超高性能混凝土直接拉伸試驗裝置的研究

修義軍， 何湘峰， 李芳園， 劉瓊偉， 邵旭東

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510635； 2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，簡稱UHPC)是指抗壓強(qiáng)度超過150 MPa，并具有超高韌性、超長耐久性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的統(tǒng)稱。與普通混凝土相比，UHPC具有優(yōu)異的力學(xué)性能與耐久性能，因此目前UHPC已逐漸開始應(yīng)用于橋梁工程中，涉及范圍包含主梁、華夫板、拱圈、橋梁接縫及舊橋加固等多方面[1]。

抗拉性能對混凝土的承載能力與耐久性能有重要影響，在進(jìn)行普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時一般不需要考慮其較低的抗拉強(qiáng)度，而UHPC由于具有較高的抗拉強(qiáng)度，故其受拉本構(gòu)關(guān)系在進(jìn)行UHPC結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中扮演著重要的角色。直接拉伸試驗是獲得UHPC材料受拉本構(gòu)最直接準(zhǔn)確的方式，由于目前尚未形成統(tǒng)一的UHPC直接拉伸試驗裝置標(biāo)準(zhǔn)，故直接拉伸試驗所采用的試驗裝置已成為一大主要研究方向。杜任遠(yuǎn)[2]等學(xué)者對4種不同纖維體積摻量(0%、1%、2%及3%)下的UHPC試件進(jìn)行了直接拉伸試驗，狗骨頭形試件尺寸為50 mm×100 mm×150 mm，試驗裝置采用端部提拉式裝卡方式，結(jié)果表明該直接拉伸試驗存在一定的失敗率(可達(dá)25%)。學(xué)者Wille[3]等總結(jié)了UHPC直接拉伸試驗裝置的端部條件一般有允許轉(zhuǎn)動和端部固定兩種形式，而端部條件形式的變化對UHPC直接拉伸本構(gòu)曲線具有較顯著的影響。此外，部分學(xué)者指出端部粘結(jié)式方案盡管可較準(zhǔn)確地測試UHPC試件初裂前的彈性性能，但測試應(yīng)變硬化性能還不夠精確，而且該試驗裝置容易由于端部粘結(jié)區(qū)域附近較低的基體抗拉強(qiáng)度而引起端部粘結(jié)失效[4-5]。

目前，直接拉伸試驗主要包括外夾式、內(nèi)埋式及粘貼式3種拉伸裝置，而理想的直接拉伸試驗裝置應(yīng)滿足試件受力均勻、對中效果良好、試件制作與夾持方便等特點[6]。為此，針對以上3種直接拉伸試驗裝置中存在的不足，本文首先針對加大試件端部提拉的外夾式方案Ⅰ、夾緊試件端部夾拉的外夾式方案Ⅱ、端部預(yù)埋栓釘?shù)膬?nèi)埋式方案及粘貼式方案展開了相關(guān)試驗研究，然后結(jié)合這4種裝置設(shè)計出一種簡單適用新型直接拉伸試驗裝置，以期為獲得UHPC材料真實的受拉性能提供相應(yīng)的參考。

1 4種拉伸裝置下的可行性研究

1.1 外夾式方案Ⅰ

根據(jù)《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]，對總長為600 mm、中間截面尺寸為100 mm×100 mm的狗骨頭形試件進(jìn)行了相關(guān)的試研究性試驗，其中，受拉荷載與受拉應(yīng)力間的轉(zhuǎn)換采用計算公式(1)，為使引伸計與應(yīng)變片這兩種變形測量裝置能相互核對，將引伸計讀數(shù)按照公式(2)換算成相應(yīng)的應(yīng)變值(以下拉伸方案同此)。

(1)

(2)

式中：σ為受拉試件的應(yīng)力值，MPa;F為受拉試件荷載值，kN；A為受拉試件的截面面積,mm2；ε為換算后的微應(yīng)變；l0為引伸計的標(biāo)距,mm；Δl為標(biāo)距范圍內(nèi)的變形量,mm。

