超高性能混凝土轴心受拉力学性能试验研究

胡翱翔　梁兴文　于婧　史庆轩　李林

摘要：为了研究钢纤维掺量对超高性能混凝土（UHPC）轴心受拉力学性能的影响，设计、制作了纤维掺量为0%～5%的6组8字型单轴受拉试件，标准养护28 d后进行单轴拉伸试验，得到了不同纤维掺量UHPC单轴受拉应力应变全曲线；分析了钢纤维掺量对UHPC抗拉强度、峰值应变以及受拉韧性的影响.试验结果表明：在不影响UHPC工作性能的前提下，纤维掺量可达到5%，其抗拉强度为8.50 MPa，对应的应变为1 619 με；随着钢纤维掺量的增加，UHPC的抗拉强度、峰值应变、抗压强度以及受拉韧性均逐渐提高.最后依据试验数据建立了UHPC单轴受拉本构方程.试验结果可为UHPC材料的工程应用提供参考.

关键词：单轴拉伸试验；超高性能混凝土；纤维掺量；抗拉强度；本构方程

中图分类号：TU502.6文献标志码：A

Experimental Study of Uniaxial Tensile

Characteristics of Ultrahigh Performance Concrete

HU Aoxiang1， LIANG Xingwen1， YU Jing1， SHI Qingxuan1， LI Lin2

（1. School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian710055， China；

2. Shaanxi Jianyan Structural Engineering Co Ltd， Xian710082， China）

Abstract：In order to investigate the effect of fiber volume content on tensile characteristic of UltraHigh Performance Concrete （UHPC）， 6 groups of “8” shape specimen were designed， and uniaxial tensile test was performed after 28 days standard curing， the complete tensile stressstrain curves were gotten， the effect of fiber volume content on tensile strength， peak strain and toughness of UHPC were analyzed. Test results show that the fiber volume content can be as much as 5% without workability problem， its tensile strength and peak strain are 8.50 MPa and 1 619 με respectively； with the fiber volume content increase the tensile strength， peak strain， compressive strength and toughness increase as well， the uniaxial tensile constitute of UHPC was finally proposed based on the test results. The results of this paper provide a reference for the application of UHPC material.

Key words：uniaxial tensile test； ultrahigh performance concrete（UHPC）； fiber volume content； tensile strength； uniaxial tensile constitute

超高性能混凝土（UHPC）具有強度高、延性好以及耗能能力强等特点，是目前国内外研究较多的土木工程材料之一.UHPC是在水泥砂浆基体中加入纤维，改善混凝土的抗拉强度、延性和耗能能力.如活性粉末混凝土[1-8]（RPC）、工程化的水泥基复合材料[9-10]（ECC）等，但是这种材料的抗拉强度仍然不高，仅为其抗压强度的1/20～1/25[6]左右.为了进一步提高UHPC的抗拉强度、延性以及耗能能力，学者们提出了不同的解决方案，如采用混杂纤维，充分发挥不同纤维之间的组合作用，提高UHPC的抗拉强度和延性.混杂纤维包括两种方式：一种是钢纤维和有机纤维组合[11]，这种方式可以提高UHPC抗拉强度和延性，但是抗压强度较低；另一种是采用不同尺度钢纤维组合[12]，这种方式同样可以提高UHPC的抗拉强度、延性以及耗能能力，但是大尺度钢纤维搅拌时容易结团，影响UHPC的工作性能，所以纤维掺量一般较低，提高作用有限.另外一种方案是采用大掺量短细钢纤维，这种方法不仅可以提高UHPC抗拉强度、延性以及耗能能力，同时不影响UHPC的工作性能.相关研究[13]表明：纤维掺量较大时可以提高钢筋与混凝土之间的黏结性能.关于这种大掺量短细钢纤维UHPC，国外已有相关的研究和应用.1988年 Bache[13]发明了密实增强复合材料（CRC），它是由水泥砂浆基体加上短细钢纤维组成，钢纤维的体积掺量通常在6%左右，长度不超过6 mm，直径≤0.2 mm.CRC材料的开裂强度高，短纤维在混凝土受拉过程中可以有效地限制微观裂缝的产生和开展，延迟混凝土开裂；CRC强度高（高温养护条件下强度超过150 MPa）、硅灰和纤维掺量大的特性，极大地提高了CRC材料的黏结强度[14]，故将CRC材料运用于结构中时，可以减小保护层厚度和钢筋间距，保护层厚度通常取10～15 mm[14-15]；CRC材料构件能够配置大量的钢筋以改善结构的延性.CRC可应用于桥梁结构构件、装配式构件之间的连接材料，可制作预制楼梯、预制阳台，以及抗冲击、抗爆等结构[14， 16] .但是国内外关于CRC材料的受拉力学性能鲜有报道.

