鋼纖維類(lèi)型及數(shù)量對(duì)UHPC拉伸性能影響研究

張寶東，趙冰潔，鄧永剛

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

為克服普通混凝土低抗拉強(qiáng)度、低延展性和低耐久性等缺點(diǎn)，并最大限度地提高水泥基復(fù)合材料的機(jī)械性能，法國(guó)工程師在20世紀(jì)90年代中期開(kāi)發(fā)了一種活性粉末混凝土，其為超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)的初始產(chǎn)品[1]，目前在多個(gè)國(guó)家廣泛應(yīng)用。

為進(jìn)一步改善UHPC的拉伸性能，學(xué)者們進(jìn)行了較多研究。文獻(xiàn)[2]基于堆積密度理論和蒸汽加熱固化工藝，制備得到具有致密微觀結(jié)構(gòu)和較高基體強(qiáng)度的UHPC。文獻(xiàn)[3]通過(guò)摻入大量高強(qiáng)度鋼纖維，使混凝土獲得極好的開(kāi)裂后拉伸性能，發(fā)生應(yīng)變硬化響應(yīng)，解決普通混凝土拉伸強(qiáng)度和延展性較差的問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]采用直線型鋼纖維(直徑0.8mm，長(zhǎng)度30mm)增強(qiáng)UHPC，該纖維具有大于2000MPa的高抗拉強(qiáng)度，但在拔出荷載下，嵌入超高性能混凝土中的直線型鋼纖維的最大拉伸應(yīng)力為981MPa，約為其極限拉伸強(qiáng)度的40%，說(shuō)明該纖維在UHPC基質(zhì)中作為增強(qiáng)材料的使用效率較低。為更有效利用鋼纖維并提高其增強(qiáng)效率，文獻(xiàn)[5]研究了纖維取向?qū)煨阅艿挠绊?，結(jié)果表明當(dāng)纖維取向?yàn)?5°時(shí)，拉伸性能最好。文獻(xiàn)[6]使用端勾型鋼纖維增強(qiáng)UHPC，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在改善UHPC拉伸和彎曲性能的有效性。盡管嵌入U(xiǎn)HPC的端勾型鋼纖維表現(xiàn)出比直線型鋼纖維大得多的拔出阻力，但與直線型鋼纖維和波紋型鋼纖維相比，采用端勾型鋼纖維增強(qiáng)UHPC梁的抵抗彎曲破壞能力較差，原因是其纖維分散性較差，并在傾斜纖維的末端勾附近形成過(guò)早的基體開(kāi)裂。文獻(xiàn)[7]的研究發(fā)現(xiàn)，半鉤形鋼纖維在平均粘結(jié)強(qiáng)度和拔出能量上優(yōu)于其他高度變形的鋼纖維(如端勾型和波紋型等)。文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果表明，變形纖維可以提供更大的加載速率敏感性，與直線型鋼纖維相比，變形纖維在取向?yàn)?5°時(shí)其有效性最大化。

目前對(duì)于纖維拉拔的研究，大多學(xué)者采用鍍銅微絲(直線型)纖維，關(guān)于纖維自身形狀對(duì)拉伸性能及破壞形式影響的研究則較少。由于不同類(lèi)型纖維與纖維增強(qiáng)UHPC基體的粘結(jié)程度不同，纖維類(lèi)型及數(shù)量對(duì)UHPC拉伸性能均有明顯影響。本文采用直線型、端勾型和波紋型三種鋼纖維增強(qiáng)UHPC，考察不同纖維數(shù)量下的拉伸性能，分析其微觀機(jī)理，并采用Abaqus軟件對(duì)拉伸過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

1 試驗(yàn)材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 UHPC基體原材料及配合比

UHPC基體的原材料包括：P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，沈陽(yáng)冀東水泥有限公司；I級(jí)粉煤灰，沈海熱電廠；硅灰，沈陽(yáng)市海沃德化工廠；普通河砂(比重2.6g/cm3)；聚羧酸減水劑，減水率大于25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，上海臣啟化工科技有限公司；符合JGJ63-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的混凝土拌和水。

基于最緊密堆積密度理論對(duì)UHPC進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)[9]，UHPC基體的配合比及抗壓強(qiáng)度如表1所示，膠凝材料化學(xué)組分如表2所示。

