水膠比對(duì)超高性能混凝土施工與力學(xué)性能的影響

李傳習(xí)，聶潔，潘仁勝，石家寬，曾宇環(huán)，賀君

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 橋梁工程安全控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410114)

超高性能混凝土，簡(jiǎn)稱(chēng)UHPC，是近30年來(lái)最具創(chuàng)新性的水泥基材料，其擁有兩方面“超高”，即超高耐久性和超高力學(xué)性能[1-2]。其中，超高強(qiáng)度和超高韌性是UHPC最重要也是最基本的力學(xué)特性[3]，前者主要來(lái)源為水泥、微硅粉等的水化產(chǎn)物CSH凝膠[4]；超高韌性主要源自鋼纖維對(duì)UHPC基體內(nèi)裂縫的抑制作用[5-6]。超高韌性不僅體現(xiàn)了混凝土材料抗彎性能，亦可在一定程度間接反映材料的抗拉性能[7-8]；而擴(kuò)展度決定了UHPC的施工性能[9]。

Wille等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨著水膠比的增大，UHPC抗壓和抗折強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，當(dāng)水膠比超過(guò)0.2時(shí)，下降幅度顯著增加，擴(kuò)展度則基本呈線性增長(zhǎng)；A?tcin[11]的研究結(jié)果表明，水膠比的大小直接影響到混凝土的孔隙率、密度和力學(xué)性能。其中，隨著水膠比的降低，混凝土強(qiáng)度有著較顯著提升。文獻(xiàn)[12-16]的研究成果也表明，當(dāng)水膠比增大時(shí)，UHPC抗壓強(qiáng)度降低，流動(dòng)性增強(qiáng)；Lee等[17]研究卻表明，超高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比增大總體呈“上下波動(dòng)”；Rao[18]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同硅灰摻量下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比增大均呈先增后減趨勢(shì)；鞠楊等[19]研究表明，UHPC的抗壓、抗折強(qiáng)度隨水膠比(0.16～0.19)的增大呈“先增后減”趨勢(shì)，并在水膠比為0.17時(shí)達(dá)最優(yōu)；劉娟紅等[20]認(rèn)為，水膠比過(guò)低時(shí)，UHPC混合料的粘度很大，在振搗過(guò)程中，其內(nèi)部的空氣難以排出，較大程度影響了密實(shí)度。由此可見(jiàn)，UHPC擴(kuò)展度隨水膠比增大的變化規(guī)律明晰，但抗壓、抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論。

UHPC試件強(qiáng)度的變異性影響設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的確定，也是其性能穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。制作UHPC所需的攪拌時(shí)間影響生產(chǎn)效率，新拌UHPC的擴(kuò)展度及其靜停一段時(shí)間的擴(kuò)展度直接決定了它的施工性能。但是，對(duì)UHPC試件的強(qiáng)度變異性、制作UHPC的攪拌時(shí)間和攪拌后靜停時(shí)間對(duì)擴(kuò)展度影響的研究，除李傳習(xí)等[16]外，還未見(jiàn)報(bào)道。文獻(xiàn)[16]針對(duì)上述影響規(guī)律等進(jìn)行了研究，但研究的對(duì)象是強(qiáng)度等級(jí)稍低的UHPC(120 MPa級(jí))。其基礎(chǔ)配比中，用粉煤灰和石英粉部分代替了水泥和超級(jí)礦粉，雖有利于減少資源消耗，但強(qiáng)度等級(jí)有限。因原材料有所變化，水膠比影響規(guī)律、強(qiáng)度變異性、擴(kuò)展度的濕拌時(shí)間與靜停時(shí)間影響規(guī)律必然不同。目前，關(guān)于UHPC彎曲韌性(尤其是水膠比對(duì)UHPC彎曲韌性影響)的報(bào)道較少，且主要是通過(guò)分析應(yīng)力-撓度曲線的變化趨勢(shì)或比較曲線所包圍面積[16, 21-23]，存在較顯著的局限性。而諸如ASTM C 1018(美國(guó)規(guī)范)[24]、JSCE-SF4(日本規(guī)范)[25]及借鑒兩者并有所拓展的中國(guó)規(guī)范CECS13：2009[26]等雖規(guī)定了詳細(xì)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，但在UHPC領(lǐng)域鮮有應(yīng)用，有必要進(jìn)一步計(jì)算驗(yàn)證。另外，文獻(xiàn)[16]運(yùn)用規(guī)范CECS 13：2009確定彎曲初裂撓度時(shí)易產(chǎn)生人為誤差，導(dǎo)致彎曲韌性指標(biāo)計(jì)算不夠精確等不足。因此，有必要對(duì)規(guī)范法進(jìn)行一定改進(jìn)并通過(guò)特定方法以提高計(jì)算精度。

