圍壓及鋼纖維摻量對活性粉末混凝土力學特性的影響

吳禮程 ， 王 哲 ， 劉 迪 ， 朱昊輝， 路 遠 ， 林 露

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044； 2.鄭州市公共租賃住房運營中心有限公司，河南 鄭州 450000； 3.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)最早于20世紀90年代由法國學者Richard等[1]研發，是一種低水膠比、高密實度，同時具有良好力學性能和優異耐久性的新型水泥基復合材料，而且在RPC中摻加鋼纖維后可以更有效地改善其抗拉性能[2].在經受相同承載力的情況下，相較于普通混凝土，RPC可以做到更小的截面面積，在體積、質量上更有優勢，因此在某些特殊領域有著廣泛的應用前景.現今，RPC已應用于蓋板、電線桿、外墻裝飾材料以及人行橋、冷卻塔、下水道系統工程等.

目前國內針對RPC的常規三軸試驗研究尚不多見，其中，閆光杰[3]、余自若等[4]僅研究了單一鋼纖維摻量(體積分數，下同)RPC試樣在不同圍壓下的破壞形態和力學性能.對于含不同鋼纖維摻量RPC的研究則多見于單軸情況，閆光杰[5]分析了含5種鋼纖維摻量RPC棱柱體試件的單軸受壓力學性能；鞠彥忠等[6]對不同鋼纖維摻量的RPC立方體試塊進行了單軸試驗；王曉飛等[7]研究了含4種鋼纖維摻量的RPC圓柱體試樣(φ50×100mm)的單軸力學特性.國外Farnam等[8]研究了含4種鋼纖維摻量(0%，2%，5%，10%)的砂漿浸潤鋼纖維混凝土試樣(φ75×150mm)分別在4種圍壓(0，5，15，21.5MPa)下的力學特性，其中，含不同鋼纖維摻量的混凝土試樣所對應的單軸抗壓強度分別為76MPa (0%)，87MPa(2%)，146MPa(5%)和171MPa (10%)；另外，這種材料中的砂漿成分與RPC類似，成型方法則有所不同：每澆筑一層砂漿，就投放一層30mm長鋼纖維(鋼纖維在水平方向上隨機分布)，隨后再予以柔性振動，確保鋼纖維被砂漿覆蓋，直至澆筑完成.

本文所有試樣均從澆筑成型的RPC大塊中鉆取，且所有鉆取試樣與RPC大塊側面的距離均超過12mm(單根鋼纖維的長度)，以消除模具邊界效應的影響；另外，所有試樣的齡期均超過2a，以減小試驗周期對RPC抗壓強度的影響.對含5種鋼纖維摻量的RPC圓柱體試樣分別在5檔圍壓下進行常規三軸試驗，通過所繪應力-應變曲線，綜合分析了圍壓和鋼纖維摻量對試樣峰值應力、峰值點軸向應變以及破壞形態的影響.由此可以更好地把握RPC材料的力學性質.

1 試驗概況

1.1 試驗材料及試樣制備

用于制備RPC的原材料主要有：冀東水泥廠盾石牌P·O 52.5水泥；河北振勝礦業產石英砂；福建彰德產海砂；北京開碧源貿易有限責任公司產石英粉；埃肯國際貿易(上海)有限公司產微硅粉；鞍山科比特有限公司產直徑為0.18～0.23mm，長12mm的高強鋼纖維；減水劑為西卡公司生產的3301L型聚羧酸減水劑；北京建筑工程研究院產FAQ型消泡劑；自來水.

表1為活性粉末混凝土配合比；選取的鋼纖維摻量(φF)分別為0%，0.3%，1.0%，1.7%和2.4%.

表1 活性粉末混凝土配合比

將上述各種材料置于臥式攪拌機攪拌均勻后，澆筑至350mm×200mm×140mm表面有塑膠層的木制模具中.澆筑完成后，表面覆蓋保鮮膜并移至標準養護室養護48h，拆模后再移入養護室繼續養護，28d后移出養護室，室內放置790d后取芯，再將芯樣加工成φ43.6×130mm，長徑比約為3的圓柱體試樣.

1.2 加載方法

為保證試樣的一致性，加載試驗中視為相同的試樣都取自于同一批次攪拌澆筑的RPC大塊.

試驗在北京交通大學土木建筑工程學院XTR-01型電液伺服巖石三軸試驗機上完成.該試驗機所配三軸室具有自平衡功能.三軸室內試樣的實際受力由液壓油施加的圍壓p和柱塞施加的應力差q疊加形成.記荷載傳感器測得的荷載為F，試樣的截面積為A，則應力差q=F/A.將試樣受到的軸向壓應力和2個側向壓應力分別記為σ1，σ2和σ3，則有σ1=p+q，σ2=σ3=p，σ1≥σ2=σ3.試樣與上、下壓頭直接接觸.上壓頭(帶球鉸)直徑為50mm， 下壓頭直徑為53mm.試樣的變形分別用軸向及徑向引伸計(試驗機配套YSY60-6/2引伸計)測量，見圖1(a).軸向引伸計的下端固定在下壓頭上，上端固定在上壓頭上，上下固定位置的間距為180mm，這也是引伸計的測量標距.軸向引伸計所測變形包括試樣變形和標距內的壓頭變形.徑向引伸計測量的是在2個互相垂直的直徑方向上熱縮管外側相對位移的平均值，由于徑向引伸計固定在包裹試樣的熱縮管上，故其測量的變形包含試樣的變形和熱縮管的變形，但熱縮管的變形主要受圍壓影響，在圍壓恒定的情況下，可以認為所測徑向變形即為試樣的徑向變形；徑向變形測量點所在截面位于試樣高度的一半處.試驗過程中的加載路徑如圖1(b)所示.

