超高性能混凝土單軸受壓力學性能試驗研究及理論分析*

胡翱翔

（深圳職業技術學院 建筑工程學院，廣東 深圳 518055）

超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，以下簡稱 UHPC）是近年來土木工程領域研究較多的土木工程新材料之一，具有抗壓、抗拉強度高、韌性好、耐久性優良的特點．目前對于 UHPC基本力學性能指標取值、不同力學參數之間的轉換關系、本構方程等，還沒有形成統一的規范，尚需進一步研究．關于UHPC的受壓力學性能，國內外學者進行了一定的研究．文獻[1]研究了 RPC200的單軸受壓力學性能．通過曲線擬合的方法建立了RPC200單軸受壓本構方程．文獻[2]研究了不同水膠比和纖維摻量對RPC單軸受壓力學性能的影響．文獻[3]研究了纖維摻量對RPC單軸受壓性能的影響，鋼纖維摻量變化范圍為 1.03%～2.05%．根據試驗結果基于曲線擬合的方法建立了RPC單軸受壓本構方程．文獻[4]研究了鋼纖維摻量對 RPC棱柱體受壓力學性能的影響，鋼纖維變化范圍為 0%～2%．文獻[5]研究了不同鋼纖維摻量對RPC材料單軸受壓力學性能的影響，鋼纖維摻量為1.5%～2.0%．結果表明：RPC軸心抗壓強度與立方體抗壓強度之間轉換系數為0.8～0.9．文獻[6]制作了300多組添加玄武巖纖維RPC棱柱體試件，建立不同配合比RPC單軸受壓本構方程，研究了RPC抗壓強度標準值和設計值的關系．由上可知，前人的研究主要集中在 RPC，對于纖維摻量較大的UHPC研究相對較少．并且研究人員大多是基于試驗數據擬合的方法給出僅適用于各自試驗的本構方程，并不具有普適性．基于此，本文設計制作6組不同鋼纖維摻量的UHPC棱柱體單軸受壓試件，建立不同受壓力學參數之間的轉換關系；結合國內外試驗結果建立UHPC單軸受壓損傷本構方程．

1 試驗概況

1.1 試驗準備

1.1.1 試驗配合比

本文試驗變量為鋼纖維摻量，纖維體積摻量為0～5%，共6組試驗，考察纖維體積摻量對UHPC材料單軸受壓力學性能的影響，采用標準養護方式，試驗配合比見表1．

表1 單軸受壓試驗UHPC材料配合比（kg/m3）

1.1.2 測試方案

試驗在試件中心100 mm范圍內安裝位移計，測量試件在豎向荷載下的壓縮變形，位移計位置如圖1所示．

圖1 單軸受壓試驗裝置（單位：mm）

1.1.3 加載過程

試驗加載過程按照位移控制．參考普通混凝土試驗方法標準，先預加載，隨后以0.05 mm/min加載速率從零加載至約300 kN，并持荷60 s；然后以0.05 mm/min速率卸載至0，重復3次，測量試件的彈性模量．第3次完成保持60 s操作之后不再卸載，繼續按照0.01 mm/min的速度加載至試件破壞．

1.2 試件受力過程描述

圖2所示為6組試件最終的破壞形態．將試件的破壞過程大致分為：彈性階段、裂縫穩定發展階段、裂縫非穩定發展階段以及破壞階段等 4個階段．

1）彈性階段．剛開始加載階段 UHPC試件壓應力較小，混凝土應變片數據較小，近似按比例增長，試件處于彈性受力階段（σ≤ 0.6fc）；試件表面基本沒有變化，沒有出現可見裂縫．

圖2 單軸受壓試驗試件最終破壞形態

2） 繼續加大荷載，進入裂縫穩定發展階段．當試件應力達σ≈ 0.8fc時，應變片數據增長速率明顯加快，混凝土內部的微裂縫處于穩定開展階段，試件表面仍無可見裂縫．

3）裂縫非穩定發展階段．隨著外荷載的增加，當試件應力達σ≈(0.8～1.0)fc時，應變加速增長，UHPC材料內部薄弱處的微裂縫開始傳播并部分延伸至砂漿基體內部，裂縫開展進入非穩定發展階段，并開始向試件表面延伸，試件表面可觀察到少數可見裂縫．

4）破壞階段．試件達到最大承載力，試件內部微觀裂縫急劇擴展，內部界面裂縫相互連接并貫通，最終在試件表面形成宏觀裂縫．峰值荷載過后，試驗機發出“嘭”地一聲巨響，試件被沖壞．試件表面出現寬度較大的宏觀裂縫，試驗加載過程結束．

