徐騰飛， 張子飏， 卞香港， 劉志峰

（1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 600031；2.蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；3.保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510030）

超高性能混凝土（UHPC）作為一種力學(xué)性能與耐久性能更為優(yōu)異的新型水泥基復(fù)合材料，與普通混凝土相比可以增加結(jié)構(gòu)的跨度并減小結(jié)構(gòu)的橫截面，因此，基于UHPC有望研發(fā)出更經(jīng)濟、更環(huán)保、更堅固、更耐久的高性能結(jié)構(gòu)。此外，UHPC具有早齡期強度高、強度增長速度快等特點，可顯著加快施工的進(jìn)度、減少工期。隨著雙碳戰(zhàn)略的實施，UHPC在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁方面越來越受到關(guān)注［1］。

徐變是水泥基材料的固有屬性，是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)長期行為的重要影響因素。根據(jù)持久應(yīng)力水平的不同，混凝土存在線性徐變、收斂型非線性徐變與發(fā)散型非線性徐變這3種徐變行為。針對線性徐變行為的研究，可以建立工程用的混凝土徐變模型，用于混凝土結(jié)構(gòu)長期行為預(yù)測。針對收斂型非線性徐變的研究，可以獲得非線性徐變閾值與持久狀況下混凝土的準(zhǔn)永久應(yīng)力限值［2］。針對發(fā)散型非線性徐變的研究，可以確定混凝土的長期強度。當(dāng)前，UHPC 的徐變研究主要集中在應(yīng)力水平低于40%抗壓強度的UHPC 線性徐變行為［3-9］。UHPC 的收斂型非線性徐變與發(fā)散型非線性徐變行為鮮有報道。在工程實踐中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件也會存在局部高應(yīng)力作用的情況，如：在張拉施工過程中施工不規(guī)范導(dǎo)致的鋼筋束端板周圍的混凝土承受短期高應(yīng)力、橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中體系轉(zhuǎn)換不合理也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受短期高應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)由短期意外荷載引起的短期高應(yīng)力的情況。研究UHPC在高應(yīng)力下的徐變行為有助于闡明短期徐變應(yīng)變及其與開裂、損傷和塑性的相互關(guān)系，進(jìn)而對于評估UHPC 在這些局部高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力重分布行為具有重大的意義［10-13］。

對于普通混凝土，國內(nèi)外學(xué)者研究了其在短期高應(yīng)力作用下的徐變破壞行為并給出了徐變閾值和長期荷載作用下的抗壓強度。Mazzotti 等［14］通過短期高應(yīng)力徐變試驗提出了高應(yīng)力水平下的徐變損傷模型，該模型可以考慮非線性黏滯應(yīng)變演化、混凝土內(nèi)微裂紋形成與時變擴展等諸多因素。劉國軍等［15］研究了混凝土單軸受壓時的徐變損傷行為，揭示了高應(yīng)力下混凝土內(nèi)部徐變損傷的演變規(guī)律。Ruiz等［10］研究了高壓應(yīng)力下混凝土非線性徐變與開裂之間的關(guān)系，提出了一個物理模型來解釋混凝土徐變破壞的機理。綜上所述，目前的研究認(rèn)為普通混凝土的短期高應(yīng)力持續(xù)作用下的損傷和失效行為與混凝土內(nèi)部微裂縫的開展密切相關(guān)。對于UHPC 而言，其配比中含有鋼纖維，鋼纖維可以約束混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展，其是否會影響UHPC 在高持久應(yīng)力水平下的損傷與失效行為有待進(jìn)一步研究。

為了探明超高性能混凝土（UHPC）在持續(xù)高水平壓應(yīng)力下的損傷與失效機理以及鋼纖維的影響，對28 天齡期的UHPC 與普通混凝土試件開展了高應(yīng)力短期持續(xù)作用下?lián)p傷與失效試驗，分析了UHPC與普通混凝土在短期高應(yīng)力持續(xù)作用下的損傷模式。通過徐變系數(shù)、名義泊松比、超聲波無損檢測與掃描電子顯微鏡（SEM）等手段研究了鋼纖維的加入對UHPC短期高應(yīng)力持續(xù)作用下?lián)p傷與失效的影響，給出了短期高應(yīng)力持續(xù)作用下UHPC 損傷與失效機理。

