利用3D-DIC 评价超高性能混凝土裂缝扩展行为

黄镇钦 吴婉滢 牛艳飞

（广州大学土木工程学院）

0 引言

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete，UHPC）起源于1994 年，因其具备突出的力学性能（抗压强度＞150MPa 和拉伸强度＞8MPa）、优异的耐久性、良好的抗疲劳性以及多缝开裂产生的应变-硬化行为而引起广泛的关注[1,2]。UHPC 是结合线性紧密堆积模型和纤维增强材料技术发展形成的一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强水泥基复合材料。过去几十年，UHPC 在道路、机场路面、桥梁及海洋结构中的应用越来越广泛。但是这些结构在应用过程中会受到荷载的作用产生损伤，使其内部的缺陷和微裂缝逐渐扩展，最终产生宏观裂缝，导致结构断裂失效；随着服役时间的增加，UHPC 内部损伤累积，不仅导致承载力下降，而且服役寿命减少。所以监测荷载作用下UHPC 内部损伤规律及裂缝扩展行为至关重要。

三维数值图像相关法（3D-Digital Image Correlation，3D-DIC）是无损、非接触式的光学全场三维变形测试方法[3]。3D-DIC 通过左右两个高分辨率的数字镜头采集图像，拍摄测试件变形前后表面的散斑图。然后，通过三维重建和数字图像相关性运算获得各像素点的对应坐标，经过模数转换后得到试件变形前后的灰度场，通过对比变形后灰度场的变化，实现了对试件真实变形和应变的准确测量。

本研究利用DIC 捕获的UHPC 在弯曲荷载作用下裂缝扩展形态变化，对其CMOD、裂缝长度及尖端应变场演变规律进行定量化表征，阐明不同体积掺量钢纤维对UHPC 裂缝扩展行为的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

实验采用珠江水泥厂生产的P.II52.5 普通硅酸盐水泥。其化学组成见表1，其粒径分布如图1 所示，其物理性能见表2。硅灰由成都锦和有限公司生产，其粒径分布如图2 所示，化学组成见表3。本研究中所使用的聚羧酸高效减水剂由中交第四航务工程局生产，其固含量和减水率分别为30%和25.1%。为提高UHPC 的密实度，UHPC 中剔除粗骨料和限制细骨料最大粒径。根据紧密堆积理论，本实验中优化细骨料颗粒级配，选用粒径分布为I：0.16～0.315mm 和II：0.63～1.25mm 的细骨料。本研究中所使用钢纤维由赣州大业金属纤维有限公司生产，主要物理性能如表4 所示。

表1 P.II52.5 普通硅酸盐水泥化学组成 （%）

表2 P.II52.5 普通硅酸盐水泥物理性能

表3 硅灰化学组成 （%）

表4 钢纤维的物理性能

图1 P·II 52.5 普通硅酸盐水泥粒径分布

图2 硅灰粒径分布

1.2 试件制备和养护

本研究中UHPC 基体配合比如表5 所示，纤维体积掺量Vf分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。

表5 超高性能混凝土抗压强度和劈裂强度

为提高纤维分散的均匀性，预防纤维在搅拌过程中结团，降低因搅拌不均匀造成的原生缺陷。原材料投放顺序、搅拌时间等工艺过程必须按照一定制度进行。本研究中采用湿法搅拌，具体过程按以下步骤进行：

⑴首先在强制性搅拌机中投入级配不同的细骨料，搅拌5min；

⑵随后投入一定量的水泥和超细硅灰，干拌10min；使其混合均匀；

⑶加入一半的水和聚羧酸减水剂，搅拌2min；

⑷最后加入剩余的水和减水剂，在搅拌过程中，钢纤维均匀筛入搅拌机中，并搅拌8min，最大程度的保证纤维分散的均匀性。

为了确保钢纤维在弯曲荷载作用下充分发挥桥联效应，所有试件采用平行于纵轴的方向制备成型[4]，如图3 所示。

图3 平行于纵轴方向制备试样

1.3 试验方法

静载强度试验按照《活性粉末混凝土》（GB/T 31387-2015）规定试样尺寸和加载程序实施。抗压强度试验、劈裂拉伸强度试验和轴心抗压强度试验在300 吨万能液压试验机上进行。抗压强度和劈裂拉伸强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm 立方体。试验过程中，将试件的侧面（光滑面）作为受压面，抗压强度和劈裂试验分别以1.2MPa/s 和0.12MPa/s 加载速率进行，直至试样破坏，记录最大荷载，如图4 所示。

