不同纖維類型及尺寸對UHPC力學(xué)性能的影響

蘇 駿，嵇 威，吳 鵬

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC)自問世以來一直受到工程界的廣泛關(guān)注，相較于普通混凝土，UHPC強度高、韌性好且耐久性優(yōu)異[1, 2]。隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，人們對材料性能的要求越來越高，因此UHPC的應(yīng)用前景十分廣闊[3]。史才軍等[4]根據(jù)UHPC的組成材料對UHPC的流動性和強度進行了研究，結(jié)果表明增大水膠比可增加流動性，但強度會逐漸減小，并且在保證試件成型的條件下，減水劑的摻量對UHPC的強度影響很小。徐海濱等[5]對8根UHPC混凝土T型梁進行抗彎性能研究，結(jié)果表明，UHPC梁的裂縫間距比普通混凝土梁更加密集，通過增大配筋率、使用高強度鋼筋及提升預(yù)應(yīng)力水平均有利于限制裂縫發(fā)展。鄧宗才[6, 7]對不加入硅灰的新型UHPC進行單軸壓縮和拉伸試驗，結(jié)果表明新型UHPC相較于普通混凝土的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線更長，說明新型UHPC具有優(yōu)異的軸壓變形和韌性性能。劉新華等[8]將UHPC應(yīng)用于橋面的負彎矩區(qū)，進行了全過程靜力加載試驗，結(jié)果表明在鋼-混組合梁負彎矩區(qū)采用UHPC可顯著提升負彎矩區(qū)的抗裂性能，并且根據(jù)粘結(jié)滑移理論提出了簡易的UHPC裂縫寬度計算公式。吳永魁等[9]對UHPC動態(tài)損傷機理進行了分析，微觀損傷機理主要包括微孔洞、微裂紋、晶界滑移和滑移帶，為減少微觀損傷，提高UHPC力學(xué)性能，應(yīng)提高UHPC密實度并強化界面過渡區(qū)。綜上所述，UHPC可明顯提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的力學(xué)性能，本文通過在不同尺寸的UHPC試件中摻入不同種類的纖維，研究纖維體積摻量和試件尺寸對UHPC力學(xué)性能的影響，包括抗壓、抗折、劈裂抗拉及彎曲性能，為UHPC的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

實驗采用河南信陽天梯礦業(yè)生產(chǎn)的UC170干混料；鋼纖維采用安平茂納金屬制品有限公司生產(chǎn)的鍍銅鋼纖維；聚乙烯醇纖維采用日本Kuraray公司生產(chǎn)的K-Ⅱ型聚乙烯醇纖維。兩種纖維的性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋼纖維、聚乙烯醇纖維基本性能

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果和實際拌合物的流動性，試驗中鋼纖維和聚乙烯醇纖維各設(shè)置5種不同體積摻量，鋼纖維體積摻量為0、0.5%、1%、2%、3%，聚乙烯醇纖維體積摻量為0、0.3%、0.5%、0.7%、1%。試驗配合比見表2。

表2 混凝土配合比 kg/m3

為研究不同尺寸對UHPC力學(xué)性能的影響，抗壓試驗試件尺寸分別采用100 mm×100 mm×100 mm和40 mm×40 mm×4 0mm立方體試塊；抗折試驗試件尺寸分別采用100 mm×100 mm×400 mm和40 mm×40 mm×160 mm的梁式試件。試驗按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)[10]進行。