1 高應(yīng)力短期作用下UHPC損傷與失效試驗

1.1 原料及配合比

試驗使用的超高性能混凝土（UHPC）采用滿足《公路超高性能混凝土（UHPC）橋梁技術(shù)規(guī)程》［16］中UC120 強度等級要求的預(yù)拌料。該預(yù)拌料由水泥、硅灰、石英砂、超塑化劑、高效減水劑、鋼纖維等組成。預(yù)拌料中的鋼纖維是由端鉤型與平直型2類纖維構(gòu)成，其總體積占比為2.0%。其中，長13mm、直徑0.2mm 的端鉤型鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.6%；長13mm、直徑0.2mm 的平直型鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.4%。

超高性能混凝土材料配合比如表1 所示，材料的水膠比為0.18。

表1 超高性能混凝土配合比Tab.1 Mix of UHPC

試驗使用的普通混凝土由水泥、機制砂、石子、粉煤灰、礦渣與減水劑等組成，其配合比如表2 所示，材料的水灰比為0.31。

表2 普通混凝土配合比Tab.2 Mix of normal strength concrete

1.2 試件制作與力學(xué)性能

在制作試件時，按配合比稱取相應(yīng)的材料后倒入攪拌鍋內(nèi)，干拌2min使混合料混合均勻。然后將水與減水劑混合后加入攪拌鍋內(nèi)，拌合4min。拌合完畢后將材料澆入試模制成試件。澆鑄成型后，用塑料膜密封試件，24h后對試件脫模。試件脫模后在溫度為20±2℃、相對濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中覆膜養(yǎng)護。

在高應(yīng)力短期持荷試驗前，對28d 齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試件進(jìn)行了力學(xué)性能測試，確定了材料的抗壓強度與彈性模量。測試的試件為直徑100mm、高度200mm的圓柱體試件。UHPC與普通混凝土28d齡期的抗壓強度與彈性模量如表3所示。

表3 28天齡期材料的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of materials aged 28days

1.3 短期高應(yīng)力持荷試驗設(shè)計

混凝土高應(yīng)力短期持續(xù)作用下?lián)p傷與失效試驗共設(shè)計有4 類14 組52 個試件。其中第1 類為對照組，試件將單調(diào)加載直至破壞。這些試件被命名為XM，其中：X 表示材料類型（U：UHPC 或N：普通混凝土），M 表示單調(diào)加載。例如：“UM”表示UHPC試件在28d齡期單調(diào)加載至破壞。

第2類為不持荷循環(huán)加卸載組，包括加載、卸載和再加載3 個步驟。這些試件被命名為UCXXC0，其中：第1 個C 代表持力荷載；XX 是指初始荷載中的初始應(yīng)力大小（0.60fc、0.70fc或0.80fc）；第2個C表示徐變，0 表示無徐變階段。例如：“UC70C0”表示UHPC 試件在28 天齡期時加載到0.70fc，然后立即卸載，再單調(diào)加載直至試件破壞。

第3 類為高應(yīng)力短期持續(xù)作用下?lián)p傷試驗組，包括加載、持荷、卸載和再加載4個步驟。這些試件被命名為UCXXCYY，其中：第1個C代表持力荷載水平；第2個C代表持載徐變。XX是指初始荷載中的初始應(yīng)力大小（0.60fc、0.70fc或0.80fc）；YY是指經(jīng)持載徐變之后卸載時總應(yīng)變與對應(yīng)單調(diào)加載試件破 壞 時 的 峰 值 應(yīng) 變（εc）的 比 值（0.70εc、0.80εc、0.90εc或0.95εc）。例如：“UC90C95”表示在28 天齡期時加載至0.90fc的UHPC 試件，保持荷載直到總應(yīng)變等于峰值應(yīng)變的95%后卸載，最后再單調(diào)加載直至破壞。

