王俊顏,喻星喬,周 田

(1.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201804;2.先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室(同濟(jì)大學(xué)),上海 201804)

超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)[1-3]是依據(jù)顆粒緊密堆積、低水膠比和纖維增強等原則設(shè)計,具備超高強度、超高韌性和超高耐久的水泥基材料[4-5]。高應(yīng)變強化UHPC能夠在開裂后仍具備高抗拉性能,即具有較高的抗拉強度與拉伸應(yīng)變強化的類金屬特性[6],形成多處分布的微裂紋,從而具備優(yōu)秀的裂縫控制能力[7-8],提供建造長壽命橋梁與海工結(jié)構(gòu)的可能性。輕質(zhì)砂原料為膨化珍珠巖,能貯存水分進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)[9],對水化產(chǎn)物的形成有積極作用[10],有利于提高UHPC中鋼纖維與基體的黏結(jié)性能,提升軸心極限抗拉強度,增強常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC的應(yīng)變強化效果。目前有關(guān)膨脹珍珠巖的應(yīng)用研究主要集中于改善水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能[11-12]以及制備高強輕質(zhì)混凝土[13-15]。本文研究了不同輕質(zhì)砂體積率和不同試件尺寸對UHPC拉伸應(yīng)變強化性能的影響,并同步進(jìn)行聲發(fā)射探傷測試,分析UHPC試件內(nèi)部損傷的演化機(jī)制。

1 試 驗

1.1 試驗原材料及配合比

本研究采用的UHPC的水膠比為0.17,纖維體積摻量為2.0%,其中預(yù)混料主要成分見表1。水泥采用江南-小野田水泥廠生產(chǎn)的P·II 52.5硅酸鹽水泥;硅灰選用埃肯公司生產(chǎn)的微硅粉,比表面積為22 000 m2/kg,SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.48%;微珠為從粉煤灰提取的超細(xì)沉珠,主要成分為SiO2和Al2O3,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%～55%和20%～25%;減水劑采用粉末狀聚羧酸系高效減水劑;消泡劑為粉狀的聚醚類消泡劑;所使用砂包括普通黃砂與輕質(zhì)砂兩種,普通黃砂為河砂,粒徑為0.3～0.6 mm,真密度為2 650 kg/m3;輕質(zhì)砂原料為精選膨化珍珠巖,并進(jìn)行憎水處理,如圖1(a)所示,最大粒徑≤1.0 mm,堆積密度為231 kg/m3。

圖1 鋼纖維和輕質(zhì)砂Fig.1 Fibre and lightweight sand

表1 預(yù)混料配合比Tab.1 Mixture proportions of premix kg·m-3

將輕質(zhì)砂按總體積的一定比例等體積取代黃砂,共設(shè)計6組配合比,如表2所示。輕質(zhì)砂使用前需要將0.3 mm粒徑以下的顆粒篩除,纖維采用平直形鍍銅鋼纖維,相關(guān)性能參數(shù)見表3。

表2 UHPC配合比Tab.2 Mixture proportions of UHPC

表3 鋼纖維力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of fibre

1.2 試件制備及養(yǎng)護(hù)方法

圖2為摻輕質(zhì)砂UHPC的部分制作細(xì)節(jié),制備采用如下步驟:啟動攪拌機(jī)→投入粉料→干拌2 min→加水→攪拌3～5 min(物料達(dá)到流態(tài))→依次加入輕質(zhì)砂、黃砂,攪拌1～2 min→投入纖維→繼續(xù)攪拌2 min以上→澆筑試件,將UHPC拌合物沿著試件長度方向來回倒料4～5次,將攪拌物澆筑在鋼模中,經(jīng)抹面后加蓋塑料膜,以防止水分的快速散失,室溫下靜置24 h后拆模。脫模后的試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),溫度為(20±3)℃,相對濕度90%以上,28 d齡期時進(jìn)行軸拉性能測試。

圖2 軸拉試件成型過程Fig.2 Uniaxial tension specimen forming process

試件分為兩部分。第1部分共6組,分別摻加了不同取代比例的輕質(zhì)砂,每組試件包含3個狗骨頭拉伸試件,試件厚度均為30 mm;第2部分共3組,采用相同配合比,但試件厚度分別為30、50、100 mm的3組試件,每組試件同樣包含3個狗骨頭拉伸試件,詳見圖3。兩部分試驗均還需要根據(jù)GB/T 17671—1999成型40 mm×40 mm×160 mm的棱柱試件測試7 d強度,并在測試強度前用排水法測試試件的硬化密度。