表1 UHPC基體的配合比及抗壓強(qiáng)度

表2 膠凝材料化學(xué)組分 wt%

1.2 鋼纖維類(lèi)型及參數(shù)

采用直線型、端勾型和波紋型三種形狀的鋼纖維，鋼纖維參數(shù)如表3所示，纖維形狀如圖1所示。

為保證斷裂面纖維數(shù)量，采用纖維交叉排列方式，保證UHPC試件斷裂面中鋼纖維數(shù)量分別為4根、8根和16根。

表3 纖維參數(shù)及抗拉強(qiáng)度

圖1 鋼纖維形狀

1.3 試件尺寸及加載裝置

拉伸試件尺寸如圖2所示(單位：mm)。拉伸試驗(yàn)采用WDW-300G微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南科盛試驗(yàn)機(jī)設(shè)備有限公司)，拉伸載荷最大容量為300kN，加載速率為0.5mm/min。加載裝置如圖3所示。

圖2 纖維拉伸試件幾何形狀

圖3 拉伸試件加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 直接拉伸行為分析

纖維類(lèi)型及數(shù)量對(duì)拉伸應(yīng)力響應(yīng)的影響如圖4所示。

圖4 纖維類(lèi)型及數(shù)量對(duì)拉伸應(yīng)力響應(yīng)的影響

由圖4可以看出，纖維增強(qiáng)UHPC的應(yīng)力在基體初始開(kāi)裂前不受鋼纖維類(lèi)型的影響，但在基體開(kāi)裂后，其應(yīng)力受纖維類(lèi)型的影響比較明顯。基體破壞前，各類(lèi)型纖維試件應(yīng)力基本呈線性增長(zhǎng)，破壞后不同類(lèi)型纖維試件應(yīng)力下降趨勢(shì)相差較大。波紋型鋼纖維試件表現(xiàn)出最高的開(kāi)裂后強(qiáng)度，其次是直線型和端勾型鋼纖維試件。當(dāng)纖維數(shù)量為16根時(shí)，端勾型鋼纖維試件最大拔出應(yīng)力最小。端勾型鋼纖維試件開(kāi)裂后強(qiáng)度較低的原因可能是應(yīng)力集中，導(dǎo)致基體瞬間拉斷破壞。

當(dāng)纖維數(shù)量相同時(shí)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸性能高低的排序?yàn)椋翰y型鋼纖維>直線型鋼纖維>端勾型鋼纖維。波紋型鋼纖維滑移最小，拔出所需能量更大。端勾型鋼纖維拉伸能力較弱的主要原因是纖維自身形狀變化較大，更易在基體內(nèi)部形成較高的應(yīng)力集中，使得纖維增強(qiáng)UHPC基體過(guò)早破壞[10]。

隨著纖維數(shù)量增加，直線型和波紋型鋼纖維試件的最大拔出應(yīng)力增加，而端勾型鋼纖維試件的最大拔出應(yīng)力變化規(guī)律不明顯。

不同類(lèi)型纖維試件拉伸過(guò)程中裂紋形狀如圖5所示。

圖5 不同類(lèi)型纖維試件拉伸過(guò)程中裂紋形狀

由圖5可見(jiàn)，在拉伸過(guò)程中，纖維增強(qiáng)UHPC首先會(huì)產(chǎn)生幾條微小裂紋，其中直線型和波紋型鋼纖維試件各裂紋平直且近似平行，而端勾型鋼纖維試件各裂紋形狀各異，大多存在尖端。隨著拉伸應(yīng)力的持續(xù)增大，其中一條裂紋逐漸增大，最終貫穿為主裂紋，說(shuō)明拉伸應(yīng)力相對(duì)于超過(guò)基體開(kāi)裂點(diǎn)的應(yīng)變連續(xù)增加。

不同類(lèi)型纖維及基體變形情況如圖6所示。

圖6 不同類(lèi)型纖維及基體變形情況

由圖6a可見(jiàn)，直線型鋼纖維在拔出時(shí)纖維表面有明顯的劃痕，這是由于纖維與基體脫黏時(shí)纖維取向與拉伸荷載方向不一致產(chǎn)生擠壓造成的；由圖6b可見(jiàn)，端勾型纖維在拉伸拔出過(guò)程中存在纖維被拉變形和被拉直的現(xiàn)象，由于端勾部位產(chǎn)生的彎矩較大，在彎勾部位會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，故纖維增強(qiáng)UHPC基體的破壞不僅有拉伸破壞，同時(shí)還存在剪切破壞；由圖6c可見(jiàn)，波紋型鋼纖維在拔出過(guò)程中，少部分纖維被拉直，由于基體過(guò)早開(kāi)裂，纖維增強(qiáng)UHPC基體中纖維的抗拔力未被完全發(fā)揮出來(lái)，即使在完成拉伸試驗(yàn)后，大部分纖維未被拉直。

