胡翱翔　梁興文　于婧　史慶軒　李林

摘要：為了研究鋼纖維摻量對超高性能混凝土（UHPC）軸心受拉力學性能的影響，設(shè)計、制作了纖維摻量為0%～5%的6組8字型單軸受拉試件，標準養(yǎng)護28 d后進行單軸拉伸試驗，得到了不同纖維摻量UHPC單軸受拉應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€；分析了鋼纖維摻量對UHPC抗拉強度、峰值應(yīng)變以及受拉韌性的影響.試驗結(jié)果表明：在不影響UHPC工作性能的前提下，纖維摻量可達到5%，其抗拉強度為8.50 MPa，對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)? 619 με；隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗拉強度、峰值應(yīng)變、抗壓強度以及受拉韌性均逐漸提高.最后依據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了UHPC單軸受拉本構(gòu)方程.試驗結(jié)果可為UHPC材料的工程應(yīng)用提供參考.

關(guān)鍵詞：單軸拉伸試驗；超高性能混凝土；纖維摻量；抗拉強度；本構(gòu)方程

中圖分類號：TU502.6文獻標志碼：A

Experimental Study of Uniaxial Tensile

Characteristics of Ultrahigh Performance Concrete

HU Aoxiang1， LIANG Xingwen1， YU Jing1， SHI Qingxuan1， LI Lin2

（1. School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian710055， China；

2. Shaanxi Jianyan Structural Engineering Co Ltd， Xian710082， China）

Abstract：In order to investigate the effect of fiber volume content on tensile characteristic of UltraHigh Performance Concrete （UHPC）， 6 groups of “8” shape specimen were designed， and uniaxial tensile test was performed after 28 days standard curing， the complete tensile stressstrain curves were gotten， the effect of fiber volume content on tensile strength， peak strain and toughness of UHPC were analyzed. Test results show that the fiber volume content can be as much as 5% without workability problem， its tensile strength and peak strain are 8.50 MPa and 1 619 με respectively； with the fiber volume content increase the tensile strength， peak strain， compressive strength and toughness increase as well， the uniaxial tensile constitute of UHPC was finally proposed based on the test results. The results of this paper provide a reference for the application of UHPC material.

Key words：uniaxial tensile test； ultrahigh performance concrete（UHPC）； fiber volume content； tensile strength； uniaxial tensile constitute

超高性能混凝土（UHPC）具有強度高、延性好以及耗能能力強等特點，是目前國內(nèi)外研究較多的土木工程材料之一.UHPC是在水泥砂漿基體中加入纖維，改善混凝土的抗拉強度、延性和耗能能力.如活性粉末混凝土[1-8]（RPC）、工程化的水泥基復(fù)合材料[9-10]（ECC）等，但是這種材料的抗拉強度仍然不高，僅為其抗壓強度的1/20～1/25[6]左右.為了進一步提高UHPC的抗拉強度、延性以及耗能能力，學者們提出了不同的解決方案，如采用混雜纖維，充分發(fā)揮不同纖維之間的組合作用，提高UHPC的抗拉強度和延性.混雜纖維包括兩種方式：一種是鋼纖維和有機纖維組合[11]，這種方式可以提高UHPC抗拉強度和延性，但是抗壓強度較低；另一種是采用不同尺度鋼纖維組合[12]，這種方式同樣可以提高UHPC的抗拉強度、延性以及耗能能力，但是大尺度鋼纖維攪拌時容易結(jié)團，影響UHPC的工作性能，所以纖維摻量一般較低，提高作用有限.另外一種方案是采用大摻量短細鋼纖維，這種方法不僅可以提高UHPC抗拉強度、延性以及耗能能力，同時不影響UHPC的工作性能.相關(guān)研究[13]表明：纖維摻量較大時可以提高鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性能.關(guān)于這種大摻量短細鋼纖維UHPC，國外已有相關(guān)的研究和應(yīng)用.1988年 Bache[13]發(fā)明了密實增強復(fù)合材料（CRC），它是由水泥砂漿基體加上短細鋼纖維組成，鋼纖維的體積摻量通常在6%左右，長度不超過6 mm，直徑≤0.2 mm.CRC材料的開裂強度高，短纖維在混凝土受拉過程中可以有效地限制微觀裂縫的產(chǎn)生和開展，延遲混凝土開裂；CRC強度高（高溫養(yǎng)護條件下強度超過150 MPa）、硅灰和纖維摻量大的特性，極大地提高了CRC材料的黏結(jié)強度[14]，故將CRC材料運用于結(jié)構(gòu)中時，可以減小保護層厚度和鋼筋間距，保護層厚度通常取10～15 mm[14-15]；CRC材料構(gòu)件能夠配置大量的鋼筋以改善結(jié)構(gòu)的延性.CRC可應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件、裝配式構(gòu)件之間的連接材料，可制作預(yù)制樓梯、預(yù)制陽臺，以及抗沖擊、抗爆等結(jié)構(gòu)[14， 16] .但是國內(nèi)外關(guān)于CRC材料的受拉力學性能鮮有報道.