圖3 狗骨頭軸拉試件Fig.3 Dog-bone shape uniaxial tensile loading specimen

1.3 加載裝置及試驗方法

在300 kN電子伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行UHPC的單軸拉伸試驗,試驗機(jī)準(zhǔn)確度為±0.5%,夾具經(jīng)過特殊設(shè)計以避免加載偏心。狗骨頭試件由上下夾具固定,中間段固定的兩個矩形金屬架之間的距離即為試件的測試標(biāo)距L,定為200 mm。兩個金屬架用來安裝精度為0.000 1 mm的兩個線性可變位移計,以測量軸向拉伸變形,并轉(zhuǎn)化為試件的應(yīng)變值ε,最終與電腦采集的拉伸應(yīng)力值形成拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗預(yù)加載速度設(shè)為1 mm/min,當(dāng)荷載達(dá)到0.5 kN,按照0.3 mm/min的加載速率進(jìn)行正式加載,UHPC的直接拉伸加載在拉伸應(yīng)力小于峰值應(yīng)力的80%時結(jié)束試驗。

UHPC的直接拉伸實驗裝置與聲發(fā)射探傷定位試驗裝置如圖4(a)所示,試件傳感器的布置如圖4(b)所示,在試件正反面各布置4個傳感器,利用凡士林通過熱熔膠槍將傳感器固定于試件表面,傳感器與AE采集系統(tǒng)相連。斷鉛試驗后,對UHPC進(jìn)行單軸拉伸試驗及AE同步探傷試驗,首先進(jìn)行預(yù)加載試驗,加載速度設(shè)為1 mm/min,當(dāng)荷載達(dá)到0.5 kN后,按照0.3 mm/min的加載速率進(jìn)行正式加載,聲發(fā)射采集系統(tǒng)開始工作,直至試件發(fā)生破壞,聲發(fā)射采集系統(tǒng)與軸拉試驗同步停止。

圖4 聲發(fā)射實驗裝置Fig.4 Setup of acoustic emission test device

2 結(jié)果與分析

2.1 輕質(zhì)砂體積率對UHPC力學(xué)性能的影響

圖5為含不同體積率輕質(zhì)砂UHPC的軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線,均呈現(xiàn)受拉應(yīng)變強化特征。為定量比較輕質(zhì)砂體積率對UHPC力學(xué)性能的影響,將每組配合比中3根試件的軸拉曲線特征參數(shù)取均值,包括彈性段極限點對應(yīng)應(yīng)力fUte、彈性段極限點對應(yīng)應(yīng)變εUte、極限抗拉強度fUtu、極限應(yīng)變εUtu。同時測出棱柱試件的硬化密度、7 d抗壓強度并取均值,將各軸拉曲線中彈性段部分進(jìn)行擬合,把斜率作為彈性模量EU參考值記錄并取均值,具體結(jié)果見表4。

圖5 不同輕質(zhì)砂體積率UHPC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curves of UHPC with different lightweight sand volume rate

表4 不同輕質(zhì)砂體積率UHPC的力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of UHPC with different lightweight sand volume rate

為了便于比較,將軸拉曲線特征參數(shù)的均值繪制成柱狀-折線圖,如圖6所示?？梢钥闯?隨著輕質(zhì)砂體積率的增加,試件的硬化密度減小,7 d抗壓強度降低,這是由于輕質(zhì)砂本身強度較低,增加了內(nèi)部基體的不連續(xù)性, 對于UHPC的硬化密度和7 d強度均存在不利影響;輕質(zhì)砂體積率對試件彈性段的軸拉力學(xué)性能參數(shù)及彈性模量影響不大,UHPC試件的彈性段極限點對應(yīng)應(yīng)力為8～10 MPa,彈性點對應(yīng)應(yīng)變?yōu)?.02%～0.03%;對于應(yīng)變強化段,輕質(zhì)砂體積率的增加使得UHPC的極限應(yīng)變、極限抗拉強度及其與彈性段極限點對應(yīng)應(yīng)力的比值fUtu/fUte均有明顯的增加,極限抗拉強度為10.5～20.0 MPa,極限拉伸應(yīng)變?yōu)?2.3～4.4)×10-3。出現(xiàn)抗壓強度降低而彈性段極限點對應(yīng)應(yīng)力和極限抗拉強度上升的原因在于:輕質(zhì)砂在受壓與受拉過程中起到的作用并不相同;受壓過程中由于輕質(zhì)砂自身強度較低容易被粉碎,降低了UHPC的密實度,這一削弱作用要強于其內(nèi)養(yǎng)護(hù)對各相之間黏結(jié)性的改善作用;而在受拉過程中,輕質(zhì)砂起到的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用促進(jìn)了水泥水化,提高了輕質(zhì)砂與基體的黏結(jié)性以及基體與纖維之間的黏結(jié)性,對于抗拉強度的有利作用更大。

