含粗骨料的超高性能混凝土受弯试验研究

2019-05-13吴方红曾彦钦时豫川

水利与建筑工程学报 2019年2期

程鹏，吴方红，曾彦钦，时豫川

(武汉大学，湖北武汉 430072)

UHPC是一种新型混凝土，具有强度高[1],延性好，耐久性优异[2]等优点，可大幅度提高结构的承载能力及使用寿命，减小构件截面尺寸。UHPC自问世以来，不断被应用于各类工程实践中，但由于其成本较高，干缩较大，制造程序复杂，其应用发展远低于预期[3]。

通过在UHPC中适当掺入粗骨料，可有效降低其生产成本，减小养护过程中UHPC的干缩，提高UHPC的工程应用性。目前国内外学者对UHPC的配合比与基本力学性能进行了大量的研究，取得了丰富的成果[4-10]，同时对含粗骨料的UHPC也进行了相应研究。朋改非等[11]对含粗骨料UHPC的抗压强度影响因素进行了研究。Liu等[12]研究了粗骨料掺量对UHPC抗拉性能的影响。Li等[13]对加入玄武岩的UHPC的力学性能进行了研究。但关于在不同粗骨料质量掺量和不同钢纤维掺量下UHPC的抗弯性能及其破坏机理的分析，研究尚少。

混凝土的抗弯性能[14-15]是混凝土的重要力学性能之一，是研究混凝土构件及结构分析的基础。因此，开展含粗骨料UHPC的抗弯性能研究，对丰富UHPC基础理论研究具有十分重要的科学意义和应用价值。本文设计、制作了7组掺入粗骨料的UHPC，对含粗骨料的UHPC的配合比和抗弯性能进行研究，分析粗骨料质量掺量及钢纤维体积掺量对其抗弯强度，弯曲韧性的影响，可为工程设计提供参考。

1 试验概况

1.1 试验总体设计

为分析粗骨料质量掺量和钢纤维体积掺量对UHPC抗弯性能的影响，本文选取粗骨料的质量掺量为0%、15%、30%、40%，均为粗骨料质量占全部试验材料总质量的比例，钢纤维体积掺量为0%、1%、2%、3%，共设计制作了21个梁试件，分为7组，每组3个试件，尺寸统一为100 mm×100 mm×400 mm。

1.2 试验材料选用

胶凝材料选用(P.O.52.5)普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰和硅灰，其组成成分见表1；采用细度模数为2.8的中砂；粗骨料均采用连续性级配，粒径为5 mm～20 mm的花岗岩碎石，其级配曲线见图1；钢纤维采用镀铜平直型纤维，长度为12 mm，直径为0.2 mm，抗拉强度>2 000 MPa；减水剂采用减水率为25%的聚羧酸高效减水剂。

图1粗骨料级配曲线

1.3 配合比设计

基于《活性粉末混凝土》[16](GB/T 31387—2015)等规范及国内外学者的研究结论[17-18]，本文试验的设计配合比如表2所示。所有试件均在同一条件下浇筑和养护(在标准条件下养护28 d)。

表1 胶凝材料XRF成分分析单位：%

表2 UHPC配合比

注：U表示UHPC,R表示粗骨料掺量，中间数字表示粗骨料质量掺量百分比，末尾S表示钢纤维体积掺量，末尾数字表示钢纤维体积掺量大小。UR30S2表示粗骨料质量掺量为30%，钢纤维体积掺量为2%。

1.4 加载装置与制度

选用最大载荷为300 kN的MTS万能试验机，利用四点弯曲试验装置进行加载，如图2所示。支座跨度为300 mm，并在两侧中心安装位移计测量试件跨中挠度值，试件挠度值取两个位移计读数的平均值。

图2试验装置示意图

试验加载制度采用位移加载控制制度，加载速率为0.1 mm/min，加载至试件完全破坏时停止加载。为了便于观察裂缝开展，在试件加载开始前对其外表面进行了粉刷，试验时首先将试件置于支座上并对中，位移传感器对称安置于试件跨中，然后开始正式加载。

2 试验现象及结果分析

2.1 试验现象

试验所得荷载-挠度曲线如图3所示(每个试验组取其中最具代表性的一条)。

图3荷载-挠度曲线

对于未掺入钢纤维的试件，荷载-扰度曲线仅包含弹性段，当荷载达到初裂荷载时，纯弯段出现裂缝，试件迅速沿裂缝断裂，失去承载能力，表现出明显的脆性破坏，如图4所示。试验中发现粗骨料质量掺量的改变对试件破坏形态并无明显影响。

图4脆性破坏

在粗骨料质量掺量为30%的试验组中加入钢纤维，其荷载-挠度曲线大致分为三个阶段，第一阶段曲线仍为弹性阶段，当荷载达到比例极限时，在纯弯段出现主裂缝；第二阶段为裂纹扩展阶段，此时荷载增速减慢，曲线斜率明显减小，主裂缝不断沿竖向扩展，并发出纤维拔出的声响；第三阶段为破坏阶段，当荷载达到极限抗弯强度后，荷载随着挠度的增大而减小，曲线逐渐下降，下降时主要由钢纤维抵抗裂缝开展。加入钢纤维后试件均表现为延性破坏，如图5所示，且钢纤维体积掺量提高，试件极限抗弯强度增大。

