鋼纖維對UHPC拉伸性能及其拔出行為的影響

趙一鶴, 孫振平, 穆帆遠, 龐 敏, 李 飛,3

(1.同濟大學 材料科學與工程學院, 上海 201804; 2.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室, 上海 201804; 3.上海城建物資有限公司, 上海 200063)

超高性能混凝土(UHPC)中膠凝材料用量較高,水膠比極低,且常摻加隨機分布的短纖維以提高其強度和韌性[1-3].2002年法國頒布了UHPC設計指南[4],根據拉伸全應力-應變曲線,將UHPC分為高應變強化、低應變強化和應變軟化3類,這是當前世界普遍認同的UHPC分類方法.對于高應變強化與低應變強化類型的UHPC,其曲線分為應力隨應變呈線性增長的彈性段,應力非線性增長至極限拉伸強度的強化段,和應力逐漸下降的軟化段,極限拉伸強度所對應的極限拉伸應變越大,則其應變強化程度越高.對于應變軟化類型的UHPC,其曲線只存在彈性段和軟化段,不存在強化段[5].

UHPC基體和纖維之間良好的協同作用使UHPC擁有優越的拉伸性能.與平直型纖維相比,在UHPC中摻加異型纖維能獲得更好的極限拉伸強度[6],摻加較高長徑比的纖維亦可提升其應變強化程度,但建議纖維的長徑比不超過80或長度不超過30mm[7].由于纖維-基體間的黏結力和纖維橋接作用承擔基體開裂后的主要載荷,故纖維的拔出行為成了國內外的研究重點.然而部分文獻僅關注了纖維單因素對UHPC宏觀拉伸性能的影響,并未從微觀角度探討纖維各因素對其拔出行為的影響機理[8-13].為彌補現有研究的不足,考慮到鋼纖維常用于UHPC增強增韌,且效果優于其他材質纖維,故本文選用長度不超過20mm的鋼纖維,研究其形狀、長度與直徑等對UHPC拉伸性能的影響,以及在受拉情況下鋼纖維從基體中的拔出行為,以期為UHPC中鋼纖維的選擇和應用提供參考數據.

1 試驗

1.1 UHPC基體原材料及配合比

UHPC基體的原材料包括：52.5級普通硅酸鹽水泥;顆粒平均直徑為1.5μm的粉煤灰;S95礦渣粉;920硅灰;粒徑范圍分別為直徑270～550μm和150～212μm的石英砂,試驗時以最緊密堆積方案配合;聚羧酸系減水劑PC200(粉狀),減水率(質量分數)>25%;符合JGJ 63—2006《混凝土用水標準》的混凝土拌和用水.UHPC基體的配合比(質量比)見表1.

表1 UHPC基體配合比

1.2 鋼纖維

采用平直型和端鉤型2種形狀的市售鋼纖維,分為3組：P組為同直徑不同長度的平直型鋼纖維,DA組為同直徑不同長度的端鉤型鋼纖維,DB為同長度不同直徑的端鉤型鋼纖維.其規格如表2所示.本試驗中鋼纖維的體積分數均為2.5%.

表2 鋼纖維規格

1.3 試驗方法

1.3.1單軸拉伸試驗

按表1稱取UHPC基體的原材料,將原材料(不包括水)置于攪拌鍋中,干混90s后將水緩慢倒入攪拌鍋中,繼續攪拌5min直至充分拌和.再投入鋼纖維,繼續攪拌6min后停機出料，每組成型3根“骨頭型”試件,靠拌和物自重填充模具,1d后拆模并置于(20±1)℃水中養護至規定齡期.試件編號形式為“鋼纖維編號-UHPC”.

