鋼纖維活性粉末混凝土力學特性

王曉飛，王陽平

（北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044）

活性粉末混凝土（reactive powder concrete，RPC）是一種新型超高強度、高韌性、高耐久性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基復合材料.由于其優(yōu)越的物理力學性能，在鐵路、橋梁和市政工程等領域得到了迅速發(fā)展和應用［1－8］.

關于RPC在單軸壓下的力學行為研究較多，但在這些研究成果中，大多數文獻只有軸向應力－應變全曲線數據［9－11］，有關徑向應力－應變全曲線數據相對缺乏.鋼纖維摻量（體積分數，下同）為0%，1%，2%和4%的情況下，圓柱體試件（φ50×100mm）抗壓強度超過200 MPa的活性粉末混凝土在單軸壓下的徑向應力－應變全曲線數據更是缺乏，而徑向應力－應變全曲線數據在RPC后續(xù)相關研究中極其重要，如RPC材質泊松比與體應變的確定以及本構模型的建立與驗證都需要徑向應力－應變全曲線數據.

本文對4 種摻量的鋼纖維活性粉末混凝土（steel fiber reinforced reactive powder concrete，SFRPC）試件進行了常規(guī)單軸壓縮試驗，獲得了其軸向、徑向應力－應變全曲線數據及相關強度與變形性質，比較分析了鋼纖維摻量對混凝土峰值強度、軸向峰值應變、彈性模量、泊松比、體應變以及破壞模式的影響.

1 試驗

1.1 鋼纖維活性粉末混凝土原材料與配合比

水泥（C）：大連小野田水泥廠產P·Ⅱ52.5R早強硅酸鹽水泥.砂（S）：福建晉江產建筑用海砂，粒徑0.3～1mm.硅灰（SF）：北京邦德印合成材料研究所產RPC專用硅灰，平均粒徑0.1～0.3μm，比表面積20～28m2／g，粒徑小于1μm 占80%以上，SiO2含量（質量分數，文中涉及的含量、減水率等除特別說明外均為質量分數）85%～94%.石英粉（quartz power）：河南省鞏義市產48μm（300目）白色石英粉.鋼纖維（steel fiber）：遼寧鞍山宏昌鋼纖維廠產圓直鍍銅鋼纖維，直徑0.22mm，長度13mm.拌和水（water）：自來水.減水劑（A）：北京某研究院產新型非萘系高性能減水劑AN－3000，減水率29%，含固量31%.

1.2 試樣制備

（1）攪拌 各原材料按配合比稱量好，先將砂和石英粉倒入攪拌鍋中，干拌1min；后加入水泥和硅灰，干拌3min；鋼纖維分批次通過鋼質漏孔篩均勻篩入攪拌鍋，每次篩入量約0.5kg，攪拌15s，直至鋼纖維投加完畢.將水與減水劑混合均勻后，全部加至攪拌鍋，攪拌8min后出料.制備素RPC 時，除不需要投加鋼纖維外，其余步驟完全相同.

（2）成型 將剛攪拌完成的RPC 基質鏟入300mm×300mm×140mm 的木質試模中，并在高頻振動臺（振動頻率50Hz）振動4min.

（3）養(yǎng)護 試件成型后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護24h，拆模后立即放入熱水箱中加熱養(yǎng)護.當水溫升至40℃時保溫4h；然后使水溫升至60 ℃，保溫4h；最后升高水溫至90℃，保持水溫不變.在整個加熱過程中，控制水溫升高速率為10℃／h，直到熱水養(yǎng)護72h，關掉熱水箱電閘.待水溫降至常溫后取出試塊，立即放回標準養(yǎng)護室.

（4）3個月后完成試件的鉆、鋸和磨過程，尺寸為φ50×100 mm 的圓柱體試件在實驗室環(huán)境（20～32℃；相對濕度30%～60%）下放置3a后進行單軸壓縮試驗.其中素RPC重復壓縮3塊試件，鋼纖維摻量為1%，2%和4%的SFRPC各重復壓縮2塊試件.

