超高性能混凝土構件直接拉伸試驗研究

王慶彥 袁長東 劉國強

（1.蘭州石化職業(yè)技術大學，甘肅 蘭州 730207；2.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

超高性能混凝土（簡稱UHPC），也稱活性粉末混凝土，是一種具有超高的力學性能、高韌性、超高的耐久性和優(yōu)良的耐磨性能及抗爆性能的水泥基混凝土材料。UHPC通過選用高活性的微細材料，基于最大堆積密度理論和纖維增強技術配制而成[1]。

為了提高已有混凝土樓板的承重能力，增強其防水性能，往往使用UHPC 作為樓板防水層和加厚材料。在現(xiàn)有樓板構件的修補及加固中使用薄層的UHPC，UHPC的變形受到現(xiàn)有構件的約束就會產生拉伸應力，拉伸應力有可能導致UHPC 開裂。為了掌握以用于既設混凝土樓板的以修補及加固為主要目的而研發(fā)的UHPC的拉伸特性，可以進行直接拉伸試驗。本文試驗使用的是通過生成鈣鈦礦使砂漿基質致密化的鈣鈦礦生成系UHPC，砂漿基質致密化是對制備材料進行最密集填充實現(xiàn)的。本文對超高性能混凝土構件直接拉伸試驗進行研究。

1 試件設計與制作

1.1 試件配比設計

利用UHPC 材料通過現(xiàn)澆的方式對現(xiàn)有混凝土樓板頂面進行增厚，需要進行新的UHPC 配比設計，并使用該配比設計制得的UHPC 進行試驗，配比設計的詳細情況見表1。

表1 UHPC配比設計類型

（1）配比設計1：該種類型構件設計的最大特點在于采用高溫蒸汽養(yǎng)護。砂漿基體的構成材料主要包括水、鐵礬石生成預混粘結劑，細骨料（dmax＜2.5mm）、減縮劑、高性能減水劑，鋼纖維（抗拉強度ff＝2000N/mm2以上，直徑dfV＝0.2mm，纖維長度＝15mm 和22mm，f=1.75%混入）。

（2）配比設計2：在配比設計1 的基礎上增加了纖維量和調整了細集料種類。與配比設計1 砂漿基質構成材料的單位量相同，鋼纖維的直徑dfV＝0.2mm，纖維長度＝15mm，f=3.0%混入，細骨料用5號硅砂。

（3）配比設計3：配比設計2 為細骨料碎砂（dmax＜2.5mm），在配比設計2的基礎上摻入5%的硅灰石。硅灰石摻入是為了降低現(xiàn)有混凝土構件約束產生的拉伸應力，以避免裂縫發(fā)生。由于硅灰石是與細集料進行體積置換，故細集料調整為846kg/m3。鋼纖維的量在配比設計2的基礎上有所增加。

1.2 試件的規(guī)格

試件的形狀為啞鈴型，全長400mm，兩端60mm 范圍內的截面為100mm×100mm，中間100mm 范圍內的截面為100mm×40mm，目的是為了誘導試件中間部分的發(fā)生破壞。中間部分和兩端部分之間設置了長度為90mm的變截面區(qū)間。試件形狀如圖1所示。

圖1 直接拉伸試驗的啞鈴型試件（單位：mm）

1.3 試件的制作

試件測試的目標截面厚度約為混入纖維長度的2倍，使纖維的三維定向成為可能。用于制作試件的UHPC 在氣溫為20℃，相對濕度為60%的恒溫恒濕室中使用水平雙軸式強制攪拌機（容量為100L，轉速為45r/min）制造。

配比設計1和配比設計2的試件在20℃下進行24h養(yǎng)護，再在85℃下進行24h的高溫蒸氣養(yǎng)護。配比設計3的試件在20℃下進行28h的高溫蒸氣密封養(yǎng)護1d。

2 直接拉伸試驗方法

2.1 直接拉伸試驗原理

與彎曲試驗和裂解拉伸試驗相比，直接拉伸試驗對于拉伸負荷的均勻加載和試件牢固性不容易把控，因此在對混凝土材料拉伸特性的研究中應用較少。在直接拉伸試驗中，試件的所有斷面都產生了相同大小的拉伸應力，在四點彎曲試驗中，在彎矩最大范圍的斷面上產生了最大的拉伸應力；在三點彎曲試驗和裂解拉伸試驗中，只有一個斷面上產生了最大的拉伸應力。如果試件任意位置的抗拉強度相同，則試件的破壞發(fā)生在拉伸應力最大的截面上，在實際試驗中，抗拉強度在局部地方是不同的，如果根據最弱連桿的考慮，在抗拉強度最低的截面上會發(fā)生破壞。