UHPC的單軸拉伸試驗在30t電子伺服萬能試驗機上進行,采用王俊顏等[14]設計的一套特殊夾具.試件由上下2個夾具固定,中部拉伸段固定有2個矩形金屬架,這2個金屬架之間距離即為試件的測試標距L(本試驗取150mm).金屬架四角置4個精度為0.0001mm的線性可變位移計(LVDT),LVDT所測位移的平均值與L的比值即為試件軸拉應變,與計算機自動采集的軸拉應力繪成拉伸全應力-應變曲線.設定試驗加載速率為0.2mm/min,持續加載直至試件拉應力小于峰值應力的2/3.

1.3.2單絲拉拔試驗

參照CECS13：2009《纖維混凝土試驗方法標準》中鋼纖維與水泥砂漿黏結強度試驗方法,進行28d單絲拉拔試驗.試驗所用“8”字形金屬模具符合GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》中的規定,在試件中部最小截面處放置厚度為1.0mm的塑料隔板,隔板上開有5個等距一字排開的孔用于放置鋼纖維.單絲拉拔試驗結果在無鋼纖維斷裂的情況下取5根鋼纖維的平均值,每組3個試件.拉拔載荷與位移均由30t電子伺服萬能試驗機實時測量得出,試驗加載速率為0.2mm/min,持續加載直至試件拉應力為零,此時鋼纖維完全拔出或拉斷.

黏結強度τf按式(1)計算：

(1)

式中：Pm為鋼纖維拔出時最大載荷,N;df為鋼纖維直徑,mm;lf為埋入深度,mm.

拔出能W按式(2)計算：

(2)

式中：P為載荷,N;x為拔出位移,mm.

拔出能用單絲拉拔試驗得到的拉拔載荷-位移曲線面積進行計算.

1.3.3掃描電子顯微鏡(SEM)觀察

利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察單絲拉拔試驗中各樣品鋼纖維表面形貌與鋼纖維-基體界面.由于鋼纖維長度對單絲拉拔性能的影響機制難以用微觀形貌表征,故只選取了同長度不同直徑的3種端鉤型鋼纖維(DB組)的單絲拉拔試驗樣品,觀察拔出的鋼纖維表面.另選取了D5020鋼纖維的單絲拉拔試驗樣品,對鋼纖維-基體界面進行噴金處理后觀察.

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

2.1.1鋼纖維形狀對UHPC拉伸性能的影響

摻有同直徑不同長度平直型和端鉤型鋼纖維的UHPC拉伸全應力-應變曲線如圖1所示.由圖1可見：所有曲線彈性段、強化段和軟化段區別明顯;摻DA組鋼纖維的UHPC在彈性段和強化段之間存在類似鋼筋拉伸時的“屈服段”,表現為拉伸強度基本保持不變而拉伸應變持續增長;而摻P組鋼纖維的UHPC在彈性段結束后直接進入強化段.這是因為彈性段UHPC基體破壞后,P組鋼纖維拔出過程中僅需克服鋼纖維本身與基體的摩擦阻力以及化學膠結力,而DA組鋼纖維還需要克服端鉤部分與基體間的錨固力,使其擁有更高的極限拉伸強度和極限拉伸應變,同時也是其“屈服段”的來源.

圖1 摻有同直徑不同長度平直型和端鉤型鋼纖維的UHPC拉伸全應力-應變曲線Fig.1 Tensile stress-strain curves of UHPC with steel fibers of the same diameter and different lengths(P and DA)

2.1.2鋼纖維長度對UHPC拉伸性能的影響

由圖1還可見：無論平直型還是端鉤型鋼纖維,當其直徑相同時,UHPC均在鋼纖維長度為16mm時獲得了最大的初裂強度.P2218-UHPC極限拉伸應變為2534μm/m,分別為P2213-UHPC(954μm/m)的2.6倍和P2216-UHPC(2365μm/m)的1.1倍,D2218-UHPC獲得了最大極限拉伸強度(12.7MPa)與極限拉伸應變(4232μm/m),可見相同直徑下鋼纖維越長,對UHPC的應變強化效果越明顯.根據曲線形態,P2213-UHPC為低應變強化UHPC,P2216-UHPC和P2218-UHPC為高應變強化UHPC,摻DA組鋼纖維的UHPC則全部為高應變強化UHPC.其中D2216-UHPC的曲線在強化段出現回轉,主要是因為在單軸拉伸試驗過程中,主裂縫出現在標距外,導致應力松弛,標距內的試件應變減小.

