劉利斌 ，王應(yīng)軍 ，孫明清 ，2

（1.新材料力學(xué)理論與應(yīng)用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；2.恒潤集團(tuán)有限公司，河北 衡水 053100）

0 引言

混凝土管道是給排水工程中使用的主要管材之一。為提高其抗裂性和使用壽命，近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究致力于將鋼纖維混凝土（SFRC）和其它種類的纖維混凝土應(yīng)用于混凝土管道結(jié)構(gòu)中，關(guān)于鋼纖維增強(qiáng)混凝土管道（SFRCP）的標(biāo)準(zhǔn)有EN 1916[1]和 ASTM C1765[2]等。MacDonald 和 Trangsrud[3]開展了素混凝土管道（PCP）、鋼筋混凝土管道（RCP）以及SFRCP的三邊承載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，較長鋼纖維對(duì)管強(qiáng)度的改善效果比短纖維好,當(dāng)RC80/60-BN型鋼纖維摻量為25 kg/m3時(shí)，SFRCP承載能力比PCP、RCP分別提高了82%和6%。復(fù)摻纖維增強(qiáng)混凝土在管道結(jié)構(gòu)中也有相關(guān)研究，如Park等[4]采用混摻鋼纖維、聚丙烯（PP）纖維以提高混凝土管的強(qiáng)度和延性。超高性能纖維增強(qiáng)混凝土（Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete，簡稱為UHPFRC）較普通的 SFRC具有更高的抗拉、抗壓強(qiáng)度、密實(shí)度和耐久性[5-8]。但這種材料應(yīng)用于混凝土管道方面的研究較少。本文采用三邊承載實(shí)驗(yàn)研究UHPFRC管的承載能力、變形能力、應(yīng)變和裂紋分布等。

1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料與配合比

水泥：華潤水泥投資有限公司生產(chǎn)的潤豐牌P·Ⅱ52.5R水泥，密度 3.0 g/cm3，比表面積 386m2/kg；粉煤灰（FA）：廣州運(yùn)宏粉煤灰綜合開發(fā)有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰，密度2.6g/cm3，比表面積1760 m2/kg；硅灰（SF）：成都東南星科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，密度2.2g/cm3，比表面積4610m2/kg；水泥、粉煤灰、硅灰的主要化學(xué)成分見表1。砂：粒徑分別為0～0.6mm的細(xì)砂和0.6～1.25 mm的粗砂。減水劑：武漢浩源化工生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，固含量18.2%。拌和用水：自來水。鋼纖維：上海貝卡爾特公司生產(chǎn)的長度13 mm、直徑0.175 mm表面鍍銅細(xì)鋼纖維。

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %

UHPFRC的質(zhì)量配合比見表2，鋼纖維體積摻量為2%。

表2 UHPFRC的配合比 kg/m3

1.2 試樣與成型方法

管環(huán)試樣尺寸為：內(nèi)徑375 mm、壁厚25 mm、長度320 mm，分為配筋管和無配筋管2種。配筋管內(nèi)的鋼筋籠由6根均布縱向鋼筋（Φ5）和螺旋纏繞在縱筋上的環(huán)向鋼筋（Φ4）焊接而成，環(huán)向鋼筋螺距為50 mm。與普通鋼筋混凝土管鋼筋籠的埋設(shè)位置相同，即環(huán)向鋼筋軸線到管內(nèi)壁的距離為管壁厚的2/5。管環(huán)試樣和配筋如圖1所示。

圖1 管環(huán)尺寸和鋼筋籠

成型流程為：（1）管環(huán)內(nèi)模和外模的組裝，表面刷油，再固定鋼筋籠（配筋時(shí)）。（2）將水泥、粉煤灰、硅灰干拌60 s；然后將砂加入攪拌60 s；在混合料中加入3/4的水，攪拌60 s；再加入剩下的水和減水劑混合液，攪拌120 s；隨后邊加鋼纖維邊攪拌240 s。（3）將制得的漿料注入模具。由于漿料具有好的流動(dòng)性（將漿料灌滿坍落度筒，再將筒提取200 mm，漿料自然流動(dòng)形成的圓直徑達(dá)到850 mm左右），填模過程中未采用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，僅用木榔頭輕敲模具外壁，排出少量氣泡即可。模具在室溫靜置24 h后脫模，試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 測試方法

