鋼纖維活性粉末混凝土力學(xué)特性

王曉飛，王陽平

（北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

活性粉末混凝土（reactive powder concrete，RPC）是一種新型超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料.由于其優(yōu)越的物理力學(xué)性能，在鐵路、橋梁和市政工程等領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用［1－8］.

關(guān)于RPC在單軸壓下的力學(xué)行為研究較多，但在這些研究成果中，大多數(shù)文獻(xiàn)只有軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€數(shù)據(jù)［9－11］，有關(guān)徑向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€數(shù)據(jù)相對缺乏.鋼纖維摻量（體積分?jǐn)?shù)，下同）為0%，1%，2%和4%的情況下，圓柱體試件（φ50×100mm）抗壓強(qiáng)度超過200 MPa的活性粉末混凝土在單軸壓下的徑向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€數(shù)據(jù)更是缺乏，而徑向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€數(shù)據(jù)在RPC后續(xù)相關(guān)研究中極其重要，如RPC材質(zhì)泊松比與體應(yīng)變的確定以及本構(gòu)模型的建立與驗證都需要徑向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€數(shù)據(jù).

本文對4 種摻量的鋼纖維活性粉末混凝土（steel fiber reinforced reactive powder concrete，SFRPC）試件進(jìn)行了常規(guī)單軸壓縮試驗，獲得了其軸向、徑向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€數(shù)據(jù)及相關(guān)強(qiáng)度與變形性質(zhì)，比較分析了鋼纖維摻量對混凝土峰值強(qiáng)度、軸向峰值應(yīng)變、彈性模量、泊松比、體應(yīng)變以及破壞模式的影響.

1 試驗

1.1 鋼纖維活性粉末混凝土原材料與配合比

水泥（C）：大連小野田水泥廠產(chǎn)P·Ⅱ52.5R早強(qiáng)硅酸鹽水泥.砂（S）：福建晉江產(chǎn)建筑用海砂，粒徑0.3～1mm.硅灰（SF）：北京邦德印合成材料研究所產(chǎn)RPC專用硅灰，平均粒徑0.1～0.3μm，比表面積20～28m2／g，粒徑小于1μm 占80%以上，SiO2含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含量、減水率等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）85%～94%.石英粉（quartz power）：河南省鞏義市產(chǎn)48μm（300目）白色石英粉.鋼纖維（steel fiber）：遼寧鞍山宏昌鋼纖維廠產(chǎn)圓直鍍銅鋼纖維，直徑0.22mm，長度13mm.拌和水（water）：自來水.減水劑（A）：北京某研究院產(chǎn)新型非萘系高性能減水劑AN－3000，減水率29%，含固量31%.

1.2 試樣制備

（1）攪拌 各原材料按配合比稱量好，先將砂和石英粉倒入攪拌鍋中，干拌1min；后加入水泥和硅灰，干拌3min；鋼纖維分批次通過鋼質(zhì)漏孔篩均勻篩入攪拌鍋，每次篩入量約0.5kg，攪拌15s，直至鋼纖維投加完畢.將水與減水劑混合均勻后，全部加至攪拌鍋，攪拌8min后出料.制備素RPC 時，除不需要投加鋼纖維外，其余步驟完全相同.

（2）成型 將剛攪拌完成的RPC 基質(zhì)鏟入300mm×300mm×140mm 的木質(zhì)試模中，并在高頻振動臺（振動頻率50Hz）振動4min.

（3）養(yǎng)護(hù) 試件成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24h，拆模后立即放入熱水箱中加熱養(yǎng)護(hù).當(dāng)水溫升至40℃時保溫4h；然后使水溫升至60 ℃，保溫4h；最后升高水溫至90℃，保持水溫不變.在整個加熱過程中，控制水溫升高速率為10℃／h，直到熱水養(yǎng)護(hù)72h，關(guān)掉熱水箱電閘.待水溫降至常溫后取出試塊，立即放回標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室.

（4）3個月后完成試件的鉆、鋸和磨過程，尺寸為φ50×100 mm 的圓柱體試件在實驗室環(huán)境（20～32℃；相對濕度30%～60%）下放置3a后進(jìn)行單軸壓縮試驗.其中素RPC重復(fù)壓縮3塊試件，鋼纖維摻量為1%，2%和4%的SFRPC各重復(fù)壓縮2塊試件.

1.3 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

試驗設(shè)備采用XTR01型微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗儀.試驗加載過程采用位移控制，加載速率為0.002mm／s.表2為4種SFRPC 力學(xué)性能實測值.其中試件編號S0－1指鋼纖維摻量為0%，標(biāo)號為1，其他依次類推；S0－4為素RPC 單軸循環(huán)壓縮試件.

