高延性纖維混凝土抗壓韌性試驗(yàn)研究

鄧明科，劉海勃，秦 萌,2，梁興文

（1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.成都天華西南建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610016）

高延性水泥基復(fù)合材料[1](Engineered Cementitious Composites，簡稱ECC)是20世紀(jì)90年代美國Michigan大學(xué)Victor C. Li教授首先提出的一種具有高韌性、高抗裂性能和耐損傷能力的新型結(jié)構(gòu)材料.ECC在拉伸和剪切荷載下表現(xiàn)出良好的多裂縫開展和應(yīng)變硬化特征，可顯著提高混凝土材料的韌性和耐損傷能力，在土木工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.Li等通過對(duì)纖維、基體和界面特性進(jìn)行研究，提出了ECC的微觀力學(xué)模型[2]；公成旭等研究了PVA纖維直徑對(duì)ECC抗拉性能的影響[3]；張君等研究了基材強(qiáng)度(水膠比)對(duì)ECC抗彎性能的影響[4]；龐超明等研究了粉煤灰摻量、膠砂比等對(duì)高延性水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[5]；李賀東等研究了超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)的受彎性能及彎曲韌性評(píng)價(jià)方法[6].為便于ECC在混凝土結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用，本課題組將其稱為高延性纖維混凝土(High Ductile Fiber Reinforced Concrete，簡稱HDC)，并系統(tǒng)開展了高延性纖維混凝土抗壓性能、抗彎性能和尺寸效應(yīng)的試驗(yàn)研究[7-8].

軸心抗壓性能是混凝土材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)之一.普通混凝土受壓破壞呈明顯脆性，高延性纖維混凝土表現(xiàn)出良好的韌性和耐損傷能力，其抗壓韌性也成為其重要的力學(xué)性能指標(biāo).韌性反映了材料吸收能量和抵抗斷裂破壞的能力.當(dāng)基體開裂后，纖維從基體中拔出時(shí)需要克服界面摩擦力而消耗較大的能量，使高延性纖維混凝土開裂以后仍具有良好的完整性.蔡向榮等進(jìn)行了UHTCC單軸受壓韌性的試驗(yàn)測定與評(píng)價(jià)[9]；徐世烺等通過單軸受壓試驗(yàn)，得到UHTCC的塑性變形能力和峰值后延性明顯優(yōu)于混凝土[10].

為進(jìn)一步研究高延性纖維混凝土的抗壓韌性和變形能力，本文選取100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊，進(jìn)行了9組不同配合比HDC的單軸受壓試驗(yàn)，分別考慮纖維摻量、水膠比、粉煤灰摻量和砂膠比對(duì)其抗壓韌性的影響，確定HDC的抗壓韌性的評(píng)定方法，為高延性纖維混凝土的工程應(yīng)用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的高延性纖維混凝土基本組成為：水泥(P·O 42.5R)、粉煤灰、精細(xì)河砂、PVA纖維、水和高效減水劑.PVA纖維的具體參數(shù)見表1，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)見表2，其中配合比1為不含纖維的水泥砂漿基體對(duì)比試件.

表1 PVA纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)Tab.1 Properties of PVA fiber

表2 試驗(yàn)配合比Tab.2 Mix of test

每組試件包括3個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體，試件均在同條件下制作、養(yǎng)護(hù).試驗(yàn)時(shí)試件的齡期為10個(gè)月，采用500 t電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速率為0.5 mm/min.試驗(yàn)加載裝置如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)加載裝置Fig.1 Test loading device

1.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

砂漿基體的受壓破壞過程與普通混凝土類似，試件出現(xiàn)豎向裂縫以后，立即喪失承載力，發(fā)生明顯的脆性破壞.

高延性纖維混凝土試件的受壓破壞過程與砂漿基體差別較大.加載過程中，高延性纖維混凝土試件經(jīng)歷了無裂縫階段、裂縫穩(wěn)定發(fā)展、裂縫非穩(wěn)定發(fā)展等過程，具體描述如下：

加載初期，試件橫向變形較小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性關(guān)系，試件處于彈性階段；加載至峰值荷載的50%～60%時(shí)，試件橫向變形增大，表面開始出現(xiàn)豎向微裂縫，纖維橋聯(lián)作用使基體內(nèi)部裂縫擴(kuò)展受到一定約束，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性關(guān)系，試件基本還處于彈性階段；當(dāng)加載至峰值荷載的80%以上時(shí)，試件表面裂縫逐漸變寬，此時(shí)應(yīng)變增長的速度大于應(yīng)力增長的速度，應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生彎曲，試件單軸受壓的塑性變形逐漸增大，試件橫向拉伸變形較大時(shí)形成一條主裂縫，試驗(yàn)過程中可聽到主裂縫變寬時(shí)纖維拔出或拉斷的“嘶嘶”聲.試件達(dá)到峰值荷載以后，主裂縫突然變寬，承載力降低，試件變形繼續(xù)增大.當(dāng)荷載下降峰值荷載的10%～20%以后，主裂縫兩側(cè)試件發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，試件承載力下降緩慢.試件破壞以后始終保持一定的剩余承載力.各試件受壓破壞后的裂縫形態(tài)如圖2所示.

