王慶彥 袁長(zhǎng)東 劉國(guó)強(qiáng)

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730207；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

超高性能混凝土（簡(jiǎn)稱UHPC），也稱活性粉末混凝土，是一種具有超高的力學(xué)性能、高韌性、超高的耐久性和優(yōu)良的耐磨性能及抗爆性能的水泥基混凝土材料。UHPC通過選用高活性的微細(xì)材料，基于最大堆積密度理論和纖維增強(qiáng)技術(shù)配制而成[1]。

為了提高已有混凝土樓板的承重能力，增強(qiáng)其防水性能，往往使用UHPC 作為樓板防水層和加厚材料。在現(xiàn)有樓板構(gòu)件的修補(bǔ)及加固中使用薄層的UHPC，UHPC的變形受到現(xiàn)有構(gòu)件的約束就會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，拉伸應(yīng)力有可能導(dǎo)致UHPC 開裂。為了掌握以用于既設(shè)混凝土樓板的以修補(bǔ)及加固為主要目的而研發(fā)的UHPC的拉伸特性，可以進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)。本文試驗(yàn)使用的是通過生成鈣鈦礦使砂漿基質(zhì)致密化的鈣鈦礦生成系UHPC，砂漿基質(zhì)致密化是對(duì)制備材料進(jìn)行最密集填充實(shí)現(xiàn)的。本文對(duì)超高性能混凝土構(gòu)件直接拉伸試驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 試件設(shè)計(jì)與制作

1.1 試件配比設(shè)計(jì)

利用UHPC 材料通過現(xiàn)澆的方式對(duì)現(xiàn)有混凝土樓板頂面進(jìn)行增厚，需要進(jìn)行新的UHPC 配比設(shè)計(jì)，并使用該配比設(shè)計(jì)制得的UHPC 進(jìn)行試驗(yàn)，配比設(shè)計(jì)的詳細(xì)情況見表1。

表1 UHPC配比設(shè)計(jì)類型

（1）配比設(shè)計(jì)1：該種類型構(gòu)件設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)在于采用高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)。砂漿基體的構(gòu)成材料主要包括水、鐵礬石生成預(yù)混粘結(jié)劑，細(xì)骨料（dmax＜2.5mm）、減縮劑、高性能減水劑，鋼纖維（抗拉強(qiáng)度ff＝2000N/mm2以上，直徑dfV＝0.2mm，纖維長(zhǎng)度＝15mm 和22mm，f=1.75%混入）。

（2）配比設(shè)計(jì)2：在配比設(shè)計(jì)1 的基礎(chǔ)上增加了纖維量和調(diào)整了細(xì)集料種類。與配比設(shè)計(jì)1 砂漿基質(zhì)構(gòu)成材料的單位量相同，鋼纖維的直徑dfV＝0.2mm，纖維長(zhǎng)度＝15mm，f=3.0%混入，細(xì)骨料用5號(hào)硅砂。

（3）配比設(shè)計(jì)3：配比設(shè)計(jì)2 為細(xì)骨料碎砂（dmax＜2.5mm），在配比設(shè)計(jì)2的基礎(chǔ)上摻入5%的硅灰石。硅灰石摻入是為了降低現(xiàn)有混凝土構(gòu)件約束產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，以避免裂縫發(fā)生。由于硅灰石是與細(xì)集料進(jìn)行體積置換，故細(xì)集料調(diào)整為846kg/m3。鋼纖維的量在配比設(shè)計(jì)2的基礎(chǔ)上有所增加。

1.2 試件的規(guī)格

試件的形狀為啞鈴型，全長(zhǎng)400mm，兩端60mm 范圍內(nèi)的截面為100mm×100mm，中間100mm 范圍內(nèi)的截面為100mm×40mm，目的是為了誘導(dǎo)試件中間部分的發(fā)生破壞。中間部分和兩端部分之間設(shè)置了長(zhǎng)度為90mm的變截面區(qū)間。試件形狀如圖1所示。