1.3 試驗方法及數據處理

試驗設備采用XTR01型微機控制電液伺服巖石三軸試驗儀.試驗加載過程采用位移控制，加載速率為0.002mm／s.表2為4種SFRPC 力學性能實測值.其中試件編號S0－1指鋼纖維摻量為0%，標號為1，其他依次類推；S0－4為素RPC 單軸循環(huán)壓縮試件.

表2 SFRPC試件力學性能實測值Table 2 Measured values of SFRPC mechanical properties

由表2可知，素RPC的彈性模量及泊松比離散性大，不易確定其具體值.借助素RPC試件S0－4單軸循環(huán)壓縮試驗數據，發(fā)現其軸向及徑向應力－應變包絡線與素RPC試件S0－1常規(guī)單軸壓縮試驗軸向及徑向應力－應變全曲線形狀相似且近似重合，故選擇試件S0－1的力學性能數據來確定素RPC的平均彈性模量與平均泊松比.素RPC峰值強度與軸向峰值應變取試件S0－1，S0－2和S0－3的平均值.鋼纖維摻量為1%，2%和4%的3種SFRPC，其峰值強度、軸向峰值應變、彈性模量、泊松比取其平均值進行分析.

由于軸應力在0.2σp～0.4σp（σp為峰值應力）時，軸向及徑向應力－應變曲線均表現出較好的線性關系，故本文取0.2σp～0.4σp直線段斜率為平均彈性模量值.平均泊松比μ 用式（1）確定：

式中：εja，εjb分別為彈性段上a，b點徑向應變值；εza，εzb分別為彈性段上a，b點軸向應變值.

2 試驗結果及分析

2.1 應力－應變全曲線

圖1為不同鋼纖維摻量的SFRPC單軸應力－應變全曲線.

圖1 不同鋼纖維摻量SFRPC的單軸應力－應變全曲線Fig.1 Uniaxial stress－strain curves of SFRPC with different steel fiber volume contents

由圖1可知，鋼纖維摻量不同的SFRPC在單軸壓應力作用下，其軸向應力－應變全曲線形狀相似，均可分為4個階段.由試驗數據上看，軸向應力從開始施加到0.1σp時為第1 階段——壓密階段，此階段試件內部的原始微裂縫趨于閉合，軸向產生一定的應變，軸向應力－應變曲線表現為一小段弧狀曲線.由于微裂縫細微，徑向幾乎不產生應變，徑向應力－應變曲線表現為1條平行于坐標縱軸的直線.第2階段為彈性階段，此階段軸向及徑向應力－應變曲線均近似為直線，軸力從0.1σp到（0.60～0.85）σp不等.鋼纖維摻量不同的RPC彈性階段終點位置稍顯不同，素RPC彈性階段終點軸應力占峰值應力的比例相對最大，約為（0.80～0.85）σp.隨著鋼纖維摻量的增加，該比例有逐漸降低趨勢，大體上在（0.60～0.80）σp內變化.應力過彈性階段終點后就進入了第3階段——塑性強化階段，該階段從彈性變形終點到峰值應力點.此階段軸向及徑向同時表現出非線性變形的特點，應力增加緩慢，軸向及徑向應變增長速度加快，這與微裂縫在此階段密集產生、擴展以及交叉密切相關.軸力過峰值點后，進入第4 階段——應力穩(wěn)定下降段，該階段從峰值應力點到試件破壞，為應力－應變曲線峰后部分.該階段應力先是穩(wěn)定下降，軸向及徑向應變迅速增加.當應力降低到某點后，鋼纖維摻量為0%和1%的試件表現為突然破壞并伴隨有爆裂聲，而鋼纖維摻量為2%和4%的試件峰后段曲線表現得更為連續(xù)、光滑和平坦，尤其是鋼纖維摻量為2%的試件表現出更好的延性.此階段SFRPC微裂縫已貫通，形成宏觀損傷，試件破壞后還有一定的殘余強度和承載力.

