含粗骨料超高性能混凝土的單軸受拉力學性能

李力劍， 劉素梅， 徐凡丁， 徐禮華

（1.武漢大學 土木建筑工程學院， 湖北 武漢 430072；2.江漢大學 精細爆破國家重點實驗室， 湖北 武漢 430056）

超高性能混凝土（UHPC）具有優異的力學性能和耐久性，可以滿足重大工程在極端環境下安全服役的需求［1?3］，自問世以來就不斷被應用于橋梁、建筑、海洋基礎設施等工程之中.傳統的UHPC具有膠凝材料用量大、生產成本高等缺點，在工程中的應用受到了一定的限制.在UHPC中摻入適量粗骨料（CA）不僅可以減少膠凝材料的用量［4］，降低工程造價，改善自收縮性能［5］，還可以提高UHPC的彈性模量和抗壓強度［6］.因此，含粗骨料超高性能混凝土（UHPC?CA）具有更加廣闊的應用前景.

UHPC的單軸抗壓強度與變形是其最基本的力學性能之一.它既是研究UHPC破壞機理和強度理論的主要依據，又直接影響UHPC構件的開裂、變形及耐久性.迄今，國內外學者考慮纖維摻量［7］、粗骨料摻量［8］和粒徑［9］等因素對UHPC?CA力學性能的影響并開展了較為豐富的研究工作，但研究成果主要集中于其受壓性能.由于受拉試驗的難度較大、試驗數據的離散性較高，目前對于UHPC?CA受拉力學性能的研究尚屬起步階段.Shi等［10］考慮鋼纖維摻量，研究了UHPC?CA單軸受拉的應力-應變關系，并建立了受拉本構方程.Liu等［11］進一步研究了粗骨料摻量對UHPC?CA單軸受拉性能的影響. 由此可見，現有研究并未對UHPC?CA的受拉破壞機理及鋼纖維、粗骨料對其受拉力學性能的作用機制展開深入探討.

本文考慮粗骨料摻量和鋼纖維特征參數等因素，通過單軸受拉試驗研究了UHPC?CA的單軸抗拉強度與變形，探討了鋼纖維增強的機理和粗骨料的作用機制，闡明了UHPC?CA單軸受拉破壞的機理，研究成果可以為其工程應用提供一定的支撐.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

原材料包括：P·O 52.5水泥、高爐礦粉、硅粉、粒徑0.212～0.425 mm的石英砂、5.0～10.0 mm的玄武巖、聚羧酸系減水劑（減水率（質量分數）＞35%）、鍍銅平直鋼纖維（抗拉強度2 750 MPa，直徑0.2 mm，長度分別為6、12、16 mm）.

根據文獻［12?13］，UHPC?CA單軸受拉試驗選用φ75×200 mm的圓柱體試件，主要考察因素為粗骨料摻量（體積分數，0%、10%、20%、30%）、鋼纖維摻量（體積分數，0%、1%、2%、3%）和長徑比（30、60、80），共設置10組試件，每組5個平行試件，編號方式為A+粗骨料摻量+S+鋼纖維摻量+R+鋼纖維長徑比.UHPC?CA的配合比見表1.

表1 UHPC-CA的配合比Table 1 Mix proportions of UHPC-CA

1.2 加載裝置

UHPC?CA受拉試驗在MTS?311.41加載系統上進行，夾具由鋼承臺、鋼環、連接套筒和球鉸組成（見圖1）.球鉸包含球頭碗和球頭連桿2部分，可以保證試件在加載過程中處于軸心受拉狀態.鋼承臺分為臺座和臺面，臺座留有直徑為15 mm的小孔，球頭碗與鋼承臺通過連接套筒和栓釘連接.試驗前，在鋼承臺下表面和鋼環上表面均勻涂抹高強度結構膠，將試件兩端插入高度為25 mm、內徑為77 mm的鋼環中；然后將鋼環內側和試件間的縫隙用結構膠填滿，用鐵夾固定后移入烘箱中站立放置，在55 ℃環境下烘烤8 h后取出并連接試驗機進行試驗.試驗采用位移控制加載模式，加載速率為0.000 6 mm/s，加載的同時實時記錄引伸計的位移讀數，采集頻率5 Hz.