2 試驗分析

2.1 抗壓強度尺寸效應(yīng)分析

立方體抗壓強度計算如下：

(1)

fcu為立方體抗壓強度；Fmax為抗壓峰值荷載；A為立方體試塊受力面積。

由表3、圖2和圖3可知：1)加入纖維后的UHPC的抗壓強度相比于基體UHPC均有所提高。邊長40 mm的鋼纖維UHPC試件較基體UHPC分別提高31.3%、27.7%、64.3%、94.3%；邊長為100 mm鋼纖維UHPC試件抗壓強度在0.5%摻量時出現(xiàn)下降，其余分別提高16.2%、41.5%、60%；邊長為40 mm聚乙烯醇纖維UHPC較基體UHPC分別提高16.2%、22.9%、10.2%、16.3%；邊長100 mm聚乙烯醇纖維UHPC的抗壓強度較基體UHPC均出現(xiàn)下降。2)鋼纖維體積摻量增加，抗壓強度也隨之增大，這是因為鋼纖維數(shù)量增多，纖維之間間距變小，纖維的橋聯(lián)作用效果更好，會有更多纖維抑制微裂縫的發(fā)展。3)聚乙烯醇纖維由于彈性模量比鋼纖維低，因此對裂縫的抑制能力不如鋼纖維，從而導(dǎo)致抗壓強度提升不明顯。4)聚乙烯醇的結(jié)團現(xiàn)象會使UHPC內(nèi)部初始缺陷變多，纖維的橋聯(lián)作用和阻裂作用效果降低，從而導(dǎo)致UHPC抗壓強度降低。

表3 抗壓強度fcu試驗值

圖2 鋼纖維立方體抗壓強度

圖3 聚乙烯醇纖維立方體抗壓強度

纖維混凝土的破壞過程與普通混凝土有較大區(qū)別，在加載初期，荷載主要由基體承擔(dān)，處于彈性階段；荷載接近極限荷載的50%時，試件中部開始出現(xiàn)肉眼可見的豎向裂縫；隨著荷載持續(xù)增大，裂縫逐漸變多并且向試件端部延伸發(fā)展，部分豎向裂縫交匯發(fā)展成斜向裂縫和分叉裂縫；當(dāng)達到極限荷載時，纖維不斷拔出或拉斷，裂縫上下貫通，承載力急速下降，試件發(fā)生破壞，由于纖維的橋聯(lián)作用，摻入纖維的UHPC不會出現(xiàn)素混凝土的脆性破壞特征，試件的破壞形態(tài)如圖1所示。

圖1 抗壓試驗破壞形態(tài)

加入纖維的UHPC和普通UHPC的破壞機理幾乎一致，都是由于內(nèi)部砂漿最開始產(chǎn)生初始缺陷，隨著荷載加大，缺陷不斷累積，由內(nèi)部發(fā)展到試件表面，形成宏觀可見的裂縫。加入纖維會減小UHPC內(nèi)部孔隙，從而使UHPC更加密實，因此纖維能對UHPC抗壓強度產(chǎn)生增強作用，同時纖維在混凝土內(nèi)形成亂向分布的空間結(jié)構(gòu)，再加上纖維本身優(yōu)異的阻裂特性，能夠有效地阻止裂紋產(chǎn)生和延緩這一過程發(fā)展，由此提高UHPC的受力性能及安全儲備能力。

圖4給出的是邊長100 mm立方體與邊長40 mm立方體的抗壓強度比值，結(jié)果顯示不同纖維摻量的強度比均小于1。試件抗壓強度隨試件尺寸的增大而降低，因此尺寸效應(yīng)顯著。由于大尺寸混凝土試件往往存在更多的孔隙和微裂縫，缺陷相較于小尺寸試件會更多，在受力過程中更易產(chǎn)生破壞，因此強度會下降。混凝土在受力破壞過程中會發(fā)生應(yīng)力重分布及能量釋放，尺寸為100 mm的試件相較于40 mm試件會釋放更多儲存在裂紋中的能量，而釋放能量大小的不一致導(dǎo)致了名義強度出現(xiàn)差異。

圖4 抗壓強度比

鋼纖維UHPC隨著纖維摻量增加抗壓強度比變得不穩(wěn)定，鋼纖維對UHPC尺寸效應(yīng)的影響主要有兩個原因，一是隨著纖維摻量的增加，基體流動強度降低，UHPC中存在更多的孔隙缺陷；二是鋼纖維在試件的邊緣會產(chǎn)生邊壁效應(yīng)，由于在振搗過程中靠近邊壁的鋼纖維會趨于平行于邊壁分布，尺寸越小則產(chǎn)生邊壁效應(yīng)的纖維體積率越大，邊壁效應(yīng)就會越強，從而影響受力過程。

