不同纖維類型及尺寸對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響

蘇 駿，嵇 威，吳 鵬

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC)自問世以來(lái)一直受到工程界的廣泛關(guān)注，相較于普通混凝土，UHPC強(qiáng)度高、韌性好且耐久性優(yōu)異[1, 2]。隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高，因此UHPC的應(yīng)用前景十分廣闊[3]。史才軍等[4]根據(jù)UHPC的組成材料對(duì)UHPC的流動(dòng)性和強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明增大水膠比可增加流動(dòng)性，但強(qiáng)度會(huì)逐漸減小，并且在保證試件成型的條件下，減水劑的摻量對(duì)UHPC的強(qiáng)度影響很小。徐海濱等[5]對(duì)8根UHPC混凝土T型梁進(jìn)行抗彎性能研究，結(jié)果表明，UHPC梁的裂縫間距比普通混凝土梁更加密集，通過增大配筋率、使用高強(qiáng)度鋼筋及提升預(yù)應(yīng)力水平均有利于限制裂縫發(fā)展。鄧宗才[6, 7]對(duì)不加入硅灰的新型UHPC進(jìn)行單軸壓縮和拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明新型UHPC相較于普通混凝土的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線更長(zhǎng)，說明新型UHPC具有優(yōu)異的軸壓變形和韌性性能。劉新華等[8]將UHPC應(yīng)用于橋面的負(fù)彎矩區(qū)，進(jìn)行了全過程靜力加載試驗(yàn)，結(jié)果表明在鋼-混組合梁負(fù)彎矩區(qū)采用UHPC可顯著提升負(fù)彎矩區(qū)的抗裂性能，并且根據(jù)粘結(jié)滑移理論提出了簡(jiǎn)易的UHPC裂縫寬度計(jì)算公式。吳永魁等[9]對(duì)UHPC動(dòng)態(tài)損傷機(jī)理進(jìn)行了分析，微觀損傷機(jī)理主要包括微孔洞、微裂紋、晶界滑移和滑移帶，為減少微觀損傷，提高UHPC力學(xué)性能，應(yīng)提高UHPC密實(shí)度并強(qiáng)化界面過渡區(qū)。綜上所述，UHPC可明顯提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的力學(xué)性能，本文通過在不同尺寸的UHPC試件中摻入不同種類的纖維，研究纖維體積摻量和試件尺寸對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，包括抗壓、抗折、劈裂抗拉及彎曲性能，為UHPC的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)采用河南信陽(yáng)天梯礦業(yè)生產(chǎn)的UC170干混料；鋼纖維采用安平茂納金屬制品有限公司生產(chǎn)的鍍銅鋼纖維；聚乙烯醇纖維采用日本Kuraray公司生產(chǎn)的K-Ⅱ型聚乙烯醇纖維。兩種纖維的性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋼纖維、聚乙烯醇纖維基本性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果和實(shí)際拌合物的流動(dòng)性，試驗(yàn)中鋼纖維和聚乙烯醇纖維各設(shè)置5種不同體積摻量，鋼纖維體積摻量為0、0.5%、1%、2%、3%，聚乙烯醇纖維體積摻量為0、0.3%、0.5%、0.7%、1%。試驗(yàn)配合比見表2。

表2 混凝土配合比 kg/m3

為研究不同尺寸對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，抗壓試驗(yàn)試件尺寸分別采用100 mm×100 mm×100 mm和40 mm×40 mm×4 0mm立方體試塊；抗折試驗(yàn)試件尺寸分別采用100 mm×100 mm×400 mm和40 mm×40 mm×160 mm的梁式試件。試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)[10]進(jìn)行。

2 試驗(yàn)分析

2.1 抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)分析

立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算如下：

(1)

