鋼纖維對(duì)UHPC拉伸性能及其拔出行為的影響

趙一鶴, 孫振平, 穆帆遠(yuǎn), 龐 敏, 李 飛,3

(1.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201804; 2.同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)分布的短纖維以提高其強(qiáng)度和韌性[1-3].2002年法國(guó)頒布了UHPC設(shè)計(jì)指南[4],根據(jù)拉伸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線,將UHPC分為高應(yīng)變強(qiáng)化、低應(yīng)變強(qiáng)化和應(yīng)變軟化3類,這是當(dāng)前世界普遍認(rèn)同的UHPC分類方法.對(duì)于高應(yīng)變強(qiáng)化與低應(yīng)變強(qiáng)化類型的UHPC,其曲線分為應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性增長(zhǎng)的彈性段,應(yīng)力非線性增長(zhǎng)至極限拉伸強(qiáng)度的強(qiáng)化段,和應(yīng)力逐漸下降的軟化段,極限拉伸強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的極限拉伸應(yīng)變?cè)酱?則其應(yīng)變強(qiáng)化程度越高.對(duì)于應(yīng)變軟化類型的UHPC,其曲線只存在彈性段和軟化段,不存在強(qiáng)化段[5].

UHPC基體和纖維之間良好的協(xié)同作用使UHPC擁有優(yōu)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(qiáng)度[6],摻加較高長(zhǎng)徑比的纖維亦可提升其應(yīng)變強(qiáng)化程度,但建議纖維的長(zhǎng)徑比不超過(guò)80或長(zhǎng)度不超過(guò)30mm[7].由于纖維-基體間的黏結(jié)力和纖維橋接作用承擔(dān)基體開(kāi)裂后的主要載荷,故纖維的拔出行為成了國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn).然而部分文獻(xiàn)僅關(guān)注了纖維單因素對(duì)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(duì)其拔出行為的影響機(jī)理[8-13].為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足,考慮到鋼纖維常用于UHPC增強(qiáng)增韌,且效果優(yōu)于其他材質(zhì)纖維,故本文選用長(zhǎng)度不超過(guò)20mm的鋼纖維,研究其形狀、長(zhǎng)度與直徑等對(duì)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(yīng)用提供參考數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 UHPC基體原材料及配合比

UHPC基體的原材料包括：52.5級(jí)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(yàn)時(shí)以最緊密堆積方案配合;聚羧酸系減水劑PC200(粉狀),減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))>25%;符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的混凝土拌和用水.UHPC基體的配合比(質(zhì)量比)見(jiàn)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(zhǎng)度的平直型鋼纖維,DA組為同直徑不同長(zhǎng)度的端鉤型鋼纖維,DB為同長(zhǎng)度不同直徑的端鉤型鋼纖維.其規(guī)格如表2所示.本試驗(yàn)中鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)均為2.5%.

表2 鋼纖維規(guī)格

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1單軸拉伸試驗(yàn)

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(xù)攪拌5min直至充分拌和.再投入鋼纖維,繼續(xù)攪拌6min后停機(jī)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(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期.試件編號(hào)形式為“鋼纖維編號(hào)-UHPC”.

UHPC的單軸拉伸試驗(yàn)在30t電子伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用王俊顏等[14]設(shè)計(jì)的一套特殊夾具.試件由上下2個(gè)夾具固定,中部拉伸段固定有2個(gè)矩形金屬架,這2個(gè)金屬架之間距離即為試件的測(cè)試標(biāo)距L(本試驗(yàn)取150mm).金屬架四角置4個(gè)精度為0.0001mm的線性可變位移計(jì)(LVDT),LVDT所測(cè)位移的平均值與L的比值即為試件軸拉應(yīng)變,與計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集的軸拉應(yīng)力繪成拉伸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線.設(shè)定試驗(yàn)加載速率為0.2mm/min,持續(xù)加載直至試件拉應(yīng)力小于峰值應(yīng)力的2/3.

1.3.2單絲拉拔試驗(yàn)

參照CECS13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中鋼纖維與水泥砂漿黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)方法,進(jìn)行28d單絲拉拔試驗(yàn).試驗(yàn)所用“8”字形金屬模具符合GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》中的規(guī)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(kāi)有5個(gè)等距一字排開(kāi)的孔用于放置鋼纖維.單絲拉拔試驗(yàn)結(jié)果在無(wú)鋼纖維斷裂的情況下取5根鋼纖維的平均值,每組3個(gè)試件.拉拔載荷與位移均由30t電子伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量得出,試驗(yàn)加載速率為0.2mm/min,持續(xù)加載直至試件拉應(yīng)力為零,此時(shí)鋼纖維完全拔出或拉斷.

