含粗骨料超高性能混凝土的單軸受拉力學(xué)性能

李力劍， 劉素梅， 徐凡丁， 徐禮華

（1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072；2.江漢大學(xué) 精細(xì)爆破國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430056）

超高性能混凝土（UHPC）具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，可以滿足重大工程在極端環(huán)境下安全服役的需求［1?3］，自問世以來就不斷被應(yīng)用于橋梁、建筑、海洋基礎(chǔ)設(shè)施等工程之中.傳統(tǒng)的UHPC具有膠凝材料用量大、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，在工程中的應(yīng)用受到了一定的限制.在UHPC中摻入適量粗骨料（CA）不僅可以減少膠凝材料的用量［4］，降低工程造價，改善自收縮性能［5］，還可以提高UHPC的彈性模量和抗壓強(qiáng)度［6］.因此，含粗骨料超高性能混凝土（UHPC?CA）具有更加廣闊的應(yīng)用前景.

UHPC的單軸抗壓強(qiáng)度與變形是其最基本的力學(xué)性能之一.它既是研究UHPC破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論的主要依據(jù)，又直接影響UHPC構(gòu)件的開裂、變形及耐久性.迄今，國內(nèi)外學(xué)者考慮纖維摻量［7］、粗骨料摻量［8］和粒徑［9］等因素對UHPC?CA力學(xué)性能的影響并開展了較為豐富的研究工作，但研究成果主要集中于其受壓性能.由于受拉試驗(yàn)的難度較大、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較高，目前對于UHPC?CA受拉力學(xué)性能的研究尚屬起步階段.Shi等［10］考慮鋼纖維摻量，研究了UHPC?CA單軸受拉的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并建立了受拉本構(gòu)方程.Liu等［11］進(jìn)一步研究了粗骨料摻量對UHPC?CA單軸受拉性能的影響. 由此可見，現(xiàn)有研究并未對UHPC?CA的受拉破壞機(jī)理及鋼纖維、粗骨料對其受拉力學(xué)性能的作用機(jī)制展開深入探討.

本文考慮粗骨料摻量和鋼纖維特征參數(shù)等因素，通過單軸受拉試驗(yàn)研究了UHPC?CA的單軸抗拉強(qiáng)度與變形，探討了鋼纖維增強(qiáng)的機(jī)理和粗骨料的作用機(jī)制，闡明了UHPC?CA單軸受拉破壞的機(jī)理，研究成果可以為其工程應(yīng)用提供一定的支撐.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

原材料包括：P·O 52.5水泥、高爐礦粉、硅粉、粒徑0.212～0.425 mm的石英砂、5.0～10.0 mm的玄武巖、聚羧酸系減水劑（減水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）＞35%）、鍍銅平直鋼纖維（抗拉強(qiáng)度2 750 MPa，直徑0.2 mm，長度分別為6、12、16 mm）.

根據(jù)文獻(xiàn)［12?13］，UHPC?CA單軸受拉試驗(yàn)選用φ75×200 mm的圓柱體試件，主要考察因素為粗骨料摻量（體積分?jǐn)?shù)，0%、10%、20%、30%）、鋼纖維摻量（體積分?jǐn)?shù)，0%、1%、2%、3%）和長徑比（30、60、80），共設(shè)置10組試件，每組5個平行試件，編號方式為A+粗骨料摻量+S+鋼纖維摻量+R+鋼纖維長徑比.UHPC?CA的配合比見表1.

