钢纤维活性粉末混凝土力学特性

王晓飞，王阳平

（北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044）

活性粉末混凝土（reactive powder concrete，RPC）是一种新型超高强度、高韧性、高耐久性和体积稳定性良好的水泥基复合材料.由于其优越的物理力学性能，在铁路、桥梁和市政工程等领域得到了迅速发展和应用［1－8］.

关于RPC在单轴压下的力学行为研究较多，但在这些研究成果中，大多数文献只有轴向应力－应变全曲线数据［9－11］，有关径向应力－应变全曲线数据相对缺乏.钢纤维掺量（体积分数，下同）为0%，1%，2%和4%的情况下，圆柱体试件（φ50×100mm）抗压强度超过200 MPa的活性粉末混凝土在单轴压下的径向应力－应变全曲线数据更是缺乏，而径向应力－应变全曲线数据在RPC后续相关研究中极其重要，如RPC材质泊松比与体应变的确定以及本构模型的建立与验证都需要径向应力－应变全曲线数据.

本文对4 种掺量的钢纤维活性粉末混凝土（steel fiber reinforced reactive powder concrete，SFRPC）试件进行了常规单轴压缩试验，获得了其轴向、径向应力－应变全曲线数据及相关强度与变形性质，比较分析了钢纤维掺量对混凝土峰值强度、轴向峰值应变、弹性模量、泊松比、体应变以及破坏模式的影响.

1 试验

1.1 钢纤维活性粉末混凝土原材料与配合比

水泥（C）：大连小野田水泥厂产P·Ⅱ52.5R早强硅酸盐水泥.砂（S）：福建晋江产建筑用海砂，粒径0.3～1mm.硅灰（SF）：北京邦德印合成材料研究所产RPC专用硅灰，平均粒径0.1～0.3μm，比表面积20～28m2／g，粒径小于1μm 占80%以上，SiO2含量（质量分数，文中涉及的含量、减水率等除特别说明外均为质量分数）85%～94%.石英粉（quartz power）：河南省巩义市产48μm（300目）白色石英粉.钢纤维（steel fiber）：辽宁鞍山宏昌钢纤维厂产圆直镀铜钢纤维，直径0.22mm，长度13mm.拌和水（water）：自来水.减水剂（A）：北京某研究院产新型非萘系高性能减水剂AN－3000，减水率29%，含固量31%.

1.2 试样制备

（1）搅拌 各原材料按配合比称量好，先将砂和石英粉倒入搅拌锅中，干拌1min；后加入水泥和硅灰，干拌3min；钢纤维分批次通过钢质漏孔筛均匀筛入搅拌锅，每次筛入量约0.5kg，搅拌15s，直至钢纤维投加完毕.将水与减水剂混合均匀后，全部加至搅拌锅，搅拌8min后出料.制备素RPC 时，除不需要投加钢纤维外，其余步骤完全相同.

（2）成型 将刚搅拌完成的RPC 基质铲入300mm×300mm×140mm 的木质试模中，并在高频振动台（振动频率50Hz）振动4min.

（3）养护 试件成型后放入标准养护室养护24h，拆模后立即放入热水箱中加热养护.当水温升至40℃时保温4h；然后使水温升至60 ℃，保温4h；最后升高水温至90℃，保持水温不变.在整个加热过程中，控制水温升高速率为10℃／h，直到热水养护72h，关掉热水箱电闸.待水温降至常温后取出试块，立即放回标准养护室.

（4）3个月后完成试件的钻、锯和磨过程，尺寸为φ50×100 mm 的圆柱体试件在实验室环境（20～32℃；相对湿度30%～60%）下放置3a后进行单轴压缩试验.其中素RPC重复压缩3块试件，钢纤维掺量为1%，2%和4%的SFRPC各重复压缩2块试件.

1.3 试验方法及数据处理

试验设备采用XTR01型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪.试验加载过程采用位移控制，加载速率为0.002mm／s.表2为4种SFRPC 力学性能实测值.其中试件编号S0－1指钢纤维掺量为0%，标号为1，其他依次类推；S0－4为素RPC 单轴循环压缩试件.

表2 SFRPC试件力学性能实测值Table 2 Measured values of SFRPC mechanical properties

由表2可知，素RPC的弹性模量及泊松比离散性大，不易确定其具体值.借助素RPC试件S0－4单轴循环压缩试验数据，发现其轴向及径向应力－应变包络线与素RPC试件S0－1常规单轴压缩试验轴向及径向应力－应变全曲线形状相似且近似重合，故选择试件S0－1的力学性能数据来确定素RPC的平均弹性模量与平均泊松比.素RPC峰值强度与轴向峰值应变取试件S0－1，S0－2和S0－3的平均值.钢纤维掺量为1%，2%和4%的3种SFRPC，其峰值强度、轴向峰值应变、弹性模量、泊松比取其平均值进行分析.

