UHPC彎拉性能及應(yīng)力裂縫寬度關(guān)系

熊 偉 徐 斌 聶立力

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 武漢 430010)

0 引 言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete ,UHPC)在混凝土中摻入活性礦物粉末,剔除了粗骨料和優(yōu)化細(xì)骨料級(jí)配,可以改善混凝土內(nèi)部的多孔和微裂縫等缺陷,表現(xiàn)出超高抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和耐久性等優(yōu)異的力學(xué)性能[1],在橋梁工程中被廣泛應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)高性能化[2-3].

UHPC抗拉性能及應(yīng)力裂縫寬度關(guān)系對(duì)新型UHPC橋梁的承載能力和正常使用極限狀態(tài)計(jì)算起著關(guān)鍵作用.由于UHPC具有較穩(wěn)定的裂后拉伸強(qiáng)度,在承受彎矩處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能忽略其抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn).但是目前研究對(duì)受拉區(qū)等效拉應(yīng)力與UHPC抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系仍存在爭(zhēng)議[4-5].鋼纖維對(duì)UHPC增強(qiáng)增韌效果具有很大影響,其中鋼纖維體積摻量、長(zhǎng)徑比、形狀,以及纖維混摻對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響較為顯著[6-8].但是諸如纖維體積摻量、形狀、及纖維混摻對(duì)UHPC彎拉性能及應(yīng)力裂縫寬度關(guān)系研究尚少,無(wú)法明確上述影響因素對(duì)受拉區(qū)等效拉應(yīng)力的貢獻(xiàn)程度.

軸拉能夠直接反映UHPC的受拉本構(gòu),但是對(duì)裝置的選用則需要嚴(yán)格把控,才能保證軸拉試驗(yàn)的成功率[9].文中采用較為穩(wěn)定的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),研究了四種纖維摻量的長(zhǎng)直形、端勾形和混合形鋼纖維UHPC的彎拉性能,探索纖維類型和纖維摻量對(duì)UHPC彎拉性能彈性階段和裂縫發(fā)展階段的影響機(jī)制,分析彎拉初裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的變化規(guī)律,以及通過(guò)倒推分析法得到UHPC的應(yīng)力-裂縫寬度關(guān)系.

1 試驗(yàn)概況

1.1 配合比

試驗(yàn)制備的UHPC的配合比見(jiàn)表1.水膠比為0.18,加入石英砂和石英粉來(lái)獲得最大密實(shí)度,使用高效減水劑來(lái)保證新拌混凝土的工作性能.文中研究鋼纖維摻量及鋼纖維類型對(duì)UHPC在三點(diǎn)加載作用下彎拉性能的影響,鋼纖維類型包括長(zhǎng)直型、混合型及端勾型,其對(duì)應(yīng)的UHPC試件組別分別定義為UHPC-I、UHPC-II、和UHPC-III.混合型同時(shí)摻入長(zhǎng)直鋼纖維和端勾型鋼纖維,纖維規(guī)格及摻量占比見(jiàn)表2.

表1 UHPC配合比

表2 纖維類型和摻量

1.2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

通過(guò)三點(diǎn)加載裝置測(cè)試UHPC棱柱體的彎拉性能,見(jiàn)圖1.采用的彎拉試件尺寸和試驗(yàn)方法參考法國(guó)UHPC規(guī)范, UHPC棱柱體試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm.加載前需要在棱柱體跨中進(jìn)行刻槽處理,刻槽的尺寸為深10 mm、寬1 mm、長(zhǎng)100 mm,加載時(shí)需要將刻槽一側(cè)置于受拉的底面.刻槽所在的橫斷面最薄弱,可使得裂縫在刻槽尖端應(yīng)力集中處延伸,降低試驗(yàn)結(jié)果的離散性,在棱柱體試件的加載點(diǎn)和支座位置用記號(hào)筆畫(huà)輔助線(凈跨為300 mm),以便加載時(shí)定位.

圖1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置

荷載通過(guò)電液伺服壓力機(jī)加至UHPC棱柱體試件上表面的加載點(diǎn)位置,跨中撓度通過(guò)固定在鋼支架中間的千分表測(cè)得,裂縫寬度則由刻槽處底部的千分表測(cè)量.預(yù)加載的目標(biāo)荷載為8 kN,確保試驗(yàn)儀器正常工作;而后卸載至零,繼而進(jìn)行正式加載,實(shí)時(shí)記錄荷載和跨中撓度,直至試件破壞后停止施荷.

表3為UHPC彎拉試驗(yàn)的初裂點(diǎn)和極限點(diǎn)時(shí)的位移和荷載,計(jì)算得到彎拉初裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度為

表3 彎曲試驗(yàn)的UHPC力學(xué)特征值

(1)

式中:F分別取初裂荷載(荷載-撓度曲線中的線性極限對(duì)應(yīng)的荷載)和極限荷載(荷載-撓度曲線中的峰值荷載);L、b及h分別為支座距離、棱柱體截面寬度和高度.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)荷載-撓度曲線

每組配合比制作3個(gè)UHPC棱柱體試件,通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)獲得壓力機(jī)荷載和千分表位移, UHPC荷載-撓度曲線見(jiàn)圖2～3.