圖6 不同輕質(zhì)砂體積率UHPC的軸拉性能Fig.6 Uniaxial tension properties of UHPC with different lightweight sand volume rate

2.2 輕質(zhì)砂體積率對UHPC的損傷演化機(jī)制的影響

通過對UT-0、UT-15、UT-30 3組UHPC在軸向拉伸過程中同步進(jìn)行的聲發(fā)射無損探傷定位試驗,得到3組UHPC在不同應(yīng)變處的損傷點分布圖,如圖7所示。

圖7 不同輕質(zhì)砂體積率UHPC內(nèi)部損傷點分布Fig.7 Distribution of internal damage point at different lightweight sand volume rate UHPC

圖7中點A、B、C、D分別取自軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性段(0.01×10-2)、彈性極限點、抗拉極限點、軟化段(0.6×10-2),損傷點分布圖中的數(shù)字表示損傷點總數(shù)量,同時將過程中的損傷點數(shù)量隨應(yīng)變(0～0.6×10-2)變化趨勢繪制成圖8。

新文人流派是最早崛起的現(xiàn)代粉彩人物流派，其主要承襲于新粉彩人物瓷畫，這個流派長期占據(jù)現(xiàn)代粉彩人物流派的主流地位。這批流派的領(lǐng)軍人物正是“珠山八友”王大凡的后人王錫良，中國工藝美術(shù)大師張松茂以及徐慶庚等老一輩的藝術(shù)家，他們創(chuàng)作的作品風(fēng)格于新粉彩人物瓷畫風(fēng)格類似，且在他們創(chuàng)作的作品中葉融入了很多現(xiàn)代的風(fēng)格。但主要的審美情趣還是以傳統(tǒng)文人畫氣息為主，因此有不少人會把新文人粉彩瓷畫當(dāng)作傳統(tǒng)粉彩人物瓷畫的代表。但實際上，在二十世紀(jì)80年代之后興起的“新文人畫”運動影響下，無論從意境還是審美造詣早已脫離了純文人式的審美追求，尤其是在人物五官、構(gòu)圖以及設(shè)色等方面都更加貼合現(xiàn)代審美情趣。

圖8 不同輕質(zhì)砂體積率UHPC的內(nèi)部損傷點數(shù)量Fig.8 Number of internal damage point at with different light weight sand volume rate UHPC

由圖7可知,3組UHPC在B點開始出現(xiàn)零星的損傷點,說明直到初裂點后,試件中才開始出現(xiàn)不可逆損傷,抗拉極限點處,UT-0、UT-15、UT-30組UHPC分別產(chǎn)生了56、79和119個損傷點,這表明拉伸應(yīng)變強化程度越大的UHPC在應(yīng)變強化段會產(chǎn)生更多的微裂紋。隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行,UT-0中的損傷點逐漸呈“塊狀”聚集在試件高度220～270 mm內(nèi),這與試件最后主裂縫出現(xiàn)的位置一致。

從圖8可以看出:UT-0的損傷點快速發(fā)展區(qū)間位于(0.02～0.10)×10-2,占強化階段形成損傷點總數(shù)的75%,UT-15和UT-30的損傷點快速發(fā)展區(qū)間均為(0.08～0.16)×10-2,占比則分別為42%和43%,這表明損傷點在應(yīng)變強化階段的前期增長速率更快;對比UT-15和UT-30可以看出,應(yīng)變強化程度更高的UT-30在0～0.4×10-2內(nèi)產(chǎn)生損傷點的速率均高于UT-15,印證了前文應(yīng)變強化程度更大對應(yīng)產(chǎn)生了更多微裂紋的結(jié)論。