2.1.3鋼纖維直徑對UHPC拉伸性能的影響

圖2是摻有同長度不同直徑端鉤型鋼纖維的UHPC拉伸全應力-應變曲線.由圖2可見：當鋼纖維直徑在0.30mm以上時,端鉤型鋼纖維的應變強化作用明顯減弱,僅D3020-UHPC可以實現一定程度的應變強化,D3520-UHPC表現為應變軟化,而D5020-UHPC表現為脆性斷裂.鋼纖維直徑越大,摻DB組鋼纖維的UHPC初裂強度與初裂應變越小.當摻入D5020時,UHPC單位體積內的鋼纖維根數降低,減弱了鋼纖維在UHPC拉伸過程中的增韌效果.觀察D5020-UHPC斷面可見，大量鋼纖維沉積在試件底部,試件中部和上部僅有少數鋼纖維分布,因此若選用直徑較大的鋼纖維,應調整UHPC基體的黏聚性,避免鋼纖維沉積.

圖2 摻有同長度不同直徑端鉤型鋼纖維的UHPC拉伸全應力-應變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curves of UHPC with end-hooked steel fibers of the same length and different diameters

2.2 拔出行為及其機理

2.2.1鋼纖維形狀對UHPC中鋼纖維拔出行為的影響

根據式(1)、(2)計算得到3組鋼纖維的黏結強度及拔出能，結果如表3所示.由表3可見：當鋼纖維直徑相同時,DA組的整體表現優于P組；鋼纖維長度為16mm時,P組和DA組的黏結強度和拔出能均為最優,D2216的黏結強度和拔出能分別是P2216組的4.2倍和2.3倍；當鋼纖維長度相同時,隨著纖維直徑的增加,DB組鋼纖維的黏結強度和拔出能均下降,從而影響對應UHPC的拉伸性能.

表3 鋼纖維的黏結強度及拔出能

圖3為同直徑不同長度的平直型和端鉤型鋼纖維的拉拔載荷-位移曲線.由圖3可見，由于平直型鋼纖維無彎曲,故不存在錨固力對拉拔載荷的貢獻[15],因此導致了P組與DA組拉拔載荷-位移曲線形態的不同,且使P組獲得了更小的拉拔載荷,從而降低了摻P組鋼纖維UHPC的極限拉伸強度和應力強化程度.

圖3 同直徑不同長度平直型和端鉤型鋼纖維的拉拔載荷-位移曲線Fig.3 Pullout curves of steel fibers of the same diameter and different lengths(P and DA)

2.2.2鋼纖維長度對UHPC中鋼纖維拔出行為的影響

由圖3可見：P2216具有最大的拉拔載荷,其纖維脫黏階段可見3個能量耗散峰,對應5根纖維中的3根陸續達到完全脫黏.3種纖維的黏結強度和拔出能也與其對應的P2216-UHPC極限拉伸強度大小關系保持一致,證明對于平直型鋼纖維,鋼纖維-基體界面的化學膠結力在UHPC發生初裂后起到了主要的抗拉作用[16],且導致UHPC產生了不同程度的應力強化.

D2213、D2216與D2218均在位移為1.3mm左右時達到最大拉拔載荷,分別為50.1、82.3、57.7 N,分別為同直徑同長度平直型鋼纖維的9.6、4.2、5.8倍.達到最大拉拔載荷后端鉤型鋼纖維發生形變,其端鉤逐漸被拉開,曲線“平臺期”(位移在2.0～3.0mm 之間)鋼纖維不再形變[17],而是在化學膠結力和錨固力的共同作用下屈服,載荷由未被完全拉直的端鉤錨固力提供[18-19],是UHPC拉伸全應力- 應變曲線中“屈服段”的來源.

