利用3D-DIC 評價超高性能混凝土裂縫擴(kuò)展行為

黃鎮(zhèn)欽 吳婉瀅 牛艷飛

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）起源于1994 年，因其具備突出的力學(xué)性能（抗壓強度＞150MPa 和拉伸強度＞8MPa）、優(yōu)異的耐久性、良好的抗疲勞性以及多縫開裂產(chǎn)生的應(yīng)變-硬化行為而引起廣泛的關(guān)注[1,2]。UHPC 是結(jié)合線性緊密堆積模型和纖維增強材料技術(shù)發(fā)展形成的一種高強度、高韌性、低孔隙率的超高強水泥基復(fù)合材料。過去幾十年，UHPC 在道路、機場路面、橋梁及海洋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛。但是這些結(jié)構(gòu)在應(yīng)用過程中會受到荷載的作用產(chǎn)生損傷，使其內(nèi)部的缺陷和微裂縫逐漸擴(kuò)展，最終產(chǎn)生宏觀裂縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂失效；隨著服役時間的增加，UHPC 內(nèi)部損傷累積，不僅導(dǎo)致承載力下降，而且服役壽命減少。所以監(jiān)測荷載作用下UHPC 內(nèi)部損傷規(guī)律及裂縫擴(kuò)展行為至關(guān)重要。

三維數(shù)值圖像相關(guān)法（3D-Digital Image Correlation，3D-DIC）是無損、非接觸式的光學(xué)全場三維變形測試方法[3]。3D-DIC 通過左右兩個高分辨率的數(shù)字鏡頭采集圖像，拍攝測試件變形前后表面的散斑圖。然后，通過三維重建和數(shù)字圖像相關(guān)性運算獲得各像素點的對應(yīng)坐標(biāo)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到試件變形前后的灰度場，通過對比變形后灰度場的變化，實現(xiàn)了對試件真實變形和應(yīng)變的準(zhǔn)確測量。

本研究利用DIC 捕獲的UHPC 在彎曲荷載作用下裂縫擴(kuò)展形態(tài)變化，對其CMOD、裂縫長度及尖端應(yīng)變場演變規(guī)律進(jìn)行定量化表征，闡明不同體積摻量鋼纖維對UHPC 裂縫擴(kuò)展行為的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

實驗采用珠江水泥廠生產(chǎn)的P.II52.5 普通硅酸鹽水泥。其化學(xué)組成見表1，其粒徑分布如圖1 所示，其物理性能見表2。硅灰由成都錦和有限公司生產(chǎn)，其粒徑分布如圖2 所示，化學(xué)組成見表3。本研究中所使用的聚羧酸高效減水劑由中交第四航務(wù)工程局生產(chǎn)，其固含量和減水率分別為30%和25.1%。為提高UHPC 的密實度，UHPC 中剔除粗骨料和限制細(xì)骨料最大粒徑。根據(jù)緊密堆積理論，本實驗中優(yōu)化細(xì)骨料顆粒級配，選用粒徑分布為I：0.16～0.315mm 和II：0.63～1.25mm 的細(xì)骨料。本研究中所使用鋼纖維由贛州大業(yè)金屬纖維有限公司生產(chǎn)，主要物理性能如表4 所示。

表1 P.II52.5 普通硅酸鹽水泥化學(xué)組成 （%）

表2 P.II52.5 普通硅酸鹽水泥物理性能

表3 硅灰化學(xué)組成 （%）

表4 鋼纖維的物理性能

圖1 P·II 52.5 普通硅酸鹽水泥粒徑分布

圖2 硅灰粒徑分布

1.2 試件制備和養(yǎng)護(hù)

本研究中UHPC 基體配合比如表5 所示，纖維體積摻量Vf分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。

表5 超高性能混凝土抗壓強度和劈裂強度

為提高纖維分散的均勻性，預(yù)防纖維在攪拌過程中結(jié)團(tuán)，降低因攪拌不均勻造成的原生缺陷。原材料投放順序、攪拌時間等工藝過程必須按照一定制度進(jìn)行。本研究中采用濕法攪拌，具體過程按以下步驟進(jìn)行：

