程 鵬，吳方紅，曾彥欽，時(shí)豫川

(武漢大學(xué)， 湖北 武漢 430072)

UHPC是一種新型混凝土，具有強(qiáng)度高[1],延性好，耐久性優(yōu)異[2]等優(yōu)點(diǎn)，可大幅度提高結(jié)構(gòu)的承載能力及使用壽命，減小構(gòu)件截面尺寸。UHPC自問(wèn)世以來(lái)，不斷被應(yīng)用于各類(lèi)工程實(shí)踐中，但由于其成本較高，干縮較大，制造程序復(fù)雜，其應(yīng)用發(fā)展遠(yuǎn)低于預(yù)期[3]。

通過(guò)在UHPC中適當(dāng)摻入粗骨料，可有效降低其生產(chǎn)成本，減小養(yǎng)護(hù)過(guò)程中UHPC的干縮，提高UHPC的工程應(yīng)用性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)UHPC的配合比與基本力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的成果[4-10]，同時(shí)對(duì)含粗骨料的UHPC也進(jìn)行了相應(yīng)研究。朋改非等[11]對(duì)含粗骨料UHPC的抗壓強(qiáng)度影響因素進(jìn)行了研究。Liu等[12]研究了粗骨料摻量對(duì)UHPC抗拉性能的影響。Li等[13]對(duì)加入玄武巖的UHPC的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。但關(guān)于在不同粗骨料質(zhì)量摻量和不同鋼纖維摻量下UHPC的抗彎性能及其破壞機(jī)理的分析，研究尚少。

混凝土的抗彎性能[14-15]是混凝土的重要力學(xué)性能之一，是研究混凝土構(gòu)件及結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。因此，開(kāi)展含粗骨料UHPC的抗彎性能研究，對(duì)豐富UHPC基礎(chǔ)理論研究具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)、制作了7組摻入粗骨料的UHPC，對(duì)含粗骨料的UHPC的配合比和抗彎性能進(jìn)行研究，分析粗骨料質(zhì)量摻量及鋼纖維體積摻量對(duì)其抗彎強(qiáng)度，彎曲韌性的影響，可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

為分析粗骨料質(zhì)量摻量和鋼纖維體積摻量對(duì)UHPC抗彎性能的影響，本文選取粗骨料的質(zhì)量摻量為0%、15%、30%、40%，均為粗骨料質(zhì)量占全部試驗(yàn)材料總質(zhì)量的比例，鋼纖維體積摻量為0%、1%、2%、3%，共設(shè)計(jì)制作了21個(gè)梁試件，分為7組，每組3個(gè)試件，尺寸統(tǒng)一為100 mm×100 mm×400 mm。

1.2 試驗(yàn)材料選用

膠凝材料選用(P.O.52.5)普通硅酸鹽水泥、I級(jí)粉煤灰和硅灰，其組成成分見(jiàn)表1；采用細(xì)度模數(shù)為2.8的中砂；粗骨料均采用連續(xù)性級(jí)配，粒徑為5 mm～20 mm的花崗巖碎石，其級(jí)配曲線見(jiàn)圖1；鋼纖維采用鍍銅平直型纖維，長(zhǎng)度為12 mm，直徑為0.2 mm，抗拉強(qiáng)度>2 000 MPa；減水劑采用減水率為25%的聚羧酸高效減水劑。

圖1粗骨料級(jí)配曲線

1.3 配合比設(shè)計(jì)

基于《活性粉末混凝土》[16](GB/T 31387—2015)等規(guī)范及國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)論[17-18]，本文試驗(yàn)的設(shè)計(jì)配合比如表2所示。所有試件均在同一條件下澆筑和養(yǎng)護(hù)(在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d)。

表1 膠凝材料XRF成分分析 單位：%

表2 UHPC配合比

注：U表示UHPC,R表示粗骨料摻量，中間數(shù)字表示粗骨料質(zhì)量摻量百分比，末尾S表示鋼纖維體積摻量，末尾數(shù)字表示鋼纖維體積摻量大小。UR30S2表示粗骨料質(zhì)量摻量為30%，鋼纖維體積摻量為2%。

1.4 加載裝置與制度

選用最大載荷為300 kN的MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，利用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置進(jìn)行加載，如圖2所示。支座跨度為300 mm，并在兩側(cè)中心安裝位移計(jì)測(cè)量試件跨中撓度值，試件撓度值取兩個(gè)位移計(jì)讀數(shù)的平均值。

