超高性能輕質(zhì)混凝土的循環(huán)拉伸力學(xué)性能

王俊顏，劉菲凡，郭君淵

(先進土木工程材料教育部重點實驗室(同濟大學(xué))，上海 201804)

超高性能輕質(zhì)混凝土(ultra-high performance lightweight concrete，UHPLC)[1-2]是利用超高性能混凝土(UHPC)的低水膠比、纖維增強、無粗骨料等原理制備[3]，并添加輕質(zhì)細骨料制備而成的新型結(jié)構(gòu)材料，其輕質(zhì)細骨料被低水膠比漿體充分包裹而具備高抗?jié)B性能[4]，通過纖維增強可實現(xiàn)拉伸應(yīng)變強化和多點分布微裂紋，從而具備優(yōu)異的裂紋寬度控制能力[5-6]。極限拉伸應(yīng)變大于2.0×10-3[7-8]的配筋UHPLC結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時無需考慮最大裂紋寬度的影響，因此可以充分利用鋼筋強度，從而實現(xiàn)充分的優(yōu)化設(shè)計，有望在材料低密度化的基礎(chǔ)上進一步制備更輕量化的預(yù)制結(jié)構(gòu)，比如大尺寸外掛墻板、輕量化預(yù)制樓梯、預(yù)制梁、浮島式平臺等。由于UHPLC需要與鋼筋在高應(yīng)力狀態(tài)下協(xié)同工作(譬如鋼筋達到200 MPa時，應(yīng)變約為1.0×10-3)[9]，所以需要對UHPLC與鋼筋的協(xié)同受拉力學(xué)性能進行研究。目前關(guān)于配筋UHPC拉伸試驗不多[10-11]，關(guān)于循環(huán)加載的更少。本文針對UHPLC在4種加載條件下(循環(huán)應(yīng)變分別是2.0×10-4、5.0×10-4、1.0×10-3、1.5×10-3)的力學(xué)性能開展系統(tǒng)研究，并深入分析其殘余應(yīng)變、加載卸載剛度等力學(xué)性能參數(shù)隨循環(huán)加載次數(shù)的影響，并分析其剛度退化機理和模型，目標是為輕量化的配筋UHPLC結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料及配合比

本文中采用的UHPLC的設(shè)計密度為1 800 kg/m3，水膠比為0.23，纖維摻量為2.25%。配合比見表1，其中水泥采用江南-小野田水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ 52.5 硅酸鹽水泥，28 d抗壓強度為60.1 MPa；硅灰采用?？瞎旧a(chǎn)的微硅粉，平均粒徑為0.10～0.15 μm，比表面積為22 000 m2/kg，SiO2質(zhì)量分數(shù)為94.48%；輕質(zhì)填料用粒徑范圍在0.15～0.3 mm和0.3～1 mm的兩種輕質(zhì)材料進行復(fù)配，堆積密度為200 kg/m3；減水劑采用粉末狀聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%；引氣劑為粉狀的茶皂素基引氣劑；纖維采用平直形鍍銅鋼纖維，相關(guān)性能參數(shù)見表2。

表1 UHPLC配合比Tab.1 Mix proportion of UHPLC kg/m3

表2 纖維的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of fibre

1.2 試件制備及養(yǎng)護方法

UHPLC采用如下攪拌程序：啟動攪拌機→投入粉料(含外加劑)→干拌3 min→加水→攪拌3～5 min(物料達到流態(tài))→投入纖維→繼續(xù)攪拌2 min以上→出料成型試件。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。脫模后的試件進行標準養(yǎng)護，溫度為20±3 ℃，相對濕度90%以上。

試件分為5組，均為相同配合比，包括1組單調(diào)拉伸加載試件以及4組不同等幅變形循環(huán)拉伸加載試件(循環(huán)應(yīng)變分別是2.0×10-4、5.0×10-4、1.0×10-3、1.5×10-3)。每組試件均包含3個狗骨頭拉伸試件(圖1)。同時根據(jù)GB/T 17671—1999成型40 mm×40 mm×160 mm的棱柱試件測試28 d強度，測試強度前用排水法測試試件的硬化密度。

圖1 狗骨頭拉伸試件(mm)Fig.1 Dog-bone-shaped tensile specimen (mm)

1.3 加載裝置及試驗方法

在10 t的電子伺服萬能試驗機上進行UHPLC的拉伸試驗，試驗機的試驗力和變形的示值準確度均為±0.5%。本文為避免拉伸加載偏心，使用了一套專用夾具，見圖2。

圖2 拉伸試驗裝置Fig.2 Tensile test setup

狗骨頭拉伸試件由上下夾具固定，中間純拉段固定有兩個矩形金屬架，兩者之間距離即為試件的測試標距L，本文定為150 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(ε=(Δl1+Δl2)/2L×100%， Δl1和Δl2為兩個位移計變形值)，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。試驗加載速度設(shè)置為0.3 mm/min(試驗機橫梁加載速度)。