將試件沿高度劃分為8等分,D點各等分區(qū)損傷點占比繪成柱狀圖,結(jié)果見圖9?？梢钥闯?UT-0中,7個區(qū)域出現(xiàn)損傷點,但71.6%的損傷點集中出現(xiàn)在210～280 mm高度內(nèi);UT-15中,8個區(qū)域都有損傷點,其中,140～210 mm高度內(nèi)出現(xiàn)的損傷點最多,占25.5%;UT-30中,損傷點遍布8個區(qū)域,分布較UT-15更為均勻,損傷出現(xiàn)最多的高度為210～280 mm,占比為23.1%。從上述數(shù)據(jù)可知,應(yīng)變強化程度越高的UHPC,在軸拉荷載下內(nèi)部產(chǎn)生的損傷點越多,分布范圍更廣且更均勻。由于內(nèi)部損傷點的產(chǎn)生及分布代表微裂紋的產(chǎn)生和分布情況,這也印證了應(yīng)變強化型UHPC往往伴隨著多縫開裂現(xiàn)象。初裂點以后,試件變形以微裂紋的形式均布展開,變形一定時,產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量越多,越能分散變形量。由于UHPC初裂后促使現(xiàn)有裂縫繼續(xù)發(fā)展所需的能量一般大于產(chǎn)生新裂縫所需的能量,應(yīng)變強化型UHPC中均勻分布的微裂紋有利于新微裂縫的穩(wěn)定發(fā)展。

圖9 不同輕質(zhì)砂體積率UHPC聲發(fā)射損傷點分布Fig.9 Distribution of AE damage points of UHPC with different lightweight sand volume rate

2.3 不同試件厚度對UHPC力學(xué)性能的影響

圖10為采用與UT-15相同配合比,但厚度分別為30、50、100 mm的UHPC軸拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€,分別編號為UH-30、UH-50、UH-100?？梢钥闯?UH-30的應(yīng)變強化現(xiàn)象最為顯著,應(yīng)變強化段曲線斜率最大;隨著試件厚度的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平緩,UH-100的非彈性段曲線幾乎與X軸平行;厚度越薄的試件在軟化階段的強度衰減速率越快。

圖10 不同試件厚度UHPC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Tensile stress-strain curve of UHPC with different specimen thickness

表5為3組不同厚度UHPC軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征參數(shù),為了方便對比,同樣將軸拉曲線的特征參數(shù)單獨繪制成圖11,可以看出:UH-30、UH-50、UH-100的平均彈性極限點對應(yīng)應(yīng)力fUte分別為8.6、9.1、8.5 MPa,相應(yīng)的平均彈性極限點對應(yīng)應(yīng)變εUte分別為0.027%、0.022%、0.018%;UH-30、UH-50、UH-100的平均極限抗拉強度fUtu分別為13.7、12.1、10.7 MPa,對應(yīng)的平均強化極限應(yīng)變εUtu分別為0.472%、0.437%、0.299%。對比3種厚度UHPC的拉伸力學(xué)性能可知,三者的彈性極限點對應(yīng)應(yīng)力相差較小,而UH-30的極限抗拉強度分別為UH-50和UH-100的1.13倍和1.28倍,fUte/fUtu同樣隨著厚度的增加而減小,UH-30的強化極限應(yīng)變則分別為UH-50和UH-100的1.08倍和1.58倍。上述數(shù)據(jù)說明對于應(yīng)變強化型UHPC,試件厚度的增加使得試件極限抗拉強度與極限應(yīng)變降低,強化段剛度減小,應(yīng)變強化的特性減弱,但軟化階段的強度衰減速率有所下降。

表5 不同試件厚度UHPC的力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of UHPC with different specimen thickness

2.4 不同試件厚度UHPC的損傷演化機(jī)制

通過聲發(fā)射無損探傷定位試驗得到了UH-30、UH-50、UH-100的損傷點分布,如圖12所示。與2.2節(jié)中情況類似,3種厚度的UHPC在A點沒有出現(xiàn)損傷點,到B點處有零星損傷點產(chǎn)生,C點時3組UHPC中均產(chǎn)生了大量損傷點,直到D點,試件UH-30、UH-50、UH-100中產(chǎn)生的損傷點數(shù)分別為103、143、191個,換算至50 mm×30 mm截面積后,三者損傷點數(shù)分別為103、86、57個。以上數(shù)據(jù)可知在相同應(yīng)變下,試件厚度的增加減少了等橫截面體積內(nèi)的平均損傷點數(shù)量。

