玄武巖纖維對(duì)活性粉末混凝土受壓破壞的影響

楊立云， 林長(zhǎng)宇， 張 飛， 謝煥真， 汪自揚(yáng)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

Richard 在1993 年研發(fā)的活性粉末混凝土（RPC）具有高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隧道襯砌、超高層建筑、大跨度橋梁、水利工程和軍事防御工程［1?3］.目前，很多學(xué)者在RPC 基本力學(xué)性能方面做了大量研究：Wang 等［4］研究了玄武巖纖維（BF）和聚丙烯混雜纖維RPC 的力學(xué)性能，結(jié)果表明隨著纖維摻量的增加，RPC 立方體抗壓強(qiáng)度略有增強(qiáng)；Chen 等［5］研究發(fā)現(xiàn)纖維的摻入有助于提高RPC 韌性、延性和抗彎性能；安明喆等［6］發(fā)現(xiàn)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于1.75%時(shí)，RPC 靜態(tài)抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變顯著提高.也有學(xué)者研究了不同養(yǎng)護(hù)制度和特殊工作環(huán)境對(duì)RPC 基本力學(xué)性能的影響：Yazici等［7?8］研究發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度相比，高溫養(yǎng)護(hù)制度能夠顯著提高RPC 單軸抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度；Li等［9］研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維-活性粉末混凝土（BF?RPC）具有較高的抗鹽耐腐蝕性，BF 對(duì)RPC 抗凍融性能的改善效果顯著；Raza 等［10］研究發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為3.00%的鋼-玻璃混雜纖維可以防止高溫條件下RPC 的爆炸性剝落.

國(guó)內(nèi)外在靜態(tài)加載過(guò)程中纖維摻量對(duì)混凝土破壞特征的影響方面研究較少.本文借助三維數(shù)字圖像 相 關(guān) 方 法（3D?DIC），對(duì) 不 同BF 體 積 分 數(shù) 的BF?RPC 進(jìn)行單軸靜態(tài)壓縮破壞過(guò)程研究，分析BF體積分?jǐn)?shù)φBF對(duì)BF?RPC 在靜態(tài)受壓破壞過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展過(guò)程、損傷和破壞形式的影響，以期為實(shí)際工程中RPC 的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥（C）為北京金隅公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；硅粉（SF）為甘肅三遠(yuǎn)材料有限公司生產(chǎn)的RPC 專用硅粉，二氧化硅含量1）文中涉及的含量、水膠比等除特殊說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.在90.0%以上，平均粒徑為0.10～0.30 μm，比表面積為25 m2/g；石英砂（QS）為鞏義市藍(lán)之潤(rùn)凈水材料銷售有限公司銷售的石英砂，二氧化硅含量為99.2%，粒徑為0.16～1.25 mm；BF 為桐鄉(xiāng)市藍(lán)石復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，單絲直徑為15 μm，長(zhǎng)度為12 mm，密度為2 580 kg/m3；減水劑（WR）為湖南中巖建材科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水效率為35%；拌和水（W）為自來(lái)水.

1.2 配合比

為得到強(qiáng)度高、流動(dòng)性較好的BF?RPC［11?12］，設(shè)定其水膠比和膠砂比分別為0.20、0.61.BF?RPC 的配合比見(jiàn)表1.

表1 BF-RPC 的配合比Table 1 Mix proportions of BF-PRC

1.3 試驗(yàn)方法

采用MTS 電伺服控制壓力機(jī)，加載速率為0.2 mm/min.為減小BF?RPC 試件端面與加載臺(tái)之間的摩擦阻力，在φ50×100 mm 的圓柱體試件兩端涂抹適量的凡士林.

3D?DIC 系 統(tǒng) 主 要 由2 臺(tái)CCD 相 機(jī)、2 臺(tái)LED燈和計(jì)算機(jī)組成.試驗(yàn)前先調(diào)整相機(jī)支架的平整度及其與試件加載區(qū)的相對(duì)位置，接著調(diào)整相機(jī)焦距以保證試件表面散斑的清晰度，再利用校正板在試件加載區(qū)域內(nèi)確定空間坐標(biāo).調(diào)整好3D?DIC 系統(tǒng)后，要保持相機(jī)位置不變直到試驗(yàn)結(jié)束.試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整LED 燈亮度以及相機(jī)光圈大小，保證拍攝可靠的灰度值圖像，相機(jī)采樣頻率為3 fps.需要注意的是MTS 加載系統(tǒng)與3D?DIC 拍攝系統(tǒng)需要同時(shí)開(kāi)始.