圖2 試件破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of test specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單軸受壓荷載-變形曲線

試驗(yàn)測得各組試件單軸受壓的荷載-變形曲線如圖3所示.表3給出了各組試件的峰值荷載和變形.

由圖3和表3可以看出，砂漿基體(配合比1)對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變?yōu)?.002 2，與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]相應(yīng)混凝土的峰值應(yīng)變接近.高延性纖維混凝土單軸受壓的荷載-變形曲線為單峰曲線，其峰值變形較砂漿基體試件均有明顯提高，9組不同配合比HDC的峰值變形可達(dá)砂漿基體的2.31～3.64倍，表明HDC達(dá)到峰值荷載以前的變形能力得到明顯提高.另外，HDC試件受壓破壞以后具有良好完整性，當(dāng)試件產(chǎn)生較大的壓縮變形時(shí)仍具有10%～20%的剩余承載力.

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results

2.2 韌性指數(shù)分析

我國《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]關(guān)于等效彎曲強(qiáng)度ef的計(jì)算方法如下：

式中：ef為等效彎曲強(qiáng)度，MPa；kΩ為跨中撓度為/150L的荷載-撓度曲線下的面積，N mm?；kδ為跨中撓度為 /150L 時(shí)的撓度值.

本文參照等效彎曲強(qiáng)度的計(jì)算方法，根據(jù)HDC試件單軸受壓的荷載-變形曲線，提出等效抗壓強(qiáng)度(圖4)的計(jì)算公式如下：

式中：P為軸向壓力, N； fce為等效抗壓強(qiáng)度, MPa；Ωu為豎向變形量為δu時(shí)荷載-變形曲線下的面積，N·mm；δu為荷載下降至極限荷載的u倍（可取0.85、0.50或0.20）所對(duì)應(yīng)的豎向變形量, mm；A為試件單軸受壓的面積.

抗壓韌性反映了材料受壓破壞過程中吸收能量和抵抗破壞的能力，與材料抗壓強(qiáng)度和變形能力有關(guān).按式(2)計(jì)算的等效抗壓強(qiáng)度，反應(yīng)了試件破壞過程中承載力下降至某一定值時(shí)對(duì)應(yīng)的平均抗壓強(qiáng)度，但未考慮試件破壞過程中壓縮變形的影響，不能有效反映試件的抗壓韌性.

為考慮試件變形對(duì)抗壓韌性的影響，對(duì)式(2)采用無量綱比值δu/l(l為試件高度)進(jìn)行修正如下：

定義cuW 為等效抗壓韌性指數(shù)，由式（3）可知，其物理意義為試件單軸受壓時(shí)單位體積的變形能，可作為試件的抗壓韌性評(píng)價(jià)指標(biāo).

下面以a、b兩個(gè)試件的單軸受壓荷載-變形曲線(圖5)為例進(jìn)一步說明等效抗壓韌性指數(shù)的物理意義.當(dāng)u取0.85時(shí)，圖4中為的1.60倍，說明試件b的抗壓韌性明顯高于試件a，按式(2)計(jì)算可得/=1 .06，按式(3)計(jì)算可得/=1 .66.可 見，等效抗壓韌性指數(shù) Wcu綜合了反映試件的抗壓強(qiáng)度和變形能力兩個(gè)因素的影響，可有效反映試件單軸受壓的抗壓韌性.

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)u取0.85、0.50和0.20時(shí)，試件等效抗壓韌性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表4.

圖4 等效抗壓強(qiáng)度計(jì)算Fig.4 The calculation of equivalent compressive strength

圖5 不同曲線對(duì)比分析Fig.5 Comparative analysis of the different curves

表4 等效抗壓韌性指數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of equivalent compressive toughness

2.3 各因素對(duì)韌性指標(biāo)的影響分析

根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，本試驗(yàn)中纖維摻量、水膠比、粉煤灰摻量和砂膠比四種因素對(duì)HDC抗壓韌性的影響趨勢如圖6.