黏結(jié)強(qiáng)度τf按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Pm為鋼纖維拔出時(shí)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(jì)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(yàn)得到的拉拔載荷-位移曲線面積進(jìn)行計(jì)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(yàn)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(zhǎng)度對(duì)單絲拉拔性能的影響機(jī)制難以用微觀形貌表征,故只選取了同長(zhǎng)度不同直徑的3種端鉤型鋼纖維(DB組)的單絲拉拔試驗(yàn)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(yàn)樣品,對(duì)鋼纖維-基體界面進(jìn)行噴金處理后觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

2.1.1鋼纖維形狀對(duì)UHPC拉伸性能的影響

摻有同直徑不同長(zhǎng)度平直型和端鉤型鋼纖維的UHPC拉伸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示.由圖1可見(jiàn)：所有曲線彈性段、強(qiáng)化段和軟化段區(qū)別明顯;摻DA組鋼纖維的UHPC在彈性段和強(qiáng)化段之間存在類似鋼筋拉伸時(shí)的“屈服段”,表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度基本保持不變而拉伸應(yīng)變持續(xù)增長(zhǎng);而摻P組鋼纖維的UHPC在彈性段結(jié)束后直接進(jìn)入強(qiáng)化段.這是因?yàn)閺椥远蜺HPC基體破壞后,P組鋼纖維拔出過(guò)程中僅需克服鋼纖維本身與基體的摩擦阻力以及化學(xué)膠結(jié)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(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)變,同時(shí)也是其“屈服段”的來(lái)源.

圖1 摻有同直徑不同長(zhǎng)度平直型和端鉤型鋼纖維的UHPC拉伸全應(yīng)力-應(yīng)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(zhǎng)度對(duì)UHPC拉伸性能的影響

由圖1還可見(jiàn)：無(wú)論平直型還是端鉤型鋼纖維,當(dāng)其直徑相同時(shí),UHPC均在鋼纖維長(zhǎng)度為16mm時(shí)獲得了最大的初裂強(qiáng)度.P2218-UHPC極限拉伸應(yīng)變?yōu)?534μm/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(qiáng)度(12.7MPa)與極限拉伸應(yīng)變(4232μm/m),可見(jiàn)相同直徑下鋼纖維越長(zhǎng),對(duì)UHPC的應(yīng)變強(qiáng)化效果越明顯.根據(jù)曲線形態(tài),P2213-UHPC為低應(yīng)變強(qiáng)化UHPC,P2216-UHPC和P2218-UHPC為高應(yīng)變強(qiáng)化UHPC,摻DA組鋼纖維的UHPC則全部為高應(yīng)變強(qiáng)化UHPC.其中D2216-UHPC的曲線在強(qiáng)化段出現(xiàn)回轉(zhuǎn),主要是因?yàn)樵趩屋S拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,主裂縫出現(xiàn)在標(biāo)距外,導(dǎo)致應(yīng)力松弛,標(biāo)距內(nèi)的試件應(yīng)變減小.

2.1.3鋼纖維直徑對(duì)UHPC拉伸性能的影響

圖2是摻有同長(zhǎng)度不同直徑端鉤型鋼纖維的UHPC拉伸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由圖2可見(jiàn)：當(dāng)鋼纖維直徑在0.30mm以上時(shí),端鉤型鋼纖維的應(yīng)變強(qiáng)化作用明顯減弱,僅D3020-UHPC可以實(shí)現(xiàn)一定程度的應(yīng)變強(qiáng)化,D3520-UHPC表現(xiàn)為應(yīng)變軟化,而D5020-UHPC表現(xiàn)為脆性斷裂.鋼纖維直徑越大,摻DB組鋼纖維的UHPC初裂強(qiáng)度與初裂應(yīng)變?cè)叫?當(dāng)摻入D5020時(shí),UHPC單位體積內(nèi)的鋼纖維根數(shù)降低,減弱了鋼纖維在UHPC拉伸過(guò)程中的增韌效果.觀察D5020-UHPC斷面可見(jiàn)，大量鋼纖維沉積在試件底部,試件中部和上部?jī)H有少數(shù)鋼纖維分布,因此若選用直徑較大的鋼纖維,應(yīng)調(diào)整UHPC基體的黏聚性,避免鋼纖維沉積.

圖2 摻有同長(zhǎng)度不同直徑端鉤型鋼纖維的UHPC拉伸全應(yīng)力-應(yīng)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(jī)理

2.2.1鋼纖維形狀對(duì)UHPC中鋼纖維拔出行為的影響

根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算得到3組鋼纖維的黏結(jié)強(qiáng)度及拔出能，結(jié)果如表3所示.由表3可見(jiàn)：當(dāng)鋼纖維直徑相同時(shí),DA組的整體表現(xiàn)優(yōu)于P組；鋼纖維長(zhǎng)度為16mm時(shí),P組和DA組的黏結(jié)強(qiáng)度和拔出能均為最優(yōu),D2216的黏結(jié)強(qiáng)度和拔出能分別是P2216組的4.2倍和2.3倍；當(dāng)鋼纖維長(zhǎng)度相同時(shí),隨著纖維直徑的增加,DB組鋼纖維的黏結(jié)強(qiáng)度和拔出能均下降,從而影響對(duì)應(yīng)UHPC的拉伸性能.