2 破壞過(guò)程及損傷分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

體應(yīng)變?chǔ)舦是軸向應(yīng)變?chǔ)臿、橫向應(yīng)變?chǔ)舕和徑向應(yīng)變?chǔ)舝之和.考慮BF?RPC 試件是圓柱體以及加載方式為上下對(duì)稱加載，因此εl和εr相等［13］，而εa和εl可通過(guò)在試件表面應(yīng)變場(chǎng)中設(shè)置虛擬引伸計(jì)求得［14］.

體應(yīng)變?chǔ)舦主要由BF?RPC 內(nèi)部原生裂紋閉合和加載過(guò)程中新裂紋張開(kāi)擴(kuò)展所引起的體積變化εvc以及相同應(yīng)力水平下所引起的彈性體應(yīng)變?chǔ)舦e2 個(gè)部分組成.εve計(jì)算式為：

式中：E、v分別為根據(jù)軸向應(yīng)力σ-軸向應(yīng)變?chǔ)臿曲線中彈性階段所求得的彈性模量、泊松比.

由此可得，靜態(tài)加載過(guò)程中反映裂紋閉合和張開(kāi)的裂紋體應(yīng)變?chǔ)舦c為［15］：

BF?RPC 試件的軸向應(yīng)力-軸向（橫向）應(yīng)變（σ?εa（εl））曲線、彈性（裂紋）體應(yīng)變-軸向應(yīng)變（εve（εvc）?εa）曲線見(jiàn)圖1、2.圖2 中：體應(yīng)變上升段表示體積減小，下降段表示體積增大；裂紋應(yīng)變上升段表示裂紋閉合，下降段表示裂紋擴(kuò)展.由圖1、2 可見(jiàn)，不同BF 體積分?jǐn)?shù)的BF?RPC 在單軸壓縮過(guò)程中，其軸向應(yīng)力-軸向（橫向）應(yīng)變曲線、彈性（裂紋）應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線的形狀和與特征相似.

圖1 BF?RPC 試件的軸向應(yīng)力-軸向（橫向）應(yīng)變曲線Fig.1 σ?εa（εl）curves of BF?RPC specimens

圖2 BF?RPC 試件的彈性（裂紋）應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線Fig.2 εve（εvc）?εa curves of BF?RPC specimens

按曲線之間的相互聯(lián)系，可以將BF?RPC 的單軸壓縮破壞過(guò)程分為以下4 個(gè)階段.

第Ⅰ階段 原生裂紋閉合階段.此階段體應(yīng)變和裂紋應(yīng)變均隨著軸向應(yīng)變的增加而增大，試件體積收縮，原始裂紋閉合，裂紋應(yīng)變上升至水平段標(biāo)志著原生裂紋閉合階段結(jié)束.

第Ⅱ階段 彈性變形階段.此階段開(kāi)始的軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變稱為彈性應(yīng)力σce和彈性應(yīng)變?chǔ)與e，體應(yīng)變?chǔ)舦與彈性體應(yīng)變?chǔ)舦e增量保持一致，裂紋應(yīng)變保持定值，也就是BF?RPC 試件體積的改變只與彈性體應(yīng)變有關(guān)，裂紋應(yīng)變開(kāi)始下降標(biāo)志著彈性變形階段的結(jié)束.

第Ⅲ階段 裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段.此階段開(kāi)始的軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變稱為起裂應(yīng)力σci和起裂應(yīng)變?chǔ)與i，是軸向裂紋形成的標(biāo)志；在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，體應(yīng)變?cè)隽恐邪鸭y擴(kuò)展引起的體積增量，因此體應(yīng)變?cè)隽啃∮趶椥泽w應(yīng)變?cè)隽浚鸭y應(yīng)變表現(xiàn)為緩慢下降狀態(tài)，體應(yīng)變開(kāi)始下降標(biāo)志著裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的結(jié)束.

第Ⅳ階段 裂紋加速擴(kuò)展階段.此階段開(kāi)始的軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變稱為擴(kuò)容應(yīng)力σcd和擴(kuò)容應(yīng)變?chǔ)與d，是裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展的標(biāo)志，結(jié)束時(shí)的軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變稱為峰值應(yīng)力σf和峰值應(yīng)變?chǔ)舊；裂紋加速擴(kuò)展導(dǎo)致裂紋應(yīng)變加速下降，體應(yīng)變開(kāi)始下降導(dǎo)致試件總體積變大，橫向應(yīng)變加速增長(zhǎng).

由圖1 中的峰值應(yīng)力σf可以看出：BF 能夠有效提高BF?RPC 的峰值應(yīng)力，且隨著B(niǎo)F 體積分?jǐn)?shù)的增大，BF?RPC 的峰值應(yīng)力先增大后減小；當(dāng)φBF=0.5%時(shí)，BF?RPC 的σf達(dá)到最大值，此時(shí)BF 的增強(qiáng)效果最為顯著，σf的增值幅度為13%；當(dāng)φBF＞0.5%時(shí)，BF?RPC 峰值應(yīng)力降低的主要原因在于纖維體積分?jǐn)?shù)過(guò)大而導(dǎo)致的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，增加了其內(nèi)部孔隙和薄弱面.