第4 類為高應(yīng)力短期持續(xù)作用下失效試驗組，包括加載、持荷2 個步驟，這些試件被命名為XYY。其中：X 表示材料類型（U：UHPC 或N：普通混凝土），YY表示初始荷載中的初始應(yīng)力大?。?.85fc或0.95fc）。例如：“U85”表示UHPC 試件在28d 齡期被加載到0.85fc的荷載水平并持荷直至失效。

表4給出了短期高應(yīng)力持荷試驗試件參數(shù)。

表4 短期高應(yīng)力持荷試驗試件參數(shù)Tab.4 Specimen parameters of short-term highstress test

試驗采用3 000kN 萬能試驗機進(jìn)行加載，加載速率為0.8MPa·s-1。短期高應(yīng)力持荷試驗的測量裝置布置如圖1 所示。在試驗過程中，圓柱體試件的軸向應(yīng)變使用設(shè)置于試件兩側(cè)的2 個標(biāo)距長度為120mm 的 LVDT （Linear Variable Differential Transformer）與2 個軸向應(yīng)變片進(jìn)行同步測量。環(huán)向應(yīng)變則通過設(shè)置與試件對側(cè)的6個環(huán)向應(yīng)變片進(jìn)行測量。LVDT與應(yīng)變片均連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并以10Hz的頻率記錄測試數(shù)據(jù)。

圖1 加載與測量裝置（單位：mm）Fig.1 Loading and measurement configurations（unit：mm）

2 試驗結(jié)果

2.1 試件破壞形態(tài)

第1 組（UM 與NM）試件與第4 組（U85、U95 與N95）試件分別采用單調(diào)瞬時加載方式與高應(yīng)力持荷加載方式導(dǎo)致構(gòu)件破壞，圖2 給出了破壞后不同材料與不同加載方式的破壞形態(tài)。

圖2 超高性能混凝土與普通混凝土試件破壞模式Fig.2 Failure modes of UHPC and normal concrete specimens

對比2種加載方式，可以明顯發(fā)現(xiàn)，UHPC 試件與普通混凝土試件在高應(yīng)力持荷加載下均發(fā)生了明顯的橫向膨脹。這表明，在高應(yīng)力的持續(xù)作用下，試件內(nèi)部產(chǎn)生了微裂縫且持續(xù)發(fā)展，從而引發(fā)了橫向膨脹；當(dāng)橫向膨脹達(dá)到一定程度時，試件發(fā)生破壞。

對比UHPC 與普通混凝土試件，UHPC 試件相對完整，沒有明顯的混凝土塊剝落現(xiàn)象。這是因為UHPC 內(nèi)部的鋼纖維具有橋接效應(yīng)，可以限制試件內(nèi)部的微裂縫擴展，從而也約束了UHPC 的橫向膨脹。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

式中：εˉ和σˉ分別為標(biāo)準(zhǔn)化后量綱為一應(yīng)變和量綱為一應(yīng)力；σ0和ε0分別為試件的測試應(yīng)力與測試應(yīng)變。

表5給出了各個試件單調(diào)加載階段結(jié)束時應(yīng)變εA、卸載前應(yīng)變εB、殘余應(yīng)變εC與相對殘余應(yīng)變εC/εB。圖3給出了測試試件標(biāo)準(zhǔn)化后的量綱為一應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

圖3 短期高應(yīng)力持荷試驗試件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Strain-stress relationship of specimens at short-term high sustained stress loading

表5 短期高應(yīng)力持荷試驗試件的平均應(yīng)變Tab.5 Average strain of specimens at short-term high sustained stress loading