fcu為立方體抗壓強(qiáng)度；Fmax為抗壓峰值荷載；A為立方體試塊受力面積。

由表3、圖2和圖3可知：1)加入纖維后的UHPC的抗壓強(qiáng)度相比于基體UHPC均有所提高。邊長(zhǎng)40 mm的鋼纖維UHPC試件較基體UHPC分別提高31.3%、27.7%、64.3%、94.3%；邊長(zhǎng)為100 mm鋼纖維UHPC試件抗壓強(qiáng)度在0.5%摻量時(shí)出現(xiàn)下降，其余分別提高16.2%、41.5%、60%；邊長(zhǎng)為40 mm聚乙烯醇纖維UHPC較基體UHPC分別提高16.2%、22.9%、10.2%、16.3%；邊長(zhǎng)100 mm聚乙烯醇纖維UHPC的抗壓強(qiáng)度較基體UHPC均出現(xiàn)下降。2)鋼纖維體積摻量增加，抗壓強(qiáng)度也隨之增大，這是因?yàn)殇摾w維數(shù)量增多，纖維之間間距變小，纖維的橋聯(lián)作用效果更好，會(huì)有更多纖維抑制微裂縫的發(fā)展。3)聚乙烯醇纖維由于彈性模量比鋼纖維低，因此對(duì)裂縫的抑制能力不如鋼纖維，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度提升不明顯。4)聚乙烯醇的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象會(huì)使UHPC內(nèi)部初始缺陷變多，纖維的橋聯(lián)作用和阻裂作用效果降低，從而導(dǎo)致UHPC抗壓強(qiáng)度降低。

表3 抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu試驗(yàn)值

圖2 鋼纖維立方體抗壓強(qiáng)度

圖3 聚乙烯醇纖維立方體抗壓強(qiáng)度

纖維混凝土的破壞過程與普通混凝土有較大區(qū)別，在加載初期，荷載主要由基體承擔(dān)，處于彈性階段；荷載接近極限荷載的50%時(shí)，試件中部開始出現(xiàn)肉眼可見的豎向裂縫；隨著荷載持續(xù)增大，裂縫逐漸變多并且向試件端部延伸發(fā)展，部分豎向裂縫交匯發(fā)展成斜向裂縫和分叉裂縫；當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，纖維不斷拔出或拉斷，裂縫上下貫通，承載力急速下降，試件發(fā)生破壞，由于纖維的橋聯(lián)作用，摻入纖維的UHPC不會(huì)出現(xiàn)素混凝土的脆性破壞特征，試件的破壞形態(tài)如圖1所示。

圖1 抗壓試驗(yàn)破壞形態(tài)

加入纖維的UHPC和普通UHPC的破壞機(jī)理幾乎一致，都是由于內(nèi)部砂漿最開始產(chǎn)生初始缺陷，隨著荷載加大，缺陷不斷累積，由內(nèi)部發(fā)展到試件表面，形成宏觀可見的裂縫。加入纖維會(huì)減小UHPC內(nèi)部孔隙，從而使UHPC更加密實(shí)，因此纖維能對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生增強(qiáng)作用，同時(shí)纖維在混凝土內(nèi)形成亂向分布的空間結(jié)構(gòu)，再加上纖維本身優(yōu)異的阻裂特性，能夠有效地阻止裂紋產(chǎn)生和延緩這一過程發(fā)展，由此提高UHPC的受力性能及安全儲(chǔ)備能力。

圖4給出的是邊長(zhǎng)100 mm立方體與邊長(zhǎng)40 mm立方體的抗壓強(qiáng)度比值，結(jié)果顯示不同纖維摻量的強(qiáng)度比均小于1。試件抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸的增大而降低，因此尺寸效應(yīng)顯著。由于大尺寸混凝土試件往往存在更多的孔隙和微裂縫，缺陷相較于小尺寸試件會(huì)更多，在受力過程中更易產(chǎn)生破壞，因此強(qiáng)度會(huì)下降?；炷猎谑芰ζ茐倪^程中會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布及能量釋放，尺寸為100 mm的試件相較于40 mm試件會(huì)釋放更多儲(chǔ)存在裂紋中的能量，而釋放能量大小的不一致導(dǎo)致了名義強(qiáng)度出現(xiàn)差異。

圖4 抗壓強(qiáng)度比

鋼纖維UHPC隨著纖維摻量增加抗壓強(qiáng)度比變得不穩(wěn)定，鋼纖維對(duì)UHPC尺寸效應(yīng)的影響主要有兩個(gè)原因，一是隨著纖維摻量的增加，基體流動(dòng)強(qiáng)度降低，UHPC中存在更多的孔隙缺陷；二是鋼纖維在試件的邊緣會(huì)產(chǎn)生邊壁效應(yīng)，由于在振搗過程中靠近邊壁的鋼纖維會(huì)趨于平行于邊壁分布，尺寸越小則產(chǎn)生邊壁效應(yīng)的纖維體積率越大，邊壁效應(yīng)就會(huì)越強(qiáng)，從而影響受力過程。