應(yīng)變片及引伸計結(jié)果均定量地說明該方案下的對中效果較好，圖1中試件的斷裂位置及破壞形態(tài)亦可定性地說明該方案中的對中要求基本可以得到滿足。不過，從圖1可發(fā)現(xiàn)，試驗結(jié)束之后的夾具本身變形較大，這是由于UHPC試件的直接拉伸峰值強(qiáng)度較大(可達(dá)到11 MPa左右)，故后續(xù)試驗的安全性及對中性是否滿足要求不得而知，因此本文最終放棄了該試驗方案，并在后續(xù)試驗中應(yīng)考慮具有較高剛度的夾具。

圖1 端部提拉的外夾式方案Ⅰ

1.2 外夾式方案Ⅱ

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，本次研究試驗采用總長為860 mm的狗骨頭形試件，其中間截面尺寸為80 mm×80 mm，試件側(cè)面夾持處墊上薄薄的銅片以防止局部應(yīng)力集中。如圖2所示，試驗過程中采用引伸計與應(yīng)變片共同來測定試件的變形，試驗結(jié)果表明：兩個引伸計間的數(shù)值相差較大，前后左右應(yīng)變片的數(shù)值相差也較大，引伸計換算后的應(yīng)變值也難以與應(yīng)變片測試值相符，說明此方式下的試件偏心率較大，試件對中性有待提高。同時，由于該試件體積較大，試件對中性調(diào)整的難度因此也加大，故此方法并未被納入最終的可選方案內(nèi)。

圖2 端部夾拉的外夾式方案Ⅱ

1.3 內(nèi)埋式方案

之前的內(nèi)埋式方法中大多采用預(yù)埋鋼筋的方式，但此方法下鋼筋的埋置深度不好掌握，埋深過長易引起鋼筋自身下?lián)隙绊憣χ?，埋深過短易引起鋼筋與UHPC之間脫黏失效。因此，本文采用預(yù)埋栓釘與鋼板，并充分利用球鉸可轉(zhuǎn)動性的優(yōu)點，其中栓釘分為等長栓釘與不等長栓釘兩種方案，等長栓釘?shù)某叽缇鶠镸16×50 mm，不等長栓釘?shù)某叽绶秶鸀镸16×34 mm～M16×104 mm，與栓釘焊接在一起的鋼板厚20 mm，澆筑后的試件均為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體(含鋼板厚度)。如圖3所示，試驗結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)力達(dá)到7.5 MPa左右時，試件從等長栓釘端部位置斷裂；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到9.5 MPa左右時，裂縫從不等長栓釘端部位置貫通?？梢?，不同的栓釘設(shè)計會引起強(qiáng)度測試值的差異，且栓釘端部的局部削弱作用會誘導(dǎo)UHPC試件開裂，故該方法會引起強(qiáng)度和開裂位置的誤判，不可納入直接拉伸試驗的可選范圍。

(a)預(yù)埋等長栓釘

1.4 粘貼式方案

如圖4所示，本文采用兩種粘貼式的方法：其一是只將試件端部粗糙化處理后，用環(huán)氧樹脂膠將試件與端部鋼板粘結(jié)在一起；其二是將試件端部與局部側(cè)面粗糙化處理后，先用環(huán)氧樹脂膠將試件與端部鋼板粘結(jié)在一起，再將粘結(jié)鋼板與試件側(cè)面用鋼片進(jìn)行粘結(jié)加固。粘結(jié)完成后的棱柱體試件尺寸均為100 mm×100 mm×440 mm(含粘結(jié)鋼板厚度)，其中兩端粘結(jié)鋼板分別厚20 cm，為加速環(huán)氧膠的硬化過程，所有試件均置于溫度為60 ℃～70 ℃的環(huán)境中固化6 h左右。雙鋼板并帶雙向球鉸的試驗裝置使該方法下的直接拉伸試驗對中效果良好，但端部與局部側(cè)面均粘結(jié)處理后的試件在應(yīng)力達(dá)到7.5 MPa左右時便出現(xiàn)側(cè)面鋼片脫黏的現(xiàn)象，而只對端部進(jìn)行粘結(jié)處理試件發(fā)生端部鋼板脫黏時的應(yīng)力則更低(僅約6 MPa)，兩種情況下的脫黏應(yīng)力均不是試件最終的破壞應(yīng)力。因此，粘貼式方法仍無法用于直接拉伸試驗中。