圖3a—3c 為UHPC 單調(diào)加載與無持荷循環(huán)加載試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對比。由圖可以看出，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平為0.70fc時，UHPC 試件基本處于彈性狀態(tài)，其卸載后殘余應(yīng)變約為零，再次加載后，強度與彈性模量基本保持不變；當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平為0.80fc與0.90fc時，UHPC 表現(xiàn)出一定的塑性狀態(tài)，但基本無損傷，其卸載后具有約4%的相對殘余應(yīng)變，但再次加載后，強度與彈性模量仍然基本保持不變。

圖3d—3f為UHPC單調(diào)加載與持荷后循環(huán)加載試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對比。由圖可以看出，由于荷載的持續(xù)作用，各個試件均產(chǎn)生了明顯的徐變塑性變形，并具有一定的殘余應(yīng)變。不同的持荷應(yīng)力水平導(dǎo)致UHPC試件不同程度的損傷。當(dāng)持荷應(yīng)力水平為0.60fc時，卸載后再次加載的強度與剛度基本保持不變，徐變效應(yīng)主要體現(xiàn)為徐變塑性變形；當(dāng)持荷應(yīng)力水平為0.70fc時，卸載后再次加載的強度與剛度略有降低，構(gòu)件發(fā)生輕微損傷；當(dāng)持荷應(yīng)力水平為0.80fc與0.90fc時，卸載后再次加載的強度有一定程度的降低，再次加載與卸載路徑出現(xiàn)顯著偏離，再次加載的剛度顯著下降，構(gòu)件損傷較為嚴(yán)重，徐變效應(yīng)中徐變損傷的比例逐步提高。同時，從表5 中可以發(fā)現(xiàn)，隨著持荷應(yīng)力水平的提高，相對殘余應(yīng)變逐漸降低。這也表明，隨著持久應(yīng)力水平的提高，徐變損傷效應(yīng)逐漸增強，徐變塑性效應(yīng)逐步減弱。此外，對比無持荷循環(huán)加載試件與持荷后循環(huán)加載試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以推斷，UHPC的損傷（循環(huán)加載強度與彈性模量降低）是由于高應(yīng)力持荷引起的。

圖3g—3i給出了UHPC與普通混凝土的單調(diào)加載與持荷加載直至破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖可以看出，UHPC在持荷加載下，破壞應(yīng)變均小于單調(diào)加載的峰值應(yīng)變，而普通混凝土的破壞應(yīng)變則大于單調(diào)加載的峰值應(yīng)變。UHPC的高強高韌主要原因是水泥基體的致密性與鋼纖維對水泥基體的橋接約束作用。在高應(yīng)力作用下（0.85fc與0.95fc），兩者性能均已充分發(fā)揮。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)應(yīng)力作用下，鋼纖維與水泥基體逐漸剝離?？梢酝茢?，高持續(xù)應(yīng)力作用破壞時，鋼纖維與水泥基體的黏結(jié)被破壞，橋接約束作用突然消失，UHPC的破壞體現(xiàn)出極強的脆性。

3 高持續(xù)應(yīng)力短期作用損傷與失效分析

3.1 徐變應(yīng)變

圖4 給出了高應(yīng)力持荷階段普通混凝土試件（N95）與UHPC 試件（U95）的軸向應(yīng)變與環(huán)向應(yīng)變隨時間的發(fā)展情況。由圖可以看出，在高持續(xù)應(yīng)力的作用下，普通混凝土與UHPC 試件在很短的時間內(nèi)就發(fā)生了破壞（N95 構(gòu)件持荷95 s，U95 構(gòu)件持荷352 s）；在破壞前兩者環(huán)向應(yīng)變均有顯著增長。這再次表明，在高持續(xù)應(yīng)力作用下，構(gòu)件內(nèi)部微裂縫持續(xù)擴展，并發(fā)生橫向膨脹。同時，普通混凝土與UHPC的對比可以看出，鋼纖維的橋接約束作用有效抑制了UHPC 試件內(nèi)的微裂縫擴展，使UHPC 試件的失效持時比普通混凝土延長了3倍左右。