表2 SFRPC試件力學(xué)性能實測值Table 2 Measured values of SFRPC mechanical properties

由表2可知，素RPC的彈性模量及泊松比離散性大，不易確定其具體值.借助素RPC試件S0－4單軸循環(huán)壓縮試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其軸向及徑向應(yīng)力－應(yīng)變包絡(luò)線與素RPC試件S0－1常規(guī)單軸壓縮試驗軸向及徑向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€形狀相似且近似重合，故選擇試件S0－1的力學(xué)性能數(shù)據(jù)來確定素RPC的平均彈性模量與平均泊松比.素RPC峰值強(qiáng)度與軸向峰值應(yīng)變?nèi)≡嚰0－1，S0－2和S0－3的平均值.鋼纖維摻量為1%，2%和4%的3種SFRPC，其峰值強(qiáng)度、軸向峰值應(yīng)變、彈性模量、泊松比取其平均值進(jìn)行分析.

由于軸應(yīng)力在0.2σp～0.4σp（σp為峰值應(yīng)力）時，軸向及徑向應(yīng)力－應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，故本文取0.2σp～0.4σp直線段斜率為平均彈性模量值.平均泊松比μ 用式（1）確定：

式中：εja，εjb分別為彈性段上a，b點徑向應(yīng)變值；εza，εzb分別為彈性段上a，b點軸向應(yīng)變值.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€

圖1為不同鋼纖維摻量的SFRPC單軸應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€.

圖1 不同鋼纖維摻量SFRPC的單軸應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€Fig.1 Uniaxial stress－strain curves of SFRPC with different steel fiber volume contents

由圖1可知，鋼纖維摻量不同的SFRPC在單軸壓應(yīng)力作用下，其軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€形狀相似，均可分為4個階段.由試驗數(shù)據(jù)上看，軸向應(yīng)力從開始施加到0.1σp時為第1 階段——壓密階段，此階段試件內(nèi)部的原始微裂縫趨于閉合，軸向產(chǎn)生一定的應(yīng)變，軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)為一小段弧狀曲線.由于微裂縫細(xì)微，徑向幾乎不產(chǎn)生應(yīng)變，徑向應(yīng)力－應(yīng)變曲線表現(xiàn)為1條平行于坐標(biāo)縱軸的直線.第2階段為彈性階段，此階段軸向及徑向應(yīng)力－應(yīng)變曲線均近似為直線，軸力從0.1σp到（0.60～0.85）σp不等.鋼纖維摻量不同的RPC彈性階段終點位置稍顯不同，素RPC彈性階段終點軸應(yīng)力占峰值應(yīng)力的比例相對最大，約為（0.80～0.85）σp.隨著鋼纖維摻量的增加，該比例有逐漸降低趨勢，大體上在（0.60～0.80）σp內(nèi)變化.應(yīng)力過彈性階段終點后就進(jìn)入了第3階段——塑性強(qiáng)化階段，該階段從彈性變形終點到峰值應(yīng)力點.此階段軸向及徑向同時表現(xiàn)出非線性變形的特點，應(yīng)力增加緩慢，軸向及徑向應(yīng)變增長速度加快，這與微裂縫在此階段密集產(chǎn)生、擴(kuò)展以及交叉密切相關(guān).軸力過峰值點后，進(jìn)入第4 階段——應(yīng)力穩(wěn)定下降段，該階段從峰值應(yīng)力點到試件破壞，為應(yīng)力－應(yīng)變曲線峰后部分.該階段應(yīng)力先是穩(wěn)定下降，軸向及徑向應(yīng)變迅速增加.當(dāng)應(yīng)力降低到某點后，鋼纖維摻量為0%和1%的試件表現(xiàn)為突然破壞并伴隨有爆裂聲，而鋼纖維摻量為2%和4%的試件峰后段曲線表現(xiàn)得更為連續(xù)、光滑和平坦，尤其是鋼纖維摻量為2%的試件表現(xiàn)出更好的延性.此階段SFRPC微裂縫已貫通，形成宏觀損傷，試件破壞后還有一定的殘余強(qiáng)度和承載力.