(a)端部粘結(jié)

2 基于前述拉伸裝置下的改進(jìn)性研究

2.1 改進(jìn)裝置試驗設(shè)計

以上4種拉伸裝置均具有各自的局限性，主要包括對中困難與粘結(jié)失效兩大方面，為此，本文主要從這兩方面的難點入手以尋求簡單合適的直接拉伸試驗裝置。

其一，文獻(xiàn)[5]中提到雙向球鉸可提高拉伸試件的對中效果，現(xiàn)將狗骨頭形試件端部夾拉的外夾式方案Ⅱ(無雙向球鉸)與棱柱體形試件的粘貼式方案(有雙向球鉸)下的部分應(yīng)力-應(yīng)變曲線繪于圖5中，并由圖5可知：在無雙向球鉸方案中，雖然各個表面上的應(yīng)變隨應(yīng)力的增加基本呈線性增加，但在同一應(yīng)力下的各應(yīng)變值相差較大，且應(yīng)變差值隨應(yīng)力的增大而增大，圖中試件的前后偏心率與左右偏心率最大分別可達(dá)48%與30%；而帶雙向球鉸方案中盡管應(yīng)變差值也隨應(yīng)力的增大而增大，但圖中前后偏心率與左右偏心率最大僅為7%與12%。因此，本文決定將雙向球鉸用于最終的直接拉伸試驗方案中。

圖5 有、無雙向球鉸方案間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比

其二，為防止拉伸過程中試驗裝置與試件間發(fā)生粘結(jié)失效的情況，本文采用加大試件端部提拉的方法，試件由上下兩個特制夾具固定住，并在試驗機(jī)夾頭裝置與試件端部鋼板之間設(shè)置雙向球鉸。瑞士UHPC設(shè)計指南[8]建議直接拉伸試驗采用截面尺寸為50 mm×30 mm的狗骨頭形試件，而為減小纖維取向?qū)HPC直接拉伸性能的影響，本文最終按照文獻(xiàn)[9]采用50 mm×100 mm截面的狗骨頭形試件，具體的直接拉伸試件尺寸與試驗裝置詳見圖6。

圖6 改進(jìn)后的直接拉伸試驗方案

在最終的直接拉伸試驗中，采用應(yīng)變片與電子千分表雙重測試的方法來驗證試件的對中性，其中應(yīng)變片粘貼在試件4個側(cè)面對應(yīng)的正中處，千分表架設(shè)在試件的前后兩面，且千分表的標(biāo)距為200 mm。試件裝置裝配好后首先將試件上端的拉力桿固定在60 t電子伺服萬能試驗機(jī)的上夾頭內(nèi)，然后緩慢上升試驗機(jī)的橫梁，直至另一端的拉力桿深入橫梁的夾頭內(nèi)，最后夾緊夾頭。由于本文直接拉伸試驗裝置的研究重點為夾具，而夾具本身具有一定的尺寸，故應(yīng)確保試驗機(jī)能夾緊夾具，且其行程應(yīng)滿足要求。正式試驗前，在材料彈性范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)加載，微調(diào)試件或夾具使其偏心率不大于15%。

按照瑞士UHPC設(shè)計指南[8]的相關(guān)規(guī)定：在達(dá)到拉伸峰值荷載前，直接拉伸試驗采用0.2 mm/min的夾頭位移加載速率來控制加載，之后該夾頭位移速率可提升至0.4 mm/min；當(dāng)試件殘余強(qiáng)度等于峰值強(qiáng)度的20%時，或試件測量段長度的平均伸長量大于所用纖維最大長度的50%時,便可結(jié)束加載。在拉伸過程中，當(dāng)試件發(fā)生可視裂縫后，采用精度為0.01 mm的裂縫寬度觀測儀測量試件的裂縫寬度，且用鋼尺測量試驗過程中的裂縫長度，并記錄下相應(yīng)的裂縫寬度、裂縫長度及荷載值。