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

試驗實測6組UHPC軸心受壓試件的軸心抗壓強度平均值、峰值壓應變平均值、立方體抗壓強度平均值、彈性模量平均值以及泊松比平均值等力學性能參數見表2．表中fc為軸心抗壓強度；εc為峰值壓應變；fcu為立方體抗壓強度；Ec為受壓彈性模量；υ為泊松比．

表2 UHPC單軸受壓力學性能試驗結果

2.2 纖維摻量對軸心抗壓強度的影響

圖3所示為纖維摻量對軸心抗壓強度的影響曲線．從圖中可知：纖維摻量從 1%增加至 5%，軸心抗壓強度分別提高了2.6%、3.1%、7.9%、11.0%和19.1%，圖3（b）所示；軸心抗壓強度增長率分別為2.6%、0.5%、4.6%、2.9%和7.2%，增長率沒有明顯下降，也沒有呈現出明顯的規律，圖3（c）所示．

圖3 鋼纖維體積摻量對軸心抗壓強度的影響

2.3 纖維摻量對峰值應變的影響

圖4所示為纖維摻量對峰值應變的影響曲線．由圖可知：纖維摻量從1%逐漸增加至5%時，峰值應變分別增加了20.6%、28.5%、37.2%、53.4%和78.0%，如圖4（b）所示；峰值應變增長率分別為20.6%、6.5%、6.8%、11.8%和16.0%，如圖4（c）所示．

圖4 纖維摻量對峰值應變的影響

2.4 靜力受壓彈性模量

圖5所示為纖維摻量對UHPC彈性模量的影響．由圖可知：纖維體積摻量從 1%逐漸增加至5%時，彈性模量分別增加了4%、6%、8%、16%和20%，纖維摻量從3%增加至4%時，彈性模量增長率最大．

圖5 纖維摻量對彈性模量的影響

2.5 泊松比

圖6所示為纖維摻量對泊松比的影響．由圖可知：泊松比在0.18～0.21范圍內變化，纖維摻量從0%增加至5%時，泊松比緩慢增加，增加幅度較小．

圖6 纖維摻量對泊松比的影響

2.6 抗壓力學性能指標取值

本文在試驗基礎上，收集整理UHPC軸心受壓試驗相關的國內外文獻，建立了UHPC受壓力學參數之間的轉換關系．

2.6.1 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度轉換關系

收集、整理了國內不同研究機構[5,6,8-13]以及本課題組關于UHPC軸心受壓試驗數據，一共116組試驗數據，如圖7所示．采用線性函數模擬兩者之間的關系，擬合曲線如圖7所示．

圖7 立方體抗壓強度與軸心抗壓強度關系擬合

2.6.2 彈性模量與立方體抗壓強度轉換關系

本文收集整理了國內有關UHPC軸心受壓試驗數據[1,6,8,10-12,14,17]，結合本文試驗數據，一共收集了76組彈性模量與立方體抗壓強度試驗數據，它們之間的關系如圖8所示．采用有理式方程擬合彈性模量與立方體抗壓強度之間的轉換關系，擬合公式為：

圖8 彈性模量與立方體抗壓強度的關系

上述擬合公式R2=0.66，彈性模量計算值與試驗值之比的平均值為1.00，變異系數為0.05．

2.6.3 泊松比

由試驗結果可知：單一型短纖維UHPC泊松比在0.18～0.21范圍內變化，與纖維摻量相關．根據試驗結果擬合公式如下：

擬合曲線如圖9所示，R2=0.93．式中，v0=0.18為不摻纖維的泊松比試驗值．

圖9 泊松比與纖維摻量關系

3 單軸受壓損傷本構方程

將上述表達式代入本構方程，即可得到UHPC單軸受壓損傷本構方程．為驗證上述方程的正確性，將計算結果與部分試驗結果進行比較，如圖10所示．可知：受壓應力-應變曲線理論曲線與試驗曲線吻合較好，可以很好地反映試驗的全過程，故上述損傷本構方程是合理的．

圖10 受壓應力-應變理論曲線與試驗曲線對比

4 結 論

根據上述試驗研究及理論分析得出如下結論：

1）摻單一型短細鋼纖維 UHPC的軸心受壓試驗需附加一定的剛度輔助措施，才能保證獲得完整的受壓應力-應變曲線．

2）當短細鋼纖維摻量不超過5%時，軸心抗壓強度、峰值應變、彈性模量以及泊松比均隨著纖維摻量的增加而增大．

3）建立了 UHPC材料的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度、彈性模量與立方體抗壓強度以及泊松比與纖維摻量之間的關系．

4）建立了考慮損傷閾值影響的受壓應力-應變損傷本構方程，理論曲線與試驗結果吻合較好．