2.2 BF 對(duì)破壞階段的影響

為了更好地探究不同BF 體積分?jǐn)?shù)對(duì)BF?RPC破壞階段的影響，采用破壞階段占比Q進(jìn)行分析，破壞階段占比用該階段軸向應(yīng)變變化量占峰值應(yīng)變的百分比來(lái)表征.BF?RPC 試件的破壞階段占比見(jiàn)圖3.由圖3可見(jiàn)，隨著B(niǎo)F體積分?jǐn)?shù)的增大：BF?RPC原生裂紋閉合階段的破壞階段占比呈震蕩式變化，當(dāng)φBF=0.5%時(shí)，BF?RPC 原生裂紋閉合階段的破壞階段占比最小，而當(dāng)φBF＞0.5%時(shí)，BF?RPC 原生裂紋閉合階段的破壞階段占比大于φBF=0.5%的BF?RPC，這說(shuō)明BF 的摻入可以改變BF?RPC 的內(nèi)部孔隙和原始缺陷，但是過(guò)量BF 的摻入會(huì)增加BF?RPC 基體內(nèi)的原始缺陷；BF?RPC 彈性變形階段的破壞階段占比也呈現(xiàn)出震蕩式變化，當(dāng)φBF=0.5%時(shí)，BF?RPC 彈性變形階段的破壞階段占比最大；BF?RPC 裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的破壞階段占比逐漸減小，裂紋加速擴(kuò)展階段的破壞階段占比逐漸增大，當(dāng)φBF=1.5%時(shí)，BF?RPC 裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的破壞階段占比最小，而裂紋加速擴(kuò)展階段的破壞階段占比最大，這主要是因?yàn)檫^(guò)多BF 的摻入增加了BF?RPC 的內(nèi)部孔隙和薄弱面，在薄弱面處裂紋更容易張開(kāi)和擴(kuò)展，減小了裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的破壞階段占比，但是BF 摻入較多，其加筋拉結(jié)效果最為顯著，導(dǎo)致裂紋加速擴(kuò)展階段的破壞階段占比最大.

圖3 BF?RPC 試件的破壞階段占比Fig.3 Q of BF?RPC specimens

2.3 BF 對(duì)試件損傷的影響

應(yīng)變場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差可以表征試件表面應(yīng)變場(chǎng)非均勻演化（局部化）過(guò)程，試件內(nèi)部裂紋擴(kuò)展與表面應(yīng)變場(chǎng)演化有關(guān)，可以通過(guò)表面應(yīng)變場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征試件損傷演化過(guò)程［16］.定義某一時(shí)刻水平應(yīng)變場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差S為：

式中：Xk為應(yīng)變場(chǎng)中任意點(diǎn)k的應(yīng)變值為Xk的平均值.

BF?RPC 試件的水平應(yīng)變場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差演化曲線見(jiàn)圖4.由圖4 可見(jiàn)，BF 的摻入改變了BF?RPC 試件的損傷演化過(guò)程：在擴(kuò)容應(yīng)變?chǔ)與d之前，試件損傷較小且增長(zhǎng)較為平緩；在擴(kuò)容應(yīng)變?chǔ)與d之后，試件損傷急劇增加且在峰值破壞之前均有明顯的突跳；峰值破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的損傷隨著B(niǎo)F 體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，主要是因?yàn)锽F?RPC 在單軸受壓狀態(tài)下，內(nèi)部BF 對(duì)外力有傳導(dǎo)和分散作用，在BF 對(duì)外力進(jìn)行傳導(dǎo)和分散過(guò)程中，BF 拉結(jié)的混凝土就會(huì)產(chǎn)生微裂紋.纖維的斷裂和微裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致了混凝土內(nèi)部損傷產(chǎn)生，且隨著B(niǎo)F 體積分?jǐn)?shù)的增大這種作用趨于明顯，BF?RPC內(nèi)部產(chǎn)生的損傷也將增大.