UHPC摻入不同摻量聚乙烯醇纖維的抗壓強度比相較于鋼纖維UHPC更加平緩。在普通混凝土中，由于混凝土基體強度不大，聚乙烯醇纖維可以較好的對能量進行吸收，從而阻止混凝土中微裂縫的發(fā)展。但是UHPC混凝土的基體強度很高，聚乙烯醇纖維在混凝土受壓早期就發(fā)生斷裂，這就導(dǎo)致纖維無法在裂縫發(fā)展全過程中吸收能量以阻止或延緩裂縫進一步發(fā)展，因此聚乙烯醇纖維對UHPC的改善作用有限，不同摻量的聚乙烯醇纖維UHPC抗壓強度比總體趨勢也就更加穩(wěn)定。

2.2 抗折強度尺寸效應(yīng)分析

抗折強度計算如下：

(2)

式中ff為混凝土抗折強度；F為試件破壞荷載；l為支座間跨度；h為試件高度；b為試件截面面積。由于本試驗采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm非標(biāo)準(zhǔn)試件，所以乘以尺寸換算系數(shù)0.85。

表4 抗折強度ff試驗結(jié)果

由圖5和圖6可知：1)加入鋼纖維可提高UHPC的抗折強度，邊長40 mm鋼纖維UHPC較基體UHPC分別提升131.3%、118%、157.1%、286.9%；邊長100 mm鋼纖維UHPC較基體除摻量0.5%以外分別提高32.8%、36.3%、59%。2)在UHPC中加入聚乙烯醇纖維會降低抗折強度，且隨著纖維摻量增大，下降幅度越小。這是由于聚乙烯醇纖維摻量較小導(dǎo)致。這一點可以用復(fù)合材料力學(xué)理論來解釋，根據(jù)彈性疊加原理[11]，在纖維順向均勻分布的條件下，由于聚乙烯醇纖維摻量較小，因此纖維混凝土應(yīng)力較小，從而導(dǎo)致UHPC的強度提高有限。

圖5 鋼纖維抗折強度

圖6 聚乙烯醇纖維抗折強度

由圖7可知，鋼纖維UHPC抗折強度比先增大后減小，整體強度比在0.3左右，聚乙烯醇纖維UHPC抗折強度比先減小后增大，整體強度比在0.6左右，兩種纖維UHPC均表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。Bazant等[12-14]認為抗折強度出現(xiàn)尺寸效應(yīng)是因為混凝土在達到峰值荷載之前，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)長裂紋或含有微裂紋的斷裂擴展區(qū)在穩(wěn)定的發(fā)展，長裂紋或微裂紋集中區(qū)域逐漸釋放受力過程中儲蓄的能量，而不同尺寸混凝土內(nèi)部儲存能量和釋放能量的能力不一樣，因此出現(xiàn)尺寸效應(yīng)。本實驗由于加入的纖維類型不同及纖維摻量不同，因此纖維對抗折強度增強能力有所區(qū)別，兩種纖維的尺寸效應(yīng)明顯但不穩(wěn)定。

圖7 抗折強度比

2.3 劈裂抗拉試驗分析

劈裂抗拉強度按下式計算：

(3)

式中:fts為混凝土劈裂抗拉強度；F為試件破壞荷載；A為試件劈裂面面積。

混凝土的拉壓比和泊松比存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

(4)