表1 UHPC-CA的配合比Table 1 Mix proportions of UHPC-CA

1.2 加載裝置

UHPC?CA受拉試驗(yàn)在MTS?311.41加載系統(tǒng)上進(jìn)行，夾具由鋼承臺、鋼環(huán)、連接套筒和球鉸組成（見圖1）.球鉸包含球頭碗和球頭連桿2部分，可以保證試件在加載過程中處于軸心受拉狀態(tài).鋼承臺分為臺座和臺面，臺座留有直徑為15 mm的小孔，球頭碗與鋼承臺通過連接套筒和栓釘連接.試驗(yàn)前，在鋼承臺下表面和鋼環(huán)上表面均勻涂抹高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠，將試件兩端插入高度為25 mm、內(nèi)徑為77 mm的鋼環(huán)中；然后將鋼環(huán)內(nèi)側(cè)和試件間的縫隙用結(jié)構(gòu)膠填滿，用鐵夾固定后移入烘箱中站立放置，在55 ℃環(huán)境下烘烤8 h后取出并連接試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)采用位移控制加載模式，加載速率為0.000 6 mm/s，加載的同時實(shí)時記錄引伸計(jì)的位移讀數(shù)，采集頻率5 Hz.

圖1 夾具設(shè)計(jì)Fig.1 Fixture design（size： mm）

2 UHPC?CA的單軸受拉力學(xué)性能

2.1 破壞形態(tài)

圖2為UHPC?CA試件的破壞形態(tài).由圖2可見：試件受拉破壞時有1條主裂縫，其方向與拉應(yīng)力方向垂直；主裂縫周圍延伸出若干次級裂縫，其方向不固定，寬度較小；不摻粗骨料試件A00S2R60的主裂縫近似為直線，隨著粗骨料摻量的增加，主裂縫逐漸變?yōu)榍€，破壞斷面為不規(guī)則曲面，平整度逐漸降低，表明粗骨料會影響基體內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展路徑.

圖2 UHPC?CA試件的破壞形態(tài)Fig.2 Failure patterns of UHPC?CA specimens

圖3為UHPC?CA試件的破壞斷面.由圖3可見：

圖3 UHPC?CA試件的破壞斷面Fig.3 Failure surfaces of UHPC?CA specimens

（1）不摻鋼纖維試件A20S0的破壞斷面平整均勻；摻入鋼纖維后，試件破壞斷面的平整度較差，斷面上有混凝土剝落的痕跡.這表明鋼纖維有效抑制了宏觀主裂縫的擴(kuò)展，改變了其擴(kuò)展方向，當(dāng)纖維發(fā)生界面破壞而逐漸脫黏時，連帶部分混凝土一同脫落.

（2）過高的粗骨料摻量會對鋼纖維的空間分布產(chǎn)生不利影響.當(dāng)粗骨料摻量為30%時，試件破壞斷面有大量裸露的鋼纖維，且鋼纖維的分布不均勻，邊緣區(qū)域出現(xiàn)了鋼纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象（圖3（e））.

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4為UHPC?CA試件的單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖4可見：

圖4 UHPC?CA試件的單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Uniaxial tensile stress?strain curves of UHPC?CA specimen

（1）當(dāng)粗骨料摻量從0%增加到30%時，試件的初裂強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、裂后殘余強(qiáng)度和變形能力均有所下降，峰后應(yīng)力突降幅度增大，這表明摻入粗骨料會增大UHPC的脆性.UHPC?CA試件在發(fā)生應(yīng)力突降后仍具有較高的殘余強(qiáng)度，可以繼續(xù)受力.當(dāng)粗骨料摻量達(dá)到30%時，試件的應(yīng)力突降幅度超過50%.在曲線形態(tài)上，粗骨料摻量越小，曲線的應(yīng)變硬化階段形狀越飽滿，應(yīng)變硬化階段持續(xù)時間越長，這進(jìn)一步證明粗骨料會削弱UHPC的延性.