圖2 纖維類型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

由圖2可知:曲線可以劃分為彈性階段、裂縫發(fā)展階段和失效階段.試件持荷前期未能觀測(cè)到裂縫,荷載先是線性增長(zhǎng)至約20 kN處,表現(xiàn)為彈性行為,其剛度不變,此時(shí)UHPC棱柱體對(duì)應(yīng)的撓度較小,約為0.06 mm.所有試件的荷載-撓度曲線的彈性階段幾乎重合,結(jié)果表明:纖維類型對(duì)UHPC彎拉性能的彈性階段無(wú)明顯影響.荷載大約超過(guò)20 kN后,此時(shí)荷載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出了UHPC基體的極限拉應(yīng)力,UHPC棱柱體試件的刻槽間斷處出現(xiàn)裂縫,UHPC棱柱體的剛度變小,導(dǎo)致曲線的上升坡度變緩.此后鋼纖維的橋接作用限制裂縫的發(fā)展與延伸.峰值荷載過(guò)后,因?yàn)榱芽p顯著發(fā)育的緣故,致使部分纖維的橋接作用被削弱或消失,UHPC進(jìn)入應(yīng)變軟化階段,衰減的持荷能力導(dǎo)致荷載-撓度曲線出現(xiàn)下降趨勢(shì).

由圖3可知:所有曲線的線性增長(zhǎng)段幾乎重合,表明鋼纖維摻量對(duì)UHPC棱柱體彎拉性能的彈性階段無(wú)明顯影響.但是在裂縫發(fā)展階段,隨著纖維摻量增大,曲線的斜率增大,即UHPC試件的剛度變大,相同荷載大小作用下UHPC棱柱體試件的撓度顯著變小,UHPC的抗裂性能顯著提升.在2%～3.5%的摻量范圍內(nèi),纖維摻量越多,UHPC棱柱體試件的極限荷載得到顯著加強(qiáng).

圖3 纖維摻量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

2.2 試驗(yàn)彎拉強(qiáng)度

由表3可知:在2%～3.5%的摻量范圍內(nèi)UHPC的彎拉初裂強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)微弱增強(qiáng)的趨勢(shì),且UHPC-II-3.5%的彎拉初裂強(qiáng)度最大.UHPC初裂強(qiáng)度受纖維類型及纖維摻量的影響并不顯著.在UHPC棱柱體未開(kāi)裂階段,荷載作用下UHPC基體材料與鋼纖維協(xié)同發(fā)生微小變形,由于纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于UHPC基體,超出基體的變形極限后,UHPC棱柱體出現(xiàn)裂縫,故UHPC開(kāi)裂的控制因素還是歸因于基體材料組分.

由表3可知:在2%～3.5%的摻量范圍內(nèi),UHPC的極限強(qiáng)度隨纖維摻量增加而持續(xù)顯著增強(qiáng).

摻入鋼纖維顯著增強(qiáng)了UHPC材料的裂后性能.UHPC棱柱體出現(xiàn)裂縫后,跨越裂縫界面的纖維錨固于兩側(cè)的UHPC基體,因此纖維將兩側(cè)基體橋接起來(lái),兩側(cè)基體的應(yīng)力通過(guò)纖維相互傳遞.持續(xù)增長(zhǎng)的荷載使得UHPC棱柱體的受拉區(qū)變形增大,纖維錨固于基體的部分逐漸被拔出.拔出纖維的過(guò)程需要吸收外部輸入的能量,纖維摻量越多,UHPC所表現(xiàn)出的荷載抗力越大.

三種纖維類型UHPC在同一纖維摻量的情況下表現(xiàn)出的彎拉極限強(qiáng)度幾乎相等,影響不明顯.

2.3 應(yīng)力-裂縫寬度曲線

采用倒推分析法得到應(yīng)力-裂縫寬度曲線,見(jiàn)圖4～5.倒推分析法的應(yīng)力-裂縫寬度曲線主要分為應(yīng)力平臺(tái)和應(yīng)力下降兩個(gè)階段.

圖4 纖維類型對(duì)倒推結(jié)果的影響

由圖4可知:三種纖維類型的UHPC在裂縫寬度較大時(shí),UHPC-II(混合型)的應(yīng)力-裂縫寬度曲線處于UHPC-I(長(zhǎng)直型)和UHPC-III(端勾型)的下方,即在同一裂縫寬度下,混合型纖維UHPC表現(xiàn)出的應(yīng)力水平最低.因?yàn)閁HPC-II混合了8 mm短纖維和13 mm長(zhǎng)纖維,當(dāng)裂縫寬度較顯著時(shí),短纖維被拔出的概率要大于長(zhǎng)纖維,即降低了纖維摻量,從而導(dǎo)致同一情況下,混合型纖維UHPC的纖維抗力要低于長(zhǎng)直型和端勾型.

由圖5可知:摻入的纖維越多,曲線的應(yīng)力平臺(tái)越明顯,纖維摻量增加至3.5%時(shí),裂縫界面處的纖維橋接作用顯著提升,故導(dǎo)致應(yīng)力平臺(tái)出現(xiàn)明顯的上升,此時(shí)UHPC能夠提供更高的抗力,具備更優(yōu)的應(yīng)變硬化能力.

圖5 纖維摻量對(duì)倒推結(jié)果的影響

3 結(jié) 論

1) 在2%～3.5%的摻量范圍內(nèi),UHPC的彎拉初裂強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)微弱增強(qiáng)的趨勢(shì),但是初裂強(qiáng)度增量較小,認(rèn)為UHPC初裂強(qiáng)度受纖維的影響并不顯著.

2) 在2%～3.5%的摻量范圍內(nèi),UHPC的極限強(qiáng)度隨纖維摻量增加而持續(xù)顯著增強(qiáng),但是纖維類型對(duì)極限強(qiáng)度的影響不明顯.

3) 在同一裂縫寬度下,混合型纖維UHPC表現(xiàn)出的應(yīng)力水平最低;纖維摻量越大,纖維橋接作用越強(qiáng),應(yīng)力水平越高.