圖1 直接拉伸試驗(yàn)的啞鈴型試件（單位：mm）

1.3 試件的制作

試件測(cè)試的目標(biāo)截面厚度約為混入纖維長(zhǎng)度的2倍，使纖維的三維定向成為可能。用于制作試件的UHPC 在氣溫為20℃，相對(duì)濕度為60%的恒溫恒濕室中使用水平雙軸式強(qiáng)制攪拌機(jī)（容量為100L，轉(zhuǎn)速為45r/min）制造。

配比設(shè)計(jì)1和配比設(shè)計(jì)2的試件在20℃下進(jìn)行24h養(yǎng)護(hù)，再在85℃下進(jìn)行24h的高溫蒸氣養(yǎng)護(hù)。配比設(shè)計(jì)3的試件在20℃下進(jìn)行28h的高溫蒸氣密封養(yǎng)護(hù)1d。

2 直接拉伸試驗(yàn)方法

2.1 直接拉伸試驗(yàn)原理

與彎曲試驗(yàn)和裂解拉伸試驗(yàn)相比，直接拉伸試驗(yàn)對(duì)于拉伸負(fù)荷的均勻加載和試件牢固性不容易把控，因此在對(duì)混凝土材料拉伸特性的研究中應(yīng)用較少。在直接拉伸試驗(yàn)中，試件的所有斷面都產(chǎn)生了相同大小的拉伸應(yīng)力，在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，在彎矩最大范圍的斷面上產(chǎn)生了最大的拉伸應(yīng)力；在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和裂解拉伸試驗(yàn)中，只有一個(gè)斷面上產(chǎn)生了最大的拉伸應(yīng)力。如果試件任意位置的抗拉強(qiáng)度相同，則試件的破壞發(fā)生在拉伸應(yīng)力最大的截面上，在實(shí)際試驗(yàn)中，抗拉強(qiáng)度在局部地方是不同的，如果根據(jù)最弱連桿的考慮，在抗拉強(qiáng)度最低的截面上會(huì)發(fā)生破壞。

在彎曲試驗(yàn)和裂解拉伸試驗(yàn)中，產(chǎn)生最大拉伸應(yīng)力的截面和抗拉強(qiáng)度最低的截面不一定一致。在直接拉伸試驗(yàn)中，產(chǎn)生最大拉伸應(yīng)力的截面中一定包含抗拉強(qiáng)度最低的截面，如果合理實(shí)施直接拉伸試驗(yàn)，就不會(huì)過大評(píng)價(jià)抗拉強(qiáng)度。由于UHPC 的抗拉強(qiáng)度比普通混凝土高，當(dāng)含有一定量特種纖維時(shí)，會(huì)在拉伸負(fù)荷下表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性。因此，可以通過直接拉伸試驗(yàn)來掌握UHPC的拉伸特性[2]。

2.2 試驗(yàn)裝置

各配比設(shè)計(jì)的UHPC 試件均制作了5個(gè)，使用新開發(fā)的裝置進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)。該裝置包含3 種安裝構(gòu)件（見圖2 所示），安裝構(gòu)件2 在變截面處抓住試件，在安裝構(gòu)件2 上（下）端部用高強(qiáng)度螺栓連接的安裝構(gòu)件1 用直徑23mm 的預(yù)應(yīng)力鋼棒安裝在試驗(yàn)機(jī)上。試件支撐為一端固定，另一端為鉸鏈的連接形式。安裝構(gòu)件3是為了保持試件的位置固定，在安裝構(gòu)件2的兩側(cè)用帶有六角孔的螺栓連接并安裝。

圖2 直接拉伸試驗(yàn)裝置

2.3 測(cè)量與加載方法

在試件中間部分100mm范圍的兩個(gè)側(cè)面通過鋁制金屬零件設(shè)置位移計(jì)，測(cè)量試件的變形量。用測(cè)量長(zhǎng)度為100mm 的2 個(gè)位移計(jì)測(cè)量的變形量的平均值作為試件的變形量，負(fù)荷是通過設(shè)置在500kN 的萬能試驗(yàn)機(jī)內(nèi)的測(cè)力傳感器進(jìn)行測(cè)量的。直接拉伸試驗(yàn)過程通過增大位移的方式進(jìn)行控制，從試驗(yàn)開始到峰值負(fù)荷的位移加載速度為0.02mm/min。