由圖1還可見，鋼纖維摻量不同的SFRPC在單軸壓應力作用下，徑向應力－應變全曲線形狀也相似，可分為3個階段.第1階段為彈性階段，對應軸向應力－應變全曲線的壓密段和彈性段，這一階段徑向應力－應變曲線近似表現為直線，徑向應變值很小；第2階段為塑性強化階段，與軸向應力－應變全曲線中的第3階段相對應，此階段徑向應力增長緩慢，徑向應變增長較快，徑向曲線由直線連續(xù)光滑地轉變?yōu)榛【€；第3階段為應力穩(wěn)定下降段，與軸向應力－應變全曲線第4階段對應，此階段徑向應力先是穩(wěn)定下降，對應的徑向應變發(fā)展很快，當徑向應力逐漸降低到某一點時試件破壞.

2.2 強度特點

由表2可知，SFRPC峰值強度隨鋼纖維摻量的增加幾乎呈線性增加；素RPC 平均峰值強度為93.5MPa，鋼纖維摻量為4%的SFRPC平均峰值強度最大為218MPa；鋼纖維摻量每增加1%，峰值強度約增加30MPa.

2.3 軸向峰值應變

由表2可知，軸向峰值應變隨鋼纖維摻量的增加而增大，鋼纖維摻量從0%增加到1%時，軸向峰值應變增幅最大，增加約2.8 倍，而鋼纖維摻量從1%增加到2%再增加到4%時，SFRPC軸向峰值應變增幅較小，均約為1.2倍.素RPC 軸向峰值應變約為0.171%，鋼纖維摻量為4%時，SFRPC 軸向峰值應變約為0.691%.這充分說明在素RPC 基質中摻入鋼纖維不僅能增加其單軸抗壓強度，同時也能較好地提高其延性與韌性.

2.4 平均彈性模量

由表2可知，不同鋼纖維摻量下RPC平均彈性模量成折線變化.素RPC平均彈性模量約為54.6GPa.而鋼纖維摻量為1%，2%和4%時，SFRPC 平均彈性模量相當，約為39GPa.因為素RPC 性脆，軸向應力－應變全曲線彈性段較陡，故其彈性模量較大.當添加鋼纖維后，RPC 韌性及延性得到較好改善，軸向應力－應變全曲線彈性段比素RPC 軸向應力－應變全曲線彈性段更緩一些，故其彈性模量相對較小.鋼纖維摻量為1%，2%和4%時，RPC軸向應力－應變全曲線彈性段斜率接近.

2.5 平均泊松比

由表2可知，SFRPC的平均泊松比隨鋼纖維摻量的增加而增大，素RPC 最小約為0.134.而鋼纖維摻量從1%增加到2%再增加到4%，SFRPC的平均泊松比近似呈線性增加，鋼纖維摻量每增加1%，SFRPC的平均泊松比增大約1.24倍.這說明摻入鋼纖維會改變RPC 的延性，且摻量越大，徑向曲線彈性段變形越大.

2.6 破壞模式

圖2為不同鋼纖維摻量的RPC破壞形態(tài).

圖2 不同鋼纖維摻量RPC破壞模式Fig.2 Failure modes of RPC with different steel fiber volume contents

由圖2 可知，素PRC 在單軸壓下破壞模式顯著，表現為劈裂破壞；當鋼纖維摻量為1%時，試件破壞模式表現為單剪切破壞；當鋼纖維摻量為2%時，剪切破壞模式占主導，表面有2條斜主裂縫，均未沿軸向貫通整個試件，形成一個不規(guī)則的V 字形，使前后貫通面兩側部分形成楔形體；當鋼纖維摻量為4%時，試件破壞模式表現為X 形剪切破壞.

