不同鋼纖維含量對超高性能混凝土彎曲性能的影響

張 陽, 侯昌貴

(湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082)

0 前言

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete 簡稱(UHPC))是一種具有高強度、高韌性、高耐久性的新型水泥基復合材料[1]。與普通混凝土相比，超高性能混凝土(UHPC)主要成分是水泥、石英石、粉煤灰、外加劑和水等，同時摻入體積含量為2%左右的高強鋼纖維，使得材料的抗拉性能和韌性顯著提高[2]。此外，UHPC經(jīng)過高溫蒸汽養(yǎng)護后強度提高且后期收縮和徐變都基本完成[3]。因此UHPC具有優(yōu)異的性能可有效地減輕結構的自重，提高結構的跨越能力，使得其在橋梁工程中的發(fā)展非常迅速，具有廣闊的應用前景[4]。

目前，國內外學者對UHPC的抗彎性能進行了一系列的研究。YOO[5]、WU[6]、 KANG[7]等研究了鋼纖維形狀、體積含量對超高性能纖維增強水泥復合材料彎曲性能的影響，結果表明，纖維類型和纖維分布特性對開裂荷載影響不大，而鋼纖維的體積含量對極限荷載影響較大。SAFEER[8]等研究了不同鋼纖維長度和含量對UHPC的力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)鋼纖維長度對四點彎曲極限強度有較大的影響，同時隨著鋼纖維含量的增加，UHPC的抗壓強度和彎拉強度均增加，且摻入短鋼纖維有利于提高極限承載能力。PARK[9]等研究了混合纖維對超高性能混凝土拉伸性能的影響，其中粗纖維體積含量保持在1%，而細纖維的體積含量為0%～1.5%，結果發(fā)現(xiàn)加入的細纖維有利于影響超高性能混凝土應變硬化和多元開裂行為，但超高性能混凝土拉伸應力-應變的整體形狀主要取決于纖維的類型，加入的扭轉類型的纖維使得超高性能混凝土開裂后的強度、應變能力和多重開裂行為性能最佳，摻入平直光滑長纖維的超高性能混凝土則性能較差。張哲[10]等研究了鋼纖維含量和類型對摻混合鋼纖維UHPC的軸拉性能的影響，結果表明混合鋼纖維UHPC呈現(xiàn)應變硬化和多元開裂的特性；隨著鋼纖維含量的增加，UHPC的可視開裂應變增加，且摻入端勾型的鋼纖維的增強效率大于平直型鋼纖維。宋焱[11]研究了不同纖維類型、摻量對超高性能混凝土的抗壓強度和抗拉強度的影響，在一定范圍內隨著纖維含量的增加抗壓強度和抗拉強度均顯著增加，摻入短纖維能夠有效增強超高性能混凝土的力學性能，當纖維含量一定時，纖維兩兩相摻的超高性能混凝土抗拉強度最大。高緒明[12]通過研究鋼纖維類型、長徑比、鋼纖維摻量對UHPC的力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)端勾型鋼纖維有利于提高其與UHPC基體的黏結強度，增強UHPC的抗彎拉韌性；長徑比為65的鋼纖維能夠提高UHPC的抗彎拉強度；隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗壓強度和彎拉強度均有不同程度提高，其中對UHPC的彎拉強度影響顯著。趙怡琳[13]通過研究將2種鋼纖維(波紋線和端勾型)分別與平直型鋼纖維混合對UHPC的強度和韌性的影響，試驗結果發(fā)現(xiàn)摻入混合端勾型和平直型對UHPC抗壓和抗彎拉強度增強效果顯著。劉超[14]等通過5根不同配筋率超高性能混凝土梁的抗彎性能試驗，分析了在整個受彎過程中鋼筋與UHPC的協(xié)同工作性，討論了UHPC在各個階段對抗彎承載力的貢獻度，最后提出在進行承載力計算時應當充分考慮UHPC抗拉強度作用。由此可見，摻入鋼纖維對UHPC的力學性能有較大的影響，且隨著其體積含量的變化，UHPC的抗壓、抗彎拉強度差異較大，同時由于UHPC優(yōu)異性能，使得UHPC構件在開裂后與普通混凝土構件大大不同，在進行UHPC抗彎承載力計算時應當合理考慮UHPC抗拉貢獻，而鋼纖維含量不同的UHPC抗拉強度和開裂后的殘余應力均不同，因此需要對不同鋼纖維含量的UHPC的力學性能進一步的試驗分析。