筆者以研制施工性能和力學(xué)性能優(yōu)良的150 MPa級(jí)UHPC為目標(biāo)，在水膠比(water-to-binder radio，W/B)0.15～0.2范圍內(nèi)首先考察UHPC擴(kuò)展度(不同攪拌時(shí)間和靜停時(shí)間)、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度(包括抗壓、抗折強(qiáng)度的變異性)的變化趨勢(shì)；采用CECS 13：2009及其改進(jìn)后的方法計(jì)算UHPC彎曲韌性指標(biāo)隨水膠比的變化趨勢(shì)。還將運(yùn)用一種由加拿大學(xué)者Banthia等[27]提出的基于應(yīng)力-撓度曲線來(lái)計(jì)算材料韌性指標(biāo)的Nemkumar法，該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不依賴初裂撓度的同時(shí)亦可充分利用下降段曲線，使計(jì)算結(jié)果幾乎零誤差，該方法可作為CECS 13：2009及其改進(jìn)方法的最佳對(duì)比評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 UHPC材料組成

水：選用城市自來(lái)水；水泥：選用P.O 52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，實(shí)測(cè)抗壓和抗折強(qiáng)度分別為33.8、6.6 MPa(3 d)、61.37、8.5 MPa(28 d)，細(xì)度(80 μm)1%，比表面積342 m2/kg，燒失量1.95%；微硅粉：SiO2含量為95%的灰色粉末，其余化學(xué)組分及物理特性見(jiàn)文獻(xiàn)[16]；石英砂：26～40目的精制石英砂；納米礦粉：粒徑為8 000目，外觀呈白色；減水劑：聚羧酸系高效減水劑，減水效率30%以上；鋼纖維：鍍銅平直鋼纖維，尺寸和體積摻量分別為13 mm×0.2 mm和2.5%。

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)機(jī)制

試件尺寸及數(shù)量見(jiàn)表1，試件制作過(guò)程及養(yǎng)護(hù)制度分別見(jiàn)圖1和圖2。蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，升溫速度控制在12 ℃/h，升溫至95 ℃±5 ℃后，保持48 h。然后以不超過(guò)15 ℃/h的降溫速度使得試件表面溫度降至環(huán)境溫度，然后進(jìn)行試驗(yàn)(GB/T 31387—2015)。

表1 試件尺寸及數(shù)量Table 1 Size and amount of UHPC specimens

圖1 UHPC試件制作流程圖Fig.1 Flow chart of UHPC specimen making

圖2 試件養(yǎng)護(hù)制度Fig.2 Maintenance system of UHPC specimens

1.3 試驗(yàn)方法

擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度及彎曲韌性(抗折強(qiáng)度)試驗(yàn)方法同見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。其中，彎曲韌性(抗折強(qiáng)度)試驗(yàn)的加載控制模式為位移控制，加載速度為0.02 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水膠比對(duì)UHPC擴(kuò)展度的影響