圖2試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)加載制度采用位移加載控制制度，加載速率為0.1 mm/min，加載至試件完全破壞時(shí)停止加載。為了便于觀察裂縫開(kāi)展，在試件加載開(kāi)始前對(duì)其外表面進(jìn)行了粉刷，試驗(yàn)時(shí)首先將試件置于支座上并對(duì)中，位移傳感器對(duì)稱(chēng)安置于試件跨中，然后開(kāi)始正式加載。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)所得荷載-撓度曲線如圖3所示(每個(gè)試驗(yàn)組取其中最具代表性的一條)。

圖3荷載-撓度曲線

對(duì)于未摻入鋼纖維的試件，荷載-擾度曲線僅包含彈性段，當(dāng)荷載達(dá)到初裂荷載時(shí)，純彎段出現(xiàn)裂縫，試件迅速沿裂縫斷裂，失去承載能力，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，如圖4所示。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)粗骨料質(zhì)量摻量的改變對(duì)試件破壞形態(tài)并無(wú)明顯影響。

圖4脆性破壞

在粗骨料質(zhì)量摻量為30%的試驗(yàn)組中加入鋼纖維，其荷載-撓度曲線大致分為三個(gè)階段，第一階段曲線仍為彈性階段，當(dāng)荷載達(dá)到比例極限時(shí)，在純彎段出現(xiàn)主裂縫；第二階段為裂紋擴(kuò)展階段，此時(shí)荷載增速減慢，曲線斜率明顯減小，主裂縫不斷沿豎向擴(kuò)展，并發(fā)出纖維拔出的聲響；第三階段為破壞階段，當(dāng)荷載達(dá)到極限抗彎強(qiáng)度后，荷載隨著撓度的增大而減小，曲線逐漸下降，下降時(shí)主要由鋼纖維抵抗裂縫開(kāi)展。加入鋼纖維后試件均表現(xiàn)為延性破壞，如圖5所示，且鋼纖維體積摻量提高，試件極限抗彎強(qiáng)度增大。

圖5延性破壞

2.2 彎曲初裂強(qiáng)度分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)每組試件的初裂荷載Fcr、初裂撓度δcr、峰值荷載Fc、峰值撓度δc取平均值，結(jié)果如表3所示。

采用文獻(xiàn)[9]中的公式計(jì)算試件的彎曲初裂強(qiáng)度f(wàn)cr：

(1)

式中：Fcr為初裂荷載，對(duì)于無(wú)鋼纖維試件，取峰值荷載，加入鋼纖維試件，取拐點(diǎn)處荷載；L為試件跨距，本文試驗(yàn)為300mm；b、h分別為試件寬度與高度，本文試驗(yàn)均為100 mm。

表3 力學(xué)性能指標(biāo)

由計(jì)算結(jié)果分析可知：

對(duì)于不摻入鋼纖維的試件，當(dāng)粗骨料質(zhì)量摻量從0%增加到15%時(shí)，試件彎曲初裂強(qiáng)度不斷減??；當(dāng)粗骨料質(zhì)量摻量從15%增加到30%時(shí)，試件彎曲初裂強(qiáng)度先減小后增大(存在彎曲初裂強(qiáng)度最小值)；當(dāng)粗骨料質(zhì)量摻量從30%增加到40%時(shí)，試件彎曲初裂強(qiáng)度不斷增大。這是由于當(dāng)開(kāi)始加入粗骨料時(shí)，膠凝材料的體積會(huì)不斷減小，同時(shí)粗骨料與基體之間薄弱界面會(huì)不斷增大，從而降低了試件的彎曲初裂強(qiáng)度；但隨著粗骨料質(zhì)量摻量不斷提高，試件中粗骨料承載比重會(huì)逐漸增加，由于粗骨料強(qiáng)度高于水泥基體強(qiáng)度，使得試件彎曲初裂強(qiáng)度開(kāi)始逐漸增大。

在粗骨料質(zhì)量摻量30%的試件中摻入鋼纖維，試件彎曲初裂強(qiáng)度隨鋼纖維體積摻量的增加有顯著提高。這是由于鋼纖維的橋接作用，抑制了裂紋的擴(kuò)展，提高了基體的承載能力，使得試件彎曲初裂強(qiáng)度增大。鋼纖維體積摻量提高1%，彎曲初裂強(qiáng)度增幅為12%～15%，當(dāng)鋼纖維體積摻量為3%時(shí)，彎曲初裂強(qiáng)度最大。

2.3 極限抗彎強(qiáng)度分析

進(jìn)一步分析含粗骨料的UHPC抗彎承載力，按式(2)計(jì)算試件的極限抗彎強(qiáng)度f(wàn)c，

(2)