根據(jù)上述研究結論，本研究中鋼纖維類型選用長端勾型鋼纖維和長端勾型+短圓直型鋼纖維混合組合，長徑比為65(其中圓直型的鋼纖維的長徑比為66.67)，由于鋼纖維含量對UHPC的極限荷載影響較大，國內外對于鋼纖維體積率對配筋高溫蒸養(yǎng)UHPC構件承載力的影響缺乏分析，同時考慮到隨著鋼纖維體積含量的增加，UHPC的流動性降低11，本文設計了1.5%、2.0%、3.0%共3種鋼纖維摻量UHPC，其中鋼纖維含量3.0%的為長端勾型+短圓直型鋼纖維混合組合。共制作了3組18個立方體試塊測試UHPC的立方體抗壓強度；3組9棱柱體試塊測試UHPC的軸心抗壓和彈性模量；3組9個棱柱體UHPC試件進行彎曲性能試驗，分析鋼纖維體含量對試件的抗壓強度、開裂荷載、極限承載力的影響。

1 試驗概況

1.1 試件制備

本文試驗所采用的UHPC主要由水泥、硅灰、石英粉、石英砂、高效減水劑、高強鋼纖維組成。鋼纖維體積摻量設置3種，具體為：體積摻量1.5%的13 mm長、直徑0.2 mm的端勾型鋼纖維；體積摻量2.0%的13 mm長、直徑0.2 mm端勾型鋼纖維；體積摻量2.0%的13 mm長、直徑0.2 mm的端勾型鋼纖維+體積摻量1.0%的8 mm長、直徑0.12 mm的圓直型鋼纖維。摻入UHPC基體中的鋼纖維抗彎強度均超過2 000 MPa，彈性模量200 GPa。

試驗共分為3組，在澆筑不同鋼纖維體積含量試件時，每組試驗制作6個100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，測試UHPC的立方體抗壓強度；6個100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試塊，分別測試UHPC的軸心抗壓強度和彈性模量；3個100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊測試UHPC的彎拉性能。所有的試塊均在相同養(yǎng)護條件下進行養(yǎng)護。

試件在試驗室制作完成，主要的制作過程：模具準備→UHPC攪拌→試塊澆筑→濕潤自然養(yǎng)護2d→拆?！羝邷仞B(yǎng)護2 d→試驗加載。其中在進行高溫蒸養(yǎng)時養(yǎng)護溫度需控制在90 ℃～100 ℃，待蒸養(yǎng)結束后需靜置1 d，待薄膜內溫度降至室溫方可揭開蒸養(yǎng)薄膜，之后進行試驗加載。

1.2 試驗加載和測量方法

所有試驗均在微機控制壓力試驗機上進行，加載示意圖如圖1所示。試驗加載根據(jù)《活性粉末混凝土》[15]中規(guī)定的測試方法進行。立方體抗壓和軸心抗壓試驗按照力控制加載，加載速率均為1.3 MPa/s，直至試塊破壞。根據(jù)軸心抗壓試驗測試結果，將軸心抗壓強度平均值的1/3用于測定UHPC的彈性模量，以保證整個加載過程中出于彈性階段。四點彎曲試驗純彎段長度為100 mm，剪彎段長度為100 mm，在進行正式加載之前進行預加載，預加載荷載值設置為10 kN，以便檢查試件的對中情況和千分表是否正常工作，同時預加載消除了加載設備和試件之間的間隙，待各個測試設備都可正常工作和試件對中無誤之后方可進行正式加載。試驗加載采用單調分級加載，先設置好加載程序，在試驗加載初期按照力控制加載，每級荷載按3 kN進行加載，之后按照位移加載進行，每級位移值不宜過大，當荷載下降到0.35倍極限荷載時，試驗結束，整個試驗加載過程加載速率均為0.9 MPa/s。在加載過程中，每級荷載通過電腦讀取，同時記錄每級荷載作用下試件跨中撓度值。