由于轴应力在0.2σp～0.4σp（σp为峰值应力）时，轴向及径向应力－应变曲线均表现出较好的线性关系，故本文取0.2σp～0.4σp直线段斜率为平均弹性模量值.平均泊松比μ 用式（1）确定：

式中：εja，εjb分别为弹性段上a，b点径向应变值；εza，εzb分别为弹性段上a，b点轴向应变值.

2 试验结果及分析

2.1 应力－应变全曲线

图1为不同钢纤维掺量的SFRPC单轴应力－应变全曲线.

图1 不同钢纤维掺量SFRPC的单轴应力－应变全曲线Fig.1 Uniaxial stress－strain curves of SFRPC with different steel fiber volume contents

由图1可知，钢纤维掺量不同的SFRPC在单轴压应力作用下，其轴向应力－应变全曲线形状相似，均可分为4个阶段.由试验数据上看，轴向应力从开始施加到0.1σp时为第1 阶段——压密阶段，此阶段试件内部的原始微裂缝趋于闭合，轴向产生一定的应变，轴向应力－应变曲线表现为一小段弧状曲线.由于微裂缝细微，径向几乎不产生应变，径向应力－应变曲线表现为1条平行于坐标纵轴的直线.第2阶段为弹性阶段，此阶段轴向及径向应力－应变曲线均近似为直线，轴力从0.1σp到（0.60～0.85）σp不等.钢纤维掺量不同的RPC弹性阶段终点位置稍显不同，素RPC弹性阶段终点轴应力占峰值应力的比例相对最大，约为（0.80～0.85）σp.随着钢纤维掺量的增加，该比例有逐渐降低趋势，大体上在（0.60～0.80）σp内变化.应力过弹性阶段终点后就进入了第3阶段——塑性强化阶段，该阶段从弹性变形终点到峰值应力点.此阶段轴向及径向同时表现出非线性变形的特点，应力增加缓慢，轴向及径向应变增长速度加快，这与微裂缝在此阶段密集产生、扩展以及交叉密切相关.轴力过峰值点后，进入第4 阶段——应力稳定下降段，该阶段从峰值应力点到试件破坏，为应力－应变曲线峰后部分.该阶段应力先是稳定下降，轴向及径向应变迅速增加.当应力降低到某点后，钢纤维掺量为0%和1%的试件表现为突然破坏并伴随有爆裂声，而钢纤维掺量为2%和4%的试件峰后段曲线表现得更为连续、光滑和平坦，尤其是钢纤维掺量为2%的试件表现出更好的延性.此阶段SFRPC微裂缝已贯通，形成宏观损伤，试件破坏后还有一定的残余强度和承载力.

由图1还可见，钢纤维掺量不同的SFRPC在单轴压应力作用下，径向应力－应变全曲线形状也相似，可分为3个阶段.第1阶段为弹性阶段，对应轴向应力－应变全曲线的压密段和弹性段，这一阶段径向应力－应变曲线近似表现为直线，径向应变值很小；第2阶段为塑性强化阶段，与轴向应力－应变全曲线中的第3阶段相对应，此阶段径向应力增长缓慢，径向应变增长较快，径向曲线由直线连续光滑地转变为弧线；第3阶段为应力稳定下降段，与轴向应力－应变全曲线第4阶段对应，此阶段径向应力先是稳定下降，对应的径向应变发展很快，当径向应力逐渐降低到某一点时试件破坏.

2.2 强度特点

由表2可知，SFRPC峰值强度随钢纤维掺量的增加几乎呈线性增加；素RPC 平均峰值强度为93.5MPa，钢纤维掺量为4%的SFRPC平均峰值强度最大为218MPa；钢纤维掺量每增加1%，峰值强度约增加30MPa.

2.3 轴向峰值应变

由表2可知，轴向峰值应变随钢纤维掺量的增加而增大，钢纤维掺量从0%增加到1%时，轴向峰值应变增幅最大，增加约2.8 倍，而钢纤维掺量从1%增加到2%再增加到4%时，SFRPC轴向峰值应变增幅较小，均约为1.2倍.素RPC 轴向峰值应变约为0.171%，钢纤维掺量为4%时，SFRPC 轴向峰值应变约为0.691%.这充分说明在素RPC 基质中掺入钢纤维不仅能增加其单轴抗压强度，同时也能较好地提高其延性与韧性.

2.4 平均弹性模量

由表2可知，不同钢纤维掺量下RPC平均弹性模量成折线变化.素RPC平均弹性模量约为54.6GPa.而钢纤维掺量为1%，2%和4%时，SFRPC 平均弹性模量相当，约为39GPa.因为素RPC 性脆，轴向应力－应变全曲线弹性段较陡，故其弹性模量较大.当添加钢纤维后，RPC 韧性及延性得到较好改善，轴向应力－应变全曲线弹性段比素RPC 轴向应力－应变全曲线弹性段更缓一些，故其弹性模量相对较小.钢纤维掺量为1%，2%和4%时，RPC轴向应力－应变全曲线弹性段斜率接近.