由圖1還可見，鋼纖維摻量不同的SFRPC在單軸壓應(yīng)力作用下，徑向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€形狀也相似，可分為3個階段.第1階段為彈性階段，對應(yīng)軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€的壓密段和彈性段，這一階段徑向應(yīng)力－應(yīng)變曲線近似表現(xiàn)為直線，徑向應(yīng)變值很??；第2階段為塑性強(qiáng)化階段，與軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€中的第3階段相對應(yīng)，此階段徑向應(yīng)力增長緩慢，徑向應(yīng)變增長較快，徑向曲線由直線連續(xù)光滑地轉(zhuǎn)變?yōu)榛【€；第3階段為應(yīng)力穩(wěn)定下降段，與軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€第4階段對應(yīng)，此階段徑向應(yīng)力先是穩(wěn)定下降，對應(yīng)的徑向應(yīng)變發(fā)展很快，當(dāng)徑向應(yīng)力逐漸降低到某一點時試件破壞.

2.2 強(qiáng)度特點

由表2可知，SFRPC峰值強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加幾乎呈線性增加；素RPC 平均峰值強(qiáng)度為93.5MPa，鋼纖維摻量為4%的SFRPC平均峰值強(qiáng)度最大為218MPa；鋼纖維摻量每增加1%，峰值強(qiáng)度約增加30MPa.

2.3 軸向峰值應(yīng)變

由表2可知，軸向峰值應(yīng)變隨鋼纖維摻量的增加而增大，鋼纖維摻量從0%增加到1%時，軸向峰值應(yīng)變增幅最大，增加約2.8 倍，而鋼纖維摻量從1%增加到2%再增加到4%時，SFRPC軸向峰值應(yīng)變增幅較小，均約為1.2倍.素RPC 軸向峰值應(yīng)變約為0.171%，鋼纖維摻量為4%時，SFRPC 軸向峰值應(yīng)變約為0.691%.這充分說明在素RPC 基質(zhì)中摻入鋼纖維不僅能增加其單軸抗壓強(qiáng)度，同時也能較好地提高其延性與韌性.

2.4 平均彈性模量

由表2可知，不同鋼纖維摻量下RPC平均彈性模量成折線變化.素RPC平均彈性模量約為54.6GPa.而鋼纖維摻量為1%，2%和4%時，SFRPC 平均彈性模量相當(dāng)，約為39GPa.因為素RPC 性脆，軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€彈性段較陡，故其彈性模量較大.當(dāng)添加鋼纖維后，RPC 韌性及延性得到較好改善，軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€彈性段比素RPC 軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€彈性段更緩一些，故其彈性模量相對較小.鋼纖維摻量為1%，2%和4%時，RPC軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€彈性段斜率接近.

2.5 平均泊松比

由表2可知，SFRPC的平均泊松比隨鋼纖維摻量的增加而增大，素RPC 最小約為0.134.而鋼纖維摻量從1%增加到2%再增加到4%，SFRPC的平均泊松比近似呈線性增加，鋼纖維摻量每增加1%，SFRPC的平均泊松比增大約1.24倍.這說明摻入鋼纖維會改變RPC 的延性，且摻量越大，徑向曲線彈性段變形越大.

2.6 破壞模式

圖2為不同鋼纖維摻量的RPC破壞形態(tài).

圖2 不同鋼纖維摻量RPC破壞模式Fig.2 Failure modes of RPC with different steel fiber volume contents

由圖2 可知，素PRC 在單軸壓下破壞模式顯著，表現(xiàn)為劈裂破壞；當(dāng)鋼纖維摻量為1%時，試件破壞模式表現(xiàn)為單剪切破壞；當(dāng)鋼纖維摻量為2%時，剪切破壞模式占主導(dǎo)，表面有2條斜主裂縫，均未沿軸向貫通整個試件，形成一個不規(guī)則的V 字形，使前后貫通面兩側(cè)部分形成楔形體；當(dāng)鋼纖維摻量為4%時，試件破壞模式表現(xiàn)為X 形剪切破壞.

2.7 體應(yīng)變

圖3 不同鋼纖維摻量RPC軸應(yīng)力－體應(yīng)變對比曲線Fig.3 Axial stress－volume strain curves of RPC with different steel fiber volume contents