(a) 立方體抗壓試驗

2 試驗結果及分析

2.1 UHPC基本力學性能

不同鋼纖維含量UHPC的立方體抗壓、軸心抗壓、彈性模量測試結果如表1所示。由表可知，當鋼纖維體積含量從1.5%增加到3.0%，UHPC的立方體抗壓增加了15.37%、軸心抗壓增加了3.88%，彈性模量增加了3.00%，這一試驗結果與宋焱[11]、高緒明[12]、趙怡琳[13]等研究規(guī)律一致。立方體抗壓強度增幅較大，軸心抗壓強度增強效果不明顯，這是因為隨著鋼纖維含量的增加，摻入的鋼纖維在UHPC基體中像“骨架”一樣，阻礙了UHPC的流動，而立方體抗壓試塊明顯尺寸小于軸心抗壓試塊，因此軸心抗壓試塊中的缺陷將會增多，降低了鋼纖維對UHPC的增強作用。不同鋼纖維含量的立方體抗壓試塊的破壞模式如圖2所示，從圖中可以看出，所有試塊在達到極限抗壓強度后，并沒有出現(xiàn)像普通混凝土那樣壓碎崩落的現(xiàn)象，而是仍基本保持原來的形狀，只是UHPC側面(非受壓面)出現(xiàn)裂紋和剝落現(xiàn)象。同時鋼纖維含量的增加，試塊保持的完整度越大，UHPC表面僅僅出現(xiàn)脫皮，并未出現(xiàn)大范圍剝落現(xiàn)象，仍然具有一定的承載力，說明鋼纖維含量的提高能夠增強UHPC的韌性。

表1 UHPC基本力學性能Table 1 Basic mechanical properties of UHPC鋼纖維含量/%立方體抗壓強度/MPa軸心抗壓強度/MPa彈性模量/GPa1.5158.91158.3947.262.0166.53162.6548.393.0183.33164.5348.68

(a) 1.5%

2.2 四點彎曲試驗全過程

試件的撓度通過布置在跨中處的千分表測得，試件從開始加載到破壞整個過程的荷載-位移曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，所有試件均表現(xiàn)撓曲硬化特征，試件開裂后，荷載仍然能夠持續(xù)增加至極限荷載，達到極限荷載后，荷載-位移曲線進入下降段，即軟化段。不同鋼纖維含量試件的荷載-位移曲線存在2個明顯的關鍵點，開裂點、極限荷載點，因此可將整個試驗過程大致分為3個階段：線彈性階段、裂縫擴展-撓曲硬化階段、持荷破壞-軟化階段。

a.線彈性階段。

試驗加載初期，荷載-位移曲線大致呈直線，在此階段跨中位移隨著荷載均勻增加，純彎段受拉區(qū)未見UHPC表面出現(xiàn)裂縫，試驗梁出于彈性受力階段。

b.裂縫擴展-撓曲硬化階段。

隨著荷載的增加，當荷載達到0.3Mu(Mu為試件實測極限彎矩值)時，荷載-位移曲線曲率略有降低，試件的剛度有所下降，此時試件跨中純彎段會出現(xiàn)細微裂縫，裂縫寬度較小，荷載-位移曲線出現(xiàn)第一次拐點-開裂點，進入裂縫擴展-撓曲硬化階段。隨著荷載繼續(xù)增加，試件的剛度不斷下降，跨中位移裂縫寬度不斷擴展，同時在加載點之間不斷有新裂縫產(chǎn)生，裂縫沿試件高度方向延伸。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在試件開裂后，鋼纖維含量低的試件剛度下降較快，位移變化較大，由此可見鋼纖維含量的增加有利于增強UHPC構件的抗裂性。繼續(xù)增加荷載，當荷載增加到0.7Mu時，可以聽到在試件跨中處會時不時發(fā)出撕裂的聲音，這是因為在試件開裂后，大量的鋼纖維跨越裂縫，由于其具有超高的抗拉強度，同時與UHPC基體具有優(yōu)異的黏結黏能，在裂縫處鋼纖維傳遞應力，隨著荷載的增加，鋼纖維不斷從UHPC拔出，表明鋼纖維在加載過程中跨越裂縫形成橋聯(lián)作用[16]。

圖3 不同鋼纖維含量下試件荷載-位移曲線

c.持荷破壞-軟化階段。

隨著荷載的增加，跨中位移變化不斷增大，試件的剛度進一步下降。當最大寬度裂縫發(fā)展到靠近試件頂部，此時受壓區(qū)UHPC表面出現(xiàn)起皮現(xiàn)象，繼續(xù)增加荷載，試件受拉區(qū)裂縫處不斷有UHPC粉末掉落并伴隨“噼里啪啦”撕裂聲，同時受壓區(qū)UHPC表面出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，此時達到極限荷載，進入持荷破壞-軟化階段。當試件荷載增加到極限荷載時，荷載-位移曲線出現(xiàn)一個明顯的拐點，荷載開始下降，試件跨中撓度變化明顯加快，此時試驗梁剛度明顯下降。從荷載-位移曲線可以看出，當荷載達到極限荷載后，雖然跨中撓度迅速增加，與普通混凝土試件破壞現(xiàn)象不同之處是，并未出現(xiàn)突然斷裂現(xiàn)象，而是荷載緩慢降低，存在一個應力軟化階段，試件仍具有較大的殘余應力，且鋼纖維含量大的試件，在荷載-位移曲線下降速率較緩，說明鋼纖維含量的增加使試件的殘余應力較大，能夠承擔較大荷載，UHPC試件具有更好的變形能力。