圖4 BF?RPC 試件的水平應(yīng)變場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差演化曲線Fig.4 Evolution curves of S of BF?RPC specimens

3 破壞模式分析

為分析BF?RPC 在單軸壓縮過(guò)程中的破壞模式（剪切破壞、拉伸破壞、復(fù)合型破壞），在主裂紋兩側(cè)附近布置4 對(duì)標(biāo)志點(diǎn)E（0，1）、F（2，3）、G（4，5）、H（6，7）（見(jiàn)圖5），在試件表面位移場(chǎng)中提取這4 對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的垂直位移和水平位移，并將其分解至裂紋的切向方向和法向方向.通過(guò)分析裂紋兩側(cè)標(biāo)志點(diǎn)的切向位移T和法向位移N隨時(shí)間的演化曲線，可以探究裂紋擴(kuò)展機(jī)制.BF?RPC 受壓主裂紋兩側(cè)標(biāo)志點(diǎn)的切向位移和法向位移全程演化曲線見(jiàn)圖6，圖中T0、N0 分別為點(diǎn)0 在切向、法向的位移，其他類推.

圖5 裂紋兩側(cè)標(biāo)志點(diǎn)位置Fig.5 Location of marks on both sides of cracks

由圖6 可見(jiàn)：試件S0 中，4 對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的切向位移均沒(méi)有分離趨勢(shì)，而法向位移在加載的不同階段均出現(xiàn)了分離現(xiàn)象，這說(shuō)明未摻加BF 的RPC 試件破壞模式為拉伸破壞；試件S0.5 中，4 對(duì)標(biāo)志點(diǎn)分別在加載到峰值應(yīng)變的71%、34%、17%、94%時(shí)，法向位移開(kāi)始出現(xiàn)分離，F(xiàn)（2，3）、G（4，5）、H（6，7）標(biāo)志點(diǎn)分別在加載到峰值應(yīng)變的63%、25%、25%時(shí)，切向位移開(kāi)始出現(xiàn)分離，這說(shuō)明當(dāng)φBF=0.5%時(shí)，BF?RPC 破壞是由拉伸和剪切破壞共同作用造成的；試件S1.0 中，4 對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的切向位移和法向位移均在不同時(shí)刻出現(xiàn)了分離現(xiàn)象，這說(shuō)明當(dāng)φBF=1.0% 時(shí)，BF?RPC 的 破 壞 是 由 拉 伸 和 剪切破壞共同作用造成的；試件S1.5 中，E（0，1）在加載至峰值應(yīng)變的30%左右時(shí)，切向位移開(kāi)始出現(xiàn)分離，法向位移在加載開(kāi)始就保持著0.001 mm的位移差直到破壞，可認(rèn)為其法向位移沒(méi)有出現(xiàn)分離，F(xiàn)（2，3）、G（4，5）、H（6，7）標(biāo)志點(diǎn)在加載至峰值應(yīng)變的30% 左右時(shí)，切向位移開(kāi)始出現(xiàn)分離，法向位移基本未分離，這說(shuō)明當(dāng)φBF=1.5%時(shí)，BF?RPC 的破壞模式為剪切破壞.由此可見(jiàn)，BF 的加入改變了BF?RPC 在單軸受壓狀態(tài)下的破壞模式：未摻加BF 的RPC 主裂破壞模式為拉伸 破 壞；隨 著B(niǎo)F 體 積 分 數(shù) 的 增 大，BF?RPC 的 破壞模式逐漸從拉剪破壞過(guò)渡到剪切破壞.

圖6 BF?RPC 受壓主裂紋兩側(cè)標(biāo)志點(diǎn)的切向位移和法向位移全程演化曲線Fig.6 Full range evolution curves of T and N of mark points on both sides of BF?RPC compression main cracks

4 結(jié)論

（1）玄武巖纖維（BF）-活性粉末混凝土（BF?RPC）的單軸壓縮破壞過(guò)程可以分為4 個(gè)階段：原生裂紋閉合階段、彈性變形階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂紋加速擴(kuò)展階段.當(dāng)BF 體積分?jǐn)?shù)為0.5% 時(shí)，BF?RPC 原生裂紋閉合階段的破壞階段占比最小，彈性變形階段的破壞階段占比最大.

（2）不同BF 體積分?jǐn)?shù)的BF?RPC 試件在達(dá)到擴(kuò)容應(yīng)變前損傷較小且增長(zhǎng)較平緩，在達(dá)到擴(kuò)容應(yīng)變后試件損傷迅速增長(zhǎng)，峰值破壞時(shí)BF?RPC 的損傷隨著B(niǎo)F 體積分?jǐn)?shù)的增大而增大.

（3）BF 的摻入改變了BF?RPC 單軸壓縮過(guò)程中的破壞模式：未摻入BF 的活性粉末混凝土的破壞模式為拉伸破壞；BF 體積分?jǐn)?shù)為0.5% 和1.0% 的BF?RPC 破壞模式均為拉剪破壞；BF 體積分?jǐn)?shù)為1.5%的BF?RPC 破壞模式為剪切破壞.了解靜壓破壞模式對(duì)BF?RPC 的工程應(yīng)用有著重要的指導(dǎo)意義.