高性能纖維混凝土力學性能試驗研究

張歡歡

(鄭州工程技術(shù)學院 土木工程學院，鄭州 450000)

高性能纖維混凝土(High Performance Fiber Reinforced Concrete，HPFRC)是一種具有廣闊市場應用前景的新型高強混凝土，一出現(xiàn)便引起了工程界和學術(shù)界的廣泛關注。焦楚杰等[1]通過抗彎實驗研究了鋼纖維體積率Vf對鋼纖維高強混凝土(SFRHSC)抗彎性能的影響。柳艷杰等[2]分析了鋼纖維摻入率以及養(yǎng)護齡期對混凝土抗壓性能的影響。徐巍巍等[3]通過單軸受壓實驗，分析了試件的形狀效應、尺寸效應以及鋼纖維的體積率對纖維超高性能混凝土抗壓性能、破壞形態(tài)以及彈性模量的影響。徐海濱等[4]通過抗剪性能試驗，分析了試件剪跨比、配箍率以及預應力水平對HPFRC梁抗剪性能的影響。Su等[5]通過剪切實驗從微觀尺度的有限元分析闡述了普通混凝土試件的尺寸效應和形狀效應軟化機理。Mahmud等[6]通過摻加鋼纖維活性粉末的超高性能鋼筋混凝土梁三點抗彎實驗和ABAQUS軟件進行數(shù)值模擬，研究了梁的尺寸效應現(xiàn)象。但是，針對具有代表性的力學參數(shù)，HPFRC抗壓強度和抗折強度的測定尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)標準。在上述研究基礎上，本文通過對HPFRC標準試塊的單軸抗壓實驗與四點抗折的綜合靜力學試驗研究，分析HPFRC在實驗中的破壞形態(tài)及其應力應變關系。

1 試驗原材料與配合比

HPFRC具有強度高、延性好的優(yōu)點，纖維的摻入有效增加了超高性能混凝土的延性及韌性，本文試件所采用的均為纖維混凝土材料，摻用的纖維為超高分子量聚乙烯纖維(UPE)與鋼纖維，見圖1、圖2，纖維摻用體積率為2%，纖維的基本參數(shù)見表1。

圖1 UPE纖維

圖2 鋼纖維

表1 纖維參數(shù)

本文試驗混凝土材料拌合物有水泥、納米SiO2、微珠、納米CaCO3、石英粉、細沙、中砂、粗砂、減水劑以及纖維，根據(jù)相關資料[7]提供的內(nèi)容以及前期試驗設計，研究了納米材料以及纖維對超高性能混凝土材料力學性能的影響，確定了混凝土的最終配合比，見表2。

表2 超高性能混凝土基本配合比 kg

2 抗壓試驗

2.1 試件制備、養(yǎng)護及實驗方法

采用單軸受壓的方法[8]來研究HPFRC的抗壓性能，試件為100 mm3的立方體，采用標準鑄鐵模具加工成型，采用機械攪拌方式拌合物料，具體攪拌步驟如下：

1)根據(jù)最終設計配合比分別準備各種材料；

2)向攪拌機加入砂子、納米鈣、微珠以及石英粉，攪拌大約5 min，待各種材料攪拌均勻；

3)加入設計配合比中70%的水以及減水劑和防凍水；

4)待水分攪拌均勻后加入水泥和硅灰；

5)最后加入剩余的30%的水分；

6)待材料攪拌均勻后，在攪拌機持續(xù)工作的狀態(tài)下持續(xù)緩慢加入稱量好的鋼纖維，待纖維加入完畢之后再攪拌5 min，將纖維混合均勻；

7)將拌合物自攪拌機中卸出，將膠乳倒入準備好的模具中。

筑后覆蓋薄膜并且灑水養(yǎng)護24 h，然后進行48 h設置溫度為90 ℃熱水浴養(yǎng)護，最后取出自然養(yǎng)護28 d，進行力學試驗。試驗設置不添加任何纖維的混凝土試塊進行對照。