3 鋼纖維體積含量對開裂荷載、極限荷載的影響

為了定量分析鋼纖維體積含量對超高性能混凝土的開裂荷載和極限荷載的影響，選擇四點彎曲試驗荷載-位移曲線上的線彈性階段終點作為試件的開裂點。在加載過程中，試塊受拉區(qū)開裂，受拉區(qū)裂縫沿試塊高度方向向上延伸，中性軸位置不斷上升，受壓區(qū)高度不斷降低，跨中撓度變化明顯加快，最終達到極限荷載，受壓區(qū)UHPC表面開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，并伴隨有“噼里啪啦”壓碎聲，受壓區(qū)UHPC被壓潰。每組試驗試件的開裂荷載、極限荷載的試驗結果匯總見表2。

表2 開裂荷載Pcr及極限荷載PuTable 2 Cracking load Pcr and ultimate load Pu試件編號開裂荷載Pcr/kN極限荷載Pu /kNL-1.5%-136.3 85.1L-1.5%-236.2 80.5L-1.5%-336.3 85.7L-2.0%-139.2 91.9L-2.0%-239.2 99.7L-2.0%-339.2 97.3L-3.0%-145.2 104.8L-3.0%-245.2 117.9L-3.0%-345.2 108.6

分析表2試驗結果，不難發(fā)現(xiàn)，鋼纖維體積含量對試件的開裂荷載、極限荷載有一定的影響。圖4示意了鋼纖維體積含量對試件的開裂荷載、極限荷載的影響，對于相同參數(shù)試件試驗結果取平均值。

根據(jù)圖4(a)可以明顯看出，鋼纖維體積含量增大，試件的開裂荷載增大。當試件鋼纖維體積率從1.5%增加到3.0%時，開裂荷載增加了24.62%，混合摻入長端勾型+短圓直型混合鋼纖維能夠有效提高UHPC的開裂強度。由此可見，鋼纖維體積含量對試件開裂荷載的影響較大，這是因為，鋼纖維體積含量的增加使得UHPC抗拉強度增大，因此提高鋼纖維體積含量后，開裂荷載增幅明顯。

(a) 鋼纖維含量對開裂荷載的影響

由圖4(b)可以看出，鋼纖維體積含量增大，試件的極限荷載也增大。當鋼纖維體積含量從1.5%增加到3.0%時，極限荷載增加了31.83%。這是因為，試件開裂后，鋼纖維跨越裂縫形成“橋聯(lián)”作用，有利于裂縫處鋼纖維與UHPC基體之間的應力傳遞，阻礙了裂縫向上擴展，增大UHPC基體中鋼纖維體積含量可以增加跨越裂縫鋼纖維數(shù)量，能夠提高開裂后UHPC殘余拉應力。由此可見，增加鋼纖維體積含量能夠提高UHPC的抗拉強度和殘余拉應力，從而能夠有效提高試件的極限承載力。

4 彎拉性能

為了分析所有試件的彎拉性能，在四點彎曲試驗荷載-位移曲線上定義A、B、C、D、E共5個點特征點。A點表示為試驗的開裂點，即荷載-位移曲線彈性階段的終點，B點為試驗處于小彎拉變形點，即試件跨中位移達到L/600(L為支座中心間距)，C點為達到極限荷載時所對應的點，即荷載峰值點，D點為試件跨中位移達到L/240時所對應的點，即中等彎拉變形點，E點為大彎拉變形點，此時跨中位移達到L/150，其中中等彎拉變形對應的跨中位移為小彎拉變形和大彎拉變形對應跨中位移的平均值。特征點位置示意圖如圖5所示，圖中僅列出鋼纖維含量為1.5%的試件荷載-位移曲線特征點示意圖，其他試件均按照同樣方法表示。特征點的彎拉強度值根據(jù)法國UHPC規(guī)程[2]計算，計算公式如式(1)，由于尺寸效應的影響，彎拉測得的UHPC的開裂強度往往大于其真實抗拉強度[17]，按照法國規(guī)范中考慮尺寸效應修正公式計算UHPC的彎拉開裂點，計算公式如式(2)。根據(jù)《纖維混凝土試驗方法標準》[18]中相關規(guī)定計算試件的彎拉韌性比，計算公式如式(3)。所有試件各特征點彎拉強度與彎拉韌性比計算結果見表3，根據(jù)彎拉強度和彎拉韌性比分析鋼纖維含量對UHPC彎拉性能的影響。