图4 抗压强度和劈裂拉伸强度试验

弯曲韧性试验根据美国试验材料协会ASTM C1018标准[114]实施，采用三等分点弯曲加载方式，每组3 个平行试样，尺寸为100mm×100mm×400mm，弯矩为300mm。本研究中UHPC 弯曲韧性试验在250kN MTS Landmark 疲劳试验机上进行，如图5 所示。采用等速位移控制，其加载速率为0.05mm/min。为了准确测量UHPC的荷载-挠度曲线，消除试样表面不平整产生的误差，利用水平尺调整刚性支架的水平度，然后将线性差动位移传感器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）通过刚性支架固定于试样中间两侧位置，测定外界荷载作用下UHPC 梁中间部分挠度变化。

3D-DIC 系统的硬件部分主要有四部分组成：高分辨率相机（德国Dantec 公司生产的型号为stingray F504B 相机，其分辨率为2048pixel×2048pixel）、三角刚性固定支架、两个相对独立且位置可调的子光源（每个光源内有3 颗功率为5w 的LED 灯组）、专业图形工作站，如图5 所示。

图5 三点弯曲试样装置

2 实验数据与分析

2.1 抗压强度和劈裂拉伸强度

UHPC 抗压强度和劈裂强度如表6 所示。UHPC 基体抗压强度为120.38MPa，随着纤维体积掺量的增（0.5～2.5%），S0.5、S1.0、S1.5、S2.0 和S2.5 的抗压强度分别增加14.3%、20.2%、33.4%、39.7%和31.37%；与基体劈裂强度（8.13MPa）相比，S0.5、S1.0、S1.5、S2.0 及S2.5 的劈裂强度分别增加11.2%、60.4%、120.5%、133.1%和119.19%。由此可见，钢纤维显著改善了UHPC 的抗压强度和劈裂拉伸强度，随着纤维掺量的增加，抗拉强度和劈裂拉伸强度呈现出先增大后减小的趋势，当纤维体积掺量为2.0%时，其抗压和劈裂拉伸强度达到最大值[5]。在UHPC 抗压强度和劈裂拉伸强度试验结果的基础上，利用等式⑴和⑵，可以根据基体强度预测不同纤维掺量（Vf≤2.5%）UHPC 的抗压强度和劈裂拉伸强度，如图6 所示。

图6 纤维掺量对抗压和劈裂强度的影响

fc和fst分别为基体的抗压强度和劈裂强度。当纤维体积掺量为Vf=0%时，fc和fst分别为120.38 和8.13MPa。

为了表征纤维掺量对UHPC 弯曲行为的影响，本研究中利用插值法计算荷载-挠度曲线平均值。首先假设在弯曲荷载作用下，梁中间的挠度以0.5μm 的间距增加；然后对试验获得的荷载、挠度数据进行线性插值；最后求荷载、挠度试验数据的平均值，并绘制出平均荷载-挠度曲线[6]。