圖1 引伸計的裝配及三軸試驗加載路徑Fig.1 Prepared sample with extensometer and the loading path for triaxial test

試驗過程可分為5個階段：

(1)對試樣施加預壓階段.手動控制作動器的抬升，對三軸室內試樣施加一個1.34MPa左右的預壓荷載，以調整上壓頭與柱塞之間的角度.

(2)僅增加圍壓階段.以0.1MPa/s的速度將圍壓p升至設計值.

(3)保持圍壓和軸向壓力不變，直至變形穩定.此階段目的是釋放掉熱縮管和試樣的黏塑性變形，以免將此變形歸入后面的測量結果中.

(4)保持圍壓恒定，單調施加軸向位移.加載位移速率為0.002～0.004mm/s，數據采樣頻率為3Hz.

(5)當試驗峰后曲線出現一段水平段后，開始卸載過程.先保持圍壓不變，以一定位移速率卸載，直至荷載為0，再以一定的速率卸掉圍壓，使圍壓降為0.

試驗中，圍壓p的設計值分別為0，10，20，40和70MPa.每種路徑下的不同配比試樣，均以2塊同配比試樣的試驗數據作為正式數據.由于相同鋼纖維摻量的試樣均鉆取于同一制備條件下的RPC大塊，不同圍壓條件下的試樣則隨機選取，故可排除鉆取位置的影響；加之試樣加工控制嚴格，試驗結果離散度較小，故可以認為2塊試樣具有一定代表性.同種配比的RPC試樣采用相同的路徑加載時，峰值應力的波動范圍均小于平均值的6.5%.當試驗過程中出現有滲漏油現象或是由其他原因造成數據不理想時，再增加試樣塊數.

2 試驗分析

2.1 應力-應變曲線分析

盡管軸向引伸計測得的變形包括試樣的軸向變形和標距內的壓頭軸向變形，但是壓頭的軸向變形小于引伸計測量變形量的5.5%，因此在后面處理數據時，直接使用軸向引伸計測量到的變形來替代試樣的軸向變形.估算壓頭軸向變形量時，試樣選用鋼纖維摻量為0%的RPC材料，圍壓取為10，70MPa，上、下壓頭直徑均取為50mm，壓頭材料的彈性模量取為206GPa.

圖2給出了RPC試樣在不同圍壓條件下的q-ε1曲線、q-εr曲線以及試驗曲線分段示意.各分圖中的曲線均基于實際采集數據所繪制.由于試驗機剛度偏低，10，20和40MPa圍壓下的曲線峰后段并不能真實反映試樣的破壞過程.故除圍壓為70MPa外，對10，20和40MPa圍壓下的曲線峰后段均進行了處理.

對于圖2中試驗曲線的分段作如下說明：曲線AB段為穩定上升段，B點為峰值點；BC段為快速下降段，BC段對應的過程幾乎在瞬間完成，伴隨著非常大的響聲，由于數據采樣頻率為3Hz，實際過程經歷的時間要比采樣間隔時間短，因此B點與C點之間沒有采集到數據點；由于CD-DE段是由試驗機剛度不足造成的，并不是RPC試樣本身的材料特性，故在此不作討論；EF段為殘余抗壓強度階段.如果試驗機的剛度足夠大，峰后曲線應為A-B-E-F.為了表達簡潔，圖2(b)～(f)中的曲線只取A-B-E-F段.

圖3中列出了鋼纖維摻量φF不同的RPC試樣在單軸加載條件下的試驗曲線.

圖2 各鋼纖維摻量下RPC試樣的q-εr，q-ε1曲線及試驗曲線分段示意Fig.2 q-εr and q-ε1 curves of RPC with five steel fiber volume contents and test curve segmentation

2.2 力學性能

2.2.1峰值應力

圖3 不同鋼纖維摻量下RPC試樣在單軸加載條件下的q -εr，q -ε1關系曲線Fig.3 q -εr and q -ε1 curves of RPC with different steel fiber volume contents under uniaxial loading

圖4 不同鋼纖維摻量下RPC試樣的qmax-p關系及不同圍壓條件下關系Fig.4 qmax-p and relationships of RPC with different steel fiber volume contents and confining pressures

分析得出：圍壓的變化會顯著影響RPC試樣的軸向抗壓強度；鋼纖維摻量變化對RPC試樣抗壓強度的影響只在單軸加載條件下有所體現，在有圍壓條件下并不明顯.