关于混凝土轴心受拉试验，国内外并没有统一的标准试件，轴心受拉试件形状主要有8字型、薄板型、切口或不切口的棱柱体或圆柱体试件等， Wille等[17]详细列出了国内外轴心受拉试验采用的试件形状及其试件尺寸，并且根据混凝土轴心受拉性能的不同，文中给出了建议的试件形状.本文依据Wille等的建议将试件形状定为8字型.国内对UHPC的单轴受拉力学性能研究相对较少，杨志慧[5]和原海燕[6]自行设计8字型试件，采用加大试件端头两端提拉的方法研究了钢纤维体积掺量从0增加至2%时，对RPC的单轴受拉力学性能的影响，试验测得RPC受拉应力应变全曲线并建立了RPC单轴受拉本构方程.李莉[4]采用在RPC中插入钢筋的方法研究了一组钢纤维掺量为2%的RPC单轴受拉力学性能等.罗百福[7]通过单轴拉伸试验研究了RPC在不同温度下的单轴受拉力学性能，建立了RPC抗拉强度与温度的关系.

本文拟研究单掺短细钢纤维UHPC的轴心受拉力学性能.通过单轴拉伸试验，研究钢纤维掺量对 UHPC抗拉强度、峰值应变和受拉韧性的影响，建立UHPC抗拉强度与立方体抗压强度之间的关系，并根据试验结果建立UHPC单轴受拉本构方程.

1试验概况

1.1试件设计

由于UHPC材料的单轴拉伸试验没有相关规范，试件尺寸也没有统一的标准，本文在参考国内相关文献后，自行设计“8”字型试件及夹具，采用加大端头两端提拉的方法，对不同纤维掺量UHPC材料的轴拉力学性能进行试验，试件正面尺寸如图1所示，试件厚度为130 mm.关于试件尺寸对试验结果的影响， Nguyen等[18]研究了量测长度、截面面积、试件体积和厚度对UHPC轴心受拉力学性能试验结果的影响，试验结果表明：峰值应变、耗能等对尺寸效应比较敏感，但是尺寸效应对抗拉强度影响不大.本文所用UHPC与Nguyen等类似，尺寸效应的影响是相似的.

1.2 配合比及试件制作

根据前期UHPC材料性能试验结果，综合考虑其抗压强度和工作性能两项指标，确定的配合比（质量比）为：水泥∶水∶硅灰∶石英砂∶减水剂=1.00∶0.23∶0.26∶1.26∶0.03，钢纤维体积掺量为0%～5%，对应的编号为1～6，共6组试验.试验所用钢纤维长度为7 mm，等效长径比为39，表面镀黄铜的圆柱形直钢纤维，纤维抗拉强度为2 850 MPa.每组制作3个8字型受拉试件，并预留3个100 mm×100 mm×100 mm立方体受压试块.UHPC搅拌完成之后先进行坍落度试验，检验UHPC的工作性能；随后装进预先刷好脱模剂的试模中，并在振动台上振捣2 min，振动频率为50 Hz.试件成型时为水平浇筑，为模拟实际结构中钢纤维的随机取向状态，浇筑时完全按照实际施工流程进行，未对纤维取向进行专门研究.试块制作完成之后用湿布覆盖UHPC表面，室温养护36 h之后脱模.随后放进标准养护室（温度20±5 ℃，相对湿度≥95%）养护至28 d龄期取出，放置室内自然养护直至试验.

1.3试验加载装置及加载过程

试验在100 kN微机控制电子万能试验机（CMT 5105）上进行.本文根据试件形状自主设计了夹具，夹具应保证几何对中，防止偏心.夹具上、下两端采用销钉与试验机相连，夹头与连接杆之间采用铰接方式连接.试验时先将上、下夹具安装就位，然后将试件放进夹具夹头之间，保证试件处于中心位置，防止加载过程中试件产生偏心；同时在试件前、后面各安装一个电子引伸计测量试件的竖向变形，取两个引伸计的平均值计算试件的竖向变形以减小可能产生的偏心影响.试验全程采用位移控制加载，加载速率为0.05 mm/min.加载装置如图2所示.