單軸拉伸實(shí)驗(yàn)方法參照日本土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)[9]，試樣尺寸及裝置與文獻(xiàn)[10]相同，加載設(shè)備為Instron5882材料試驗(yàn)機(jī)，采用位移控制模式加載，拉伸速率為0.4 mm/min。根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂漿強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》制備40 mm×40 mm×160 mm棱柱試樣，養(yǎng)護(hù)28 d后采用WYA－300型全自動(dòng)抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)先進(jìn)行抗折試驗(yàn)，然后采用折斷后的試件測試抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)GB/T 16752—2006《混凝土和鋼筋混凝土排水管試驗(yàn)方法》和澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS－4193標(biāo)準(zhǔn)[11]，采用三邊承載實(shí)驗(yàn)方法加載，加載設(shè)備為Instron5882電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)。用4支電子百分表分別測量管頂、管底、左右管腰的撓度。

在管環(huán)內(nèi)、外表面管頂、管底以及管腰的環(huán)向共粘貼16個(gè)應(yīng)變片（包括2個(gè)橫截面），用于測試應(yīng)變。應(yīng)變片布置如圖2所示。應(yīng)變數(shù)據(jù)由多通道靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)記錄，采集頻率為0.5 Hz。

圖2 應(yīng)變片布置示意

加載過程包括3個(gè)階段：（1）小荷載循環(huán)加載，加載速率為1.0 kN/min，以使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。（2）分級(jí)加載，根據(jù)預(yù)估的最大承載能力，無筋管分三級(jí)加載，荷載值分別為2、4、6 kN；有筋管分五級(jí)加載，荷載值分別為2、4、6、8、10 kN。加載到每級(jí)荷載值時(shí)荷載保持1 min，加載速率為1.0 kN/min。（3）最后加載至破壞，加載速率為0.6 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 UHPFRC的力學(xué)性能

制得的UHPFRC的抗壓強(qiáng)度為（164.52±5.21）MPa，抗折強(qiáng)度為（35.72±2.81）MPa，拉伸強(qiáng)度為（12.56±0.34）MPa。3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 UHPFRC的單軸拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖3可見，UHPFRC拉伸時(shí)初裂后出現(xiàn)應(yīng)變硬化特性，即隨著應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力增加。峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變約為0.5%。達(dá)到峰值應(yīng)力后，試件進(jìn)入軟化階段，隨著鋼纖維的拔出，應(yīng)變?cè)黾拥珣?yīng)力下降。破壞試件表面除可觀察到主裂紋外，還有若干條細(xì)裂紋。

2.2 荷載-撓度關(guān)系

圖4和圖5分別為有筋管和無筋管在三邊承載實(shí)驗(yàn)時(shí)，管頂、管底、管腰的荷載-撓度曲線。

圖4 有筋UHPFRC管管頂、管底和管腰的荷載-撓度曲線

圖5 無筋UHPFRC管管頂、管底和管腰的荷載-撓度曲線

從圖4、圖5可以看出，管底由于靠近下支座，撓度較小，可忽略不計(jì)。當(dāng)荷載在約20 kN/m范圍內(nèi)時(shí)，撓度與荷載呈線性關(guān)系。隨著荷載增加，管壁出現(xiàn)裂紋，進(jìn)入彎曲強(qiáng)化階段。無筋管和有筋管在強(qiáng)化階段均產(chǎn)生較大的變形，無筋管僅依靠鋼纖維控制裂紋張開，而有筋管由于鋼纖維和鋼筋的協(xié)同作用，使得有筋管在強(qiáng)化階段產(chǎn)生的變形更大，且有筋管的破壞荷載（即峰值）也高于無筋管。在持載階段撓度基本保持不變，說明裂紋在持載時(shí)能保持穩(wěn)定。荷載達(dá)到峰值后下降明顯，可以聽到由于鋼纖維被拔出的聲音。

無筋管和有筋管的破壞荷載分別為27.43、68.71 kN/m，后者為前者的2.5倍。根據(jù)GB/T 11836—2009《混凝土和鋼筋混凝土排水管》規(guī)定的管內(nèi)徑為400 mm（標(biāo)準(zhǔn)中無375 mm管，此處選400 mm管對(duì)比）RCP的承載力要求，有筋UHPFRC管的承載力高于Ⅲ級(jí)RCP的要求，而無筋UHPFRC管的承載力在Ⅰ～Ⅱ級(jí)RCP之間。因此，采用無筋UHPFRC管也可達(dá)到較低等級(jí)的RCP承載力的要求。如果采用有筋UHPFRC管，其承載力大幅度提升，有利于降低管的壁厚和自重。按GB/T 11836—2009規(guī)定，內(nèi)徑為400 mm、Ⅲ級(jí)RCP的壁厚應(yīng)大于40 mm，而類似內(nèi)徑和強(qiáng)度的有筋UHPFRC管的壁厚僅為25 mm。

在變形能力方面，圖4和圖5中，到達(dá)破壞荷載時(shí)，有筋管管頂、管腰的撓度分別為26.0、7.0 mm；而無筋管管頂、管腰的撓度分別為7.5、3.0 mm。有筋管管頂撓度約為無筋管的3.5倍。根據(jù)GB/T 5352—2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料管平行板外載性能試驗(yàn)方法》，如以管徑變形率λ（簡稱為變形率）來描述管的變形能力，即：