關(guān)于混凝土軸心受拉試驗，國內(nèi)外并沒有統(tǒng)一的標準試件，軸心受拉試件形狀主要有8字型、薄板型、切口或不切口的棱柱體或圓柱體試件等， Wille等[17]詳細列出了國內(nèi)外軸心受拉試驗采用的試件形狀及其試件尺寸，并且根據(jù)混凝土軸心受拉性能的不同，文中給出了建議的試件形狀.本文依據(jù)Wille等的建議將試件形狀定為8字型.國內(nèi)對UHPC的單軸受拉力學性能研究相對較少，楊志慧[5]和原海燕[6]自行設(shè)計8字型試件，采用加大試件端頭兩端提拉的方法研究了鋼纖維體積摻量從0增加至2%時，對RPC的單軸受拉力學性能的影響，試驗測得RPC受拉應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€并建立了RPC單軸受拉本構(gòu)方程.李莉[4]采用在RPC中插入鋼筋的方法研究了一組鋼纖維摻量為2%的RPC單軸受拉力學性能等.羅百福[7]通過單軸拉伸試驗研究了RPC在不同溫度下的單軸受拉力學性能，建立了RPC抗拉強度與溫度的關(guān)系.

本文擬研究單摻短細鋼纖維UHPC的軸心受拉力學性能.通過單軸拉伸試驗，研究鋼纖維摻量對 UHPC抗拉強度、峰值應(yīng)變和受拉韌性的影響，建立UHPC抗拉強度與立方體抗壓強度之間的關(guān)系，并根據(jù)試驗結(jié)果建立UHPC單軸受拉本構(gòu)方程.

1試驗概況

1.1試件設(shè)計

由于UHPC材料的單軸拉伸試驗沒有相關(guān)規(guī)范，試件尺寸也沒有統(tǒng)一的標準，本文在參考國內(nèi)相關(guān)文獻后，自行設(shè)計“8”字型試件及夾具，采用加大端頭兩端提拉的方法，對不同纖維摻量UHPC材料的軸拉力學性能進行試驗，試件正面尺寸如圖1所示，試件厚度為130 mm.關(guān)于試件尺寸對試驗結(jié)果的影響， Nguyen等[18]研究了量測長度、截面面積、試件體積和厚度對UHPC軸心受拉力學性能試驗結(jié)果的影響，試驗結(jié)果表明：峰值應(yīng)變、耗能等對尺寸效應(yīng)比較敏感，但是尺寸效應(yīng)對抗拉強度影響不大.本文所用UHPC與Nguyen等類似，尺寸效應(yīng)的影響是相似的.