为了反映试验过程中偏心的影响，分别用试件前后两个电子引伸计读数作应力应变曲线，峰值荷载前试件的应力应变曲线如图3所示.从图3中可知：试件刚开始加载阶段两个引伸计读数几乎一样，说明试件偏心很小；在试件开裂之后两者读数差值变大，但仍较小，说明这种试验方法可以使试件基本处于轴心受拉状态.

με

1.4试验破坏过程

根据纤维掺量的不同，试件破坏过程分为3种情况：不掺纤维、纤维掺量为1%以及纤维掺量大于1%.下面分别就这3种情况说明试验破坏过程.

纤维掺量为0%时，试件开始受力后，应力应变曲线近似呈线性增长；达到峰值荷载时，承载力突然下降到零，并伴随“砰”的一声巨响，试件从变截面处断裂成上、下两截，加载过程结束.试验机仅记录到应力应变曲线的上升段，试件呈现明显的脆性破坏特性.

纤维掺量為1%时，在峰值荷载之前和不掺纤维的UHPC现象类似，应力应变曲线近似呈线性增长；超过峰值荷载后，承载力突然下降至峰值荷载的40%～50%，并保持这个承载力不变，同时试件表面开始出现一条宏观裂缝，裂缝宽度约1 mm；随着加载过程的继续，纤维不断被拔出，并发出“哧哧”的声音，试件裂缝两侧在钢纤维的桥接作用下，荷载稳定在峰值承载力的40%～50%，一直到裂缝即将贯穿整个截面；最后由于试件变形过大，停止加载.试件在刚过峰值荷载时呈现脆性破坏趋势，但是随着加载的继续，纤维逐渐发挥作用，试件承载能力保持稳定，峰值荷载过后试件呈明显的韧性破坏特征.

纤维掺量为2%～5%的试件受力和变形破坏过程较为相似，均呈现明显的韧性破坏特征，这里仅以纤维掺量为2%的试件为例进行说明.纤维掺量为2%时，在峰值荷载之前，应力应变曲线近似呈线性增长，试件变形较小；峰值荷载之后，试件表面开始出现宏观裂缝，由于裂缝截面处纤维的桥接作用使试件承载力没有迅速下降；随着钢纤维逐渐被拔出，并发出“哧哧”的声音，试件承载力缓慢下降，但是试件变形增长较快，直至试件承载力下降至峰值荷载的30%左右或者裂缝即将贯穿整个截面时停止加载，试件呈明显的韧性破坏特征.

各组试件最后的破坏状态如图4所示.从图4中裂缝的形状来看，不掺纤维以及纤维掺量较小时，试件破坏时，裂缝截面基本呈一条平整的直线；随着纤维掺量的增加裂缝逐渐变成折线状，这也从侧面反映出纤维掺量的增加极大地改善了UHPC的受拉韧性.

1.5试验结果

表1列出了各组试验实测的坍落度值、抗拉强度平均值、峰值拉应变平均值以及抗压强度平均值.

从表1中可以看出：1）随着纤维掺量的增加，抗拉强度和峰值应变都明显提高.即纤维掺量从0%增加到5%时，抗拉强度和峰值应变分别增加79%和1 090%，纤维对抗拉强度、延性的增强效果显著.2）随着纤维掺量的增加，UHPC坍落度值逐渐降低.即纤维掺量从0%增加到5%，坍落度值仅降低18%，表明这种UHPC可以在不影响工作性能的前提下实现纤维大掺量.3）随着纤维掺量的增加，UHPC抗压强度逐渐提高，纤维掺量从0%增加到5%，抗壓强度提高了31%.

2试验结果分析

2.1纤维掺量对抗拉强度影响分析

根据上述试验结果，在纤维掺量抗拉强度坐标系中绘制数据点，如图5（a）所示.由图5可见，UHPC的抗拉强度与纤维掺量之间近似呈线性关系，故采用线性关系模拟二者之间的关系.根据本文以及国内外文献[5-7]、[11]中的35组数据（文献[5-7]、[11]中钢纤维的长径比分别为：55、65、59和60）进行统计回归分析，可得抗拉强度与纤维掺量之间的关系式为：

ftu=ft0（1+4.746×10-3Vflfdf） （1）

式中：ftu为UHPC抗拉强度（MPa）；ft0为不掺纤维UHPC抗拉强度（MPa）；lf、df分别为钢纤维长度和直径；Vf为钢纤维体积掺量.拟合曲线如图5（a）所示，式（1）的计算值与试验值对比如图5（b）所示，计算值与试验值之比的平均值为0.90，变异系数为0.22.