圖3為SFRPC 試件的軸應(yīng)力－體應(yīng)變曲線.由圖3可知，軸應(yīng)力－體應(yīng)變曲線可分為3個階段.第1階段為從坐標(biāo)原點到最大壓密點.鋼纖維摻量4%時，最大壓密點軸應(yīng)力占對應(yīng)峰值應(yīng)力的比值最小，約為60%，而鋼纖維摻量為0%，1%和2%時，最大壓密點軸應(yīng)力占對應(yīng)峰值應(yīng)力的比值稍大，為70%～85%.這是因為鋼纖維摻量越大，軸向及徑向應(yīng)力－應(yīng)變曲線更早地表現(xiàn)出非線性的緣故.這一階段與軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€的壓密段與彈性段相對應(yīng).第2階段為從體積最大壓密點到體積擴(kuò)容點（圖3 曲線與縱坐標(biāo)交點，非坐標(biāo)原點），應(yīng)力過最大壓密點后，隨應(yīng)力的增加，體積從最密實狀態(tài)開始快速膨脹，表現(xiàn)為應(yīng)力增長緩慢，體應(yīng)變增長較快.這一階段與軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€第3階段塑性強(qiáng)化段相對應(yīng).鋼纖維摻量不同的SFRPC 體積擴(kuò)容點應(yīng)力值與對應(yīng)峰值應(yīng)力的比值很接近，從94%到97%不等，也就是說，試件在壓縮試驗過程中，在約95%峰值應(yīng)力前，體積是壓縮的.第3階段從體積擴(kuò)容點到破壞，這一階段，試件開始擴(kuò)容，先經(jīng)過一個應(yīng)力微小增加達(dá)到峰值應(yīng)力后，進(jìn)入應(yīng)力穩(wěn)定下降段，該階段體應(yīng)變急劇膨脹.體積膨脹量遠(yuǎn)大于之前的最大體積壓縮量.與軸向應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€荷載穩(wěn)定下降段（峰后段）對應(yīng).

2.8 SFRPC力學(xué)性能時間效應(yīng)

SFRPC力學(xué)性能隨時間增長有劣化現(xiàn)象，目前可查文獻(xiàn)不多.用本文原材料及配合比制得的素RPC熱養(yǎng)護(hù)完成后7d強(qiáng)度為132 MPa.熱養(yǎng)護(hù)完成4個月（與本文3a齡期試件同批次，試驗前養(yǎng)護(hù)條件相同）與3a齡期素RPC力學(xué)性能對比見表3.

表3 素RPC不同齡期力學(xué)性能對比Table 3 Mechanical properties comparison of plain RPC at different curing ages

由表3可知，素RPC力學(xué)性能隨時間增長的劣化現(xiàn)象嚴(yán)重，熱養(yǎng)護(hù)后3a的峰值強(qiáng)度比4個月強(qiáng)度降低約30.7%，軸向峰值應(yīng)變減小約67.7%，平均彈性模量增大約70%，泊松比減少約33%.摻鋼纖維RPC力學(xué)性能隨時間增長的劣化現(xiàn)象，就目前獲得的數(shù)據(jù)還不能給出系統(tǒng)性結(jié)論.如果以強(qiáng)度作為衡量含鋼纖維RPC 力學(xué)性能隨時間增長的劣化指標(biāo)，有以下預(yù)測性結(jié)論供廣大相關(guān)研究者驗證：（1）含鋼纖維RPC強(qiáng)度有劣化現(xiàn)象.（2）隨鋼纖維摻量的增加，SFRPC 強(qiáng)度劣化程度減弱，當(dāng)鋼纖維摻量增加到某一值時，SFRPC強(qiáng)度幾乎不劣化.

3 結(jié)論

（1）摻入鋼纖維不僅能增加SFRPC 的單軸抗壓強(qiáng)度，同時也能較好地改善材料的脆性，提高其延性與韌性.SFRPC峰值強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加近似呈線性增加，鋼纖維摻量每增加1%，峰值強(qiáng)度增加約30MPa；軸向峰值應(yīng)變隨鋼纖維摻量的增加而增加，鋼纖維摻量由0%增加到1%時，軸向峰值應(yīng)變增幅最大；素RPC 試件的平均彈性模量最大，鋼纖維摻量為1%，2%和4%時SFRPC試件的平均彈性模量相當(dāng)；SFRPC試件的平均泊松比隨鋼纖維摻量的增加而增大；鋼纖維摻量不同，試件破壞模式不同，素RPC 試件表現(xiàn)為劈裂破壞，鋼纖維摻量為1%的SFRPC試件表現(xiàn)為單剪切破壞，鋼纖維摻量為4%的SFRPC試件表現(xiàn)為X 形剪切破壞.

（2）鋼纖維摻量不同的SFRPC軸向、徑向應(yīng)力－應(yīng)變曲線及軸應(yīng)力－體應(yīng)變曲線形狀相似，軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線可分為4 個階段進(jìn)行分析，徑向應(yīng)力－應(yīng)變曲線及軸應(yīng)力－體應(yīng)變曲線可分為3個階段進(jìn)行分析.

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