2.7 體應變

圖3 不同鋼纖維摻量RPC軸應力－體應變對比曲線Fig.3 Axial stress－volume strain curves of RPC with different steel fiber volume contents

圖3為SFRPC 試件的軸應力－體應變曲線.由圖3可知，軸應力－體應變曲線可分為3個階段.第1階段為從坐標原點到最大壓密點.鋼纖維摻量4%時，最大壓密點軸應力占對應峰值應力的比值最小，約為60%，而鋼纖維摻量為0%，1%和2%時，最大壓密點軸應力占對應峰值應力的比值稍大，為70%～85%.這是因為鋼纖維摻量越大，軸向及徑向應力－應變曲線更早地表現出非線性的緣故.這一階段與軸向應力－應變全曲線的壓密段與彈性段相對應.第2階段為從體積最大壓密點到體積擴容點（圖3 曲線與縱坐標交點，非坐標原點），應力過最大壓密點后，隨應力的增加，體積從最密實狀態(tài)開始快速膨脹，表現為應力增長緩慢，體應變增長較快.這一階段與軸向應力－應變全曲線第3階段塑性強化段相對應.鋼纖維摻量不同的SFRPC 體積擴容點應力值與對應峰值應力的比值很接近，從94%到97%不等，也就是說，試件在壓縮試驗過程中，在約95%峰值應力前，體積是壓縮的.第3階段從體積擴容點到破壞，這一階段，試件開始擴容，先經過一個應力微小增加達到峰值應力后，進入應力穩(wěn)定下降段，該階段體應變急劇膨脹.體積膨脹量遠大于之前的最大體積壓縮量.與軸向應力－應變全曲線荷載穩(wěn)定下降段（峰后段）對應.

2.8 SFRPC力學性能時間效應

SFRPC力學性能隨時間增長有劣化現象，目前可查文獻不多.用本文原材料及配合比制得的素RPC熱養(yǎng)護完成后7d強度為132 MPa.熱養(yǎng)護完成4個月（與本文3a齡期試件同批次，試驗前養(yǎng)護條件相同）與3a齡期素RPC力學性能對比見表3.

表3 素RPC不同齡期力學性能對比Table 3 Mechanical properties comparison of plain RPC at different curing ages

由表3可知，素RPC力學性能隨時間增長的劣化現象嚴重，熱養(yǎng)護后3a的峰值強度比4個月強度降低約30.7%，軸向峰值應變減小約67.7%，平均彈性模量增大約70%，泊松比減少約33%.摻鋼纖維RPC力學性能隨時間增長的劣化現象，就目前獲得的數據還不能給出系統性結論.如果以強度作為衡量含鋼纖維RPC 力學性能隨時間增長的劣化指標，有以下預測性結論供廣大相關研究者驗證：（1）含鋼纖維RPC強度有劣化現象.（2）隨鋼纖維摻量的增加，SFRPC 強度劣化程度減弱，當鋼纖維摻量增加到某一值時，SFRPC強度幾乎不劣化.

3 結論

（1）摻入鋼纖維不僅能增加SFRPC 的單軸抗壓強度，同時也能較好地改善材料的脆性，提高其延性與韌性.SFRPC峰值強度隨鋼纖維摻量的增加近似呈線性增加，鋼纖維摻量每增加1%，峰值強度增加約30MPa；軸向峰值應變隨鋼纖維摻量的增加而增加，鋼纖維摻量由0%增加到1%時，軸向峰值應變增幅最大；素RPC 試件的平均彈性模量最大，鋼纖維摻量為1%，2%和4%時SFRPC試件的平均彈性模量相當；SFRPC試件的平均泊松比隨鋼纖維摻量的增加而增大；鋼纖維摻量不同，試件破壞模式不同，素RPC 試件表現為劈裂破壞，鋼纖維摻量為1%的SFRPC試件表現為單剪切破壞，鋼纖維摻量為4%的SFRPC試件表現為X 形剪切破壞.