UHPLC的單調(diào)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。UHPLC循環(huán)拉伸試驗的每次循環(huán)由預(yù)加載、正式加載和卸載三部分組成，試驗全程采用等位移加載控制，預(yù)加載的速度為1 mm/min，正式加載及卸載的速度均為0.3 mm/min。當荷載超過0.5 kN時，試驗進入正式加載階段；當加載至目標拉伸應(yīng)變時，試驗進入卸載階段；當荷載降至0.5 kN時，單次循環(huán)加載結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 UHPLC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

UHPLC的40 mm×40 mm×160 mm棱柱試件抗壓強度為63.1 MPa，硬化密度為1 789 kg/m3，相對傳統(tǒng)UHPC的密度降低了28%。圖3給出了3根UHPLC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，UHPLC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的3個階段，即彈性段、應(yīng)變強化段和應(yīng)變軟化段。UHPLC的彈性極限強度較低，約為3～4 MPa，隨后迅速轉(zhuǎn)入應(yīng)變強化段(轉(zhuǎn)折點不明顯，大約在應(yīng)變?yōu)?.6×10-4處發(fā)生轉(zhuǎn)折)，極限拉伸應(yīng)變約為2.4×10-3～2.8×10-3，極限抗拉強度約為6.9～7.8 MPa， 與彈性極限強度的比值范圍是1.8～2。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變強化階段，UHPLC展示出很強的裂紋寬度控制能力，裂紋寬度不可見或小于0.05 mm。UHPLC展示出較低的彈性極限強度、較高的應(yīng)變強化性能和裂紋控制能力，這是由于UHPLC采用了粒徑比水泥粗并且強度較低的輕質(zhì)填料，降低了UHPLC基體的斷裂韌性，但纖維仍保持與UHPLC基體較高的黏結(jié)強度，從而實現(xiàn)不可見的多點分布微裂紋開展模式。這種特性可讓UHPLC與普通鋼筋(如HRB400)在鋼筋屈服之前保持良好的協(xié)同受拉作用，以及配筋UHPLC結(jié)構(gòu)優(yōu)異的裂紋寬度控制能力。

圖3 UHPLC的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of UHPLC

2.2 循環(huán)拉伸加載條件下UHPLC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4組拉伸試件的循環(huán)加載次數(shù)為8～11次不等，并且一般在第四次循環(huán)之后，加載卸載曲線會趨于穩(wěn)定。為方便分析，本文取了8次循環(huán)曲線進行深入分析，見圖4。

圖4 不同循環(huán)加載條件下UHPLC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of UHPLC under different cyclic loading conditions

由圖4可見：1)等幅加載變形越小，循環(huán)曲線越密集，殘余應(yīng)變也越小，反之，循環(huán)曲線越分散，殘余應(yīng)變也越大；2)4組循環(huán)加載曲線的外包絡(luò)線與圖3所示的全曲線基本吻合，特別是加載變形為1.5×10-3時，其循環(huán)曲線的包絡(luò)線在應(yīng)變?yōu)?.6×10-3處進入應(yīng)變軟化段，較明顯地呈現(xiàn)出UHPLC拉伸曲線的3個階段；3)由于在塑性段時UHPLC基體已經(jīng)斷裂，主要由纖維橋接貢獻承載力，因此循環(huán)加載曲線的殘余應(yīng)變、加載剛度、卸載剛度均間接反映了橋接裂紋處纖維的黏結(jié)和脫黏狀態(tài)。可以預(yù)見，對于小的等幅變形循環(huán)加載條件(如應(yīng)變分別是2.0×10-4和5.0×10-4)，纖維脫黏長度較短，參與拉伸變形的有效長度較小，拉伸試件在單位變形條件下的纖維變形量高，所以纖維拉伸應(yīng)力較高，表現(xiàn)出的拉伸試件剛度更高。對于大的等幅變形循環(huán)加載條件(如應(yīng)變分別是1.0×10-3和1.5×10-3)，纖維脫黏長度增大，參與拉伸變形的有效長度較大，拉伸試件在單位變形條件下的纖維變形量低，因此纖維拉伸應(yīng)力不高，表現(xiàn)出的拉伸試件剛度變低。

4種不同循環(huán)加載后的試件見圖5，由圖5可見，加載變形為1.5×10-3的試件進行11次循環(huán)后，由于累積應(yīng)變大于UHPLC的極限應(yīng)變，已經(jīng)進入應(yīng)變軟化段，因此有可見裂紋。其余試件由于累積應(yīng)變小于UHPLC的極限應(yīng)變，處于應(yīng)變強化段，無可見裂紋，試件保持完整。

