UHPC弯拉性能及应力裂缝宽度关系

熊 伟 徐 斌 聂立力

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉 430010)

0 引 言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete ,UHPC)在混凝土中掺入活性矿物粉末,剔除了粗骨料和优化细骨料级配,可以改善混凝土内部的多孔和微裂缝等缺陷,表现出超高抗压强度、抗拉强度和耐久性等优异的力学性能[1],在桥梁工程中被广泛应用,能够实现桥梁结构高性能化[2-3].

UHPC抗拉性能及应力裂缝宽度关系对新型UHPC桥梁的承载能力和正常使用极限状态计算起着关键作用.由于UHPC具有较稳定的裂后拉伸强度,在承受弯矩处的结构设计不能忽略其抗拉强度的贡献.但是目前研究对受拉区等效拉应力与UHPC抗拉强度之间的关系仍存在争议[4-5].钢纤维对UHPC增强增韧效果具有很大影响,其中钢纤维体积掺量、长径比、形状,以及纤维混掺对UHPC力学性能的影响较为显著[6-8].但是诸如纤维体积掺量、形状、及纤维混掺对UHPC弯拉性能及应力裂缝宽度关系研究尚少,无法明确上述影响因素对受拉区等效拉应力的贡献程度.

轴拉能够直接反映UHPC的受拉本构,但是对装置的选用则需要严格把控,才能保证轴拉试验的成功率[9].文中采用较为稳定的三点弯曲试验,研究了四种纤维掺量的长直形、端勾形和混合形钢纤维UHPC的弯拉性能,探索纤维类型和纤维掺量对UHPC弯拉性能弹性阶段和裂缝发展阶段的影响机制,分析弯拉初裂强度和极限强度的变化规律,以及通过倒推分析法得到UHPC的应力-裂缝宽度关系.

1 试验概况

1.1 配合比

试验制备的UHPC的配合比见表1.水胶比为0.18,加入石英砂和石英粉来获得最大密实度,使用高效减水剂来保证新拌混凝土的工作性能.文中研究钢纤维掺量及钢纤维类型对UHPC在三点加载作用下弯拉性能的影响,钢纤维类型包括长直型、混合型及端勾型,其对应的UHPC试件组别分别定义为UHPC-I、UHPC-II、和UHPC-III.混合型同时掺入长直钢纤维和端勾型钢纤维,纤维规格及掺量占比见表2.

表1 UHPC配合比

表2 纤维类型和掺量

1.2 三点弯曲试验

通过三点加载装置测试UHPC棱柱体的弯拉性能,见图1.采用的弯拉试件尺寸和试验方法参考法国UHPC规范, UHPC棱柱体试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm.加载前需要在棱柱体跨中进行刻槽处理,刻槽的尺寸为深10 mm、宽1 mm、长100 mm,加载时需要将刻槽一侧置于受拉的底面.刻槽所在的横断面最薄弱,可使得裂缝在刻槽尖端应力集中处延伸,降低试验结果的离散性,在棱柱体试件的加载点和支座位置用记号笔画辅助线(净跨为300 mm),以便加载时定位.

图1 三点弯曲试验装置

荷载通过电液伺服压力机加至UHPC棱柱体试件上表面的加载点位置,跨中挠度通过固定在钢支架中间的千分表测得,裂缝宽度则由刻槽处底部的千分表测量.预加载的目标荷载为8 kN,确保试验仪器正常工作;而后卸载至零,继而进行正式加载,实时记录荷载和跨中挠度,直至试件破坏后停止施荷.

表3为UHPC弯拉试验的初裂点和极限点时的位移和荷载,计算得到弯拉初裂强度和极限强度为

表3 弯曲试验的UHPC力学特征值

(1)

式中:F分别取初裂荷载(荷载-挠度曲线中的线性极限对应的荷载)和极限荷载(荷载-挠度曲线中的峰值荷载);L、b及h分别为支座距离、棱柱体截面宽度和高度.

2 试验结果分析

2.1 试验荷载-挠度曲线

每组配合比制作3个UHPC棱柱体试件,通过三点弯曲试验获得压力机荷载和千分表位移, UHPC荷载-挠度曲线见图2～3.