UHPC摻入不同摻量聚乙烯醇纖維的抗壓強(qiáng)度比相較于鋼纖維UHPC更加平緩。在普通混凝土中，由于混凝土基體強(qiáng)度不大，聚乙烯醇纖維可以較好的對(duì)能量進(jìn)行吸收，從而阻止混凝土中微裂縫的發(fā)展。但是UHPC混凝土的基體強(qiáng)度很高，聚乙烯醇纖維在混凝土受壓早期就發(fā)生斷裂，這就導(dǎo)致纖維無(wú)法在裂縫發(fā)展全過程中吸收能量以阻止或延緩裂縫進(jìn)一步發(fā)展，因此聚乙烯醇纖維對(duì)UHPC的改善作用有限，不同摻量的聚乙烯醇纖維UHPC抗壓強(qiáng)度比總體趨勢(shì)也就更加穩(wěn)定。

2.2 抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)分析

抗折強(qiáng)度計(jì)算如下：

(2)

式中ff為混凝土抗折強(qiáng)度；F為試件破壞荷載；l為支座間跨度；h為試件高度；b為試件截面面積。由于本試驗(yàn)采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm非標(biāo)準(zhǔn)試件，所以乘以尺寸換算系數(shù)0.85。

表4 抗折強(qiáng)度f(wàn)f試驗(yàn)結(jié)果

由圖5和圖6可知：1)加入鋼纖維可提高UHPC的抗折強(qiáng)度，邊長(zhǎng)40 mm鋼纖維UHPC較基體UHPC分別提升131.3%、118%、157.1%、286.9%；邊長(zhǎng)100 mm鋼纖維UHPC較基體除摻量0.5%以外分別提高32.8%、36.3%、59%。2)在UHPC中加入聚乙烯醇纖維會(huì)降低抗折強(qiáng)度，且隨著纖維摻量增大，下降幅度越小。這是由于聚乙烯醇纖維摻量較小導(dǎo)致。這一點(diǎn)可以用復(fù)合材料力學(xué)理論來(lái)解釋，根據(jù)彈性疊加原理[11]，在纖維順向均勻分布的條件下，由于聚乙烯醇纖維摻量較小，因此纖維混凝土應(yīng)力較小，從而導(dǎo)致UHPC的強(qiáng)度提高有限。

圖5 鋼纖維抗折強(qiáng)度

圖6 聚乙烯醇纖維抗折強(qiáng)度

由圖7可知，鋼纖維UHPC抗折強(qiáng)度比先增大后減小，整體強(qiáng)度比在0.3左右，聚乙烯醇纖維UHPC抗折強(qiáng)度比先減小后增大，整體強(qiáng)度比在0.6左右，兩種纖維UHPC均表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。Bazant等[12-14]認(rèn)為抗折強(qiáng)度出現(xiàn)尺寸效應(yīng)是因?yàn)榛炷猎谶_(dá)到峰值荷載之前，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)長(zhǎng)裂紋或含有微裂紋的斷裂擴(kuò)展區(qū)在穩(wěn)定的發(fā)展，長(zhǎng)裂紋或微裂紋集中區(qū)域逐漸釋放受力過程中儲(chǔ)蓄的能量，而不同尺寸混凝土內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量和釋放能量的能力不一樣，因此出現(xiàn)尺寸效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)由于加入的纖維類型不同及纖維摻量不同，因此纖維對(duì)抗折強(qiáng)度增強(qiáng)能力有所區(qū)別，兩種纖維的尺寸效應(yīng)明顯但不穩(wěn)定。

圖7 抗折強(qiáng)度比

2.3 劈裂抗拉試驗(yàn)分析

劈裂抗拉強(qiáng)度按下式計(jì)算：

(3)

式中:fts為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度；F為試件破壞荷載；A為試件劈裂面面積。

混凝土的拉壓比和泊松比存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(4)