圖3給出了水膠比增大時(shí)，UHPC擴(kuò)展度隨之變化曲線(濕拌6 min、除加水量外其他材料摻量及攪拌制度不變，下同)。圖4給出了水膠比為0.19、濕拌6 min的條件下，靜停時(shí)間與UHPC擴(kuò)展度的關(guān)系曲線。同時(shí)，考慮到濕拌時(shí)間對(duì)UHPC擴(kuò)展度的影響，圖5給出了水膠比、濕拌時(shí)間與新拌UHPC擴(kuò)展度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖3～圖5可見(jiàn)：1)UHPC擴(kuò)展度隨著水膠比的增大顯著改善。當(dāng)水膠比從0.15增至0.2時(shí)，UHPC擴(kuò)展度平均增加達(dá)76 mm。當(dāng)水膠比以0.16為起點(diǎn)均勻增至0.19時(shí)，UHPC擴(kuò)展度基本以線性增長(zhǎng)，平均增加達(dá)109 mm。2)當(dāng)水膠比為0.19時(shí)，UHPC混合料在靜停時(shí)間1.5 h以內(nèi)的擴(kuò)展度損失僅有5 mm。隨著靜停時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)，UHPC擴(kuò)展度損失率增大，4 h靜停后的擴(kuò)展度損失40 mm，損失率僅5.9%。3)攪拌時(shí)間與UHPC擴(kuò)展度之間存在“正相關(guān)”的關(guān)系。但當(dāng)攪拌時(shí)間超過(guò)6 min后，UHPC混合料的擴(kuò)展度基本不再增加，該時(shí)間稱(chēng)為充分濕拌時(shí)間。因此，后續(xù)的UHPC抗壓及彎曲韌性試驗(yàn)中均將濕拌時(shí)間控制為6 min，即采用充分濕拌時(shí)間。

圖3 水膠比對(duì)UHPC擴(kuò)展度的影響Fig.3 Influence of water-to-binder ratio on extensibility of UHPC

圖4 靜停時(shí)間對(duì)UHPC擴(kuò)展度影響Fig.4 Influence of standing time on extensibility of UHPC

圖5 不同水膠比及濕拌時(shí)間時(shí)UHPC擴(kuò)展度Fig.5 The extensibility of UHPC with different water-to-binder ratio and mixing time

2.2 水膠比對(duì)UHPC強(qiáng)度的影響

表2給出了不同水膠比時(shí)UHPC抗壓強(qiáng)度(fcc)及抗折強(qiáng)度(fcf)的平均值μ、標(biāo)準(zhǔn)值(fcc，k/fcf，k，見(jiàn)式(1))、標(biāo)準(zhǔn)差δ和變異系數(shù)cv。此外，還包括可視裂紋抗折強(qiáng)度f(wàn)cfa的平均值。圖6和圖7給出了抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)值隨水膠比增大的折線圖；圖8為不同水膠比UHPC受壓破壞形態(tài)(從左至右水膠比依次為0.15、0.16、…、0.2。

fcc，k(fcf，k)=μ-1.645δ

(1)

圖6 水膠比與抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Corresponding relationship between water-to-binder ratio and compressive strength of UHPC

表2 抗壓及抗折強(qiáng)度平均值、標(biāo)準(zhǔn)值、標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)Table 2 Average value, standard value, standard deviation and coefficient of variation of compressive strength and flexural strengthtest results

圖7 水膠比與抗折強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Corresponding relationship between water-to-binder ratio and flexural strength of UHPC

圖8 UHPC抗壓破壞形態(tài)Fig.8 Compression destructive form of UHPC

可以看出：1)隨著W/B的增大，UHPC抗壓強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)值均呈“先增后減”的趨勢(shì)，且水膠比為0.18時(shí)強(qiáng)度最高。2)UHPC抗折強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)值均“先增后減”，且在W/B為0.16時(shí)最優(yōu)。3)UHPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等的變異系數(shù)隨水膠比變化則無(wú)明顯的規(guī)律性，但總體上看，UHPC抗折強(qiáng)度的變異系數(shù)大于其抗壓強(qiáng)度。