波紋型鋼纖維試件在拉伸時(shí)整體性能更好，脆性表現(xiàn)較為明顯，破壞面也較為平整；直線型鋼纖維試件在拉伸時(shí)表現(xiàn)為纖維的拔出狀態(tài)，破壞面相對(duì)平整；端勾型鋼纖維試件在拉伸過(guò)程中由于應(yīng)力集中因子較大，造成纖維增強(qiáng)UHPC破壞面呈剪切破壞。

2.2 纖維類(lèi)型及數(shù)量對(duì)拉伸性能參數(shù)的影響

不同纖維類(lèi)型及數(shù)量對(duì)拉伸性能參數(shù)的影響如表4所示。

表4 不同纖維類(lèi)型及數(shù)量對(duì)拉伸性能參數(shù)的影響

由表4可以看出，纖維數(shù)量相同時(shí)，波紋型和直線型鋼纖維試件的極限拉伸應(yīng)力大于端勾型鋼纖維試件，這是由于端勾型鋼纖維試件基體過(guò)早破壞，未達(dá)到最大拉伸應(yīng)力，在拉伸之后只能觀察到被拉直纖維數(shù)量較少。

直線型和波紋型鋼纖維試件由于持續(xù)的荷載作用，導(dǎo)致纖維拔出及試件拉斷需要較高破壞吸收能，而端勾型試件基體開(kāi)裂較早，導(dǎo)致加載時(shí)間較短，因此破壞吸收能較低。

隨著纖維數(shù)量增加，直線型和波紋型鋼纖維試件的極限拉伸應(yīng)力和應(yīng)變均逐漸增加，而端勾型鋼纖維試件的極限拉伸應(yīng)力先增大后減小，應(yīng)變則逐漸減小。

對(duì)于端勾型鋼纖維，由于端勾的存在，纖維數(shù)量增多，纖維之間距離減小，相互作用增強(qiáng)，應(yīng)力集中因子增大，纖維增強(qiáng)UHPC基體對(duì)纖維提供的摩擦和機(jī)械錨固作用較小，試件脆性較強(qiáng)。故端勾型鋼纖維試件的應(yīng)變隨著纖維數(shù)量增多而逐漸減小。

2.3 拉伸性能微觀機(jī)理分析

采用日立S-3400N型掃描電子顯微鏡對(duì)纖維增強(qiáng)UHPC微觀形貌進(jìn)行觀察。纖維與基體粘結(jié)微觀形貌如圖7所示。

圖7 纖維與基體粘結(jié)微觀形貌

由圖7a可以看出，端勾型鋼纖維由于機(jī)械錨固作用，纖維與基體粘結(jié)性能較好；由圖7b可以看出，由于滑移導(dǎo)致纖維表面產(chǎn)生較多劃痕，因此纖維在拔出過(guò)程中應(yīng)力-時(shí)間曲線會(huì)波動(dòng)，因纖維尺寸較為均一，在拔出時(shí)對(duì)混凝土基體破壞較小，故纖維附近UHPC整體性較好；由圖7c可以看出，波紋型鋼纖維在拉伸時(shí)波紋對(duì)基體造成破壞；由圖7d可見(jiàn)，由于纖維滑移距離較短，纖維表面劃痕較少。

直線型鋼纖維在拉伸拔出過(guò)程中，由于外部荷載作用，導(dǎo)致纖維會(huì)產(chǎn)生向外滑移的趨勢(shì)，在基體內(nèi)纖維與UHPC基體產(chǎn)生界面黏結(jié)作用，導(dǎo)致纖維在受拉時(shí)會(huì)產(chǎn)生微變形，當(dāng)外部荷載大于整段纖維黏結(jié)作用時(shí)，纖維脫黏，從基體中被拔出；端勾型鋼纖維在初始拉伸時(shí)，其直線部分和直線型鋼纖維受力情況一致，其端勾部位產(chǎn)生機(jī)械錨固作用，隨著纖維數(shù)量增多，纖維間距減小，應(yīng)力集中因子增大，由于剪切作用導(dǎo)致基體過(guò)早破壞；波紋型鋼纖維在拔出過(guò)程中，因其自身比表面積較大，與基體機(jī)械錨固作用較強(qiáng)，但由于波紋的存在，導(dǎo)致拉伸時(shí)纖維兩側(cè)基體產(chǎn)生破壞。