式中:γ為拉壓比，ν為泊松比，本試驗的試驗結(jié)果表6所示。

表6 劈裂抗拉強度試驗結(jié)果

由表6和圖8可知，鋼纖維對UHPC的劈裂抗拉強度提升十分明顯，劈裂抗拉強度分別提升53.8%、81.8%、106.4%、141.1%，纖維摻量為3%時提升幅度最大，明顯改善了UHPC的劈裂抗拉性能。聚乙烯醇纖維摻量低于1%時對UHPC劈裂抗拉強度的提升效果不明顯，體積摻量為1%時，強度相較于基體UHPC提升50.3%，提升效果接近于鋼纖維摻量為0.5%的UHPC。因此在實際應(yīng)用中，聚乙烯醇纖維摻量需適當(dāng)提高。

圖8 劈裂抗拉強度

普通混凝土的拉壓比范圍為1/12～1/8，泊松比范圍在0.18左右；高強混凝土的拉壓比范圍為1/18～1/15，泊松比范圍為0.20～0.28，混凝土強度等級越高，脆性特征越明顯，拉壓比越小。由圖7可知，加入纖維后可改善UHPC的拉壓比，不同纖維體積摻量下，兩種纖維增強UHPC的拉壓比均超過高強混凝土的拉壓比，且摻入鋼纖維的UHPC的拉壓比已超過普通混凝土，摻量為1%的聚乙烯醇UHPC的拉壓比也超過了普通混凝土；鋼纖維UHPC的泊松比超過了高強混凝土，聚乙烯醇UHPC的泊松比在高強混凝土范圍內(nèi)。因此，加入纖維可明顯改善UHPC性能，鋼纖維的改善效果優(yōu)于聚乙烯醇纖維。

2.4 彎曲分析

極限彎曲強度計算如下：

(5)

式中：Fmax為試件所受的極限彎曲荷載；l為支座之間的跨距；b和h分別對應(yīng)試件的寬度和高度。

不同纖維摻量UHPC的極限彎曲強度見表7。

表7 極限彎曲強度 MPa

由表7和圖9可知，鋼纖維對UHPC極限彎曲強度的提高十分明顯，本試驗中自0.5%的摻量起每提高一個梯度的纖維摻量，鋼纖維增強UHPC極限彎曲強度都會有明顯提高，纖維摻量為1%時強度提升32.6%，纖維摻量為2%時相較于1%提升不明顯，當(dāng)纖維摻量達到3%時，試件極限彎曲強度較基體UHPC提升59.2%；聚乙烯醇纖維的極限彎曲強度趨勢先下降后增加，但均未超過UHPC基體本身強度。

圖9 極限彎曲強度

圖10 UHPC彎曲試驗破壞形態(tài)

通過觀察試驗現(xiàn)象可知未摻加纖維的UHPC試件在梁跨中底部的混凝土開裂以后，裂縫迅速擴展至梁頂部，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征；鋼纖維UHPC試件在底部出現(xiàn)細裂縫后，鋼纖維并未斷裂，鋼纖維的兩端連接著裂縫的兩端，將應(yīng)力傳遞給附近砂漿顆粒，可以阻礙裂縫繼續(xù)發(fā)展，鋼纖維UHPC試件在開裂后產(chǎn)生偽應(yīng)變硬化的現(xiàn)象，鋼纖維UHPC試件的抗彎極限承載力得到提升，當(dāng)試件達到極限承載力時，積蓄在試件內(nèi)的能量發(fā)生釋放從而導(dǎo)致試件的承載能力迅速下降，試驗結(jié)束時，試件依然是一個整體，呈現(xiàn)出韌性破壞的特征，且可大幅提高UHPC的延性。聚乙烯醇纖維UHPC中纖維摻量小于1%時，試件的破壞特征和UHPC基體幾乎一致，為脆性破壞特征；當(dāng)纖維摻量為1%時，試驗結(jié)束后，試件并未斷裂，表現(xiàn)出延性破壞特征，因此，聚乙烯醇纖維雖然對UHPC的極限彎曲強度提升作用有限，但可明顯改善UHPC的延性。