（2）鋼纖維對UHPC?CA試件單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響顯著.未摻入鋼纖維試件的單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線在經(jīng)過線彈性段后發(fā)生斷裂破壞，應(yīng)力陡降為0.而摻入鋼纖維后，試件會在初裂點(diǎn)后保持非線性上升，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化行為.UHPC?CA的初裂強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、裂后殘余強(qiáng)度和變形能力均隨著鋼纖維摻量的增加而提升，應(yīng)力突降值則逐漸減少.從曲線形態(tài)來看，隨著纖維摻量的增加，UHPC?CA試件的單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值強(qiáng)度前更為飽滿，上升更平滑，應(yīng)變硬化階段更長，所包圍的面積更大.以上分析表明鋼纖維的增韌阻裂作用對UHPC?CA受拉力學(xué)性能的增益效果顯著.

（3）當(dāng)纖維長徑比為30時，UHPC?CA試件仍能表現(xiàn)出不同于未摻鋼纖維試件的延性破壞特征.隨著鋼纖維長徑比的增大，UHPC?CA試件的初裂強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、裂后殘余強(qiáng)度和變形能力均有所提升.這是由于鋼纖維長徑比越大，纖維脫黏和拔出過程越長，纖維的增韌作用越顯著.

2.3 抗拉強(qiáng)度

圖5為UHPC?CA試件的初裂強(qiáng)度.圖6為UHPC?CA試件的峰值強(qiáng)度.由圖5、6可見：

圖5 UHPC?CA試件的初裂強(qiáng)度Fig.5 Initial crack strength of UHPC?CA specimen

圖6 UHPC?CA試件的峰值強(qiáng)度Fig.6 Peak strength of UHPC?CA specimen

（1）與不摻粗骨料的試件相比，當(dāng)粗骨料摻量從10%增加到30%時，UHPC?CA試件的初裂強(qiáng)度分別減小了8.0%、9.4%、20.0%，峰值強(qiáng)度分別減小了13.0%、21.3%、28.4%.這表明粗骨料摻量對峰值強(qiáng)度的影響大于對初裂強(qiáng)度的影響，當(dāng)粗骨料摻量大于20%時，UHPC?CA試件的初裂強(qiáng)度減小顯著.

（2）當(dāng)鋼纖維摻量由0%提高到3%時，UHPC?CA試件的初裂強(qiáng)度分別提高了12.6%、23.2%、25.9%，峰值強(qiáng)度分別提高了51.0%、60.5%、76.8%.通過對比可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維對UHPC?CA強(qiáng)度的影響程度大于粗骨料，且對峰值強(qiáng)度的增益效果明顯高于對初裂強(qiáng)度的增益效果.當(dāng)鋼纖維摻量由2%增加到3%時，UHPC?CA試件的強(qiáng)度增大不顯著，這表明摻量過高反而不利于纖維充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用.因此，UHPC?CA中鋼纖維的最優(yōu)摻量在2%左右.

（3）UHPC?CA試件的初裂強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度均隨著鋼纖維長徑比的增大而提高.當(dāng)長徑比由30增大至60、80時，UHPC?CA試件的初裂強(qiáng)度分別提高了23.6%、29.7%，峰值強(qiáng)度分別提高了15.7%、21.5%.與纖維摻量相比，長徑比對UHPC?CA強(qiáng)度的影響較小.

3 機(jī)理分析

為了探討鋼纖維增強(qiáng)的機(jī)理和粗骨料的作用機(jī)制，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀測未加載試件切面和破壞試件斷裂面的微觀形貌. 觀測前，試樣在60 ℃恒溫環(huán)境下干燥48 h并進(jìn)行噴金處理，以增強(qiáng)其導(dǎo)電性.

3.1 纖維增強(qiáng)機(jī)理

圖7為UHPC?CA的SEM照片.由圖7可見：

（1）UHPC基體的孔洞較少，無明顯缺陷，基體與鋼纖維接觸緊密，這表明基體與鋼纖維間的握裹作用良好（圖7（a））.