2.5 平均泊松比

由表2可知，SFRPC的平均泊松比随钢纤维掺量的增加而增大，素RPC 最小约为0.134.而钢纤维掺量从1%增加到2%再增加到4%，SFRPC的平均泊松比近似呈线性增加，钢纤维掺量每增加1%，SFRPC的平均泊松比增大约1.24倍.这说明掺入钢纤维会改变RPC 的延性，且掺量越大，径向曲线弹性段变形越大.

2.6 破坏模式

图2为不同钢纤维掺量的RPC破坏形态.

图2 不同钢纤维掺量RPC破坏模式Fig.2 Failure modes of RPC with different steel fiber volume contents

由图2 可知，素PRC 在单轴压下破坏模式显著，表现为劈裂破坏；当钢纤维掺量为1%时，试件破坏模式表现为单剪切破坏；当钢纤维掺量为2%时，剪切破坏模式占主导，表面有2条斜主裂缝，均未沿轴向贯通整个试件，形成一个不规则的V 字形，使前后贯通面两侧部分形成楔形体；当钢纤维掺量为4%时，试件破坏模式表现为X 形剪切破坏.

2.7 体应变

图3 不同钢纤维掺量RPC轴应力－体应变对比曲线Fig.3 Axial stress－volume strain curves of RPC with different steel fiber volume contents

图3为SFRPC 试件的轴应力－体应变曲线.由图3可知，轴应力－体应变曲线可分为3个阶段.第1阶段为从坐标原点到最大压密点.钢纤维掺量4%时，最大压密点轴应力占对应峰值应力的比值最小，约为60%，而钢纤维掺量为0%，1%和2%时，最大压密点轴应力占对应峰值应力的比值稍大，为70%～85%.这是因为钢纤维掺量越大，轴向及径向应力－应变曲线更早地表现出非线性的缘故.这一阶段与轴向应力－应变全曲线的压密段与弹性段相对应.第2阶段为从体积最大压密点到体积扩容点（图3 曲线与纵坐标交点，非坐标原点），应力过最大压密点后，随应力的增加，体积从最密实状态开始快速膨胀，表现为应力增长缓慢，体应变增长较快.这一阶段与轴向应力－应变全曲线第3阶段塑性强化段相对应.钢纤维掺量不同的SFRPC 体积扩容点应力值与对应峰值应力的比值很接近，从94%到97%不等，也就是说，试件在压缩试验过程中，在约95%峰值应力前，体积是压缩的.第3阶段从体积扩容点到破坏，这一阶段，试件开始扩容，先经过一个应力微小增加达到峰值应力后，进入应力稳定下降段，该阶段体应变急剧膨胀.体积膨胀量远大于之前的最大体积压缩量.与轴向应力－应变全曲线荷载稳定下降段（峰后段）对应.

2.8 SFRPC力学性能时间效应

SFRPC力学性能随时间增长有劣化现象，目前可查文献不多.用本文原材料及配合比制得的素RPC热养护完成后7d强度为132 MPa.热养护完成4个月（与本文3a龄期试件同批次，试验前养护条件相同）与3a龄期素RPC力学性能对比见表3.

表3 素RPC不同龄期力学性能对比Table 3 Mechanical properties comparison of plain RPC at different curing ages

由表3可知，素RPC力学性能随时间增长的劣化现象严重，热养护后3a的峰值强度比4个月强度降低约30.7%，轴向峰值应变减小约67.7%，平均弹性模量增大约70%，泊松比减少约33%.掺钢纤维RPC力学性能随时间增长的劣化现象，就目前获得的数据还不能给出系统性结论.如果以强度作为衡量含钢纤维RPC 力学性能随时间增长的劣化指标，有以下预测性结论供广大相关研究者验证：（1）含钢纤维RPC强度有劣化现象.（2）随钢纤维掺量的增加，SFRPC 强度劣化程度减弱，当钢纤维掺量增加到某一值时，SFRPC强度几乎不劣化.

3 结论

（1）掺入钢纤维不仅能增加SFRPC 的单轴抗压强度，同时也能较好地改善材料的脆性，提高其延性与韧性.SFRPC峰值强度随钢纤维掺量的增加近似呈线性增加，钢纤维掺量每增加1%，峰值强度增加约30MPa；轴向峰值应变随钢纤维掺量的增加而增加，钢纤维掺量由0%增加到1%时，轴向峰值应变增幅最大；素RPC 试件的平均弹性模量最大，钢纤维掺量为1%，2%和4%时SFRPC试件的平均弹性模量相当；SFRPC试件的平均泊松比随钢纤维掺量的增加而增大；钢纤维掺量不同，试件破坏模式不同，素RPC 试件表现为劈裂破坏，钢纤维掺量为1%的SFRPC试件表现为单剪切破坏，钢纤维掺量为4%的SFRPC试件表现为X 形剪切破坏.

（2）钢纤维掺量不同的SFRPC轴向、径向应力－应变曲线及轴应力－体应变曲线形状相似，轴向应力－应变曲线可分为4 个阶段进行分析，径向应力－应变曲线及轴应力－体应变曲线可分为3个阶段进行分析.

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