3 拉伸試件應(yīng)力狀態(tài)及開(kāi)裂行為模擬分析

3.1 鋼纖維混凝土拉伸試件有限元模型

采用有限元軟件Abaqus建立如圖2尺寸的試件幾何模型。采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體線性完全積分單元(C3D8)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，遵從單向拉伸試驗(yàn)中的加載方式，從模型一側(cè)進(jìn)行位移加載，并約束模型一側(cè)六個(gè)方向自由度使之固定[11]。該模型的試件網(wǎng)格形狀、邊界條件和位移加載方式如圖8所示。

圖8 試件網(wǎng)格形狀、邊界條件及加載方式

3.2 Abaqus軟件模擬分析

Abaqus軟件模擬得到拉伸應(yīng)力圖和試件破壞圖如圖9和圖10所示。

圖9 試件拉伸應(yīng)力圖

由圖9可見(jiàn)，Abaqus模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，直線型和波紋型鋼纖維在拉伸時(shí)內(nèi)部應(yīng)力較為均勻，端勾型試件出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖10可見(jiàn)，直線型和波紋型纖維試件破壞較完全，端勾型鋼纖維試件應(yīng)力集中破壞形態(tài)與圖6b相同。由于纖維拉伸試件的橫截面積較小，導(dǎo)致截面內(nèi)纖維數(shù)量較多，纖維周?chē)|(zhì)體積不足以抵抗纖維在拉伸試驗(yàn)中的顯著機(jī)械錨固。因此，端勾型和波紋型鋼纖維在達(dá)到其極限黏結(jié)強(qiáng)度之前基體被過(guò)早破壞，導(dǎo)致拉伸性能比直線型鋼纖維試件差，大部分端勾型和波紋型鋼纖維未被拉直[12]。

摻入波紋型鋼纖維的試件獲得最佳的開(kāi)裂性能，因其具有較高的抗拔強(qiáng)度而產(chǎn)生更多的裂紋，故波紋型鋼纖維試件比直線型和端勾型鋼纖維試件更有效地將應(yīng)力傳遞給周?chē)w。直線型鋼纖維試件的開(kāi)裂面較為整齊，原因是纖維尺寸較為均一，纖維能夠均勻地將應(yīng)力傳遞至基體。端勾型鋼纖維試件由于端勾部位尺寸過(guò)度較大，纖維間距較小，導(dǎo)致應(yīng)力尖端因子較為集中(圖8b)，因此基體過(guò)早破壞，纖維過(guò)早地從基體中拔出失效。波紋型鋼纖維試件由于纖維自身形狀特點(diǎn)更容易與基體產(chǎn)生較強(qiáng)機(jī)械錨固作用，故波紋型鋼纖維試件在拉伸過(guò)程中的表現(xiàn)優(yōu)于直線型和端勾型鋼纖維試件。

4 結(jié)論

(1)采用三種鋼纖維增強(qiáng)UHPC的拉伸性能，效果由大到小依次為：波紋型鋼纖維>直線型鋼纖維>端勾型鋼纖維。由于基體強(qiáng)度原因?qū)е聫?fù)合材料中的大部分端勾型和波紋型鋼纖維在完全從基體中拔出后也未被拉直，限制了拔出阻力的充分發(fā)展。

(2)波紋型鋼纖維試件的開(kāi)裂性能最好，其次是直線型鋼纖維試件和端勾型鋼纖維試件，這是由于端勾型鋼纖維試件由于纖維間距較小，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使混凝土基體過(guò)早開(kāi)裂。

(3)直線型和端勾型鋼纖維在拉伸拔出時(shí)對(duì)基體破壞較小，波紋型鋼纖維因其波紋結(jié)構(gòu)，在拔出時(shí)對(duì)纖維兩側(cè)基體破壞較為明顯。直線型和波紋型鋼纖維在拉伸時(shí)應(yīng)力傳遞較為均勻，破壞面較為平整。