由圖11和圖12可知，鋼纖維UHPC在纖維摻量為2%時，跨中撓度達到2.2 mm左右，顯著高于其他纖維摻量；聚乙烯醇纖維UHPC在達到極限荷載時，纖維摻量在0.7%時跨中撓度達到最大為1.4 mm左右，因此，鋼纖維對UHPC的韌性提升效果顯著高于聚乙烯醇纖維，同時試驗結(jié)果表明并不是纖維摻量越高韌性越好，過多的纖維會導(dǎo)致其在混凝土基體內(nèi)某一區(qū)域過于集中，基體內(nèi)部初始缺陷也明顯增多，纖維的橋聯(lián)作用即阻裂效果達不到發(fā)揮，由此造成韌性出現(xiàn)下降。兩種纖維由于自身特性不同導(dǎo)致增強增韌效果不同，因為鋼纖維抗拉強度大，極限延伸率遠大于聚乙烯醇纖維，所以能夠很好地抑制混凝土裂縫發(fā)展；聚乙烯醇纖維具有親水性，能夠與水泥基基體產(chǎn)生很強的摩擦粘結(jié)與化學(xué)粘結(jié)，因此在試驗過程中，聚乙烯醇纖維與UHPC基體之間不易發(fā)生滑移，試件破壞是由于纖維被拉斷，而聚乙烯醇纖維抗拉強度不如鋼纖維，這也是兩種纖維對UHPC產(chǎn)生不同增強增韌作用效果的原因。

圖11 鋼纖維增強UHPC荷載撓度曲線

圖12 聚乙烯醇纖維增強UHPC荷載撓度曲線

由纖維間距理論可知，纖維之間的間距只有在小于纖維間距上限值時才能發(fā)揮增強增韌作用，從本試驗可知，由于聚乙烯醇纖維選取的摻量較低，且在拌合過程中會出現(xiàn)部分纖維結(jié)團現(xiàn)象，因此導(dǎo)致纖維之間的間距不夠小，從而對彎曲強度提升作用有限，反之由于鋼纖維摻量較大，纖維根數(shù)變多，因此鋼纖維阻擋裂縫發(fā)展的能力隨之增大，試件的殘余應(yīng)力也相應(yīng)得到提高。因此提高鋼纖維摻量對UHPC試件的增韌阻裂作用十分明顯。

3 主要結(jié)論

1)鋼纖維UHPC抗壓強度提升明顯，邊長為40 mm的鋼纖維立方體試件抗壓強度最大提高94.3%，100 mm試件抗壓強度最大提高60%，40 mm聚乙烯醇纖維試件抗壓強度最大提高22.9%，摻入纖維后UHPC抗壓強度尺寸效應(yīng)明顯，聚乙烯醇纖維的抗壓強度比更加穩(wěn)定，造成鋼纖維試件強度比不穩(wěn)定的原因是邊壁效應(yīng)十分突出。

2)摻入鋼纖維有助于提高UHPC的抗折強度，并且摻量越大，抗折強度提高越明顯，尺寸為40 mm的試件最大提高286.9%，100 mm試件最大提高59%；聚乙烯醇纖維摻入UHPC會降低抗折強度，原因可能是纖維摻量較低。抗折強度之所以產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，是因為不同試件內(nèi)部裂縫擴展區(qū)域儲能與釋能的能力不同；抗折強度比并不穩(wěn)定。

3)鋼纖維UHPC的劈裂抗拉強度最大提升141.1%，聚乙烯醇UHPC試件最大提升50.3%。加入纖維可改善UHPC的拉壓比，從而改善超高性能混凝土的脆性特征，鋼纖維的改善效果優(yōu)于聚乙烯醇纖維。

4)鋼纖維和聚乙烯醇纖維都可明顯改善UHPC的韌性，且鋼纖維的提升效果更明顯。鋼纖維增強UHPC的效果更明顯，且高摻量鋼纖維會增強纖維對混凝土的阻裂能力，這一點在抗折強度尺寸效應(yīng)試驗也表現(xiàn)明顯。