1.2 配合比及試件制作

根據(jù)前期UHPC材料性能試驗結(jié)果，綜合考慮其抗壓強度和工作性能兩項指標，確定的配合比（質(zhì)量比）為：水泥∶水∶硅灰∶石英砂∶減水劑=1.00∶0.23∶0.26∶1.26∶0.03，鋼纖維體積摻量為0%～5%，對應(yīng)的編號為1～6，共6組試驗.試驗所用鋼纖維長度為7 mm，等效長徑比為39，表面鍍黃銅的圓柱形直鋼纖維，纖維抗拉強度為2 850 MPa.每組制作3個8字型受拉試件，并預(yù)留3個100 mm×100 mm×100 mm立方體受壓試塊.UHPC攪拌完成之后先進行坍落度試驗，檢驗UHPC的工作性能；隨后裝進預(yù)先刷好脫模劑的試模中，并在振動臺上振搗2 min，振動頻率為50 Hz.試件成型時為水平澆筑，為模擬實際結(jié)構(gòu)中鋼纖維的隨機取向狀態(tài)，澆筑時完全按照實際施工流程進行，未對纖維取向進行專門研究.試塊制作完成之后用濕布覆蓋UHPC表面，室溫養(yǎng)護36 h之后脫模.隨后放進標準養(yǎng)護室（溫度20±5 ℃，相對濕度≥95%）養(yǎng)護至28 d齡期取出，放置室內(nèi)自然養(yǎng)護直至試驗.

1.3試驗加載裝置及加載過程

試驗在100 kN微機控制電子萬能試驗機（CMT 5105）上進行.本文根據(jù)試件形狀自主設(shè)計了夾具，夾具應(yīng)保證幾何對中，防止偏心.夾具上、下兩端采用銷釘與試驗機相連，夾頭與連接桿之間采用鉸接方式連接.試驗時先將上、下夾具安裝就位，然后將試件放進夾具夾頭之間，保證試件處于中心位置，防止加載過程中試件產(chǎn)生偏心；同時在試件前、后面各安裝一個電子引伸計測量試件的豎向變形，取兩個引伸計的平均值計算試件的豎向變形以減小可能產(chǎn)生的偏心影響.試驗全程采用位移控制加載，加載速率為0.05 mm/min.加載裝置如圖2所示.

為了反映試驗過程中偏心的影響，分別用試件前后兩個電子引伸計讀數(shù)作應(yīng)力應(yīng)變曲線，峰值荷載前試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示.從圖3中可知：試件剛開始加載階段兩個引伸計讀數(shù)幾乎一樣，說明試件偏心很??；在試件開裂之后兩者讀數(shù)差值變大，但仍較小，說明這種試驗方法可以使試件基本處于軸心受拉狀態(tài).

με

1.4試驗破壞過程

根據(jù)纖維摻量的不同，試件破壞過程分為3種情況：不摻纖維、纖維摻量為1%以及纖維摻量大于1%.下面分別就這3種情況說明試驗破壞過程.

纖維摻量為0%時，試件開始受力后，應(yīng)力應(yīng)變曲線近似呈線性增長；達到峰值荷載時，承載力突然下降到零，并伴隨“砰”的一聲巨響，試件從變截面處斷裂成上、下兩截，加載過程結(jié)束.試驗機僅記錄到應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段，試件呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特性.

纖維摻量為1%時，在峰值荷載之前和不摻纖維的UHPC現(xiàn)象類似，應(yīng)力應(yīng)變曲線近似呈線性增長；超過峰值荷載后，承載力突然下降至峰值荷載的40%～50%，并保持這個承載力不變，同時試件表面開始出現(xiàn)一條宏觀裂縫，裂縫寬度約1 mm；隨著加載過程的繼續(xù)，纖維不斷被拔出，并發(fā)出“哧哧”的聲音，試件裂縫兩側(cè)在鋼纖維的橋接作用下，荷載穩(wěn)定在峰值承載力的40%～50%，一直到裂縫即將貫穿整個截面；最后由于試件變形過大，停止加載.試件在剛過峰值荷載時呈現(xiàn)脆性破壞趨勢，但是隨著加載的繼續(xù)，纖維逐漸發(fā)揮作用，試件承載能力保持穩(wěn)定，峰值荷載過后試件呈明顯的韌性破壞特征.

纖維摻量為2%～5%的試件受力和變形破壞過程較為相似，均呈現(xiàn)明顯的韌性破壞特征，這里僅以纖維摻量為2%的試件為例進行說明.纖維摻量為2%時，在峰值荷載之前，應(yīng)力應(yīng)變曲線近似呈線性增長，試件變形較小；峰值荷載之后，試件表面開始出現(xiàn)宏觀裂縫，由于裂縫截面處纖維的橋接作用使試件承載力沒有迅速下降；隨著鋼纖維逐漸被拔出，并發(fā)出“哧哧”的聲音，試件承載力緩慢下降，但是試件變形增長較快，直至試件承載力下降至峰值荷載的30%左右或者裂縫即將貫穿整個截面時停止加載，試件呈明顯的韌性破壞特征.