試驗過程主要分為3個步驟：1)啟動試驗機，將試件安置在試驗機的下固定端上，調(diào)整上加載端，使加載端壓頭靠近但不接觸試件；2)安置位移傳感器，通過電腦控制加載端與試件接觸、歸0；3)開始逐步加載，一直到試件被完全破壞。依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(以下簡稱為《標準》)的相關規(guī)定，試驗機器使用YAW-3000型電液伺服壓力微機控制試驗機，對100 mm3試塊進行抗壓試驗，由于《標準》中并沒有規(guī)定關于超高性能混凝土抗壓強度試驗的加載方式，經(jīng)過多次試驗后定義該加載方式為：在加載的開始階段采用力控制的加載方式，設置力的增加速率為2 kN/s，加載至50 kN，維持20 s確保試驗試塊與加載端接觸完全，采用位移控制方式，以0.4 mm/min的加載端位移加載至1 400 kN，然后再保持20 s，最后改變加載速率為0.2 mm/min進行加載，當試塊的剩余強度約為其峰值的40%時停止試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。

試驗裝置如圖3所示，為了獲取試塊的應力曲線圖，測量試塊的豎向位移，在壓力機的上壓頭對稱安裝2個位移計用以測量混凝土試件在受力方向的變形，最終獲取試驗記錄的試驗力-位移曲線。

圖3 抗壓試驗設置

2.2 抗壓試驗結(jié)果分析

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，未摻加纖維的素混凝土試塊受壓時為典型的環(huán)箍效應的X交叉型剪切破壞，試件隨著不斷加載，混凝土碎片不斷迸出，到達峰值強度后，突然破壞，整體性喪失，最終僅部分芯部殘留，破壞形態(tài)如圖4(a)所示，表現(xiàn)出脆性破壞的性質(zhì)。當混凝土中加入UPE纖維時，破壞形態(tài)如圖4(b)所示，試件的破壞形式為首先在邊緣處產(chǎn)生裂縫，隨著不斷加載，裂縫逐漸變寬最終形成貫穿的裂縫；當混凝土中加入鋼纖維時，試塊表面出現(xiàn)多道微裂縫，隨后呈現(xiàn)出多道裂紋進而出現(xiàn)脫皮的現(xiàn)象，纖維不斷被拔出同時發(fā)出嗤嗤聲，到達峰值強度后，微裂紋逐漸貫通并演化為大裂縫，承壓面截面面積增大，致使試件向外鼓脹，表現(xiàn)出裂而不散的狀態(tài),纖維混凝土試塊完整性較好，試驗過程中表現(xiàn)為塑性破壞的性質(zhì),破壞形態(tài)如圖4(c)所示。

(a)素混凝土試塊 (b)UPE纖維混凝土試塊 (c)鋼纖維混凝土試塊

對比分析可知，摻入鋼纖維的實驗組裂紋數(shù)量較多，微裂紋發(fā)展得比較均勻飽滿，充分發(fā)揮了纖維改善超高性能混凝土(UHPC)基體延性的作用；摻入UPE纖維的實驗組微裂紋數(shù)量少，少有碎片剝落；待試塊開裂后，微裂紋進一步擴展和貫通，形成了造成試件破壞的幾條主裂縫，整體性與鋼纖維相比則較差。

計算超高性能混凝土立方體抗壓強度fcc：

(1)

式中：F為試塊破壞荷載，N；A為試塊承壓面積，mm2。

試塊的應力應變曲線如圖5所示，可知高性能UPE纖維混凝土試塊抗壓強度為92 MPa，高性能鋼纖維混凝土試塊抗壓強度為116 MPa，未摻加纖維的素混凝土試塊的抗壓強度為56 MPa。可知高性能纖維混凝土試塊的抗壓強度明顯高于未摻加纖維的素混凝土試塊的抗壓強度，鋼纖維混凝土是素混凝土強度的2倍，UPE纖維混凝土是素混凝土強度的1.6倍，并且鋼纖維對混凝土抗壓強度提高的貢獻程度要大于UPE纖維，鋼纖維的加入有效約束了

圖5 試塊應力-應變曲線

試件的橫向變形，進一步提升了試件的彈性模量。這是由于纖維的摻入強化了其與基體間的界面區(qū)域，減少了薄弱層，提高了二者界面的黏結(jié)力，基體的破壞形態(tài)和變形能力發(fā)生變化。界面區(qū)首先發(fā)生破壞，裂縫形成后，纖維的橋架效應開始發(fā)揮作用，纖維很難被拔出，從而能充分發(fā)揮其對基體混凝土增強和增韌效果。