圖1 夾具設計Fig.1 Fixture design（size： mm）

2 UHPC?CA的單軸受拉力學性能

2.1 破壞形態

圖2為UHPC?CA試件的破壞形態.由圖2可見：試件受拉破壞時有1條主裂縫，其方向與拉應力方向垂直；主裂縫周圍延伸出若干次級裂縫，其方向不固定，寬度較??；不摻粗骨料試件A00S2R60的主裂縫近似為直線，隨著粗骨料摻量的增加，主裂縫逐漸變為曲線，破壞斷面為不規則曲面，平整度逐漸降低，表明粗骨料會影響基體內部微裂紋的擴展路徑.

圖2 UHPC?CA試件的破壞形態Fig.2 Failure patterns of UHPC?CA specimens

圖3為UHPC?CA試件的破壞斷面.由圖3可見：

圖3 UHPC?CA試件的破壞斷面Fig.3 Failure surfaces of UHPC?CA specimens

（1）不摻鋼纖維試件A20S0的破壞斷面平整均勻；摻入鋼纖維后，試件破壞斷面的平整度較差，斷面上有混凝土剝落的痕跡.這表明鋼纖維有效抑制了宏觀主裂縫的擴展，改變了其擴展方向，當纖維發生界面破壞而逐漸脫黏時，連帶部分混凝土一同脫落.

（2）過高的粗骨料摻量會對鋼纖維的空間分布產生不利影響.當粗骨料摻量為30%時，試件破壞斷面有大量裸露的鋼纖維，且鋼纖維的分布不均勻，邊緣區域出現了鋼纖維結團現象（圖3（e））.

2.2 應力-應變曲線

圖4為UHPC?CA試件的單軸受拉應力-應變曲線.由圖4可見：

圖4 UHPC?CA試件的單軸受拉應力-應變曲線Fig.4 Uniaxial tensile stress?strain curves of UHPC?CA specimen

（1）當粗骨料摻量從0%增加到30%時，試件的初裂強度、峰值強度、裂后殘余強度和變形能力均有所下降，峰后應力突降幅度增大，這表明摻入粗骨料會增大UHPC的脆性.UHPC?CA試件在發生應力突降后仍具有較高的殘余強度，可以繼續受力.當粗骨料摻量達到30%時，試件的應力突降幅度超過50%.在曲線形態上，粗骨料摻量越小，曲線的應變硬化階段形狀越飽滿，應變硬化階段持續時間越長，這進一步證明粗骨料會削弱UHPC的延性.

（2）鋼纖維對UHPC?CA試件單軸受拉應力-應變曲線的影響顯著.未摻入鋼纖維試件的單軸受拉應力-應變曲線在經過線彈性段后發生斷裂破壞，應力陡降為0.而摻入鋼纖維后，試件會在初裂點后保持非線性上升，表現出應變硬化行為.UHPC?CA的初裂強度、峰值強度、裂后殘余強度和變形能力均隨著鋼纖維摻量的增加而提升，應力突降值則逐漸減少.從曲線形態來看，隨著纖維摻量的增加，UHPC?CA試件的單軸受拉應力-應變曲線在峰值強度前更為飽滿，上升更平滑，應變硬化階段更長，所包圍的面積更大.以上分析表明鋼纖維的增韌阻裂作用對UHPC?CA受拉力學性能的增益效果顯著.

（3）當纖維長徑比為30時，UHPC?CA試件仍能表現出不同于未摻鋼纖維試件的延性破壞特征.隨著鋼纖維長徑比的增大，UHPC?CA試件的初裂強度、峰值強度、裂后殘余強度和變形能力均有所提升.這是由于鋼纖維長徑比越大，纖維脫黏和拔出過程越長，纖維的增韌作用越顯著.

2.3 抗拉強度

圖5為UHPC?CA試件的初裂強度.圖6為UHPC?CA試件的峰值強度.由圖5、6可見：

圖5 UHPC?CA試件的初裂強度Fig.5 Initial crack strength of UHPC?CA specimen

圖6 UHPC?CA試件的峰值強度Fig.6 Peak strength of UHPC?CA specimen

（1）與不摻粗骨料的試件相比，當粗骨料摻量從10%增加到30%時，UHPC?CA試件的初裂強度分別減小了8.0%、9.4%、20.0%，峰值強度分別減小了13.0%、21.3%、28.4%.這表明粗骨料摻量對峰值強度的影響大于對初裂強度的影響，當粗骨料摻量大于20%時，UHPC?CA試件的初裂強度減小顯著.