（2）鋼纖維摻量不同的SFRPC軸向、徑向應力－應變曲線及軸應力－體應變曲線形狀相似，軸向應力－應變曲線可分為4 個階段進行分析，徑向應力－應變曲線及軸應力－體應變曲線可分為3個階段進行分析.

［1］RICHARD P，CHEYREZY M.Composition of reactive powder concretes［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1501－1511.

［2］RICHARD P，CHEYREZY M.Reactive powder concrete with high ductility and 200－800 MPa compressive strength［C］∥［S.l.］：ACI SP 144，1994：507－518.

［3］CHEYREZY M，MARET V，FROUIN L.Microstructural analysis of RPC（reactive powder concrete）［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1491－1500.

［4］鞠楊，賈玉丹，劉紅彬，等.活性粉末混凝土鋼纖維增強增韌的細觀機理［J］.中國科學E 輯：技術科學，2007，37（11）：1403－1416.JU Yang，JIA Yudan，LIU Hongbin，et al.Strengthening and toughening mechanisms of reactive powder concrete by steel fiber［J］.Science China Series E：Technology Sciences，2007，37（11）：1403－1416.（in Chinese）

［5］鞠楊，劉紅彬，陳健，等.超高強度活性粉末混凝土的韌性與表征方法［J］.中國科學E輯：技術科學，2009，39（4）：793－808.JU Yang，LIU Hongbin，CHEN Jian，et al.Toughness and characterization method of reactive powder concrete with ultra－h(huán)igh strength［J］.Science China Series E：Technology Sciences，2009，39（4）：793－808.（in Chinese）

［6］張倩倩，魏亞，張景碩，等.鋼纖維摻量對活性粉末混凝土斷裂性能的影響［J］.建筑材料學報，2014，17（1）：24－29.ZHANG Qianqian，WEI Ya，ZHANG Jingshuo，et al.Influence of steel fiber content on fracture properties of RPC［J］.Journal of Building Materials，2014，17（1）：24－29.（in Chinese）

［7］余自若，秦鑫，安明喆.活性粉末混凝土的常規(guī)三軸壓縮性能試驗研究［J］.中國鐵道科學，2012，33（2）：38－42.YU Ziruo，QIN Xin，AN Mingzhe.Experimental research on the conventional triaxial compressive properties of reactive powder concrete［J］.China Railway Science，2012，33（2）：38－42.（in Chinese）

［8］JU Yang，LIU Hongbin，TIAN Kaipei，et al.An investigation on micro pore structures and the vapor pressure mechanism of explosive spalling of RPC exposed to high temperature［J］.Science China：Technological Sciences，2013，56（2）：458－470.

［9］安明喆，宋子輝，李宇，等.不同鋼纖維含量RPC 材料受壓力學性能研究［J］.中國鐵道科學，2009，30（5）：34－38.AN Mingzhe，SONG Zihui，LI Yu，et al.Study on mechanical performance of reactive powder concrete with different steel fiber contents under uniaxial compression［J］.China Railway Science，2009，30（5）：34－38.

［10］黃正宇，譚彬.活性粉末鋼纖維混凝土受壓應力－應變全曲線的研究［J］.三峽大學學報：自然科學版，2007，29（5）：415－420.HUANG Zhengyu，TAN Bin.Research on stress－strain curves of reactive powder concrete with steel fiber under uniaxial compression［J］.Journal of China Three Gorges University：Natural Sciences，2007，29（5）：415－420.（in Chinese）

［11］吳有明.活性粉末混凝土（RPC）受壓應力應變全曲線研究［D］.廣州：廣州大學，2012.WU Youming.Study on the reactive powder concrete（RPC）about compression stress－strain curve［D］.Guangzhou：Guangzhou University，2012.（in Chinese）