圖5 循環(huán)后的軸拉試件Fig.5 Tensile specimen after cyclic loading

2.3 循環(huán)拉伸加載條件下UHPLC的力學(xué)性能

循環(huán)拉伸加載條件下的UHPLC的力學(xué)性能參數(shù)定義見圖6。參考文獻[12-13]中曲線剛度的確定方法，本章在每次軸拉循環(huán)曲線的加載段和卸載段的0%～40%極限應(yīng)力段分別擬合直線，其對應(yīng)斜率即為加載剛度和卸載剛度。圖6中El和Eu分別表示加載剛度和卸載剛度(括號里表示循環(huán)次數(shù)序號)。由于UHPLC進入應(yīng)變強化段之后纖維發(fā)生了局部脫黏，部分變形無法在卸載后恢復(fù)，因此存在殘余應(yīng)變，并且殘余應(yīng)變會進行累積。本文定義的殘余應(yīng)變?yōu)槊看窝h(huán)的卸載曲線回到荷載初始值(0.5 kN，對應(yīng)應(yīng)力為0.33 MPa)的應(yīng)變與加載曲線起始應(yīng)變值的差值。

圖6 循環(huán)拉伸加載下UHPLC的力學(xué)性能表征Fig.6 Characterization of mechanical properties of UHPLC under cyclic tensile loading

表3列出了不同循環(huán)拉伸加載條件下UHPLC的力學(xué)性能，并且在圖7～10分別給出了殘余應(yīng)變、峰值應(yīng)力、 加載剛度、 卸載剛度隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

表3 不同循環(huán)拉伸加載條件下UHPLC的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of UHPLC under different cyclic tensile loading conditions

圖7 軸拉循環(huán)荷載下UHPLC的殘余應(yīng)變隨加載次數(shù)的變化Fig.7 Effect of the number of tensile cycles on residual strain of UHPLC

2.3.1 殘余應(yīng)變

由圖7可見，不同循環(huán)拉伸加載條件下UHPLC的殘余應(yīng)變均在第三次循環(huán)之后趨于穩(wěn)定。從微觀角度看，這是由于UHPLC在循環(huán)拉伸加載條件下的損傷主要表現(xiàn)為基體的開裂、以及纖維與基體的逐步脫黏，因此宏觀角度表現(xiàn)為卸載后所產(chǎn)生的不可恢復(fù)的殘余變形(應(yīng)變)。對于2.0×10-4、5.0×10-4和1.0×10-3這3種應(yīng)變加載條件，隨著循環(huán)次數(shù)增多，UHPLC不可恢復(fù)的殘余變形逐漸降至零，說明此時纖維與基體的繼續(xù)脫黏現(xiàn)象基本停止，循環(huán)加載主要是對已脫黏部分纖維的循環(huán)拉伸作用。對于1.5×10-3這種應(yīng)變加載條件，從第四次循環(huán)開始，UHPLC已經(jīng)進入應(yīng)變軟化段，此時某截面處的纖維已部分處于拔出狀態(tài)，因此后續(xù)的殘余應(yīng)變?nèi)员容^高，第八次循環(huán)加載后的殘余應(yīng)變?nèi)愿哌_6.0×10-5。

2.3.2 峰值應(yīng)力

由圖8可見，4種循環(huán)加載條件下的UHPLC在前3次循環(huán)中的峰值應(yīng)力均有小幅提高，但第四次循環(huán)之后，在1.5×10-3的應(yīng)變加載條件下，UHPLC的峰值應(yīng)力有所降低，而其他3種加載條件下的UHPLC的峰值應(yīng)力則基本保持一致。這同樣是由于在1.5×10-3的應(yīng)變加載條件下，UHPLC第四次加載的累積應(yīng)變已經(jīng)達到2.6×10-3，UHPLC已進入應(yīng)變軟化段的原因。

圖8 軸拉循環(huán)荷載下UHPLC的峰值應(yīng)力隨加載次數(shù)的變化Fig.8 Effect of the number of tensile cycles on ultimate tensile stress of UHPLC

2.3.3 加載剛度和卸載剛度

由圖9可見，在2.0×10-4的應(yīng)變加載條件下，UHPLC的加載剛度變化幅度很小，這是由于其加載變形幅度較小，略大于彈性段和應(yīng)變強化段的轉(zhuǎn)折點(應(yīng)變?yōu)?.6×10-4)。其余3種循環(huán)加載條件下UHPLC的加載剛度均有較大的衰減，并且循環(huán)加載變形幅度越大，衰減幅度越大。這是由于循環(huán)加載變形幅度的增大會導(dǎo)致UHPLC的纖維脫黏長度增大，即參與拉伸變形的有效長度變長，拉伸試件在單位變形條件下的應(yīng)力水平更低，表現(xiàn)出的拉伸試件剛度變低。