各組試件最后的破壞狀態(tài)如圖4所示.從圖4中裂縫的形狀來看，不摻纖維以及纖維摻量較小時，試件破壞時，裂縫截面基本呈一條平整的直線；隨著纖維摻量的增加裂縫逐漸變成折線狀，這也從側(cè)面反映出纖維摻量的增加極大地改善了UHPC的受拉韌性.

1.5試驗結(jié)果

表1列出了各組試驗實測的坍落度值、抗拉強度平均值、峰值拉應(yīng)變平均值以及抗壓強度平均值.

從表1中可以看出：1）隨著纖維摻量的增加，抗拉強度和峰值應(yīng)變都明顯提高.即纖維摻量從0%增加到5%時，抗拉強度和峰值應(yīng)變分別增加79%和1 090%，纖維對抗拉強度、延性的增強效果顯著.2）隨著纖維摻量的增加，UHPC坍落度值逐漸降低.即纖維摻量從0%增加到5%，坍落度值僅降低18%，表明這種UHPC可以在不影響工作性能的前提下實現(xiàn)纖維大摻量.3）隨著纖維摻量的增加，UHPC抗壓強度逐漸提高，纖維摻量從0%增加到5%，抗壓強度提高了31%.

2試驗結(jié)果分析

2.1纖維摻量對抗拉強度影響分析

根據(jù)上述試驗結(jié)果，在纖維摻量抗拉強度坐標系中繪制數(shù)據(jù)點，如圖5（a）所示.由圖5可見，UHPC的抗拉強度與纖維摻量之間近似呈線性關(guān)系，故采用線性關(guān)系模擬二者之間的關(guān)系.根據(jù)本文以及國內(nèi)外文獻[5-7]、[11]中的35組數(shù)據(jù)（文獻[5-7]、[11]中鋼纖維的長徑比分別為：55、65、59和60）進行統(tǒng)計回歸分析，可得抗拉強度與纖維摻量之間的關(guān)系式為：

ftu=ft0（1+4.746×10-3Vflfdf） （1）

式中：ftu為UHPC抗拉強度（MPa）；ft0為不摻纖維UHPC抗拉強度（MPa）；lf、df分別為鋼纖維長度和直徑；Vf為鋼纖維體積摻量.擬合曲線如圖5（a）所示，式（1）的計算值與試驗值對比如圖5（b）所示，計算值與試驗值之比的平均值為0.90，變異系數(shù)為0.22.

纖維體積摻量/%（a）試驗值

試驗值/MPa（b）計算值與試驗值對比采用式（1）對本文6組試驗分別計算抗拉強度，并與試驗值進行對比，見表2.計算值與試驗值之比的平均值為1.02，變異系數(shù)為0.05.由表2可見按照式（1）的計算結(jié)果與本文試驗結(jié)果較為接近.

2.2峰值應(yīng)變與抗拉強度的關(guān)系

根據(jù)上述試驗結(jié)果，在抗拉強度峰值應(yīng)變坐標系中繪制數(shù)據(jù)點，如圖6（a）所示.由圖6可見，UHPC的峰值應(yīng)變與抗拉強度之間近似呈冪函數(shù)關(guān)系，故采用冪函數(shù)關(guān)系模擬二者之間的關(guān)系.根據(jù)本文試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回歸分析，可得峰值應(yīng)變與抗拉強度的關(guān)系式如下：

εtp=（3.01×10-6）f2.57tu（2）

式中：εtp表示峰值應(yīng)變；ftu表示抗拉強度（MPa）.擬合曲線如圖6（a）所示，式（2）計算值與試驗值對比如圖6（b）所示.峰值應(yīng)變計算值與試驗值之比的平均值為1.00，變異系數(shù)為0.28.