（2）鋼纖維表面包裹著一層混凝土薄層（圖7（b）），該薄層在試件澆筑成型時固結(jié)于鋼纖維表面.當(dāng)拉應(yīng)力大于握裹力后，鋼纖維開始滑移并最終被拔出，混凝土薄層也隨鋼纖維一同脫離基體.這表明良好的握裹作用是鋼纖維抗拉強(qiáng)度得以充分發(fā)揮的前提，可有效抑制裂縫的擴(kuò)展，提高UHPC?CA的抗拉強(qiáng)度，屬于鋼纖維的正效應(yīng).鋼纖維發(fā)生滑移后，在其與基體接觸處出現(xiàn)了明顯的縫隙，表明鋼纖維與基體的接觸面屬于材料的薄弱面［14］，微小裂縫削弱了UHPC基體對鋼纖維的握裹作用，屬于負(fù)效應(yīng).特別是鋼纖維摻量增加到一定值后，這種負(fù)效應(yīng)會愈加明顯，因此需要根據(jù)工程實(shí)踐，綜合考慮鋼纖維的正、負(fù)效應(yīng).鋼纖維在基體內(nèi)的分布方向具有隨機(jī)性.當(dāng)鋼纖維縱向分布時，其分布方向與受力方向一致，此時纖維有效長度較大，其與基體間的握裹力較大.當(dāng)鋼纖維橫向分布時，纖維無法直接承受軸向拉力，對UHPC?CA 抗拉強(qiáng)度提高作用較弱.

（3）2根相鄰縱向分布鋼纖維拔出后留下的孔道內(nèi)有許多混凝土脫落體和微裂紋（圖7（c）），而凹槽內(nèi)裂紋較少.這說明縱向鋼纖維拔出時的應(yīng)力較大，并帶離了部分基體，造成其周圍出現(xiàn)了較多的微裂紋，而橫向鋼纖維在拔出前承擔(dān)的拉應(yīng)力較小，引起的微裂紋也較小，表明橫向鋼纖維的握裹作用較弱.當(dāng)鋼纖維相距較近時，薄弱面疊加效應(yīng)導(dǎo)致了該處的混凝土應(yīng)力集中現(xiàn)象更顯著，因此鋼纖維分布的均勻性也是影響纖維增強(qiáng)效果的因素之一.

（4）纖維拔出后的孔道放大后可以看到孔道內(nèi)布滿了劃痕和微裂紋（圖7（d）），這是纖維在被拔出過程中與基體摩擦產(chǎn)生的.孔道旁的基體中幾乎觀察不到明顯的裂紋，這表明裂紋出現(xiàn)后試件主要依靠鋼纖維與基體間的握裹作用承受拉應(yīng)力，混凝土基體承受的拉應(yīng)力較小.

3.2 粗骨料與鋼纖維的相互作用機(jī)制

為研究粗骨料與鋼纖維的相互作用機(jī)制，對粗骨料摻量為0%和30%的立方體試件進(jìn)行切割、打磨、拋光，獲得試件斷面中鋼纖維的分布情況，結(jié)果見圖8.為了使圖像更加清晰、直觀，對其進(jìn)行了灰度化處理，只保留鋼纖維，圖中的白色亮點(diǎn)即為切割拋光后的鋼纖維.

圖8 粗骨料對鋼纖維分布的影響Fig.8 Effect of coarse aggregates on distribution of steel fibers

從圖8中可以看出：不摻粗骨料UHPC基體內(nèi)鋼纖維的分布較為均勻；UHPC?CA中鋼纖維分布的均勻性明顯下降，鋼纖維聚集在粗骨料周圍，呈包圍式分布，出現(xiàn)了纖維結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，表明粗骨料對鋼纖維的空間分布具有明顯的阻隔作用，使纖維的增韌、增強(qiáng)作用削弱.從圖8（b）中還觀察到一些橫向分布的鋼纖維，表明粗骨料的摻入會減小鋼纖維沿受力方向分布的概率［15］.