圖9 軸拉循環(huán)荷載下UHPLC的加載剛度隨加載次數(shù)的變化Fig.9 Effect of the number of tensile cycles on loading stiffness of UHPLC

由圖10可見，UHPLC在不同循環(huán)加載條件下的第一次卸載剛度隨加載變形幅度的增大而降低，這同樣是因為循環(huán)加載變形幅度的增大導(dǎo)致UHPLC纖維脫黏長度增大的原因。綜合圖9、圖10可見，UHPLC的加載剛度和卸載剛度在第三次加載-卸載后逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖7可發(fā)現(xiàn)，UHPLC的加載剛度和卸載剛度隨循環(huán)加載次數(shù)的變化趨勢與殘余應(yīng)變的變化趨勢基本一致。這說明UHPLC的加載、卸載剛度與材料的殘余應(yīng)變相關(guān)。

圖10 軸拉循環(huán)荷載下UHPLC的卸載剛度隨加載次數(shù)的變化Fig.10 Effect of the number of tensile cycles on unloading stiffness of UHPLC

3 循環(huán)拉伸加載條件下UHPLC的剛度退化機理

為進一步了解UHPLC在循環(huán)荷載下的加載剛度退化率與材料殘余應(yīng)變之間的關(guān)系，圖11繪制了UHPLC的加載剛度退化率(El(n)/El(1))與前一次循環(huán)達到的累積殘余應(yīng)變的關(guān)系，退化率越低說明材料剛度退化現(xiàn)象越嚴重。由圖可見，UHPLC的加載剛度退化率隨累積殘余應(yīng)變的增加而降低， 其衰減規(guī)律符合式(1)的冪函數(shù)，擬合度為0.99。

圖11 累積殘余應(yīng)變與加載剛度退化率的關(guān)系Fig.11 Effect of cumulated residual strain on degradation rate of loading stiffness

y=6.223x-0.441

(1)

式中y為加載剛度的退化率(El(n)/El(1))，x為累積殘余應(yīng)變。

圖12描述了應(yīng)變強化段的纖維-基體相互作用示意圖。由圖12可見，UHPLC基體開裂后，開裂處的荷載由兩端處于錨固狀態(tài)的纖維承擔(dān)。隨著外荷載的增加，纖維受到的拉應(yīng)力大于開裂處纖維-基體界面黏結(jié)強度，纖維逐漸脫黏，導(dǎo)致參與變形的纖維有效拉伸長度變大，即UHPLC的不可恢復(fù)變形增加，其宏觀表現(xiàn)為累積殘余應(yīng)變的增加。纖維有效拉伸長度的提高，降低了拉伸試件在單位變形條件下的拉伸應(yīng)力，表現(xiàn)出UHPLC剛度變低。綜上所述，UHPLC在循環(huán)拉伸加載條件下的剛度本質(zhì)上由纖維的有效拉伸長度決定，并且其纖維有效拉伸長度可由累積殘余應(yīng)變來表征。

4 結(jié) 論

1)UHPLC極限抗拉強度約為6.9～7.8 MPa，與彈性極限強度的比值范圍是1.8～2，具有較強的應(yīng)變強化特性。同時其極限拉伸應(yīng)變約為2.4×10-3～2.8×10-3，在應(yīng)變強化段的裂紋寬度不可見或小于0.05 mm，具有較強的變形能力和微裂紋寬度控制能力。

2)不同加載條件的UHPLC的循環(huán)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的包絡(luò)線與單調(diào)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€具有較高的重合度。

3)循環(huán)加載曲線的殘余應(yīng)變、加載剛度、卸載剛度均間接反映了橋接裂紋處纖維的黏結(jié)和脫黏狀態(tài)。殘余應(yīng)變越大，說明纖維的脫黏長度越長，會導(dǎo)致UHPLC的加載、卸載剛度降低。

4)對于2.0×10-4、5.0×10-4、1.0×10-3這3種應(yīng)變加載條件，隨著循環(huán)次數(shù)增多，UHPLC的纖維與基體的繼續(xù)脫黏現(xiàn)象基本停止，循環(huán)加載主要是對已脫黏部分纖維的循環(huán)拉伸作用。對于1.5×10-3這種應(yīng)變加載條件，從第四次循環(huán)開始，UHPLC已經(jīng)進入應(yīng)變軟化段，此時其纖維已部分處于拔出狀態(tài)，因此后續(xù)循環(huán)的殘余應(yīng)變?nèi)员容^高。

5)UHPLC在循環(huán)荷載下加載剛度的退化率與累積殘余應(yīng)變具有較高的相關(guān)性，兩者關(guān)系符合冪函數(shù)關(guān)系，擬合度為0.99。UHPLC的循環(huán)拉伸加載剛度本質(zhì)上由纖維脫黏部分參與受拉的有效長度決定，可由累積殘余應(yīng)變來表征。