纤维体积掺量/%（a）试验值

试验值/MPa（b）计算值与试验值对比采用式（1）对本文6组试验分别计算抗拉强度，并与试验值进行对比，见表2.计算值与试验值之比的平均值为1.02，变异系数为0.05.由表2可见按照式（1）的计算结果与本文试验结果较为接近.

2.2峰值应变与抗拉强度的关系

根据上述试验结果，在抗拉强度峰值应变坐标系中绘制数据点，如图6（a）所示.由图6可见，UHPC的峰值应变与抗拉强度之间近似呈幂函数关系，故采用幂函数关系模拟二者之间的关系.根据本文试验数据进行统计回归分析，可得峰值应变与抗拉强度的关系式如下：

εtp=（3.01×10-6）f2.57tu（2）

式中：εtp表示峰值应变；ftu表示抗拉强度（MPa）.拟合曲线如图6（a）所示，式（2）计算值与试验值对比如图6（b）所示.峰值应变计算值与试验值之比的平均值为1.00，变异系数为0.28.

抗拉强度/MPa（a）试验值

试验值ε/10-6 （b）计算值与试验值对比

2.3各组试件的受拉韧性

图7所示为各组试验的平均应力应变曲线（应变值固定，取每组3个试件应力平均值得到）.从曲线中可以看出：随着纤维掺量的增加，UHPC抗拉强度逐渐增加，应力应变曲线下包围的面积逐渐增大，表明UHPC抗拉韧性增大，试件由脆性破坏转化为韧性破坏.

高丹盈等[19]建议韧性的大小可以从应力应变曲线达到最大荷载以前的面积反映，或者从达到某一规定的挠度值以前的面积求得，这个挠度值取决于使用中允许的开裂程度.《混凝土结构设计规范》[20]中规定，在正常使用极限状态下，一般受弯构件的裂缝宽度限值为0.2 mm.本次试验量测标距为80 mm，对应应变为0.25×10-2，本文以此为依据计算各组试件平均应力应变曲线下包围的面积，分析纤维掺量对UHPC受拉韧性的影响，计算结果如图8所示.

ε/%

从图8中可以看出：随着纤维掺量的增加，应力应变曲线下包围的面积逐渐增大，即试件的受拉韧性逐渐增大.其中纤维掺量为0%时试验没有得到曲线下降段，所以计算面积与实际面积相比较小；纤维掺量从1%逐渐增加到5%，曲线包围面积的增长率分别为134%、14%、20%和14%.

3单轴受拉本构模型

本文采用在峰值点连续的两个方程分别描述受拉应力应变曲线的上升段和下降段，以第5组试验为例分析试件上升段和下降段曲线形状.图9为第5组试件归一化的平均应力应变全曲线.试验上升段曲线向下凸，是因为试件和仪器之间的空隙，理论上试验曲线应是向上凸，所以本文采用如图所示的曲线形式进行模拟，图中粗实线为拟合曲线，细实线为试验曲线，在分析和比较之后，采用下列方程分别表示上升段和下降段：

考虑到与普通混凝土拉伸应力应变曲线方程的协调问题，对于钢纤维混凝土，参数β参考过镇海[21]研究结果取1.7.参数α是与UHPC基体性能和钢纤维掺量相关的参数，由于没有UHPC材料相关的经验值可供参考，本文通过不同α取值下的曲线与试验平均应力应变曲线对比确定.

图10为α=0.025时拟合曲线与试验第1～6组归一化平均应力应变曲线对比图，粗实线为拟合曲线，细实线为试验归一化的平均应力应变曲线.第1组为素混凝土组，由于试验机刚度不足，未能测得应力应变曲线的下降段；第2组纤维掺量为1%，由于试验机刚度不足以及试验加载速率较大，峰值过后荷载突然下降，没有测得下降段初始阶段；纤维掺量超过1%后可以测得完整的应力应变曲线.从图中对比曲线可见，α=0.025时拟合曲线与试验曲线吻合程度较高.

3.3本构方程

综上所述，UHPC单轴受拉本构关系如下：

4结论

1）单轴拉伸试验结果表明：在保证工作性能的前提下，UHPC纤维掺量可以达到5%，坍落度值为225 mm，随着钢纤维掺量的增加，UHPC的抗拉强度、峰值应变以及韧性都得到提高.

2）依据相关试验数据建立了UHPC抗拉强度与纤维掺量、峰值应变与抗拉强度之间的关系，并分析了纤维掺量对受拉韧性的影响.

3）根據试验结果采用分段函数的形式建立了UHPC单轴受拉本构关系.

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