圖6 各因素對(duì)抗壓韌性指標(biāo)的影響趨勢Fig.6 The trend of Various factors for the Compressive toughness

各因素的影響分析如下：

(1) 纖維摻量

砂漿基體試件為典型的脆性材料，抗壓韌性很小，其壓縮變形和等效抗壓韌性指數(shù)明顯低于其余試件.高延性纖維混凝土基體內(nèi)部亂向分布的短纖維能有效阻止內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高了試件單軸受壓的變形能力和抗壓韌性.由圖6(a)可見，隨著纖維摻量增大，試件的等效抗壓韌性指數(shù)明顯提高.當(dāng)纖維摻量由1%增加到2%時(shí)，、、分別提高了42.66%、54.78%和63.28%.

(2) 水膠比

隨著水膠比減小，基體的抗壓強(qiáng)度提高；但水膠比較低時(shí)，拌合物的和易性較差，基體內(nèi)部纖維分散不均勻，使得纖維的增韌作用減弱.由圖6(b)可以看出，本次試驗(yàn)中水膠比為0.29的試件單軸受壓變形能力和抗壓韌性指數(shù)達(dá)到最大值.

(3) 粉煤灰摻量

粉煤灰可以改善纖維與基體之間的界面特性，在一定程度上提高材料的延性.隨著粉煤灰摻量增大，基體的抗壓強(qiáng)度降低，但抗壓韌性有所提高.從圖6(c)中可以得出：當(dāng)摻量小于50%時(shí)，其抗壓韌性指數(shù)隨粉煤灰摻量增加而增大；當(dāng)摻量超過50%，由于試件齡期的影響，其抗壓強(qiáng)度未得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致抗壓韌性指數(shù)降低.

(4) 砂膠比

砂膠比增大，高延性纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度有所提高，但在一定程度上抑制了材料的應(yīng)變硬化特性，導(dǎo)致其抗壓韌性降低.由圖6(d)可以看出：當(dāng)砂膠比由0.36增加至0.48時(shí)，其抗壓韌性指數(shù)、、分別降低了39.5%，44.3%，46.3%.

2.4 抗壓韌性指數(shù)與纖維摻量之間的關(guān)系

高延性纖維混凝土的受壓破壞明顯區(qū)別于砂漿基體，主要取決于基體內(nèi)部亂向分布的PVA纖維，纖維的橋聯(lián)作用使試件縱向壓縮時(shí)受到一定的橫向約束作用，改善了HDC的受力狀態(tài)和開裂以后的變形能力，從而提高了材料的抗壓韌性.

由表3和表4可得，改變纖維摻量時(shí)，纖維橋聯(lián)作用對(duì)HDC單軸抗壓強(qiáng)度的提高作用不明顯，但對(duì)抗壓韌性指數(shù) Wc0u.85的提高可達(dá)砂漿基體的2.88～4.09倍，對(duì)受壓變形能力的提高可達(dá)砂漿基體的3.41～3.64倍.因此，纖維摻量是影響試件抗壓韌性指數(shù)的主要因素.為進(jìn)一步分析纖維摻量與試件抗壓韌性指數(shù)之間的定量關(guān)系，對(duì)表4中改變纖維摻量的試件抗壓韌性指數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，得到等效抗壓韌性指數(shù)與纖維摻量φ之間的關(guān)系如圖7所示，其表達(dá)式為：

圖7 與φ的關(guān)系Fig.7 Relationship between equivalent compressive toughness index and volume ratio of PVA fiber

2.5 試件受壓變形能力分析

高延性纖維混凝土基體內(nèi)部的纖維橋聯(lián)作用，使試件縱向受壓產(chǎn)生的豎向裂縫和橫向拉伸變形受到均勻連續(xù)的約束力.因此，HDC單軸受壓的受力狀態(tài)相當(dāng)于處于常規(guī)三軸受壓的約束混凝土.

本文的試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維橋聯(lián)作用對(duì)HDC單軸抗壓強(qiáng)度的提高作用不明顯，但對(duì)抗壓韌性指數(shù)的提高可達(dá)砂漿基體的2.88～4.09倍，對(duì)受壓變形能力的提高可達(dá)砂漿基體的3.11～3.64倍.

為了定量描述纖維橋聯(lián)作用對(duì)試件受壓變形能力的提高，以下將HDC中纖維橋聯(lián)作用對(duì)基體的產(chǎn)生的橫向約束與箍筋約束作用進(jìn)行等效分析.采用Mander等[13]提出的約束混凝土模型，對(duì)HDC中纖維橋聯(lián)作用產(chǎn)生的橫向約束作用進(jìn)行等效分析，具體過程如下：

箍筋約束混凝土的受壓峰值應(yīng)變

式中，coε為混凝土(基體)的峰值應(yīng)變.ccf可按式(6)計(jì)算

式中：tf為箍筋對(duì)混凝土(基體)提供的側(cè)向約束應(yīng)力；cf為混凝土(基體)的抗壓強(qiáng)度.