圖5 荷載-位移曲線特征點示意圖

fx=3Fx/h2

(1)

f′cr=fcrαa0.7/(1+αa0.7)

(2)

Re=TkL/(bh2δkfcr)

(3)

式中：fx為各特征點彎拉強度值；Fx為各特征點實測荷載值，N;b、h分別為試件寬度和高度,mm;fcr為按照式(1)計算得到試件的開裂強度，f′cr為修正后試件的開裂強度；α為尺寸效應折減系數(shù)，取0.08；Re為彎拉韌性比，L為支座中心間距,mm；δk為跨中位移為L/150時的位移值;Tk為試件跨中位移為L/150時的位移值與荷載-位移曲線和橫軸所圍的面積。

表3 各特征點彎拉強度與彎拉韌性比計算結果Table 3 Calculation results of flexural tensile strength and flexural toughness ratio of each characteristic point試件編號A(開裂點)B(L/600)C(峰值點)D(L/240)E(L/150)fcr/MPaf'cr/MPafx,600/MPafu/MPafx,240/MPafx,150/MPaReL-1.5%-110.89 7.27 21.42 25.53 21.66 14.28 1.77 L-1.5%-210.86 7.25 20.91 24.15 20.61 13.47 1.71 L-1.5%-310.89 7.27 21.54 25.71 22.47 14.64 1.80 L-2.0%-111.76 7.85 23.01 27.57 23.40 16.35 1.79 L-2.0%-211.76 7.85 23.61 29.91 26.67 18.57 1.96 L-2.0%-311.76 7.85 23.13 29.19 24.15 17.76 1.85 L-3.0%-113.56 9.05 27.36 31.44 27.27 20.64 1.85L-3.0%-213.56 9.05 26.91 35.37 33.57 22.98 1.99 L-3.0%-313.56 9.05 27.09 32.58 30.90 22.59 1.96

根據(jù)表3可知，開裂點、小彎拉變形、峰值點、中等彎拉變形、大彎拉變形狀態(tài)下相對應的彎拉強度均隨著鋼纖維含量的增加而顯著提高，所有試件考慮尺寸效應修正后的彎拉開裂強度均高于7 MPa，具有超高的抗拉強度，混合摻入長端勾型+短圓直型混合鋼纖維UHPC的開裂強度和極限強度均顯著提高，且小彎拉變形、中等彎拉變形、大彎拉變形3種狀態(tài)下的彎拉強度均大于各自的開裂強度，其中大彎拉變形狀態(tài)下彎拉強度可達開裂強度的1.24～1.52倍。同時增加鋼纖維含量后，試件彎拉韌性比增加，說明試件開裂后再增加UHPC基體中鋼纖維體積含量，能夠提高其殘余應力、阻礙裂縫的進一步發(fā)展，使試件的變形減小、韌性增強。由此可見增加UHPC鋼纖維體積含量有利于增強UHPC的彎拉性能。在進行UHPC結構設計時應當合理選擇鋼纖維的含量，使得其結構性能達到最佳。

5 結論

通過進行立方體抗壓、軸心抗壓、彈性模量和四點彎曲試驗研究，定量分析了鋼纖維含量對UHPC的彎曲性能的影響，得到以下結論：

a.隨著鋼纖維含量的增加，UHPC的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度彈性模量基本呈遞增趨勢，其中立方體抗壓增幅較大(提高15.37%)。

b.鋼纖維含量對UHPC的開裂和極限荷載影響較大，鋼纖維含量從1.5%增加至3.0%后開裂荷載提高了24.62%，極限荷載提高了31.83%。

c.摻入鋼纖維的UHPC具有優(yōu)異抗拉性能，考慮尺寸效應修正后的彎拉開裂強度均高于7 MPa，荷載-位移曲線各特征點的彎拉強度隨著鋼纖維含量的增加而顯著提高，大彎拉變形狀態(tài)下最低仍高于13.47 MPa，最低可達開裂強度的1.24倍，且鋼纖維含量大的試件，荷載-位移曲線下降段下降速率降低，彎拉韌性比增大。

d.本文研究了同一尺寸下不同鋼纖維含量對UHCP彎曲性能的影響，為研究不同尺寸下UHPC的彎曲性能，可對四點彎曲試驗不同尺寸效應做進一步的試驗研究。