式中:γ為拉壓比，ν為泊松比，本試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果表6所示。

表6 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表6和圖8可知，鋼纖維對(duì)UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度提升十分明顯，劈裂抗拉強(qiáng)度分別提升53.8%、81.8%、106.4%、141.1%，纖維摻量為3%時(shí)提升幅度最大，明顯改善了UHPC的劈裂抗拉性能。聚乙烯醇纖維摻量低于1%時(shí)對(duì)UHPC劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果不明顯，體積摻量為1%時(shí)，強(qiáng)度相較于基體UHPC提升50.3%，提升效果接近于鋼纖維摻量為0.5%的UHPC。因此在實(shí)際應(yīng)用中，聚乙烯醇纖維摻量需適當(dāng)提高。

圖8 劈裂抗拉強(qiáng)度

普通混凝土的拉壓比范圍為1/12～1/8，泊松比范圍在0.18左右；高強(qiáng)混凝土的拉壓比范圍為1/18～1/15，泊松比范圍為0.20～0.28，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，脆性特征越明顯，拉壓比越小。由圖7可知，加入纖維后可改善UHPC的拉壓比，不同纖維體積摻量下，兩種纖維增強(qiáng)UHPC的拉壓比均超過高強(qiáng)混凝土的拉壓比，且摻入鋼纖維的UHPC的拉壓比已超過普通混凝土，摻量為1%的聚乙烯醇UHPC的拉壓比也超過了普通混凝土；鋼纖維UHPC的泊松比超過了高強(qiáng)混凝土，聚乙烯醇UHPC的泊松比在高強(qiáng)混凝土范圍內(nèi)。因此，加入纖維可明顯改善UHPC性能，鋼纖維的改善效果優(yōu)于聚乙烯醇纖維。

2.4 彎曲分析

極限彎曲強(qiáng)度計(jì)算如下：

(5)

式中：Fmax為試件所受的極限彎曲荷載；l為支座之間的跨距；b和h分別對(duì)應(yīng)試件的寬度和高度。

不同纖維摻量UHPC的極限彎曲強(qiáng)度見表7。

表7 極限彎曲強(qiáng)度 MPa

由表7和圖9可知，鋼纖維對(duì)UHPC極限彎曲強(qiáng)度的提高十分明顯，本試驗(yàn)中自0.5%的摻量起每提高一個(gè)梯度的纖維摻量，鋼纖維增強(qiáng)UHPC極限彎曲強(qiáng)度都會(huì)有明顯提高，纖維摻量為1%時(shí)強(qiáng)度提升32.6%，纖維摻量為2%時(shí)相較于1%提升不明顯，當(dāng)纖維摻量達(dá)到3%時(shí)，試件極限彎曲強(qiáng)度較基體UHPC提升59.2%；聚乙烯醇纖維的極限彎曲強(qiáng)度趨勢(shì)先下降后增加，但均未超過UHPC基體本身強(qiáng)度。

圖9 極限彎曲強(qiáng)度

圖10 UHPC彎曲試驗(yàn)破壞形態(tài)

通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象可知未摻加纖維的UHPC試件在梁跨中底部的混凝土開裂以后，裂縫迅速擴(kuò)展至梁頂部，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征；鋼纖維UHPC試件在底部出現(xiàn)細(xì)裂縫后，鋼纖維并未斷裂，鋼纖維的兩端連接著裂縫的兩端，將應(yīng)力傳遞給附近砂漿顆粒，可以阻礙裂縫繼續(xù)發(fā)展，鋼纖維UHPC試件在開裂后產(chǎn)生偽應(yīng)變硬化的現(xiàn)象，鋼纖維UHPC試件的抗彎極限承載力得到提升，當(dāng)試件達(dá)到極限承載力時(shí)，積蓄在試件內(nèi)的能量發(fā)生釋放從而導(dǎo)致試件的承載能力迅速下降，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試件依然是一個(gè)整體，呈現(xiàn)出韌性破壞的特征，且可大幅提高UHPC的延性。聚乙烯醇纖維UHPC中纖維摻量小于1%時(shí)，試件的破壞特征和UHPC基體幾乎一致，為脆性破壞特征；當(dāng)纖維摻量為1%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束后，試件并未斷裂，表現(xiàn)出延性破壞特征，因此，聚乙烯醇纖維雖然對(duì)UHPC的極限彎曲強(qiáng)度提升作用有限，但可明顯改善UHPC的延性。