2.2.3鋼纖維直徑對UHPC中鋼纖維拔出行為的影響

圖4為同長度不同直徑DB組端鉤型鋼纖維的拉拔載荷-位移曲線.由圖4可見：D3020,D3520和D5020的最大拉拔載荷分別為155.8、136.7、132.3 N;其中D3520在平臺期后出現第2個峰,這是因為其端鉤與基體咬合較緊密,錨固力使得拉拔載荷再次上升,出現多個峰段[6],因此在對應的D3520-UHPC拉伸全應力-應變曲線“屈服段”后會有明顯的拉伸強度增長而非直接進入軟化段(見圖2);D5020的拉拔載荷-位移曲線在2.7mm進入平臺期,早于D3520(3.3mm)和D3020(3.6mm),即鋼纖維直徑越大,拉拔載荷-位移曲線越早進入平臺期,反映在單軸拉伸試驗中則越早結束彈性段,初裂強度也越小,這與Laranjeira等[20]得出的結論一致.

圖4 同長度不同直徑DB組端鉤型鋼纖維的拉拔載荷-位移曲線Fig.4 Pullout curves of DB group end-hooked steel fibers of the same length and different diameters

2.2.4微觀形貌分析

為進一步解釋鋼纖維直徑對其拔出行為的影響,觀察單絲拉拔試驗后DB組鋼纖維的表面形貌,其SEM圖見圖5.由圖5可見：D3020鋼纖維表面有大量呈團簇狀的UHPC水化產物殘留,且基體在纖維拔出過程中留下了明顯的豎向劃痕,鋼纖維表面由于基體膠結,表層大量呈條狀剝落,這表明鋼纖維和基體結合緊密;D3520鋼纖維表面可見少量顆粒狀水化產物殘留和豎向拔出劃痕,部分表層呈鱗片狀剝落;D5020鋼纖維表面水化產物殘留極少,有明顯豎向拔出劃痕,但表層未見剝落,證明纖維和基體結合不夠緊密,化學膠結力在纖維拔出過程中貢獻不大.在一定范圍內,隨著端鉤型鋼纖維的直徑增大,纖維與基體的膠結逐漸由緊密變疏松,因此造成了UHPC單絲拉拔和拉伸性能的逐級遞減.

圖5 單絲拉拔試驗后DB組鋼纖維表面形貌SEM圖Fig.5 SEM micrographs of DB group fiber surface after pullout test

圖6 埋有D5020纖維和拔出D5020纖維后的UHPC基體SEM圖Fig.6 SEM micrographs of UHPC matrix with D5020 and after D5020 pullout

3 結論

(1)UHPC的拉伸性能與鋼纖維本身的單絲拉拔性能有關.鋼纖維直徑為0.22mm,長度為13～18mm時,端鉤型鋼纖維在拔出過程中提供了同直徑同長度平直型鋼纖維不具備的錨固力,導致前者的單絲拉拔性能優于后者,摻有端鉤型鋼纖維的UHPC也因此具有更高的極限拉伸強度和極限拉伸應變.無論平直型還是端鉤型鋼纖維,均在鋼纖維長度為16mm時取得最佳的纖維-基體界面黏結強度,而UHPC的應變強化程度隨鋼纖維長度增加而增強.

(2)當鋼纖維長度為20mm,直徑為0.30～0.50mm時,隨著鋼纖維直徑的增加,鋼纖維本身的單絲拉拔性能和UHPC的拉伸性能均變差,這與鋼纖維-基體界面泌水所致結構疏松有關.鋼纖維直徑過大時導致的沉降也是影響UHPC拉伸性能的原因.