圖4 高持續(xù)應(yīng)力短期作用下普通混凝土試件與超高性能混凝土試件的徐變應(yīng)變Fig.4 Creep strains of UHPC and normal concrete specimens at short-term high sustained stress loading

3.2 名義泊松比

在單向軸力的作用下，介質(zhì)除發(fā)生軸向變形外，還會發(fā)生橫向變形，即泊松效應(yīng)，其中橫向變形與軸向變形的比值稱為泊松比。對于混凝土而言，在軸向壓力作用下，除泊松效應(yīng)導(dǎo)致的橫向膨脹外，還可能因為內(nèi)部微裂縫擴展而引發(fā)橫向變形，因此混凝土的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值可以定義為名義泊松比，并用于表征混凝土的損傷和微裂縫擴展［17］。根據(jù)定義，圓柱體的泊松比可寫為負(fù)的徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比，即

式中：εr與εl分別為圓柱體試件的徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變。圓柱體的徑向應(yīng)變很難測量，但根據(jù)式（3）可知，環(huán)向應(yīng)變εa與徑向應(yīng)變εr是等價的，即

則圓柱體混凝土的名義泊松比μ可由環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的負(fù)比值來表示，即

圖5給出了高應(yīng)力持荷前后試件的名義泊松比變化。如圖5 所示，無論是UHPC 試件還是普通混凝土，在持續(xù)荷載作用前均具有類似的泊松比，其值為0.18～0.19，但在持續(xù)高應(yīng)力的作用下試件的名義泊松比均有了顯著的增長，這可以定量表征在持續(xù)高應(yīng)力作用下試件內(nèi)部的微裂縫擴展情況。表6定量給出了高應(yīng)力持荷前后名義泊松比的變化情況?？傮w而言，名義泊松比隨著持久應(yīng)力水平與徐變應(yīng)變的增長而增大。對比普通混凝土與UHPC試件，普通混凝土在徐變破壞前的名義泊松比增長了215.8%，達(dá)到0.6。這表明普通混凝土內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了大量微裂縫，其名義泊松比已經(jīng)超過了連續(xù)介質(zhì)的泊松比上限0.5。反觀UHPC，其在持久應(yīng)力作用下，名義泊松比也有明顯增長，但鋼纖維的橋接約束作用限制了裂縫擴展，其最大名義泊松比僅為0.28。

圖5 持荷前后試件的名義泊松比Fig.5 Nominal Poisson's ratio of specimens before and after sustained loading

表6 持荷前后試件的名義泊松比對比Tab.6 Comparison of Nominal Poisson's ratio of specimens before and after sustained loading

3.3 超聲波無損檢測

超聲波檢測是一種評價混凝土材料內(nèi)部損傷的常用無損檢測方法。當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫后，由于超聲波在混凝土和空氣中的傳播速率不同，因此可以通過超聲波傳播時間的變化來間接評估混凝土內(nèi)部的開裂損傷［18］。

研究選取了5 個循環(huán)加載損傷試件（UC90C0、UC60C70、UC70C80、UC80C90 與UC90C95）進(jìn)行超聲波無損檢測。如圖6 所示，在每一個試件的頂面與底面選取9 個對測點，將收發(fā)器放置于對應(yīng)位置對超聲波傳播時間進(jìn)行測量，并取測量結(jié)果的平均值作為持荷前后超聲波在混凝土內(nèi)部的平均傳播時間，即

圖6 超聲波無損檢測及測點布置Fig.6 Measuring point layout of ultrasonic testing

式中：Δτ為短期高應(yīng)力持荷后的超聲波傳播時間變化率；τ0k與τ1k為加載前與卸載后測區(qū)k測得的超聲波傳播時間。

圖7 給出了根據(jù)式（5）計算得到的超聲波傳播時間變化率?？芍?，與無持荷循環(huán)加卸載相比，持荷對UHPC的損傷影響更大。無持荷循環(huán)加卸載試件的最大應(yīng)力水平達(dá)到0.90fc時，其超聲波傳播時間變化率僅6%，表明其內(nèi)部損傷不明顯；而對于持荷循環(huán)加卸載試件而言，持久應(yīng)力水平從0.60fc變化至0.90fc時，其超聲波傳播時間變化率由8%增長至27%，表明持久應(yīng)力導(dǎo)致構(gòu)件持續(xù)損傷。