另外，由圖6、圖7可見(jiàn)，水膠比由0.18增至0.19時(shí)UHPC抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度下降幅度較大(平均值分別下降11.47%、8.69%)，而擴(kuò)展度由580 mm增加至680 mm(見(jiàn)圖3)，增加明顯。因此，進(jìn)一步測(cè)試了水膠比為0.185的UHPC擴(kuò)展度、抗壓及抗折強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出：水膠比為0.185時(shí)的UHPC施工和力學(xué)綜合性能較優(yōu)，既能確保UHPC力學(xué)性能(抗壓超150 MPa，抗折超29 MPa)，又具有良好施工性能(擴(kuò)展度達(dá)到或超過(guò)600 mm者基本可自流平)。

2.3 彎曲韌性指標(biāo)

2.3.1 應(yīng)力-撓度曲線與破壞過(guò)程 不同水膠比時(shí)，UHPC試件下緣等效名義彎曲應(yīng)力(下文稱(chēng)應(yīng)力)-撓度曲線如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，達(dá)到最大荷載之前的應(yīng)力-撓度曲線為非典型UHPC材料應(yīng)力-撓度曲線[28-29](即非完全上凸型曲線)。如圖10所示(水膠比為0.16)，可將曲線劃分為以下4個(gè)階段：

表3 水膠比為0.185時(shí)UHPC擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度Table 3 Extensibility, compressive strength and flexural strength of UHPC when the water-to-binder ratio is 0.185

圖9 應(yīng)力-撓度曲線Fig.9 Flexural stress-deflection curves of UHPC

圖10 階段劃分(水膠比為0.16)Fig.10 Stage division (W/B=0.16)

階段1，加載初期，UHPC試件受彎應(yīng)力隨單位撓度的增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于其他階段，此時(shí)由UHPC基體和鋼纖維共同承載，試件抗彎剛度最大。階段2，受彎UHPC試件下緣無(wú)纖維斷面處出現(xiàn)微裂縫，應(yīng)力-撓度曲線大幅變緩，試件抗彎剛度大幅變小。階段3，微裂縫從截面下緣向上擴(kuò)展中遇到鋼纖維，鋼纖維發(fā)揮橋接作用，試件剛度有所增大，應(yīng)力-撓度曲線較階段2變陡；微裂縫逐漸發(fā)展為宏觀可見(jiàn)，當(dāng)荷載增加至峰值荷載的85%左右時(shí)，試件跨中1/3區(qū)域內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)豎向可視裂縫，隨荷載增加迅速增大至寬度約0.1～0.2 mm，并可清晰聽(tīng)到鋼纖維被拔出的聲音。此階段由未被拔出的鋼纖維和未被拉裂的UHPC基體共同承載。階段4，當(dāng)上述宏觀可視裂縫逐步發(fā)展至纖維處時(shí)，纖維對(duì)其起到較強(qiáng)的約束作用。因此，應(yīng)力-撓度曲線的下降段并沒(méi)有出現(xiàn)荷載突降，整個(gè)下降段曲線較為平緩；同時(shí)，豎向裂縫不斷向上延伸，裂縫寬度不斷增大，可持續(xù)聽(tīng)到鋼纖維被拔出的聲音，裂縫處不斷有UHPC碎末掉出，試件表現(xiàn)為負(fù)抗彎剛度。當(dāng)下降段曲線趨于平穩(wěn)或豎向裂縫即將貫穿整個(gè)試件截面時(shí)，停止試驗(yàn)，此時(shí)UHPC試件裂縫最大可達(dá)20 mm左右。不同W/B的UHPC彎曲破壞形態(tài)大體相似，最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖11。