粗骨料形狀不規(guī)則，表面粗糙，且有微小孔洞，其與膠凝材料間的黏結(jié)性能相對較差，與基體間形成了薄弱的界面過渡區(qū).隨著粗骨料摻量的增加，薄弱區(qū)域增多.此外，粗骨料具有較強(qiáng)的吸水性，在攪拌過程中會吸附周圍拌和物的部分自由水，導(dǎo)致此處水膠比的減小，造成粗骨料周圍基體水化不充分，形成薄弱區(qū).

3.3 受拉破壞機(jī)理

綜合考慮試驗(yàn)現(xiàn)象及微觀形貌觀測結(jié)果，總結(jié)UHPC?CA單軸受拉破壞的機(jī)理如下：當(dāng)荷載較小時，粗骨料、鋼纖維和基體共同受力，應(yīng)力和應(yīng)變較小，鋼纖維的橋接作用尚不明顯，為內(nèi)部缺陷發(fā)展階段.隨著拉應(yīng)力的增加，粗骨料附近過渡區(qū)的微裂紋開始擴(kuò)展，由于粗骨料附近聚集的鋼纖維方向通常與粗骨料表面平行，也與薄弱區(qū)微裂紋的發(fā)展方向平行，此處的鋼纖維無法抑制裂紋的發(fā)展.當(dāng)裂紋進(jìn)入基體以后，開裂部位的應(yīng)力開始由鋼纖維承擔(dān)，隨著變形的增大，裂紋越來越寬，形成了宏觀主裂縫，由于鋼纖維的彈性模量遠(yuǎn)高于基體，其阻裂作用也表現(xiàn)得愈加明顯［16］.該階段裂紋的擴(kuò)展速率較小，表現(xiàn)出一定的延性.當(dāng)應(yīng)力增加到最大值之后，混凝土內(nèi)部的微裂紋不斷發(fā)展，并與宏觀裂縫連接貫通，裂縫發(fā)展迅速，裂縫最大寬度處的鋼纖維出現(xiàn)滑移，部分甚至拔出，導(dǎo)致應(yīng)力出現(xiàn)突降，表現(xiàn)出一定的脆性.當(dāng)應(yīng)力突降到一定值后，應(yīng)變增長速率變大，鋼纖維的橋接作用更顯著，使得應(yīng)力下降速度開始變緩.當(dāng)宏觀裂縫貫穿基體時，拉應(yīng)力完全由裂縫間殘存的鋼纖維承擔(dān)直至試件破壞.

4 結(jié)論

（1）隨著粗骨料摻量的增加，UHPC?CA的單軸受拉力學(xué)性能退化，初裂強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、裂后殘余強(qiáng)度和變形能力下降.當(dāng)粗骨料摻量大于20%時，UHPC?CA試件的抗拉強(qiáng)度和變形能力退化顯著.

（2）鋼纖維摻量的增加對UHPC?CA抗拉強(qiáng)度有較大的提升作用，其中對峰值強(qiáng)度的提升效果明顯高于初裂強(qiáng)度.鋼纖維的摻入顯著提高了UHPC?CA的受拉韌性，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的飽滿程度提高、峰后應(yīng)力突降值減少、應(yīng)變硬化階段延長.當(dāng)鋼纖維摻量從2%增加到3%時，UHPC?CA強(qiáng)度、變形的提升幅度明顯下降.鋼纖維長徑比對UHPC?CA的影響小于鋼纖維摻量，其中長徑比為60的鋼纖維對UHPC?CA強(qiáng)度、變形的提升幅度最為顯著.

（3）鋼纖維與UHPC基體間具有良好的握裹力，其在基體中可以被視為“次增強(qiáng)筋”，在UHPC?CA基體內(nèi)出現(xiàn)裂縫后，主要依靠與基體間的握裹作用承受拉應(yīng)力.粗骨料的摻入削弱了纖維空間分布的均勻性、減小了其有效長度，并在基體內(nèi)引入了薄弱面，導(dǎo)致基體內(nèi)部的缺陷增多，削弱了UHPC?CA的受拉力學(xué)性能.