（2）當鋼纖維摻量由0%提高到3%時，UHPC?CA試件的初裂強度分別提高了12.6%、23.2%、25.9%，峰值強度分別提高了51.0%、60.5%、76.8%.通過對比可以發現，鋼纖維對UHPC?CA強度的影響程度大于粗骨料，且對峰值強度的增益效果明顯高于對初裂強度的增益效果.當鋼纖維摻量由2%增加到3%時，UHPC?CA試件的強度增大不顯著，這表明摻量過高反而不利于纖維充分發揮其增強作用.因此，UHPC?CA中鋼纖維的最優摻量在2%左右.

（3）UHPC?CA試件的初裂強度和峰值強度均隨著鋼纖維長徑比的增大而提高.當長徑比由30增大至60、80時，UHPC?CA試件的初裂強度分別提高了23.6%、29.7%，峰值強度分別提高了15.7%、21.5%.與纖維摻量相比，長徑比對UHPC?CA強度的影響較小.

3 機理分析

為了探討鋼纖維增強的機理和粗骨料的作用機制，采用場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀測未加載試件切面和破壞試件斷裂面的微觀形貌. 觀測前，試樣在60 ℃恒溫環境下干燥48 h并進行噴金處理，以增強其導電性.

3.1 纖維增強機理

圖7為UHPC?CA的SEM照片.由圖7可見：

（1）UHPC基體的孔洞較少，無明顯缺陷，基體與鋼纖維接觸緊密，這表明基體與鋼纖維間的握裹作用良好（圖7（a））.

（2）鋼纖維表面包裹著一層混凝土薄層（圖7（b）），該薄層在試件澆筑成型時固結于鋼纖維表面.當拉應力大于握裹力后，鋼纖維開始滑移并最終被拔出，混凝土薄層也隨鋼纖維一同脫離基體.這表明良好的握裹作用是鋼纖維抗拉強度得以充分發揮的前提，可有效抑制裂縫的擴展，提高UHPC?CA的抗拉強度，屬于鋼纖維的正效應.鋼纖維發生滑移后，在其與基體接觸處出現了明顯的縫隙，表明鋼纖維與基體的接觸面屬于材料的薄弱面［14］，微小裂縫削弱了UHPC基體對鋼纖維的握裹作用，屬于負效應.特別是鋼纖維摻量增加到一定值后，這種負效應會愈加明顯，因此需要根據工程實踐，綜合考慮鋼纖維的正、負效應.鋼纖維在基體內的分布方向具有隨機性.當鋼纖維縱向分布時，其分布方向與受力方向一致，此時纖維有效長度較大，其與基體間的握裹力較大.當鋼纖維橫向分布時，纖維無法直接承受軸向拉力，對UHPC?CA 抗拉強度提高作用較弱.

（3）2根相鄰縱向分布鋼纖維拔出后留下的孔道內有許多混凝土脫落體和微裂紋（圖7（c）），而凹槽內裂紋較少.這說明縱向鋼纖維拔出時的應力較大，并帶離了部分基體，造成其周圍出現了較多的微裂紋，而橫向鋼纖維在拔出前承擔的拉應力較小，引起的微裂紋也較小，表明橫向鋼纖維的握裹作用較弱.當鋼纖維相距較近時，薄弱面疊加效應導致了該處的混凝土應力集中現象更顯著，因此鋼纖維分布的均勻性也是影響纖維增強效果的因素之一.

（4）纖維拔出后的孔道放大后可以看到孔道內布滿了劃痕和微裂紋（圖7（d）），這是纖維在被拔出過程中與基體摩擦產生的.孔道旁的基體中幾乎觀察不到明顯的裂紋，這表明裂紋出現后試件主要依靠鋼纖維與基體間的握裹作用承受拉應力，混凝土基體承受的拉應力較小.