2.2 纤维掺量对荷载-挠度曲线的影响

图7 为弯曲荷载作用下UHPC 的荷载-挠度曲线。从图中可以看出，荷载-挠度曲线分为3 个阶段。I：线弹性阶段（elastic-linear stage），纤维和基体相互作用是线性的；II：BOP（bend-over point）阶段：线性阶段结束后，基体开裂，由于纤维断裂面桥联应力的存在，UHPC 的承载能力并没有下降。III：裂缝扩展阶段（cracking-widening stage），断裂面纤维拔出，纤维桥联逐渐失效。弯曲荷载作用下，超高性能混凝土基体（Vf=0%）荷载-挠度曲线到达峰值荷载之前呈线性，峰值荷载后，试件突然断裂，显示出典型的脆性特征。随着纤维掺量的增加，荷载-挠度曲线饱和度增加，下降段变缓，表明UHPC 的弯曲韧性显著提高[7]。当Vf=0.5%时，荷载-挠度曲线呈现“挠度软化”现象，PLOP＜PMOR；Vf≥1.0%时，荷载-挠度曲线呈现“挠度硬化”现象。

图7 不同钢纤维掺量超高性能混凝土在三点弯曲荷载作用下荷载-挠度曲线

2.3 利用DIC 定量分析裂缝尖端位移场和裂缝扩展

利用断裂力学分析UHPC 在弯曲荷载下梁的开裂过程，其中重要的两个参数分别为裂缝开口位移（Crack Mouth Opening Displacement，CMOD）和裂缝扩展长度（Crack Extension，a）[8]。为了定量分析弯曲荷载作用下纤维掺量对UHPC 裂缝扩展过程的影响，利用DIC 计算出荷载作用下裂缝开口位移，如图8 所示。从图中可以看出，随着纤维掺量的增加，裂缝扩展路径曲折程度增加，裂缝开口位移逐渐增大。当外界荷载为30%FMOR时，试样S0.5、S1.0、S1.5 和S2.0 裂缝开口最大位移分别为3.32mm、4.15mm、4.71mm 和6.18mm。

图8 断裂测试中裂缝口扩展过程

UHPC 在外加荷载为FLOP、FMOR和30%FMOR作用下的试样表面的应变场（εxx）图9 所示。为了便于比较分析，试样表面应变场分布云图选择同一尺度的标尺，蓝色代表低应变区，红色代表高应变区（5%）。第I 阶段为UHPC 荷载-挠度曲线中的线性区域，当荷载达到初裂强度FLOP时，混凝土基体开裂。此时，UHPC 梁开裂区域出现应变集中现象，且随着纤维掺量的增加，应变集中区域逐渐减小，混凝土梁底部最大应变也随着降低。第II 阶段：随着外加荷载的增加，裂缝开口位移和长度增大，纤维开始脱粘、拔出，纤维和基体共同承担外界荷载。值得注意的是S2.0 试样开始多缝开裂，且裂缝的扩展路径变得曲折。第III 阶段：纤维桥联成为荷载的主要承担者，除了主裂缝以为，其它区域也出现应变集中的现象[9]。当纤维体积掺量Vf=0.5%时，裂缝尖端的应变集中区范围明显小于其它掺量，根据应变云图的颜色可以判断出其尖端应变较小，即随着纤维掺量的增加，应变集中区域面积逐渐增大，这是由于纤维数量的增多，纤维可以通过界面粘结应力将应变扩散到其它区域。

图9 不同加载阶段裂缝扩展的变化

3 结论

⑴钢纤维显著改善了UHPC 的抗压强度和劈裂拉伸强度，随着纤维掺量的增加，抗拉强度和劈裂拉伸强度呈现出先增大后减小的趋势，当纤维体积掺量为2.0%时，其抗压和劈裂拉伸强度达到最大值。

⑵当Vf=0.5%时，荷载-挠度曲线呈现“挠度软化”现象，PLOP＜PMOR；Vf≥1.0%时，荷载-挠度曲线呈现“挠度硬化”现象。

⑶随着纤维掺量的增加，裂缝扩展路径曲折程度增加，裂缝开口位移逐渐增大。

⑷当纤维体积掺量Vf=0.5%时，裂缝尖端的应变集中区范围明显小于其它掺量，根据应变云图的颜色可以判断出其尖端应变较小，即随着纤维掺量的增加，应变集中区域面积逐渐增大，这是由于纤维数量的增多，纤维可以通过界面粘结应力将应变扩散到其它区域。