⑴首先在強制性攪拌機中投入級配不同的細(xì)骨料，攪拌5min；

⑵隨后投入一定量的水泥和超細(xì)硅灰，干拌10min；使其混合均勻；

⑶加入一半的水和聚羧酸減水劑，攪拌2min；

⑷最后加入剩余的水和減水劑，在攪拌過程中，鋼纖維均勻篩入攪拌機中，并攪拌8min，最大程度的保證纖維分散的均勻性。

為了確保鋼纖維在彎曲荷載作用下充分發(fā)揮橋聯(lián)效應(yīng)，所有試件采用平行于縱軸的方向制備成型[4]，如圖3 所示。

圖3 平行于縱軸方向制備試樣

1.3 試驗方法

靜載強度試驗按照《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）規(guī)定試樣尺寸和加載程序?qū)嵤??？箟簭姸仍囼?、劈裂拉伸強度試驗和軸心抗壓強度試驗在300 噸萬能液壓試驗機上進(jìn)行?？箟簭姸群团牙鞆姸仍嚰叽鐬?00mm×100mm×100mm 立方體。試驗過程中，將試件的側(cè)面（光滑面）作為受壓面，抗壓強度和劈裂試驗分別以1.2MPa/s 和0.12MPa/s 加載速率進(jìn)行，直至試樣破壞，記錄最大荷載，如圖4 所示。

圖4 抗壓強度和劈裂拉伸強度試驗

彎曲韌性試驗根據(jù)美國試驗材料協(xié)會ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)[114]實施，采用三等分點彎曲加載方式，每組3 個平行試樣，尺寸為100mm×100mm×400mm，彎矩為300mm。本研究中UHPC 彎曲韌性試驗在250kN MTS Landmark 疲勞試驗機上進(jìn)行，如圖5 所示。采用等速位移控制，其加載速率為0.05mm/min。為了準(zhǔn)確測量UHPC的荷載-撓度曲線，消除試樣表面不平整產(chǎn)生的誤差，利用水平尺調(diào)整剛性支架的水平度，然后將線性差動位移傳感器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）通過剛性支架固定于試樣中間兩側(cè)位置，測定外界荷載作用下UHPC 梁中間部分撓度變化。

3D-DIC 系統(tǒng)的硬件部分主要有四部分組成：高分辨率相機（德國Dantec 公司生產(chǎn)的型號為stingray F504B 相機，其分辨率為2048pixel×2048pixel）、三角剛性固定支架、兩個相對獨立且位置可調(diào)的子光源（每個光源內(nèi)有3 顆功率為5w 的LED 燈組）、專業(yè)圖形工作站，如圖5 所示。

圖5 三點彎曲試樣裝置

2 實驗數(shù)據(jù)與分析

2.1 抗壓強度和劈裂拉伸強度

UHPC 抗壓強度和劈裂強度如表6 所示。UHPC 基體抗壓強度為120.38MPa，隨著纖維體積摻量的增（0.5～2.5%），S0.5、S1.0、S1.5、S2.0 和S2.5 的抗壓強度分別增加14.3%、20.2%、33.4%、39.7%和31.37%；與基體劈裂強度（8.13MPa）相比，S0.5、S1.0、S1.5、S2.0 及S2.5 的劈裂強度分別增加11.2%、60.4%、120.5%、133.1%和119.19%。由此可見，鋼纖維顯著改善了UHPC 的抗壓強度和劈裂拉伸強度，隨著纖維摻量的增加，抗拉強度和劈裂拉伸強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)纖維體積摻量為2.0%時，其抗壓和劈裂拉伸強度達(dá)到最大值[5]。在UHPC 抗壓強度和劈裂拉伸強度試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用等式⑴和⑵，可以根據(jù)基體強度預(yù)測不同纖維摻量（Vf≤2.5%）UHPC 的抗壓強度和劈裂拉伸強度，如圖6 所示。

圖6 纖維摻量對抗壓和劈裂強度的影響

fc和fst分別為基體的抗壓強度和劈裂強度。當(dāng)纖維體積摻量為Vf=0%時，fc和fst分別為120.38 和8.13MPa。

為了表征纖維摻量對UHPC 彎曲行為的影響，本研究中利用插值法計算荷載-撓度曲線平均值。首先假設(shè)在彎曲荷載作用下，梁中間的撓度以0.5μm 的間距增加；然后對試驗獲得的荷載、撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值；最后求荷載、撓度試驗數(shù)據(jù)的平均值，并繪制出平均荷載-撓度曲線[6]。

2.2 纖維摻量對荷載-撓度曲線的影響

圖7 為彎曲荷載作用下UHPC 的荷載-撓度曲線。從圖中可以看出，荷載-撓度曲線分為3 個階段。I：線彈性階段（elastic-linear stage），纖維和基體相互作用是線性的；II：BOP（bend-over point）階段：線性階段結(jié)束后，基體開裂，由于纖維斷裂面橋聯(lián)應(yīng)力的存在，UHPC 的承載能力并沒有下降。III：裂縫擴(kuò)展階段（cracking-widening stage），斷裂面纖維拔出，纖維橋聯(lián)逐漸失效。彎曲荷載作用下，超高性能混凝土基體（Vf=0%）荷載-撓度曲線到達(dá)峰值荷載之前呈線性，峰值荷載后，試件突然斷裂，顯示出典型的脆性特征。隨著纖維摻量的增加，荷載-撓度曲線飽和度增加，下降段變緩，表明UHPC 的彎曲韌性顯著提高[7]。當(dāng)Vf=0.5%時，荷載-撓度曲線呈現(xiàn)“撓度軟化”現(xiàn)象，PLOP＜PMOR；Vf≥1.0%時，荷載-撓度曲線呈現(xiàn)“撓度硬化”現(xiàn)象。