圖11 UHPC彎曲破壞形態(tài)Fig.11 Flexural failure mode of UHPC specimens

2.3.2 基于CECS 13：2009及其改進(jìn)的彎曲韌性指標(biāo) 《纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13：2009)中規(guī)定計(jì)算UHPC受彎韌性指標(biāo)時(shí)的初始參考點(diǎn)初裂撓度為線性偏離初裂撓度δcr。各組UHPC試件彎曲線性偏離初裂撓度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)UHPC而言，因應(yīng)力-撓度曲線線性偏離點(diǎn)并未發(fā)現(xiàn)可視裂紋，且初裂撓度的不同倍數(shù)(3.0、5.5、10.5)均未達(dá)到峰值撓度，無(wú)法充分運(yùn)用應(yīng)力-撓度曲線(尤其是下降段)來(lái)評(píng)價(jià)UHPC彎曲韌性。因此，初裂撓度采用這一規(guī)定是否合理，相應(yīng)強(qiáng)度規(guī)定是否過(guò)于保守，值得商榷。文獻(xiàn)[30]認(rèn)為按規(guī)范方法確定UHPC初裂撓度存在因不同試驗(yàn)和量測(cè)方法帶來(lái)的不確定性，因此，通過(guò)研究提出基于鋼纖維含量的初裂撓度計(jì)算公式(式(2)，用Eδcr表示，單位為mm)。此外，筆者采用可視初裂撓度(即第1條肉眼可見(jiàn)裂縫對(duì)應(yīng)撓度，記為δcra)。可以看出(見(jiàn)表4)，分別采用規(guī)范法、文獻(xiàn)[30]公式、可視初裂撓度作為初始參考點(diǎn)，韌性指標(biāo)計(jì)算所需初裂撓度結(jié)果相差很大，需要分別計(jì)算。

Eδcr= 0.22+2.9ρv+185.7ρv2(0%≦ρv≦3%)

(2)

式中：ρv為鋼纖維體積摻量，%。

表4 線性偏離初裂撓度與文獻(xiàn)[30]初裂撓度對(duì)比Table 4 Comparison of linear deviation from first crack deflection and first crack deflection in literature [30]

基于CECS 13：2009規(guī)定的初始參考點(diǎn)(即線性偏離撓度δcr)來(lái)計(jì)算不同水膠比時(shí)UHPC試件的各項(xiàng)彎曲韌性指標(biāo)。包括：韌性指數(shù)I(見(jiàn)圖12)、等效彎曲強(qiáng)度f(wàn)e(見(jiàn)式(3))、韌性比Re(見(jiàn)式(4))、能量吸收值(曲線包圍面積)Dn、韌性指標(biāo)FT(撓度為L(zhǎng)/150曲線包圍面積)、剩余強(qiáng)度R5,10和R10,20(見(jiàn)圖12)。以上所述各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，其中，δ為應(yīng)力-撓度曲線峰值撓度、fcf為彎曲試件抗折強(qiáng)度、fcr為線性偏離初裂強(qiáng)度。

(3)

式中：Ωk為跨中撓度為L(zhǎng)/150(即2 mm)的應(yīng)力-撓度曲線下的面積，N·mm；δk為跨中撓度為L(zhǎng)/150時(shí)的撓度值(即2 mm)；b為試件平均寬度；h為試件平均高度。

Re=fe/fcr

(4)

由表5計(jì)算結(jié)果可以看出：1)當(dāng)水膠比為0.16時(shí)，UHPC試件峰值荷載或抗折強(qiáng)度f(wàn)cf及所有彎曲韌性指標(biāo)都達(dá)到最優(yōu)。2)隨著水膠比的增大，UHPC試件的抗折強(qiáng)度f(wàn)cf、彎曲韌性指數(shù)I5、I10和I20、剩余強(qiáng)度R5,10和R10,20以及能力吸收Dn呈先增后減趨勢(shì)，與前文中UHPC抗壓、抗折強(qiáng)度變化規(guī)律相同。3)對(duì)于理想彈塑性材料，I5、I10和I20分別等于5、10和20[31]，而本試驗(yàn)的UHPC的彎曲韌性指數(shù)I5、I10和I20在水膠比為0.15～0.17時(shí)大于5、10和20。這是因?yàn)?，理想彈塑性材料受彎曲荷載時(shí)，其應(yīng)力-撓度曲線經(jīng)過(guò)初裂點(diǎn)后立即變?yōu)樗蕉?，此時(shí)，應(yīng)力不再增長(zhǎng)。而對(duì)于UHPC來(lái)說(shuō)，其受彎應(yīng)力-撓度曲線在經(jīng)過(guò)初裂點(diǎn)后還有穩(wěn)定的強(qiáng)化段(圖10中階段2和3)，且在規(guī)定的計(jì)算撓度(10.5δcr)內(nèi)，UHPC的抗彎強(qiáng)度仍大于初裂荷載。