表3 鋼纖維的黏結(jié)強(qiáng)度及拔出能

圖3為同直徑不同長(zhǎng)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(jiàn)，由于平直型鋼纖維無(wú)彎曲,故不存在錨固力對(duì)拉拔載荷的貢獻(xiàn)[15],因此導(dǎo)致了P組與DA組拉拔載荷-位移曲線形態(tài)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(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)化程度.

圖3 同直徑不同長(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)UHPC中鋼纖維拔出行為的影響

由圖3可見(jiàn)：P2216具有最大的拉拔載荷,其纖維脫黏階段可見(jiàn)3個(gè)能量耗散峰,對(duì)應(yīng)5根纖維中的3根陸續(xù)達(dá)到完全脫黏.3種纖維的黏結(jié)強(qiáng)度和拔出能也與其對(duì)應(yīng)的P2216-UHPC極限拉伸強(qiáng)度大小關(guān)系保持一致,證明對(duì)于平直型鋼纖維,鋼纖維-基體界面的化學(xué)膠結(jié)力在UHPC發(fā)生初裂后起到了主要的抗拉作用[16],且導(dǎo)致UHPC產(chǎn)生了不同程度的應(yīng)力強(qiáng)化.

D2213、D2216與D2218均在位移為1.3mm左右時(shí)達(dá)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(zhǎng)度平直型鋼纖維的9.6、4.2、5.8倍.達(dá)到最大拉拔載荷后端鉤型鋼纖維發(fā)生形變,其端鉤逐漸被拉開(kāi),曲線“平臺(tái)期”(位移在2.0～3.0mm 之間)鋼纖維不再形變[17],而是在化學(xué)膠結(jié)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(yīng)力- 應(yīng)變曲線中“屈服段”的來(lái)源.

2.2.3鋼纖維直徑對(duì)UHPC中鋼纖維拔出行為的影響

圖4為同長(zhǎng)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(jiàn)：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(tái)期后出現(xiàn)第2個(gè)峰,這是因?yàn)槠涠算^與基體咬合較緊密,錨固力使得拉拔載荷再次上升,出現(xiàn)多個(gè)峰段[6],因此在對(duì)應(yīng)的D3520-UHPC拉伸全應(yīng)力-應(yīng)變曲線“屈服段”后會(huì)有明顯的拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)而非直接進(jìn)入軟化段(見(jiàn)圖2);D5020的拉拔載荷-位移曲線在2.7mm進(jìn)入平臺(tái)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(jìn)入平臺(tái)期,反映在單軸拉伸試驗(yàn)中則越早結(jié)束彈性段,初裂強(qiáng)度也越小,這與Laranjeira等[20]得出的結(jié)論一致.

圖4 同長(zhǎng)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(jìn)一步解釋鋼纖維直徑對(duì)其拔出行為的影響,觀察單絲拉拔試驗(yàn)后DB組鋼纖維的表面形貌,其SEM圖見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)：D3020鋼纖維表面有大量呈團(tuán)簇狀的UHPC水化產(chǎn)物殘留,且基體在纖維拔出過(guò)程中留下了明顯的豎向劃痕,鋼纖維表面由于基體膠結(jié),表層大量呈條狀剝落,這表明鋼纖維和基體結(jié)合緊密;D3520鋼纖維表面可見(jiàn)少量顆粒狀水化產(chǎn)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(chǎn)物殘留極少,有明顯豎向拔出劃痕,但表層未見(jiàn)剝落,證明纖維和基體結(jié)合不夠緊密,化學(xué)膠結(jié)力在纖維拔出過(guò)程中貢獻(xiàn)不大.在一定范圍內(nèi),隨著端鉤型鋼纖維的直徑增大,纖維與基體的膠結(jié)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(jí)遞減.

圖5 單絲拉拔試驗(yàn)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(jié)論

(1)UHPC的拉伸性能與鋼纖維本身的單絲拉拔性能有關(guān).鋼纖維直徑為0.22mm,長(zhǎng)度為13～18mm時(shí),端鉤型鋼纖維在拔出過(guò)程中提供了同直徑同長(zhǎng)度平直型鋼纖維不具備的錨固力,導(dǎo)致前者的單絲拉拔性能優(yōu)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(qiáng)度和極限拉伸應(yīng)變.無(wú)論平直型還是端鉤型鋼纖維,均在鋼纖維長(zhǎng)度為16mm時(shí)取得最佳的纖維-基體界面黏結(jié)強(qiáng)度,而UHPC的應(yīng)變強(qiáng)化程度隨鋼纖維長(zhǎng)度增加而增強(qiáng).

(2)當(dāng)鋼纖維長(zhǎng)度為20mm,直徑為0.30～0.50mm時(shí),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(jié)構(gòu)疏松有關(guān).鋼纖維直徑過(guò)大時(shí)導(dǎo)致的沉降也是影響UHPC拉伸性能的原因.