2.2 改進(jìn)方法試驗結(jié)果

圖7所示為采用改進(jìn)試驗方案后的一組直接拉伸試件破壞形態(tài)。該組UHPC試件均采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的形式，并均摻有體積摻量為2%的端鉤型纖維，其中，纖維長度與纖維直徑分別為13 mm與0.2 mm。圣維南原理中提出，改變邊界面上等效面力的作用方式，試件的內(nèi)力分布在遠(yuǎn)離作用點處往往不發(fā)生改變，即直接拉伸應(yīng)力在試件中部基本呈均勻分布[10]。由圖7可知，所有試件均未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且各主裂縫位置大致均處于試件中部，各主裂縫平面也大致與試件受力方向垂直，故改進(jìn)后的拉伸試驗方案基本符合理想的直接拉伸試驗方案中的試件受力均勻條件。

圖7 直接拉伸試件破壞形態(tài)

圖8所示為以上3個直接拉伸試件的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，其中應(yīng)變值為兩個引伸計分別采用公式(2)換算后的平均應(yīng)變，并由該圖可知，3條應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€大致吻合，說明這該組試件結(jié)果離散性較小，具有較高的可靠性。

圖8 直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

此外，以第一個試件(即試件編號為N1)為例，由于試件開裂后應(yīng)變片測量結(jié)果便不再準(zhǔn)確，故僅將試件開裂前(即線性偏離點前)的應(yīng)變片與引伸計測量結(jié)果繪于圖9中，并由該圖可知，兩種變形測量裝置的結(jié)果基本一致，在同一拉伸應(yīng)力下，4個側(cè)面上的應(yīng)變片實測值與前后兩面的引伸計換算應(yīng)變值之間的差值均較小，說明該測量裝置的可靠性亦可得到滿足。

圖9 應(yīng)變片與引伸計測量結(jié)果對比

為了定量地描述直接拉伸試驗改進(jìn)方案中的試件對中效果，將各應(yīng)變片的讀數(shù)采用公式(3)來計算試件的偏心率。事實上，試件一旦發(fā)生開裂后便可能發(fā)生偏拉，即試件拉伸至破壞的過程中不可能一直保證對中良好，《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]中也僅要求試件預(yù)拉過程中的偏心率滿足要求，故表1僅展示直接拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上線性偏離點處試件上的各應(yīng)變片讀數(shù)及偏心率。

(3)

式中：eε為受拉試件的偏心率；ε1與ε2分別為受拉試件兩側(cè)的微應(yīng)變。

表1 直接拉伸試件的偏心率Table1 Eccentricityofdirecttensilespecimens試件編號應(yīng)變片讀數(shù)前表面應(yīng)變/με后表面應(yīng)變/με左表面應(yīng)變/με右表面應(yīng)變/με前后表面偏心率/%左右表面偏心率/%N11752011561836.98.0N21742031651977.78.8N31711901981635.39.7平均————6.68.8 注:試件編號的命名中,N1、N2及N3分別代表該組試件中的第1個、第2個及第3個試件。

由表1可知，在直接拉伸試驗過程中，盡管沒法使試件完全對中，但試件前后表面及左右表面的偏心率均能控制在10%以內(nèi)，說明試件開裂前能滿足偏心率不大于15%的要求[6]，即采用該套試驗裝置后能得到較好的對中效果。

3 結(jié)論

a.對于加大試件端部提拉的外夾式方案Ⅰ，試驗夾具在較高的UHPC拉伸峰值強(qiáng)度下易發(fā)生變形；而對于夾緊試件端部夾拉的外夾式方案Ⅱ，較大體積的試件加大了對中性調(diào)整的難度，故兩種外夾式方案均不適用。

b.對于端部預(yù)埋等長栓釘和不等長栓釘?shù)膬?nèi)埋式方案，試件主裂縫均從栓釘端部位置處貫通，同時兩種內(nèi)埋式方案下實測的UHPC峰值強(qiáng)度相差可達(dá)2 MPa，故該方案并不可靠。

c.粘貼式方案中的粘貼鋼板(鋼片)易與UHPC試件發(fā)生脫黏現(xiàn)象，但該方案中的球鉸使得直接拉伸試件具有較好的對中效果。

d.改進(jìn)方案中將雙向球鉸與剛度較大的外夾式裝置結(jié)合在一起，試驗表明該改進(jìn)方案對中效果較好，同時操作過程較簡單，可獲得UHPC真實的拉伸性能。