式中：Δt——管頂撓度，mm；

Di——管環(huán)內(nèi)徑，mm；

t——管壁厚度，mm。

根據(jù)式（1）可得，有筋管和無筋管的變形率分別為6.5%和1.9%。一般地，RCP在TEBT測試時(shí)，變形率低于2%時(shí)管即發(fā)生破壞[12]?？梢?，有筋管的變形率遠(yuǎn)高于2%。Park等[13]認(rèn)為，當(dāng)管的變形率在3%以上時(shí)可使纖維增強(qiáng)混凝土類管材在埋地后呈現(xiàn)非剛性混凝土管的特征，非剛性混凝土管可獲得來自周圍土的支撐力，且管剛度高于普通的柔性管（如金屬波紋管、HPDE管、玻璃纖維增強(qiáng)塑料管等）。

由圖4、圖5還可見，有筋管和無筋管達(dá)到破壞載荷后，并沒有立即失去承載能力，曲線呈現(xiàn)緩慢軟化現(xiàn)象。

2.3 應(yīng)變

圖6和圖7分別為有筋管和無筋管在管頂、管腰、管底處的應(yīng)變變化曲線。管頂內(nèi)壁、管腰外壁和管底內(nèi)壁為拉應(yīng)變，管頂外壁、管腰內(nèi)壁和管底外壁為壓應(yīng)變。

圖6 有筋管管頂、管底和管腰的應(yīng)變變化曲線

圖7 無筋管管頂、管底和管腰的應(yīng)變變化曲線

由圖6、圖7可見，在荷載約為20 kN/m范圍內(nèi)時(shí)，管頂、管腰以及管底的應(yīng)變與荷載均呈線性，與荷載-撓度曲線一致。隨著荷載的不斷增加，管壁出現(xiàn)裂縫，受拉區(qū)應(yīng)變片失效，未能測出達(dá)到破壞荷載時(shí)的拉應(yīng)變。當(dāng)達(dá)到破壞荷載時(shí)，有筋管管頂、管腰和管底處的壓應(yīng)變分別為-2790 με、-2320 με和-3170 με。而無筋管管頂、管腰和管底處的壓應(yīng)變分別為-930 με、-1320 με和-1810 με。總之，有筋管的最大拉、壓應(yīng)變均大于無筋管，這是由于鋼筋和鋼纖維的共同作用提高了管的變形能力。

2.4 裂紋分布及寬度

圖8 有筋管和無筋管裂紋照片

有筋管初裂發(fā)生在管腰處，初裂荷載為12.18 kN/m，隨后在管腰表面可以觀察到較多的細(xì)裂紋產(chǎn)生，如圖8（a）所示；無筋管初裂荷載為10.25 kN/m。但裂紋數(shù)目較少，如圖8（b）所示，裂紋寬度擴(kuò)展較快，達(dá)到破壞荷載時(shí)，裂紋寬度較大。與RCP類似，在管底和管頂內(nèi)壁、管腰外壁出現(xiàn)4條主裂紋。

圖9為有筋管管底內(nèi)壁1條裂紋寬度的擴(kuò)展情況。

圖9 不同荷載下有筋管的裂紋照片

由圖9可見，當(dāng)荷載為49.40 kN/m時(shí)，管底裂紋寬度僅為0.05 mm；當(dāng)荷載為57.40 kN/m時(shí)，裂紋寬度為0.11 mm；當(dāng)荷載增加到60.81 kN/m時(shí)，裂紋寬度為0.17 mm；當(dāng)達(dá)到破壞荷載附近時(shí)，即荷載為63.37 kN/m，裂縫寬度為0.24 mm。局部裂紋的寬度隨荷載增加而增大。

3 結(jié)論

（1）在三邊承載實(shí)驗(yàn)條件下，鋼筋增強(qiáng)UHPFRC管的承載能力和管頂撓度分別為無筋UHPFRC管的2.5倍和3.5倍。鋼筋增強(qiáng)UHPFRC管的變形率為6.5%，埋地后能呈現(xiàn)非剛性混凝土管的特征。

（2）達(dá)到相同管強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，鋼筋增強(qiáng)UHPFRC管的管壁厚度要低于普通鋼筋混凝土管，是一種薄壁管。

（3）達(dá)到破壞荷載時(shí)，鋼筋增強(qiáng)UHPFRC管的拉、壓應(yīng)變均高于無筋UHPFRC管。鋼筋增強(qiáng)UHPFRC管呈現(xiàn)多裂紋開裂特征，裂紋的寬度隨荷載增加而增加。