此，該文采用圖1所示的狗骨狀試件，測量標距位于中部均勻段，長度為200 mm[17]。

圖1 試件尺寸(單位：mm)

1.2 試件制備

采用的UHPC基體為商品干粉料，通過鋼纖維的摻入得到所需的UHPC。UHPC的設計強度等級為150 MPa，其配合比見表1。鋼纖維采用長徑比為13 mm/0.2 mm、抗拉強度為2 850 MPa的鍍銅平直鋼纖維。

表1 UHPC基體配合比(質量比)

以鋼纖維體積摻量(0、1%、2%、3%)為參數(shù)，設計制作了4組共16個試件，試件參數(shù)見表2。為保證材料性能的一致性，相同纖維摻量的試件采用同一盤UHPC澆筑，以保證性能盡可能相同。所有試件均采用鋼模成型且水平澆筑，為防止振搗對纖維分布的影響，所有試件均采用自流密實免振搗成型。成型后用薄膜覆蓋表面，常溫下靜置48 h之后脫模，然后放入蒸氣養(yǎng)護箱中緩慢升溫至90 ℃，養(yǎng)護72 h后緩慢降至室溫進行試驗[18]。實測材料的基本力學性能如表2所示。

表2 試件參數(shù)及材料力學性能

1.3 測試方法

軸拉試驗在5 t電子伺服萬能試驗機上進行。試件表面安裝兩個高精度位移傳感器，測量標距內的伸長量，借此獲得標距范圍內的平均應變。需要說明的是，每組4個試件中，2個試件單調加載至破壞，另外2個試件在荷載降為峰值荷載的85%處進行一次卸載，以期獲得極限狀態(tài)時試件的殘余變形和塑性耗能能力，再重復加載至試件斷裂。試驗加載速率為0.05 mm/min，卸載速率為0.1 mm/min。

2 試驗結果及分析

圖2為各組試件實測的應力-應變全曲線。為了更大程度地顯示開裂前期的曲線，該文僅繪制6 000 με前的曲線部分。DT-S0試件組中因有一個試件在標距外破壞，因此只測得3個試件的曲線。

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞過程

試驗出現(xiàn)了3種不同的破壞過程，分別對應無纖維試件、含1%纖維的試件和含量大于1%的試件。下面分別就這3種情況說明其破壞過程。

由圖2(a)可得：不摻纖維的DT-S0試件在受力前期，應力-變形曲線呈線性增長，達到開裂的同時荷載瞬間降為0，伴隨“嘣”的一聲，試件斷裂成上下兩截，破斷面較為平整，如圖3(a)所示。

由圖2(b)可得：1%纖維摻量的DT-S1試件在開裂前階段與無纖維試件類似，應力-變形曲線近似呈線性增長；基體開裂時荷載突然降至峰值荷載的85%左右，并伴隨“嘣”的一聲，試件迅速出現(xiàn)一條寬度約0.5 mm的裂縫，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征；基體開裂后，伴隨鋼纖維不斷被拔出的“滋滋”聲，裂縫穩(wěn)步擴展直至試件最終破壞，此階段表現(xiàn)出明顯的延性破壞特征。最終的破壞形態(tài)如圖3(b)所示，可見斷裂面較為平整，且整個加載過程中有且僅有一條裂縫。

圖2 各組試件實測應力-應變關系曲線

圖3 軸拉試件破壞形態(tài)

由圖2(c)、(d)可得：纖維摻量大于1%的DT-S2和DT-S3試件破壞過程相似，整個過程表現(xiàn)出明顯的延性破壞特征?；w開裂后應力-變形曲線出現(xiàn)拐點，因開裂截面有足夠的鋼纖維予以橋接，使得開裂后變形增長的同時，荷載有所增長，且微裂縫數(shù)量變多；峰值荷載后，應變增長速度加快，宏觀裂縫穩(wěn)步擴展，并伴隨鋼纖維被拔出的“滋滋”聲，最終形成一條主裂縫并在此處斷裂，如圖3(c)、(d)所示。