图5延性破坏

2.2 弯曲初裂强度分析

根据试验结果，对每组试件的初裂荷载Fcr、初裂挠度δcr、峰值荷载Fc、峰值挠度δc取平均值，结果如表3所示。

采用文献[9]中的公式计算试件的弯曲初裂强度fcr：

(1)

式中：Fcr为初裂荷载，对于无钢纤维试件，取峰值荷载，加入钢纤维试件，取拐点处荷载；L为试件跨距，本文试验为300mm；b、h分别为试件宽度与高度，本文试验均为100 mm。

表3 力学性能指标

由计算结果分析可知：

对于不掺入钢纤维的试件，当粗骨料质量掺量从0%增加到15%时，试件弯曲初裂强度不断减小；当粗骨料质量掺量从15%增加到30%时，试件弯曲初裂强度先减小后增大(存在弯曲初裂强度最小值)；当粗骨料质量掺量从30%增加到40%时，试件弯曲初裂强度不断增大。这是由于当开始加入粗骨料时，胶凝材料的体积会不断减小，同时粗骨料与基体之间薄弱界面会不断增大，从而降低了试件的弯曲初裂强度；但随着粗骨料质量掺量不断提高，试件中粗骨料承载比重会逐渐增加，由于粗骨料强度高于水泥基体强度，使得试件弯曲初裂强度开始逐渐增大。

在粗骨料质量掺量30%的试件中掺入钢纤维，试件弯曲初裂强度随钢纤维体积掺量的增加有显著提高。这是由于钢纤维的桥接作用，抑制了裂纹的扩展，提高了基体的承载能力，使得试件弯曲初裂强度增大。钢纤维体积掺量提高1%，弯曲初裂强度增幅为12%～15%，当钢纤维体积掺量为3%时，弯曲初裂强度最大。

2.3 极限抗弯强度分析

进一步分析含粗骨料的UHPC抗弯承载力，按式(2)计算试件的极限抗弯强度fc，

(2)

式中：Fc为峰值荷载，对于无钢纤维试件，其峰值荷载与初裂荷载相同。

由于不掺入钢纤维试件的极限抗弯强度fc与弯曲初裂强度fcr相同，粗骨料质量掺量对极限抗弯强度的影响与2.2中相同，此处不再赘述；对于掺入钢纤维的试件，其计算结果如图6所示。

由计算结果可知，当钢纤维体积掺量从0%增加到3%时，试件极限抗弯强度不断提高；当钢纤维掺量从0%增加到1%时，极限抗弯强度提高28%，增幅最大。这是由于试件开裂时钢纤维的桥接作用抑制了混凝土裂缝的张开和扩展，从而极大提高了试件的抗弯强度。

图6极限抗弯强度

随着刚纤维掺量继续增加，极限抗弯强度增幅逐渐减小，钢纤维掺量从2%增加到3%时，极限抗弯强度提高5%，钢纤维增强对极限抗弯强度的增强作用较小。这是由于当钢纤维增多后，其在混凝土基体中易发生结团现象，不能均匀地分散在基体中，使得钢纤维在裂缝开展时不能充分发挥其桥接作用，因此极限抗弯强度增幅较小。

2.4 弯曲韧性指数分析

根据《纤维混凝土试验方法》[19](CECS13:2009)中弯曲韧性的评定方法，在荷载-挠度曲线中按初裂挠度的倍数3δcr确定计算点，依照式(3)计算出弯曲韧性指数η3，以此评价材料弯曲韧性，

(3)

式中：SOAB挠度达到初裂挠度δcr时曲线与坐标轴围成的面积；SOACD为挠度达到3倍初裂挠度3δcr时曲线与坐标轴围成的面积，如图7所示。

图7计算示意图

对于未掺入钢纤维的试件，由于荷载达到初裂荷载后试件立即破坏，因此按公式(3)计算所得弯曲韧性指数均为1。以3个试件计算值的算术平均数值作为该组试件的弯曲韧性指数，计算结果如表4所示。

表4 弯曲韧性指数

基于计算结果可知，在含粗骨料的UHPC中掺入钢纤维可以显著提高材料延性，使材料由脆性材料变成延性材料。对于理想弹塑性材料，超过初裂荷载后荷载-挠度曲线为水平直线，由式(3)所得弯曲韧性指数为5，在三种钢纤维体积掺量下，材料的弯曲韧性指数都超过了理想弹塑性材料的弯曲韧性指数，均具有较高的弯曲韧性。

当钢纤维体积掺量由1%提高至2%时，材料弯曲韧性达到最高，由2%提高至3%时，弯曲韧性有较为明显的降低，这是由于掺入较多钢纤维后，进行搅拌时钢纤维不易分散，钢纤维在水泥基体中会发生结团现象，不能充分发挥钢纤维在裂缝开展时的桥接作用，使得材料弯曲韧性降低，这与2.3中规律相同。建议工程中钢纤维体积掺量取2%为宜。