3.2 粗骨料與鋼纖維的相互作用機制

為研究粗骨料與鋼纖維的相互作用機制，對粗骨料摻量為0%和30%的立方體試件進行切割、打磨、拋光，獲得試件斷面中鋼纖維的分布情況，結果見圖8.為了使圖像更加清晰、直觀，對其進行了灰度化處理，只保留鋼纖維，圖中的白色亮點即為切割拋光后的鋼纖維.

圖8 粗骨料對鋼纖維分布的影響Fig.8 Effect of coarse aggregates on distribution of steel fibers

從圖8中可以看出：不摻粗骨料UHPC基體內鋼纖維的分布較為均勻；UHPC?CA中鋼纖維分布的均勻性明顯下降，鋼纖維聚集在粗骨料周圍，呈包圍式分布，出現了纖維結團的現象，表明粗骨料對鋼纖維的空間分布具有明顯的阻隔作用，使纖維的增韌、增強作用削弱.從圖8（b）中還觀察到一些橫向分布的鋼纖維，表明粗骨料的摻入會減小鋼纖維沿受力方向分布的概率［15］.

粗骨料形狀不規則，表面粗糙，且有微小孔洞，其與膠凝材料間的黏結性能相對較差，與基體間形成了薄弱的界面過渡區.隨著粗骨料摻量的增加，薄弱區域增多.此外，粗骨料具有較強的吸水性，在攪拌過程中會吸附周圍拌和物的部分自由水，導致此處水膠比的減小，造成粗骨料周圍基體水化不充分，形成薄弱區.

3.3 受拉破壞機理

綜合考慮試驗現象及微觀形貌觀測結果，總結UHPC?CA單軸受拉破壞的機理如下：當荷載較小時，粗骨料、鋼纖維和基體共同受力，應力和應變較小，鋼纖維的橋接作用尚不明顯，為內部缺陷發展階段.隨著拉應力的增加，粗骨料附近過渡區的微裂紋開始擴展，由于粗骨料附近聚集的鋼纖維方向通常與粗骨料表面平行，也與薄弱區微裂紋的發展方向平行，此處的鋼纖維無法抑制裂紋的發展.當裂紋進入基體以后，開裂部位的應力開始由鋼纖維承擔，隨著變形的增大，裂紋越來越寬，形成了宏觀主裂縫，由于鋼纖維的彈性模量遠高于基體，其阻裂作用也表現得愈加明顯［16］.該階段裂紋的擴展速率較小，表現出一定的延性.當應力增加到最大值之后，混凝土內部的微裂紋不斷發展，并與宏觀裂縫連接貫通，裂縫發展迅速，裂縫最大寬度處的鋼纖維出現滑移，部分甚至拔出，導致應力出現突降，表現出一定的脆性.當應力突降到一定值后，應變增長速率變大，鋼纖維的橋接作用更顯著，使得應力下降速度開始變緩.當宏觀裂縫貫穿基體時，拉應力完全由裂縫間殘存的鋼纖維承擔直至試件破壞.

4 結論

（1）隨著粗骨料摻量的增加，UHPC?CA的單軸受拉力學性能退化，初裂強度、峰值強度、裂后殘余強度和變形能力下降.當粗骨料摻量大于20%時，UHPC?CA試件的抗拉強度和變形能力退化顯著.

（2）鋼纖維摻量的增加對UHPC?CA抗拉強度有較大的提升作用，其中對峰值強度的提升效果明顯高于初裂強度.鋼纖維的摻入顯著提高了UHPC?CA的受拉韌性，應力-應變曲線的飽滿程度提高、峰后應力突降值減少、應變硬化階段延長.當鋼纖維摻量從2%增加到3%時，UHPC?CA強度、變形的提升幅度明顯下降.鋼纖維長徑比對UHPC?CA的影響小于鋼纖維摻量，其中長徑比為60的鋼纖維對UHPC?CA強度、變形的提升幅度最為顯著.

（3）鋼纖維與UHPC基體間具有良好的握裹力，其在基體中可以被視為“次增強筋”，在UHPC?CA基體內出現裂縫后，主要依靠與基體間的握裹作用承受拉應力.粗骨料的摻入削弱了纖維空間分布的均勻性、減小了其有效長度，并在基體內引入了薄弱面，導致基體內部的缺陷增多，削弱了UHPC?CA的受拉力學性能.