式中：Fc為峰值荷載，對(duì)于無(wú)鋼纖維試件，其峰值荷載與初裂荷載相同。

由于不摻入鋼纖維試件的極限抗彎強(qiáng)度f(wàn)c與彎曲初裂強(qiáng)度f(wàn)cr相同，粗骨料質(zhì)量摻量對(duì)極限抗彎強(qiáng)度的影響與2.2中相同，此處不再贅述；對(duì)于摻入鋼纖維的試件，其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)鋼纖維體積摻量從0%增加到3%時(shí)，試件極限抗彎強(qiáng)度不斷提高；當(dāng)鋼纖維摻量從0%增加到1%時(shí)，極限抗彎強(qiáng)度提高28%，增幅最大。這是由于試件開(kāi)裂時(shí)鋼纖維的橋接作用抑制了混凝土裂縫的張開(kāi)和擴(kuò)展，從而極大提高了試件的抗彎強(qiáng)度。

圖6極限抗彎強(qiáng)度

隨著剛纖維摻量繼續(xù)增加，極限抗彎強(qiáng)度增幅逐漸減小，鋼纖維摻量從2%增加到3%時(shí)，極限抗彎強(qiáng)度提高5%，鋼纖維增強(qiáng)對(duì)極限抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)作用較小。這是由于當(dāng)鋼纖維增多后，其在混凝土基體中易發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，不能均勻地分散在基體中，使得鋼纖維在裂縫開(kāi)展時(shí)不能充分發(fā)揮其橋接作用，因此極限抗彎強(qiáng)度增幅較小。

2.4 彎曲韌性指數(shù)分析

根據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法》[19](CECS13:2009)中彎曲韌性的評(píng)定方法，在荷載-撓度曲線中按初裂撓度的倍數(shù)3δcr確定計(jì)算點(diǎn)，依照式(3)計(jì)算出彎曲韌性指數(shù)η3，以此評(píng)價(jià)材料彎曲韌性，

(3)

式中：SOAB撓度達(dá)到初裂撓度δcr時(shí)曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積；SOACD為撓度達(dá)到3倍初裂撓度3δcr時(shí)曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積，如圖7所示。

圖7計(jì)算示意圖

對(duì)于未摻入鋼纖維的試件，由于荷載達(dá)到初裂荷載后試件立即破壞，因此按公式(3)計(jì)算所得彎曲韌性指數(shù)均為1。以3個(gè)試件計(jì)算值的算術(shù)平均數(shù)值作為該組試件的彎曲韌性指數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 彎曲韌性指數(shù)

基于計(jì)算結(jié)果可知，在含粗骨料的UHPC中摻入鋼纖維可以顯著提高材料延性，使材料由脆性材料變成延性材料。對(duì)于理想彈塑性材料，超過(guò)初裂荷載后荷載-撓度曲線為水平直線，由式(3)所得彎曲韌性指數(shù)為5，在三種鋼纖維體積摻量下，材料的彎曲韌性指數(shù)都超過(guò)了理想彈塑性材料的彎曲韌性指數(shù)，均具有較高的彎曲韌性。

當(dāng)鋼纖維體積摻量由1%提高至2%時(shí)，材料彎曲韌性達(dá)到最高，由2%提高至3%時(shí)，彎曲韌性有較為明顯的降低，這是由于摻入較多鋼纖維后，進(jìn)行攪拌時(shí)鋼纖維不易分散，鋼纖維在水泥基體中會(huì)發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，不能充分發(fā)揮鋼纖維在裂縫開(kāi)展時(shí)的橋接作用，使得材料彎曲韌性降低，這與2.3中規(guī)律相同。建議工程中鋼纖維體積摻量取2%為宜。

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)粗骨料質(zhì)量摻量從0%提高至40%時(shí)，對(duì)于未摻入鋼纖維的含粗骨料的UHPC，材料的彎曲初裂強(qiáng)度先減小后增大，粗骨料質(zhì)量摻量在15%～30%時(shí)出現(xiàn)最小值，且材料在達(dá)到彎曲初裂強(qiáng)度后立即破壞，為脆性破壞。

(2) 當(dāng)鋼纖維體積摻量從1%提高至3%時(shí)，對(duì)于粗骨料質(zhì)量摻量為30%的UHPC，材料的彎曲初裂強(qiáng)度及極限抗彎強(qiáng)度隨鋼纖維體積摻量的提高而增大，且材料均為延性破壞，鋼纖維體積摻量在2%左右時(shí)材料彎曲韌性最高。