3 直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

各種配比設(shè)計(jì)的構(gòu)件拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。其中，fUe為裂紋產(chǎn)生強(qiáng)度，fUt為拉伸強(qiáng)度，εUt為拉伸應(yīng)變率。

表2 直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

將3 種配比設(shè)計(jì)的構(gòu)件分別通過5 次直接拉伸試驗(yàn)，各得到5個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，各配比設(shè)計(jì)選擇一條代表曲線（以下稱為代表曲線）進(jìn)行分析（圖3～圖5）。代表曲線的選擇方法有2種，一種是從多個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中抽取任意一條曲線，另一種是作成平均曲線的方法。在本研究中，配比設(shè)計(jì)2和配比設(shè)計(jì)3的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在偏差，選擇特定的一條曲線作為代表曲線是很困難的，因此作成平均曲線作為代表曲線。在平均曲線的制作中，配比設(shè)計(jì)2在1次試驗(yàn)中，配比設(shè)計(jì)3在2次試驗(yàn)中，由于在位移計(jì)的測(cè)量范圍外發(fā)生了試件的破壞，所以只使用在測(cè)量范圍內(nèi)破壞的試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)各種配比設(shè)計(jì)類型的代表曲線進(jìn)行分析可知，代表曲線中12.5N/mm2附近發(fā)現(xiàn)應(yīng)變的增加率相對(duì)于應(yīng)力的增加略有變化，拉伸負(fù)荷下的UHPC 的行為可以分為以下3 個(gè)區(qū)域來考慮：第一個(gè)區(qū)域是從加載開始到開裂之前的應(yīng)變彈性區(qū)域；第二個(gè)區(qū)域是裂紋產(chǎn)生到發(fā)生多個(gè)細(xì)微裂紋直至達(dá)到抗拉強(qiáng)度的應(yīng)變硬化區(qū)域；第三個(gè)區(qū)域是局部變形較大，出現(xiàn)較大的裂紋，纖維逐漸拔出的應(yīng)變軟化區(qū)域。通過這3 個(gè)區(qū)域的分析，可以比較直接拉伸試驗(yàn)的結(jié)果。

3.3.1 應(yīng)變彈性區(qū)域

UHPC 在彈性區(qū)域的力學(xué)特性，砂漿基質(zhì)的力學(xué)特性占支配地位，其構(gòu)成材料和微結(jié)構(gòu)的影響很大。作為彈性區(qū)域的力學(xué)行為，著眼于裂縫發(fā)生強(qiáng)度的大小進(jìn)行比較，配比設(shè)計(jì)1 和配比設(shè)計(jì)2 基本相同，碎砂（dmax＜2.5mm）和5 號(hào)硅砂這種細(xì)集料的差異對(duì)開裂發(fā)生強(qiáng)度的影響幾乎沒有。與此相比，配比設(shè)計(jì)3 的裂紋發(fā)生強(qiáng)度比配比設(shè)計(jì)1 和配比設(shè)計(jì)2 高約20%。配比設(shè)計(jì)3 的試件在氣溫20℃下進(jìn)行了28 天的封箱養(yǎng)護(hù)，與進(jìn)行了高溫蒸氣養(yǎng)護(hù)的配比設(shè)計(jì)1 和配比設(shè)計(jì)2 的試件相比，推測(cè)微結(jié)構(gòu)的致密化程度較低。砂漿基體更致密時(shí)，可能成為細(xì)微裂紋發(fā)生基點(diǎn)的空隙少，由此可知裂紋發(fā)生強(qiáng)度更高，但致密度相對(duì)較低的配比設(shè)計(jì)3 的裂紋發(fā)生強(qiáng)度更高。由此可知，纖維狀的硅灰石發(fā)揮了同樣的強(qiáng)化作用，減小了細(xì)微裂縫發(fā)生的可能性。即使在推測(cè)常溫養(yǎng)護(hù)下砂漿基質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)的致密度比高溫養(yǎng)護(hù)下相對(duì)較低的情況下，由于硅灰石的混入，常溫養(yǎng)護(hù)的UHPC 的裂縫發(fā)生強(qiáng)度也會(huì)變高。