2.2 應力-應變曲線特征

定義應力-應變曲線初始線性上升段的偏離點為基體開裂點，上升段與下降段的轉折點為峰值點，峰值點后應力降為85%峰值應力的點稱為極限點，從極限點卸載至零后的點稱為卸載點，相應的應變?yōu)闅堄鄳儯遁d曲線的斜率稱為卸載模量，曲線在極限點卸載后可得到相應的卸載模量及相應此時材料的塑性耗能能力(曲線與橫坐標所包圍的面積)。由圖2可見：初始加載、基體開裂、峰值點、極限點和卸載點等特征點間的曲線近似呈線性變化，極限點處卸載后再重新加載時，仍基本回到單調加載曲線的運行路徑上。

基于應力-應變關系曲線得到的各試件曲線的特征參數(shù)如表3所示。

表3 應力-應變曲線特征參數(shù)

由表3可見：

(1) 隨鋼纖維體積摻量的提高，UHPC材料的初裂應力和初裂應變稍有增加，峰值應力、峰值應變、極限應變、殘余應變和耗能能力顯著提高；抗拉彈性模量受纖維摻量的影響較小，且與表2所列相應的抗壓彈性模量相近，表明開裂前的彈性受力階段，纖維對基體的加強作用極為有限。

(2) 隨鋼纖維體積摻量的提高，UHPC材料的初裂應力和初裂應變稍有增加。鋼纖維體積摻量為1%、2%和3%試件的初裂應力分別比無纖維試件提高21.5%、43.6%和63.1%；初裂應變分別比無纖維試件提高21.0%、40.1%和60.5%。鋼纖維含量對初裂強度和初裂應變的影響是由于鋼纖維對基體產生的約束效應所致。

(3) 隨鋼纖維體積摻量的提高，UHPC材料的峰值應力和峰值應變顯著提高。鋼纖維體積摻量為1%、2%和3%的試件，其峰值強度分別比無纖維試件提高21.5%、48.7%和82.7%。由于鋼纖維的加入，UHPC軸拉試件逐漸由應變軟化變?yōu)閼儚娀?，使得峰值強度的增加幅度較初裂強度大。鋼纖維體積摻量為1%、2%和3%的試件，其峰值應變分別比無纖維試件提高21%、1 028%和1 602%，可見鋼纖維體積摻量的增加可以顯著改善UHPC的塑性變形能力。

(4) 鋼纖維體積摻量對極限應變和殘余應變的影響與對峰值應變的影響規(guī)律相似。鋼纖維體積摻量為2%和3%的試件，其極限應變分別比含1%纖維試件提高142.2%和221.8%，殘余應變分別比含1%纖維試件提高92.2%和157.4%。

(5) 鋼纖維體積摻量為2%和3%的試件，其耗能能力分別比纖維含量為1%的試件大214%和425%；無纖維試件的耗能能力僅為鋼纖維體積摻量1%～3%試件的1%～5%，可見UHPC軸拉時的耗能能力幾乎全部由鋼纖維的變形提供。

(6) 延性系數(shù)隨著鋼纖維摻量的增加而增加。鋼纖維體積摻量為2%和3%試件的延性系數(shù)分別比含1%纖維試件增加109%和142.5%，纖維摻量的增加可以顯著提升材料的延性。

3 結論

以鋼纖維體積摻量為參數(shù)，對UHPC進行了軸拉性能試驗研究，得到以下結論：

(1) 不摻纖維的UHPC軸拉試件表現(xiàn)出明顯的單縫脆性破壞特征，當纖維摻量增加到2%以上時，則表現(xiàn)出明顯的多縫延性破壞特征。

(2) 包括卸載曲線在內的UHPC軸拉應力-應變全曲線在初始加載、基體開裂、峰值點、極限點和卸載點等特征點間的曲線近似呈線性變化，極限點處卸載后再重新加載時，仍基本回到單調加載曲線的運行路徑上。

(3) 隨鋼纖維體積摻量的增加，UHPC材料的初裂應力和初裂應變稍有增加，峰值應力、峰值應變、極限應變、殘余應變、耗能能力和延性顯著提高。受拉與受壓彈性模量相近，材料的塑性耗能能力基本上是由基體內纖維的塑性變形提供。