抗拉強度/MPa（a）試驗值

試驗值ε/10-6 （b）計算值與試驗值對比

2.3各組試件的受拉韌性

圖7所示為各組試驗的平均應(yīng)力應(yīng)變曲線（應(yīng)變值固定，取每組3個試件應(yīng)力平均值得到）.從曲線中可以看出：隨著纖維摻量的增加，UHPC抗拉強度逐漸增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線下包圍的面積逐漸增大，表明UHPC抗拉韌性增大，試件由脆性破壞轉(zhuǎn)化為韌性破壞.

高丹盈等[19]建議韌性的大小可以從應(yīng)力應(yīng)變曲線達到最大荷載以前的面積反映，或者從達到某一規(guī)定的撓度值以前的面積求得，這個撓度值取決于使用中允許的開裂程度.《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[20]中規(guī)定，在正常使用極限狀態(tài)下，一般受彎構(gòu)件的裂縫寬度限值為0.2 mm.本次試驗量測標距為80 mm，對應(yīng)應(yīng)變?yōu)?.25×10-2，本文以此為依據(jù)計算各組試件平均應(yīng)力應(yīng)變曲線下包圍的面積，分析纖維摻量對UHPC受拉韌性的影響，計算結(jié)果如圖8所示.

ε/%

從圖8中可以看出：隨著纖維摻量的增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線下包圍的面積逐漸增大，即試件的受拉韌性逐漸增大.其中纖維摻量為0%時試驗沒有得到曲線下降段，所以計算面積與實際面積相比較??；纖維摻量從1%逐漸增加到5%，曲線包圍面積的增長率分別為134%、14%、20%和14%.

3單軸受拉本構(gòu)模型

本文采用在峰值點連續(xù)的兩個方程分別描述受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段和下降段，以第5組試驗為例分析試件上升段和下降段曲線形狀.圖9為第5組試件歸一化的平均應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€.試驗上升段曲線向下凸，是因為試件和儀器之間的空隙，理論上試驗曲線應(yīng)是向上凸，所以本文采用如圖所示的曲線形式進行模擬，圖中粗實線為擬合曲線，細實線為試驗曲線，在分析和比較之后，采用下列方程分別表示上升段和下降段：

考慮到與普通混凝土拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線方程的協(xié)調(diào)問題，對于鋼纖維混凝土，參數(shù)β參考過鎮(zhèn)海[21]研究結(jié)果取1.7.參數(shù)α是與UHPC基體性能和鋼纖維摻量相關(guān)的參數(shù)，由于沒有UHPC材料相關(guān)的經(jīng)驗值可供參考，本文通過不同α取值下的曲線與試驗平均應(yīng)力應(yīng)變曲線對比確定.

圖10為α=0.025時擬合曲線與試驗第1～6組歸一化平均應(yīng)力應(yīng)變曲線對比圖，粗實線為擬合曲線，細實線為試驗歸一化的平均應(yīng)力應(yīng)變曲線.第1組為素混凝土組，由于試驗機剛度不足，未能測得應(yīng)力應(yīng)變曲線的下降段；第2組纖維摻量為1%，由于試驗機剛度不足以及試驗加載速率較大，峰值過后荷載突然下降，沒有測得下降段初始階段；纖維摻量超過1%后可以測得完整的應(yīng)力應(yīng)變曲線.從圖中對比曲線可見，α=0.025時擬合曲線與試驗曲線吻合程度較高.

3.3本構(gòu)方程

綜上所述，UHPC單軸受拉本構(gòu)關(guān)系如下：

4結(jié)論

1）單軸拉伸試驗結(jié)果表明：在保證工作性能的前提下，UHPC纖維摻量可以達到5%，坍落度值為225 mm，隨著鋼纖維摻量的增加，UHPC的抗拉強度、峰值應(yīng)變以及韌性都得到提高.

2）依據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)建立了UHPC抗拉強度與纖維摻量、峰值應(yīng)變與抗拉強度之間的關(guān)系，并分析了纖維摻量對受拉韌性的影響.

3）根據(jù)試驗結(jié)果采用分段函數(shù)的形式建立了UHPC單軸受拉本構(gòu)關(guān)系.

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