圖7 不同鋼纖維摻量超高性能混凝土在三點彎曲荷載作用下荷載-撓度曲線

2.3 利用DIC 定量分析裂縫尖端位移場和裂縫擴(kuò)展

利用斷裂力學(xué)分析UHPC 在彎曲荷載下梁的開裂過程，其中重要的兩個參數(shù)分別為裂縫開口位移（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD）和裂縫擴(kuò)展長度（Crack Extension，a）[8]。為了定量分析彎曲荷載作用下纖維摻量對UHPC 裂縫擴(kuò)展過程的影響，利用DIC 計算出荷載作用下裂縫開口位移，如圖8 所示。從圖中可以看出，隨著纖維摻量的增加，裂縫擴(kuò)展路徑曲折程度增加，裂縫開口位移逐漸增大。當(dāng)外界荷載為30%FMOR時，試樣S0.5、S1.0、S1.5 和S2.0 裂縫開口最大位移分別為3.32mm、4.15mm、4.71mm 和6.18mm。

圖8 斷裂測試中裂縫口擴(kuò)展過程

UHPC 在外加荷載為FLOP、FMOR和30%FMOR作用下的試樣表面的應(yīng)變場（εxx）圖9 所示。為了便于比較分析，試樣表面應(yīng)變場分布云圖選擇同一尺度的標(biāo)尺，藍(lán)色代表低應(yīng)變區(qū)，紅色代表高應(yīng)變區(qū)（5%）。第I 階段為UHPC 荷載-撓度曲線中的線性區(qū)域，當(dāng)荷載達(dá)到初裂強度FLOP時，混凝土基體開裂。此時，UHPC 梁開裂區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)變集中現(xiàn)象，且隨著纖維摻量的增加，應(yīng)變集中區(qū)域逐漸減小，混凝土梁底部最大應(yīng)變也隨著降低。第II 階段：隨著外加荷載的增加，裂縫開口位移和長度增大，纖維開始脫粘、拔出，纖維和基體共同承擔(dān)外界荷載。值得注意的是S2.0 試樣開始多縫開裂，且裂縫的擴(kuò)展路徑變得曲折。第III 階段：纖維橋聯(lián)成為荷載的主要承擔(dān)者，除了主裂縫以為，其它區(qū)域也出現(xiàn)應(yīng)變集中的現(xiàn)象[9]。當(dāng)纖維體積摻量Vf=0.5%時，裂縫尖端的應(yīng)變集中區(qū)范圍明顯小于其它摻量，根據(jù)應(yīng)變云圖的顏色可以判斷出其尖端應(yīng)變較小，即隨著纖維摻量的增加，應(yīng)變集中區(qū)域面積逐漸增大，這是由于纖維數(shù)量的增多，纖維可以通過界面粘結(jié)應(yīng)力將應(yīng)變擴(kuò)散到其它區(qū)域。

圖9 不同加載階段裂縫擴(kuò)展的變化

3 結(jié)論

⑴鋼纖維顯著改善了UHPC 的抗壓強度和劈裂拉伸強度，隨著纖維摻量的增加，抗拉強度和劈裂拉伸強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)纖維體積摻量為2.0%時，其抗壓和劈裂拉伸強度達(dá)到最大值。

⑵當(dāng)Vf=0.5%時，荷載-撓度曲線呈現(xiàn)“撓度軟化”現(xiàn)象，PLOP＜PMOR；Vf≥1.0%時，荷載-撓度曲線呈現(xiàn)“撓度硬化”現(xiàn)象。

⑶隨著纖維摻量的增加，裂縫擴(kuò)展路徑曲折程度增加，裂縫開口位移逐漸增大。

⑷當(dāng)纖維體積摻量Vf=0.5%時，裂縫尖端的應(yīng)變集中區(qū)范圍明顯小于其它摻量，根據(jù)應(yīng)變云圖的顏色可以判斷出其尖端應(yīng)變較小，即隨著纖維摻量的增加，應(yīng)變集中區(qū)域面積逐漸增大，這是由于纖維數(shù)量的增多，纖維可以通過界面粘結(jié)應(yīng)力將應(yīng)變擴(kuò)散到其它區(qū)域。