表5 基于CECS 13：2009的UHPC彎曲韌性指標(biāo)Table 5 Flexural Toughness index of UHPC specimens based on CECS 13：2009

圖12 規(guī)范法計(jì)算UHPC彎曲韌性指數(shù)原理圖Fig.12 The schematic diagram for calculating the flexural toughness index of UHPC based on the standard method

采用文獻(xiàn)[30]所確定的初裂撓度Eδcr及可視初裂撓度δcra計(jì)算的UHPC彎曲韌性指標(biāo)值見(jiàn)表6及表7。需說(shuō)明的是，研究表明，人的肉眼可見(jiàn)寬度最小值大約在0.05 mm左右，且UHPC結(jié)構(gòu)中裂縫寬度小于0.05 mm的裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響很小[32-33]。結(jié)合使用裂縫觀測(cè)儀(ZBL800型，攝像頭對(duì)準(zhǔn)試件跨中1/3處)，當(dāng)裂縫寬度達(dá)0.05 mm(此時(shí)裂縫肉眼可見(jiàn))時(shí)，確定可視初裂撓度δcra及其所對(duì)應(yīng)彎曲應(yīng)力fcfa。可以看出：基于文獻(xiàn)法確定的初裂撓度及可視初裂撓度(0.02～0.05 mm)所計(jì)算的UHPC彎曲韌性指標(biāo)隨水膠比的變化趨勢(shì)與CECS 13:2009計(jì)算結(jié)果有所出入，因此，有必要通過(guò)特定方法加以評(píng)定。

表6 基于文獻(xiàn)[30]的UHPC彎曲韌性指標(biāo)Table 6 Flexural Toughness index of UHPC specimens based on literature [30]

表7 基于可視初裂撓度為初始參考的UHPC彎曲韌性指標(biāo)Table 7 Flexural toughness index of UHPC specimens based on initial reference deformation of visible first crack deflection

2.3.3 基于Nemkumar法彎曲韌性指數(shù) 采用Nemkumar法計(jì)算UHPC韌性指標(biāo)時(shí)無(wú)需通過(guò)初裂撓度，因此，其計(jì)算結(jié)果具有較高的精確度，同時(shí)，可在一定程度評(píng)判前文所用3種方法(即規(guī)范法及其改進(jìn)法)的計(jì)算結(jié)果。Nemkumar計(jì)算方法如圖13所示(以W/B=0.16為例)。

圖13 Nemkumar法原理圖Fig.13 Schematic diagram of Nemkumar

基于Nemkumar法韌性指數(shù)PCSm的定義為

(5)

式中：Tpwt，m為峰值荷載后應(yīng)力-撓度曲線所包圍面積；L、δ、b、h上文中定義相同；m為50的整數(shù)倍，為滿足式(5)要求，取m=50。

表8給出了不同水膠比時(shí)UHPC試件的受彎PCSm指數(shù)，與表5～表7的計(jì)算結(jié)果(彎曲韌性指數(shù)I5、I10和I20)對(duì)比如圖14～圖16所示。

表8 PCSm指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 8 Caculation results of PCSm index

圖14 基于線性偏離初裂撓度的彎曲韌性指數(shù)與PCSm比較Fig.14 Comparison of flexural toughness index based on linear deviation of first crack deflection with PCSm index

圖15 基于文獻(xiàn)[30]確定初裂撓度的彎曲韌性指數(shù)與PCSm比較Fig.15 Comparison of flexural toughness index based on the first crack deflection in literature [30] with PCSm index

圖16 基于可視初裂撓度的彎曲韌性指數(shù)與PCSm比較Fig.16 Comparison of flexural toughness index based on visible first crack deflection with PCSm index