3.3.2 應(yīng)變硬化區(qū)域

一方面，配比設(shè)計(jì)1 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值不明確，應(yīng)變硬化行為較小，但配比設(shè)計(jì)2 中發(fā)現(xiàn)了顯著的應(yīng)變硬化行為，應(yīng)變硬化行為受混入的纖維量的影響。由此可以認(rèn)為，這種差異是由纖維量的多寡引起的。另一方面，相同纖維量的配比設(shè)計(jì)3 沒有像配比設(shè)計(jì)2 那樣表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化行為，應(yīng)變硬化行為在纖維的種類和纖維量相同的情況下，主要依賴于纖維和砂漿基體的平均附著強(qiáng)度?？紤]到這一因素，可以推測(cè)配比設(shè)計(jì)2 中纖維和砂漿基質(zhì)的平均附著強(qiáng)度高于配比設(shè)計(jì)3，因此配比設(shè)計(jì)2 的應(yīng)變硬化率（硬化率=fUt/fUe）與配比設(shè)計(jì)3 相比，配比設(shè)計(jì)2 的纖維和砂漿基體的平均附著強(qiáng)度更高。據(jù)此可以推測(cè)，纖維和砂漿基質(zhì)的附著特性受過渡帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響，這與彈性區(qū)域的研究一樣，高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)的配比設(shè)計(jì)2 的試件與在氣溫20℃下密封養(yǎng)護(hù)28 天的配比設(shè)計(jì)3 的試件相比，砂漿基體的微結(jié)構(gòu)更致密，纖維和砂漿基體的過渡帶也更致密。此外，配比設(shè)計(jì)2的細(xì)骨料用5 號(hào)硅砂，而配比設(shè)計(jì)3 的細(xì)骨料比配比設(shè)計(jì)2 少，但增加了硅灰石，砂漿基質(zhì)有可能更加致密，這有助于與纖維的附著。

3.3.3 應(yīng)變軟化區(qū)域

配比設(shè)計(jì)1 的抗拉強(qiáng)度比配比設(shè)計(jì)2 多大約40%，而且在應(yīng)變軟化區(qū)域的應(yīng)力下降更緩慢，具有更大的韌性。這些都是由于22mm 的鋼纖維的加入造成的。考慮到纖維引起的裂縫的交聯(lián)，與15mm 的鋼纖維相比，22mm 的鋼纖維的固定長(zhǎng)度更長(zhǎng)，在承擔(dān)更大的交聯(lián)應(yīng)力的同時(shí)，也可以對(duì)開口寬度更寬的裂縫進(jìn)行交聯(lián)。含有22mm 鋼纖維的配比設(shè)計(jì)1 的韌性變得更大，22mm 的鋼纖維有助于改善應(yīng)變硬化區(qū)域和應(yīng)變軟化區(qū)域。但是考慮到為了賦予應(yīng)變硬化特性而增加纖維量時(shí)，可能導(dǎo)致UHPC 的工作性能惡化以及制造更復(fù)雜等因素，建議不將22mm鋼纖維用于配方。從配比設(shè)計(jì)3 的各試驗(yàn)中得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)變軟化區(qū)域的部分出現(xiàn)了偏差，其原因是設(shè)置在試件表面的位移計(jì)的固定用金屬配件發(fā)生變形，裂紋幅度逐漸增大導(dǎo)致固定用金屬配件受到裂紋的影響而變形，影響到了位移計(jì)的測(cè)量值。

4 結(jié)束語

在既設(shè)構(gòu)件的修補(bǔ)和加強(qiáng)中澆筑薄層UHPC 時(shí)，UHPC 的變形受到既有構(gòu)件的約束，在UHPC 構(gòu)件上產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力。本文設(shè)計(jì)了不同配比的UHPC 構(gòu)件，并進(jìn)行了構(gòu)件的直接拉伸試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示：混入硅灰石的常溫養(yǎng)護(hù)的UHPC 構(gòu)件的開裂強(qiáng)度比沒有混入硅灰石的高溫蒸氣養(yǎng)護(hù)的構(gòu)件要高，可以認(rèn)為砂漿基體的力學(xué)特性是支配性的，UHPC的裂紋產(chǎn)生強(qiáng)度即使在推測(cè)微結(jié)構(gòu)的致密度相對(duì)較低的情況下，由于混入硅灰石，也能得到微觀水平的增強(qiáng)。