由圖11和圖12可知，鋼纖維UHPC在纖維摻量為2%時(shí)，跨中撓度達(dá)到2.2 mm左右，顯著高于其他纖維摻量；聚乙烯醇纖維UHPC在達(dá)到極限荷載時(shí)，纖維摻量在0.7%時(shí)跨中撓度達(dá)到最大為1.4 mm左右，因此，鋼纖維對(duì)UHPC的韌性提升效果顯著高于聚乙烯醇纖維，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明并不是纖維摻量越高韌性越好，過多的纖維會(huì)導(dǎo)致其在混凝土基體內(nèi)某一區(qū)域過于集中，基體內(nèi)部初始缺陷也明顯增多，纖維的橋聯(lián)作用即阻裂效果達(dá)不到發(fā)揮，由此造成韌性出現(xiàn)下降。兩種纖維由于自身特性不同導(dǎo)致增強(qiáng)增韌效果不同，因?yàn)殇摾w維抗拉強(qiáng)度大，極限延伸率遠(yuǎn)大于聚乙烯醇纖維，所以能夠很好地抑制混凝土裂縫發(fā)展；聚乙烯醇纖維具有親水性，能夠與水泥基基體產(chǎn)生很強(qiáng)的摩擦粘結(jié)與化學(xué)粘結(jié)，因此在試驗(yàn)過程中，聚乙烯醇纖維與UHPC基體之間不易發(fā)生滑移，試件破壞是由于纖維被拉斷，而聚乙烯醇纖維抗拉強(qiáng)度不如鋼纖維，這也是兩種纖維對(duì)UHPC產(chǎn)生不同增強(qiáng)增韌作用效果的原因。

圖11 鋼纖維增強(qiáng)UHPC荷載撓度曲線

圖12 聚乙烯醇纖維增強(qiáng)UHPC荷載撓度曲線

由纖維間距理論可知，纖維之間的間距只有在小于纖維間距上限值時(shí)才能發(fā)揮增強(qiáng)增韌作用，從本試驗(yàn)可知，由于聚乙烯醇纖維選取的摻量較低，且在拌合過程中會(huì)出現(xiàn)部分纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，因此導(dǎo)致纖維之間的間距不夠小，從而對(duì)彎曲強(qiáng)度提升作用有限，反之由于鋼纖維摻量較大，纖維根數(shù)變多，因此鋼纖維阻擋裂縫發(fā)展的能力隨之增大，試件的殘余應(yīng)力也相應(yīng)得到提高。因此提高鋼纖維摻量對(duì)UHPC試件的增韌阻裂作用十分明顯。

3 主要結(jié)論

1)鋼纖維UHPC抗壓強(qiáng)度提升明顯，邊長(zhǎng)為40 mm的鋼纖維立方體試件抗壓強(qiáng)度最大提高94.3%，100 mm試件抗壓強(qiáng)度最大提高60%，40 mm聚乙烯醇纖維試件抗壓強(qiáng)度最大提高22.9%，摻入纖維后UHPC抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)明顯，聚乙烯醇纖維的抗壓強(qiáng)度比更加穩(wěn)定，造成鋼纖維試件強(qiáng)度比不穩(wěn)定的原因是邊壁效應(yīng)十分突出。

2)摻入鋼纖維有助于提高UHPC的抗折強(qiáng)度，并且摻量越大，抗折強(qiáng)度提高越明顯，尺寸為40 mm的試件最大提高286.9%，100 mm試件最大提高59%；聚乙烯醇纖維摻入U(xiǎn)HPC會(huì)降低抗折強(qiáng)度，原因可能是纖維摻量較低?？拐蹚?qiáng)度之所以產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，是因?yàn)椴煌嚰?nèi)部裂縫擴(kuò)展區(qū)域儲(chǔ)能與釋能的能力不同；抗折強(qiáng)度比并不穩(wěn)定。

3)鋼纖維UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度最大提升141.1%，聚乙烯醇UHPC試件最大提升50.3%。加入纖維可改善UHPC的拉壓比，從而改善超高性能混凝土的脆性特征，鋼纖維的改善效果優(yōu)于聚乙烯醇纖維。

4)鋼纖維和聚乙烯醇纖維都可明顯改善UHPC的韌性，且鋼纖維的提升效果更明顯。鋼纖維增強(qiáng)UHPC的效果更明顯，且高摻量鋼纖維會(huì)增強(qiáng)纖維對(duì)混凝土的阻裂能力，這一點(diǎn)在抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)也表現(xiàn)明顯。