图2 纤维类型对试验结果的影响

由图2可知:曲线可以划分为弹性阶段、裂缝发展阶段和失效阶段.试件持荷前期未能观测到裂缝,荷载先是线性增长至约20 kN处,表现为弹性行为,其刚度不变,此时UHPC棱柱体对应的挠度较小,约为0.06 mm.所有试件的荷载-挠度曲线的弹性阶段几乎重合,结果表明:纤维类型对UHPC弯拉性能的弹性阶段无明显影响.荷载大约超过20 kN后,此时荷载所产生的拉应力超出了UHPC基体的极限拉应力,UHPC棱柱体试件的刻槽间断处出现裂缝,UHPC棱柱体的刚度变小,导致曲线的上升坡度变缓.此后钢纤维的桥接作用限制裂缝的发展与延伸.峰值荷载过后,因为裂缝显著发育的缘故,致使部分纤维的桥接作用被削弱或消失,UHPC进入应变软化阶段,衰减的持荷能力导致荷载-挠度曲线出现下降趋势.

由图3可知:所有曲线的线性增长段几乎重合,表明钢纤维掺量对UHPC棱柱体弯拉性能的弹性阶段无明显影响.但是在裂缝发展阶段,随着纤维掺量增大,曲线的斜率增大,即UHPC试件的刚度变大,相同荷载大小作用下UHPC棱柱体试件的挠度显著变小,UHPC的抗裂性能显著提升.在2%～3.5%的掺量范围内,纤维掺量越多,UHPC棱柱体试件的极限荷载得到显著加强.

图3 纤维掺量对试验结果的影响

2.2 试验弯拉强度

由表3可知:在2%～3.5%的掺量范围内UHPC的弯拉初裂强度总体上呈现微弱增强的趋势,且UHPC-II-3.5%的弯拉初裂强度最大.UHPC初裂强度受纤维类型及纤维掺量的影响并不显著.在UHPC棱柱体未开裂阶段,荷载作用下UHPC基体材料与钢纤维协同发生微小变形,由于纤维的抗拉强度远大于UHPC基体,超出基体的变形极限后,UHPC棱柱体出现裂缝,故UHPC开裂的控制因素还是归因于基体材料组分.

由表3可知:在2%～3.5%的掺量范围内,UHPC的极限强度随纤维掺量增加而持续显著增强.

掺入钢纤维显著增强了UHPC材料的裂后性能.UHPC棱柱体出现裂缝后,跨越裂缝界面的纤维锚固于两侧的UHPC基体,因此纤维将两侧基体桥接起来,两侧基体的应力通过纤维相互传递.持续增长的荷载使得UHPC棱柱体的受拉区变形增大,纤维锚固于基体的部分逐渐被拔出.拔出纤维的过程需要吸收外部输入的能量,纤维掺量越多,UHPC所表现出的荷载抗力越大.

三种纤维类型UHPC在同一纤维掺量的情况下表现出的弯拉极限强度几乎相等,影响不明显.

2.3 应力-裂缝宽度曲线

采用倒推分析法得到应力-裂缝宽度曲线,见图4～5.倒推分析法的应力-裂缝宽度曲线主要分为应力平台和应力下降两个阶段.

图4 纤维类型对倒推结果的影响

由图4可知:三种纤维类型的UHPC在裂缝宽度较大时,UHPC-II(混合型)的应力-裂缝宽度曲线处于UHPC-I(长直型)和UHPC-III(端勾型)的下方,即在同一裂缝宽度下,混合型纤维UHPC表现出的应力水平最低.因为UHPC-II混合了8 mm短纤维和13 mm长纤维,当裂缝宽度较显著时,短纤维被拔出的概率要大于长纤维,即降低了纤维掺量,从而导致同一情况下,混合型纤维UHPC的纤维抗力要低于长直型和端勾型.

由图5可知:掺入的纤维越多,曲线的应力平台越明显,纤维掺量增加至3.5%时,裂缝界面处的纤维桥接作用显著提升,故导致应力平台出现明显的上升,此时UHPC能够提供更高的抗力,具备更优的应变硬化能力.

图5 纤维掺量对倒推结果的影响

3 结 论

1) 在2%～3.5%的掺量范围内,UHPC的弯拉初裂强度总体上呈现微弱增强的趋势,但是初裂强度增量较小,认为UHPC初裂强度受纤维的影响并不显著.

2) 在2%～3.5%的掺量范围内,UHPC的极限强度随纤维掺量增加而持续显著增强,但是纤维类型对极限强度的影响不明显.

3) 在同一裂缝宽度下,混合型纤维UHPC表现出的应力水平最低;纤维掺量越大,纤维桥接作用越强,应力水平越高.