3 抗折試驗

3.1 試件制備、養(yǎng)護及實驗方法

根據(jù)《標準》相關規(guī)定，使用與抗壓試驗相同的試驗機對100 mm×100 mm×400 mm長方體試塊進行抗折試驗，試塊的澆筑方式與上一節(jié)相同。在試塊上表面粘細鋼條后連接位移計，將試塊中部變形數(shù)據(jù)導出，考慮《標準》中并沒有給出超高性能混凝土抗折強度試驗的加載制度，經(jīng)過多次試驗以后總結(jié)出本試驗的加載制度為：全程使用位移控制施加均勻連續(xù)的荷載，設定加載速率為0.2 mm/s，試驗過程中在安全防護的前提下人工觀察試塊，當試塊完全破壞時停止試驗并記錄數(shù)據(jù)，試驗設置如圖6所示。

3.2 抗折試驗結(jié)果分析

試塊抗折破壞形態(tài)如圖7所示，對照組的素混凝土標準試件施加荷載時，達到峰值之前，試件表面開始出現(xiàn)極少數(shù)的微裂紋，但試件整體形態(tài)并無任何變化；到達峰值之后，瞬間斷裂破壞，失效無任何征兆，試件幾乎同時斷成兩半，完整性徹底喪失；其破壞面為貫穿試件的大斷裂面，屬于典型的脆性破壞,破壞形態(tài)如圖 7(a)所示。對于摻入鋼纖維的試塊而言，隨著荷載的增大，會不斷聽到纖維拔出的聲音，繼而形成許多微裂紋，直至達到峰值，1條主裂縫出現(xiàn)并逐漸延伸變寬，薄弱面演化為破壞面，宣告結(jié)構(gòu)失效；但期間由于諸多微裂紋的出現(xiàn)，斷裂有一定的緩沖時間,破壞形態(tài)如圖7(b)所示。摻入UPE纖維的試件斷裂過程中會在主斷裂面周圍形成許多微裂縫，有的微裂紋甚至出現(xiàn)在支座處，這些微裂紋的出現(xiàn)增強了構(gòu)件的延性，耗能能力的提升導致構(gòu)件失效過程推遲，抗震能力得到改善；充分發(fā)揮了纖維改善UHPC基體延性的作用，整體性和韌性較優(yōu),破壞形態(tài)如圖 7(c)所示。

計算超高性能混凝土抗折強度ft：

(2)

式中：F為試件破壞時最大荷載，N；l為支座間的跨度，取300 mm；b為試件截面的寬度，取100 mm；h為試件截面的高度，取100 mm。

試塊的荷載-位移曲線如圖8所示，鋼纖維混凝土試塊的極限荷載為47 kN，UPE混凝土試塊的極限荷載為28 kN，未摻加纖維的素混凝土試塊的極限荷載為18 kN，運用式(2)計算3種類型混凝土試塊的抗折強度分別為：14.1，8.4，5.4 MPa，高性能鋼纖維混凝土試塊抗折強度為素混凝土的2.61倍，UPE纖維混凝土試塊的抗折強度為素混凝土的1.56倍。由此可知鋼纖維對試塊抗折強度的提高較為明顯，由于裂縫處鋼纖維的存在，使裂縫處鋼纖維和骨料的黏結(jié)力增大，有效抑制了裂縫的開展，進而提高了鋼纖維混凝土試塊的抗裂能力及韌性，使試塊能承擔更大的拉力。從界面力學角度可以解釋上述現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因：UHPC基體本身界面黏結(jié)強度較低，摻入纖維后，纖維在基體中隨機分布，其與基體的接觸面得到了改善，形成了新的化學黏著力。承受荷載時，二者之間的黏結(jié)作用形成了橋架作用，保證了界面應力的有效傳遞，并約束了混凝土基體內(nèi)部微裂紋的發(fā)展，進而提高了UHPC基體抗折強度。

圖8 荷載-位移曲線

3.3 試驗結(jié)論

1)高性能纖維混凝土試塊的抗壓強度明顯高于素混凝土試塊的抗壓強度，鋼纖維混凝土是素混凝土強度的2倍，UPE纖維混凝土是素混凝土強度的1.6倍，并且鋼纖維對混凝土抗壓強度提高的貢獻程度要大于UPE纖維，鋼纖維的加入有效約束了試件的橫向變形，進一步提升了試件的彈性模量。

2)高性能鋼纖維混凝土試塊抗折強度為素混凝土的2.61倍，UPE纖維混凝土試塊的抗折強度為素混凝土的1.56倍，鋼纖維對試塊抗折強度的提高較為明顯，由于在裂縫處鋼纖維的存在，使裂縫處鋼纖維和骨料的黏結(jié)力增大，有效抑制了裂縫的開展，進而提高了鋼纖維混凝土試塊的抗裂能力及韌性，進而使試塊能承受更大的拉力。