1)基于線性偏離初裂撓度的彎曲韌性指數(shù)計(jì)算結(jié)果與PCSm(圖14)對(duì)比。隨著水膠比的增大，UHPC彎曲韌性指數(shù)與PCSm指數(shù)走勢(shì)吻合度較高，只是當(dāng)水膠比為0.19時(shí)兩者有所出入，此時(shí)PCSm相較水膠比為0.18時(shí)，有小幅度的增長(zhǎng)。原因?yàn)椋簭膱D7和表8可以看出，水膠比為0.19時(shí)，UHPC試塊跨中撓度達(dá)到5 mm左右時(shí)其應(yīng)力-撓度曲線趨于水平，直到試件喪失承載能力為止(峰值撓度達(dá)8 mm以上)，表現(xiàn)出了相較于水膠比為0.18的UHPC試件更優(yōu)的彎曲延性或能量吸收能力。

2)基于文獻(xiàn)[30]確定初裂撓度及可視初裂撓度的彎曲韌性指數(shù)計(jì)算結(jié)果與PCSm對(duì)比(圖15、圖16)。基于文獻(xiàn)確定的初裂撓度計(jì)算結(jié)果與PCSm結(jié)果出入較大，尤其是當(dāng)水膠比超過(guò)0.18后，兩者的變化趨勢(shì)差別較大；而基于可視初裂撓度計(jì)算彎曲韌性指數(shù)隨水膠比變化趨勢(shì)與PCSm幾乎可保持一致。

由表7可見(jiàn)，采用可視初裂撓度作為韌性初始參考變形，UHPC受彎(抗折)試件仍具有較大的韌性。顯然，當(dāng)觀測(cè)到微裂縫后，結(jié)構(gòu)還具有的延性，更有工程價(jià)值，同時(shí)，有利于設(shè)計(jì)充分利用材料的強(qiáng)度。

由上述分析可知，采用可視初裂撓度作為韌性計(jì)算的初始參考點(diǎn)，對(duì)UHPC材料更為科學(xué)。

3 結(jié)論

開(kāi)展了150 MPa級(jí)UHPC的不同水膠比下施工性能、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彎曲韌性試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)在臥式攪拌機(jī)40 r/min的轉(zhuǎn)速下，UHPC充分濕拌時(shí)間為6 min；水膠比的增大可顯著提升UHPC擴(kuò)展度，其中，當(dāng)水膠比由0.16增至0.19時(shí)，擴(kuò)展度基本呈線性增長(zhǎng)，此時(shí)，水膠比每增加0.01，擴(kuò)展度平均增加109 mm；UHPC拌合物靜停時(shí)間4 h的擴(kuò)展度損失約40 mm，損失率僅5.9%。

2)UHPC抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彎曲韌性指數(shù)均隨水膠比的增大先增后減。其中，當(dāng)水膠比為0.18時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)最優(yōu)，水膠比為0.16時(shí)，抗折強(qiáng)度和彎曲韌性指數(shù)達(dá)最優(yōu)。UHPC抗壓、抗折強(qiáng)度最大值分別為172.58、42.07 MPa，相應(yīng)擴(kuò)展度分別為580、360 mm；當(dāng)水膠比由0.18增至0.19時(shí)，抗壓、抗折強(qiáng)度下降幅度較大。

3)應(yīng)力峰值前的應(yīng)力-撓度曲線并不是典型全凸形曲線；可視初裂抗折強(qiáng)度約為抗折強(qiáng)度的0.85倍。

4)UHPC試件的彎曲韌性較好，宜采用可視初裂撓度作為初始變形參考進(jìn)行韌性指標(biāo)計(jì)算；宜采用可視初裂撓度對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度的確定依據(jù)。

5)為兼顧良好的施工與力學(xué)性能，建議UHPC濕拌時(shí)間、水膠比分別為6 min、0.18或0.185(擴(kuò)展度為620 mm，抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度158.54 MPa，抗折標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度29.3 MPa)。

6)不同水膠比時(shí)UHPC抗折強(qiáng)度的變異系數(shù)總體上大于其抗壓強(qiáng)度，因此，在確定所需水膠比后，應(yīng)著重關(guān)注UHPC抗折強(qiáng)度的變異性。