2.2.2峰值點軸向應變

圖5(a)為鋼纖維摻量不同的RPC試樣在曲線峰值點的軸向應變εp1與圍壓p的關系.由圖5(a)可見，峰值點軸向應變與圍壓有較好的線性關系.

2.3 破壞形態

2.3.1圍壓的影響

這里僅以鋼纖維摻量為0%和2.4%的RPC試樣為例，來說明圍壓變化對RPC試樣破壞形態的影響(見圖6).由圖6可見，在單軸受壓時，素RPC試樣的破壞類似于劈裂破壞，破壞后有多條近似豎向的宏觀裂縫，形成多個破碎塊；鋼纖維摻量為2.4%的RPC試樣則由于鋼纖維的拉伸約束作用，最后破壞時呈現出裂而不散的剪切破壞.在經歷圍壓分別為10，20，40，70MPa下的三軸加載后，鋼纖維摻量分別為0%，2.4%的RPC試樣均表現為剪切破壞.

圖5 不同鋼纖維摻量下RPC試樣的εp1-p關系及不同圍壓條件下關系Fig.5 εp1-p and relationships of RPC with different steel fiber volume contents and confining pressures

圖6 鋼纖維摻量為0%，2.4%時RPC試樣的破壞形態Fig.6 Failure patterns of RPC with 0% and 2.4% steel fiber volume contents

素RPC試樣在圍壓較低時，破壞后除1條主裂紋外，還伴隨多條次裂紋；隨圍壓增加，次裂紋數目減少.鋼纖維摻量為2.4%的RPC試樣破壞形態與圍壓有關，隨著圍壓的增加，裂紋由Y形或V形逐漸轉為1條斜裂紋.

除素RPC試樣外，其余鋼纖維摻量的RPC試樣于不同圍壓下破壞時，在宏觀破壞面上都可看到大量脫黏拔出的鋼纖維.

2.3.2鋼纖維摻量的影響

圖7給出了10MPa圍壓下不同鋼纖維摻量的RPC試樣破壞形態.由圖7可見：(1)鋼纖維摻量為0%的RPC試樣破壞后，除主裂紋外，還伴隨出現了多條肉眼可見的次裂紋；(2)鋼纖維摻量為0.3%，1.0%及1.7%的RPC試樣破壞后均出現1條貫穿試樣的主裂紋，次裂紋較0%鋼纖維摻量的試樣少；(3)鋼纖維摻量為2.4%的試樣破壞后出現了Y形或V形裂紋(如果V形裂紋繼續擴展，就會楔裂成Y形裂紋)，這與其余鋼纖維摻量的試樣明顯不同.

圖7 10MPa圍壓下不同鋼纖維摻量的RPC試樣破壞形態Fig.7 Failure patterns of RPC with different steel fiber volume contents under 10MPa confining pressure

Ren等[9]認為添加鋼纖維可以有效改變低圍壓狀態下超高性能水泥基復合材料(UHPCC)的破壞狀態，而在高圍壓條件下鋼纖維的增強作用將會減弱，這與本文所得結果一致.

2.4 抗壓強度準則

分別采用Mohr-Coulomb抗壓強度準則和Willam-Warnke抗壓強度模型來描述RPC試樣的抗壓強度規律.

Mohr-Coulomb準則可以表示為：

(1)

Willam-Warnke模型的公式為：

(2)

表2 Mohr-Coulomb準則擬合結果

(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]1/2；σ1，σ2和σ3分別為3個主應力，α0，α1和α2為Willam-Warnke模型的參數.

表3給出了用公式(2)擬合試驗數據后的結果.由表3可見，其中的R2普遍高于0.99，表明Willam-Warnke 模型更適用于描述RPC試樣的抗壓強度發展規律.

表3 Willam-Warnke模型擬合結果

圖8(a)，(b)分別列出了對應于Mohr-Coulomb準則和Willam-Warnke模型的變化量之間的關系，且均列出了素RPC試樣強度數據的擬合曲線.

圖8 三軸抗壓強度比與圍壓比的關系以及平均剪應力比與平均正應力比的關系Fig.8 Relationship between triaxial strength ratio and confining pressure ratio and the relationship between mean shear stress ratio and mean normal stress ratio

3 結論

(1)在常規三軸受壓條件下，鋼纖維摻量分別為0%，0.3%，1.0%，1.7%和2.4%且圍壓分別為10，20，40和70MPa時，圍壓是影響RPC試樣抗壓強度和變形能力的主要因素.

(2)RPC試樣的峰值點軸向應變隨圍壓的升高而升高，二者近似呈線性關系.

(3)在單軸加載條件下，鋼纖維對RPC試樣的抗壓強度和破壞形態都有著明顯的影響；在圍壓為10～70MPa且鋼纖維摻量為0%～2.4%的條件下，鋼纖維僅對RPC試樣的破壞形態有影響，對其抗壓強度的影響并不明顯.

(4)比較Mohr-Coulomb準則與Willam-Warnke模型對RPC試樣單軸、三軸抗壓強度數據的擬合效果可知，Willam-Warnke模型更適用于描述RPC試樣的抗壓強度發展規律.

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