混凝土的縱向受壓破壞是由于其橫向拉裂引起，高延性纖維混凝土試件受壓破壞過程中，基體內(nèi)部的纖維橋聯(lián)作用，使試件縱向受壓產(chǎn)生的豎向裂縫和橫向拉伸變形受到約束.HDC的拉伸應(yīng)變硬化效應(yīng)，使試件橫向拉裂以后還能繼續(xù)受到持續(xù)穩(wěn)定的橫向約束力，其受力機(jī)理如圖8.

圖8 橫向約束力Fig.8 Lateral binding force

假定HDC單軸受壓時(shí)基體受到的橫向約束應(yīng)力(纖維橋聯(lián)應(yīng)力σt)不超過其抗拉強(qiáng)度ft.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，取 εco= 0 .002 2.參考文獻(xiàn)[14]中本課題組已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得配合比4對(duì)應(yīng)的HDC抗拉強(qiáng)度平均值 ft=5 .7 MPa ，本次試驗(yàn)測得砂漿基體的抗壓強(qiáng)度平均值 fc=63.06 MPa .將ft、fc和εco帶入公式(5)和(6)，可得配合比4對(duì)應(yīng)的HDC單軸受壓的峰值應(yīng)變?yōu)?εcco= 0 .007 9.

可見，按纖維橋聯(lián)應(yīng)力產(chǎn)生的橫向約束力等效分析，求得HDC試塊單軸受壓的峰值應(yīng)變可達(dá)砂漿基體的3.59倍，與本文配合比4的試驗(yàn)結(jié)果基本相符.

以下進(jìn)一步分析纖維橋聯(lián)應(yīng)力tσ與約束混凝土體積配箍率之間的等效換算關(guān)系.

圖9 纖維橋聯(lián)應(yīng)力與箍筋約束力等效Fig.9 The equivalence of fiber bridging force and stirrup binding force

由式(7)得

以截面尺寸為500 mm × 5 00 mm的鋼筋混凝土柱為例，內(nèi)配箍筋采用HRB400，直徑為10 mm，保護(hù)層厚度為25 mm.則 b = 450 mm， Asv= 78.5 mm2，n=2，令σt=ft=5.7 MPa，fyv=360 N/mm2，代入式(8)可得s=23 mm.

我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]規(guī)定矩形截面柱的體積配箍率為

其中，l1= l2=4 50 mm ，Acor=2 02 500 mm2， As1As2=78.5 mm2， n1= n2=2 ，代入式(9)可求得HDC纖維橋聯(lián)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的等效體積配箍率為ρv= 3.03%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于框架柱端加密區(qū)對(duì)體積配箍率的要求.

以上分析表明，HDC良好的拉伸應(yīng)變硬化效應(yīng)和基體內(nèi)部的纖維橋聯(lián)約束作用，可阻止基體內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，相當(dāng)于在試件內(nèi)配置了大量約束箍筋，使試件單軸受壓的變形能力明顯提高，表現(xiàn)出良好的抗壓韌性.因此，將HDC用于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位及構(gòu)件塑性鉸區(qū)，不僅可以顯著提高塑性鉸區(qū)的變形能力，還可減少約束箍筋的數(shù)量.

3 結(jié)論

本文通過對(duì)9組不同配比的高延性纖維混凝土試件的單軸受壓試驗(yàn)研究，初步得出以下結(jié)論：

(1) 高延性纖維混凝土單軸受壓的峰值應(yīng)變較砂漿基體有明顯提高，可達(dá)砂漿基體的2.31～3.59倍，且試件產(chǎn)生較大的壓縮變形時(shí)仍具有10%～20%的剩余承載力.

(2) 采用等效抗壓韌性指數(shù)cuW 反映了試件單軸受壓時(shí)單位體積的變形能，可作為試件的抗壓韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)；隨著纖維摻量增大，HDC試件的等效抗壓韌性指數(shù)明顯提高.

(3) HDC纖維橋聯(lián)作用對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的提高作用不明顯，但對(duì)等效抗壓韌性指數(shù)和受壓變形能力的提高可達(dá)砂漿基體的3倍以上.

(4) 纖維摻量是影響HDC抗壓韌性指數(shù)的主要因素，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了HDC等效抗壓韌性指數(shù)與纖維摻量φ之間的關(guān)系.

(5) 通過HDC纖維橋聯(lián)應(yīng)力與箍筋約束作用等效分析表明，HDC基體內(nèi)部的纖維橋聯(lián)作用，相當(dāng)于在試件內(nèi)配置了大量約束箍筋，使試件的抗壓韌性和受壓變形能力明顯提高.

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