在彎曲試驗和裂解拉伸試驗中，產生最大拉伸應力的截面和抗拉強度最低的截面不一定一致。在直接拉伸試驗中，產生最大拉伸應力的截面中一定包含抗拉強度最低的截面，如果合理實施直接拉伸試驗，就不會過大評價抗拉強度。由于UHPC 的抗拉強度比普通混凝土高，當含有一定量特種纖維時，會在拉伸負荷下表現(xiàn)出應變硬化特性。因此，可以通過直接拉伸試驗來掌握UHPC的拉伸特性[2]。

2.2 試驗裝置

各配比設計的UHPC 試件均制作了5個，使用新開發(fā)的裝置進行直接拉伸試驗。該裝置包含3 種安裝構件（見圖2 所示），安裝構件2 在變截面處抓住試件，在安裝構件2 上（下）端部用高強度螺栓連接的安裝構件1 用直徑23mm 的預應力鋼棒安裝在試驗機上。試件支撐為一端固定，另一端為鉸鏈的連接形式。安裝構件3是為了保持試件的位置固定，在安裝構件2的兩側用帶有六角孔的螺栓連接并安裝。

圖2 直接拉伸試驗裝置

2.3 測量與加載方法

在試件中間部分100mm范圍的兩個側面通過鋁制金屬零件設置位移計，測量試件的變形量。用測量長度為100mm 的2 個位移計測量的變形量的平均值作為試件的變形量，負荷是通過設置在500kN 的萬能試驗機內的測力傳感器進行測量的。直接拉伸試驗過程通過增大位移的方式進行控制，從試驗開始到峰值負荷的位移加載速度為0.02mm/min。

3 直接拉伸試驗結果及分析

3.1 試驗結果

各種配比設計的構件拉伸試驗的數據結果如表2所示。其中，fUe為裂紋產生強度，fUt為拉伸強度，εUt為拉伸應變率。

表2 直接拉伸試驗結果

3.2 應力應變曲線

將3 種配比設計的構件分別通過5 次直接拉伸試驗，各得到5個應力-應變曲線，各配比設計選擇一條代表曲線（以下稱為代表曲線）進行分析（圖3～圖5）。代表曲線的選擇方法有2種，一種是從多個應力-應變曲線中抽取任意一條曲線，另一種是作成平均曲線的方法。在本研究中，配比設計2和配比設計3的應力-應變曲線存在偏差，選擇特定的一條曲線作為代表曲線是很困難的，因此作成平均曲線作為代表曲線。在平均曲線的制作中，配比設計2在1次試驗中，配比設計3在2次試驗中，由于在位移計的測量范圍外發(fā)生了試件的破壞，所以只使用在測量范圍內破壞的試驗結果。

3.3 試驗結果分析

通過對各種配比設計類型的代表曲線進行分析可知，代表曲線中12.5N/mm2附近發(fā)現(xiàn)應變的增加率相對于應力的增加略有變化，拉伸負荷下的UHPC 的行為可以分為以下3 個區(qū)域來考慮：第一個區(qū)域是從加載開始到開裂之前的應變彈性區(qū)域；第二個區(qū)域是裂紋產生到發(fā)生多個細微裂紋直至達到抗拉強度的應變硬化區(qū)域；第三個區(qū)域是局部變形較大，出現(xiàn)較大的裂紋，纖維逐漸拔出的應變軟化區(qū)域。通過這3 個區(qū)域的分析，可以比較直接拉伸試驗的結果。