圖7 試件循環(huán)加載前后超聲波傳播時間變化率Fig.7 Rate of change in ultrasonic travel time of specimen before and after a loading cycle

3.4 纖維與混凝土基體微觀結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步分析短期高應(yīng)力持荷對鋼纖維與混凝土基體之間黏結(jié)的影響，對相同應(yīng)力水平作用下的不持荷循環(huán)加卸載試件（UC90C0）與持荷循環(huán)加卸載試件（UC90C95）進(jìn)行了SEM 分析。這2 組試件循環(huán)加卸載后，典型的纖維-水泥基體微觀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 未持荷試件與持荷試件的纖維-混凝土基體界面黏結(jié)情況Fig.8 Bonding details of fiber-matrix interface without and with sustained loading

由圖8可以看出，在未經(jīng)歷短期高應(yīng)力持荷時，UHPC 中鋼纖維與水泥基體之間的黏結(jié)良好，僅在少量界面上觀察到很小的縫隙，鋼纖維與水泥基體具有良好的黏結(jié)，因此再次加載時其強度與彈性模量均無明顯下降。但高應(yīng)力短期持荷后，多數(shù)鋼纖維與水泥基體之間的縫隙增長明顯，鋼纖維與水泥基體之間的黏結(jié)性能劣化。鋼纖維已經(jīng)無法限制水泥基體內(nèi)的微裂縫擴展，從而導(dǎo)致UHPC 的強度與彈性模量顯著下降，甚至引起UHPC的構(gòu)件失效。

4 結(jié)語

設(shè)計并開展了14 組52 個UHPC 與普通混凝土試件的徐變損傷與失效試驗，包括：2 組單調(diào)加載試件、3 組無持荷循環(huán)加卸載試件、6 組持荷循環(huán)加卸載試件與4 組持荷破壞試件。通過對破壞形態(tài)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、徐變應(yīng)變、名義泊松比、超聲波無損檢測與纖維微觀形態(tài)等分析，得出以下結(jié)論：

（1）高持續(xù)應(yīng)力的短期作用會導(dǎo)致UHPC 與普通混凝土試件內(nèi)部微裂縫擴展，引發(fā)構(gòu)件橫向膨脹，并最終導(dǎo)致構(gòu)件破壞。

（2）UHPC 中鋼纖維的橋接約束效應(yīng)可以很好地控制內(nèi)部微裂縫擴展，從而限制了構(gòu)件的橫向膨脹。在持荷加載前，UHPC 與普通混凝土具有類似的泊松比（0.18～0.19）；在持荷破壞時，UHPC的最大泊松比為0.28，而普通混凝土的最大泊松比達(dá)到0.6。

（3）當(dāng)持久應(yīng)力水平超過0.70fc時，徐變損傷開始出現(xiàn)，具體表現(xiàn)為循環(huán)加載的強度與彈性模量下降。隨著持久應(yīng)力水平的提升，鋼纖維與水泥基體的黏結(jié)出現(xiàn)損傷，鋼纖維無法約束試件內(nèi)部微裂縫的擴展，從而進(jìn)一步加劇了試件損傷，甚至導(dǎo)致了試件的破壞。

作者貢獻(xiàn)聲明：

徐騰飛：提供思路、研究支持與論文撰寫。

張子飏：實驗方案設(shè)計、數(shù)據(jù)分析與論文修訂。

卞香港：實驗開展與論文修訂。

劉志峰：工程設(shè)計與應(yīng)用指導(dǎo)。