圖12 不同厚度UHPC內(nèi)部損傷點分布Fig.12 Distribution of internal damage point at different thicknesses UHPC

采用2.2節(jié)中的損傷點區(qū)域分類方法繪制出圖13,可以看出:損傷點的分散度隨著試件厚度的增加而變差,局部損傷點分布的密度增大;UH-50損傷點最集中的區(qū)域為350～420 mm,占比為39.4%,試件UH-100損傷點最集中的區(qū)域為280～350 mm,占比高達(dá)54.2%,試件UH-30中損傷點最集中的占比僅為25.4%,說明越厚的試件在軸拉荷載下能量耗散能力越弱,損傷更容易發(fā)生局部集聚。

圖13 不同試件厚度UHPC聲發(fā)射損傷點分布Fig.13 Distribution of AE damage points of UHPC with different specimen thickness

這3組試件僅有厚度上的差別,且受拉時彈性段內(nèi)只發(fā)生基體層面的開裂,在斷裂韌性和彈性極限點對應(yīng)應(yīng)力上無較大差異。由于強化段時基體內(nèi)出現(xiàn)微裂縫,荷載通過纖維的橋接作用從基體傳遞到連接微裂縫兩端的纖維上,UHPC應(yīng)變強化段的拉伸特性主要取決于嵌入纖維,當(dāng)UHPC中的纖維取向與受拉方向越一致時,纖維的利用率越高,UHPC漿體澆筑進(jìn)模具時,流速會因壁面的摩擦力而依據(jù)距離壁面的遠(yuǎn)近呈拋物線函數(shù)狀,并產(chǎn)生扭矩導(dǎo)致纖維沿平行于流動方向排列[16],隨著試件厚度的增加,扭矩的大小會因流速剖面的增大而減小,從而導(dǎo)致纖維取向系數(shù)和單位面積內(nèi)的纖維數(shù)量均隨試件尺寸的增加而減小,因此,UHPC強化階段的應(yīng)變能力逐步減弱。

厚試件與薄試件在幾何形狀上的不同使得薄試件比厚試件更容易產(chǎn)生貫穿性裂紋,在軟化階段,試件中的微裂縫密度已經(jīng)接近飽和的情況下,薄試件中的主裂縫比厚試件發(fā)展得更快,抗拉能力下降更顯著。

3 結(jié) 論

1)輕質(zhì)砂等體積取代原黃砂時,取代量的增加顯著提升了UHPC的應(yīng)變強化效果,對強化段剛度、極限抗拉強度、極限應(yīng)變及fUtu/fUte的提高存在有利影響。輕質(zhì)砂體積率由0增加到35%時,UHPC的極限抗拉強度和極限應(yīng)變分別由10.6 MPa和2.35×10-3提高到了19.4 MPa和4.3×10-3。

2)聲發(fā)射探損試驗結(jié)果表明,在試件尺寸一致的情況下,UHPC損傷點在強化段前期發(fā)展得更快,且應(yīng)變強化程度越高,其內(nèi)部產(chǎn)生的損傷點數(shù)量越多,分布更均勻,因此,在等量變形下能形成更多均布微裂紋,使得應(yīng)變強化UHPC表現(xiàn)出良好的裂縫控制能力。

3)在強化階段,UHPC試件的厚度對纖維在試件中的取向有重要影響,薄試件中纖維更容易與軸拉荷載成同方向排列,因此,薄試件的應(yīng)變強化效果要優(yōu)于厚試件;在軟化階段,由于微裂縫密度接近飽和,且薄試件比厚試件更容易產(chǎn)生貫穿裂縫,薄試件的主裂縫發(fā)展更快,軟化速率更快。

4)UHPC試件厚度的增加使得材料內(nèi)部的局部損傷點分布密度增大,更容易發(fā)生損傷點局部聚集,降低UHPC的極限抗拉強度和強化極限應(yīng)變,從而應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平緩,應(yīng)變強化效果不明顯。