3.3.1 應變彈性區(qū)域

UHPC 在彈性區(qū)域的力學特性，砂漿基質的力學特性占支配地位，其構成材料和微結構的影響很大。作為彈性區(qū)域的力學行為，著眼于裂縫發(fā)生強度的大小進行比較，配比設計1 和配比設計2 基本相同，碎砂（dmax＜2.5mm）和5 號硅砂這種細集料的差異對開裂發(fā)生強度的影響幾乎沒有。與此相比，配比設計3 的裂紋發(fā)生強度比配比設計1 和配比設計2 高約20%。配比設計3 的試件在氣溫20℃下進行了28 天的封箱養(yǎng)護，與進行了高溫蒸氣養(yǎng)護的配比設計1 和配比設計2 的試件相比，推測微結構的致密化程度較低。砂漿基體更致密時，可能成為細微裂紋發(fā)生基點的空隙少，由此可知裂紋發(fā)生強度更高，但致密度相對較低的配比設計3 的裂紋發(fā)生強度更高。由此可知，纖維狀的硅灰石發(fā)揮了同樣的強化作用，減小了細微裂縫發(fā)生的可能性。即使在推測常溫養(yǎng)護下砂漿基質的細微結構的致密度比高溫養(yǎng)護下相對較低的情況下，由于硅灰石的混入，常溫養(yǎng)護的UHPC 的裂縫發(fā)生強度也會變高。

3.3.2 應變硬化區(qū)域

一方面，配比設計1 的應力-應變曲線的峰值不明確，應變硬化行為較小，但配比設計2 中發(fā)現(xiàn)了顯著的應變硬化行為，應變硬化行為受混入的纖維量的影響。由此可以認為，這種差異是由纖維量的多寡引起的。另一方面，相同纖維量的配比設計3 沒有像配比設計2 那樣表現(xiàn)出顯著的應變硬化行為，應變硬化行為在纖維的種類和纖維量相同的情況下，主要依賴于纖維和砂漿基體的平均附著強度。考慮到這一因素，可以推測配比設計2 中纖維和砂漿基質的平均附著強度高于配比設計3，因此配比設計2 的應變硬化率（硬化率=fUt/fUe）與配比設計3 相比，配比設計2 的纖維和砂漿基體的平均附著強度更高。據此可以推測，纖維和砂漿基質的附著特性受過渡帶的精細結構的影響，這與彈性區(qū)域的研究一樣，高溫蒸汽養(yǎng)護的配比設計2 的試件與在氣溫20℃下密封養(yǎng)護28 天的配比設計3 的試件相比，砂漿基體的微結構更致密，纖維和砂漿基體的過渡帶也更致密。此外，配比設計2的細骨料用5 號硅砂，而配比設計3 的細骨料比配比設計2 少，但增加了硅灰石，砂漿基質有可能更加致密，這有助于與纖維的附著。

3.3.3 應變軟化區(qū)域

配比設計1 的抗拉強度比配比設計2 多大約40%，而且在應變軟化區(qū)域的應力下降更緩慢，具有更大的韌性。這些都是由于22mm 的鋼纖維的加入造成的。考慮到纖維引起的裂縫的交聯(lián)，與15mm 的鋼纖維相比，22mm 的鋼纖維的固定長度更長，在承擔更大的交聯(lián)應力的同時，也可以對開口寬度更寬的裂縫進行交聯(lián)。含有22mm 鋼纖維的配比設計1 的韌性變得更大，22mm 的鋼纖維有助于改善應變硬化區(qū)域和應變軟化區(qū)域。但是考慮到為了賦予應變硬化特性而增加纖維量時，可能導致UHPC 的工作性能惡化以及制造更復雜等因素，建議不將22mm鋼纖維用于配方。從配比設計3 的各試驗中得到的應力-應變曲線的應變軟化區(qū)域的部分出現(xiàn)了偏差，其原因是設置在試件表面的位移計的固定用金屬配件發(fā)生變形，裂紋幅度逐漸增大導致固定用金屬配件受到裂紋的影響而變形，影響到了位移計的測量值。

4 結束語

在既設構件的修補和加強中澆筑薄層UHPC 時，UHPC 的變形受到既有構件的約束，在UHPC 構件上產生了拉伸應力。本文設計了不同配比的UHPC 構件，并進行了構件的直接拉伸試驗研究。試驗結果顯示：混入硅灰石的常溫養(yǎng)護的UHPC 構件的開裂強度比沒有混入硅灰石的高溫蒸氣養(yǎng)護的構件要高，可以認為砂漿基體的力學特性是支配性的，UHPC的裂紋產生強度即使在推測微結構的致密度相對較低的情況下，由于混入硅灰石，也能得到微觀水平的增強。