钢纤维增强RPC 受拉应力—应变曲线试验

原海燕，安明喆，贾方方，朱春梅

(1.济南大学 土木建筑学院，山东 济南250022;2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京100044)

0 引 言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是一种具有较高强度、韧性和耐久性的新型土木工程材料［1-2］。RPC 基体致密，掺加钢纤维后能够获得较高抗拉强度和韧性，因此在实际工程应用中不仅能够提高结构安全性能，减轻结构自重，还可以设计出常规混凝土无法胜任的新型结构［3-8］。由于抗拉能力及裂后延性的提高是RPC 的显著特点，因而研究RPC 基本力学性能，成为推广其理论研究及工程应用的关键。RPC 受拉应力—应变曲线反映了力和变形之间的基本关系，对结构的弹塑性全过程分析及破坏机理研究具有重要的意义，但由于轴拉试验难度较大，目前研究资料较少。

常规混凝土由于抗拉强度及延性较低，轴拉全过程试验需要采用刚性试验机，或在普通试验机上辅设刚性原件来完成［9-10］。本试验利用掺加钢纤维后RPC 延性增强，在普通试验机上直接测试其受拉应力—应变全曲线。试验中采用对比方法，配置了3 组不同钢纤维体积含量(Vf)的RPC，采用自行设计的装置进行了RPC 轴向拉伸全过程试验，并对其受拉应力—应变全曲线相关参数及破坏过程进行了分析。

1 试验概况

1.1 试件设计

混凝土的轴拉试件类型目前没有统一标准，一般根据施力设备和装卡方式来确定。目前国内外主要采用的试件类型是内埋式、粘贴式和外夹式三种［11-13］。各类型试件特点为:内埋式尺寸较大，受力点不可修正，对预埋件位置精度要求高;粘贴式试件尺寸小，但需要特殊的高强粘贴剂，并要对试件进行复杂的表面处理，效率较低;外夹式构造简单，不需预埋拉杆或粘贴拉板，但对试验机量程及吨位要求高。

由于RPC 抗拉强度高［14-15］，采用粘贴式需要高强粘结剂及特殊工艺，不易实现;而内埋式为保证预埋件粘结长度又会造成试件尺寸较大。因此，考虑试验机的量程和吨位以及制作工艺等因素，试件类型选为外夹式。本实验的外夹式试件设计为哑铃型，在端部变截面处采用弧形过渡。试件采用ANSYS 建模分析进行尺寸优化，目的是减小变截面处应力集中现象，使试件在中部测量标距内断裂。试件概况见图1。

图1 试件概况Fig.1 Specimen condition

1.2 试件制作

试验采用的RPC 主要原材料为:水泥、石英砂(粒径范围为0 ～1.25 mm)微硅粉、特制表面镀铜短细钢纤维(直径0.22 mm，长度12 ～15 mm，抗拉强度2 800 MPa)、水，以及高效减水剂。RPC 配合比见表1［13，16］。试件采用定制钢模制备，制作完成后在养护室室温养护36 h 拆模;再放入蒸汽养护箱以75 ℃蒸汽热养72 h 后取出备用。

表1 活性粉末混凝土(RPC)配合比Tab.1 Mixture ratio of Reactive Powder Concrete(RPC)

由于混凝土轴向拉伸试验难度所限，目前国际上尚无统一的试验标准，考虑到轴拉试验成功率较低，本实验每组设计4 个试件。试验中对每一个轴拉试件对应制作了立方体抗压试件，各组试件抗压强度变异系数分别为0.022、0.006、0.022，材料均匀性得到保证。

1.3 试验设备

本试验在WA-1000 型普通电子液压式万能试验机上进行。自行设计的试件夹具构造见图2。夹具采用45 号优质碳素结构钢设计制作，设置上下夹头用以夹持试件，轴向拉伸荷载利用夹头中的球铰进行传递。为保证对中，夹具外侧设计了4 根可灵活拆卸的辅助钢杆，在上下夹头就位后可以卸去。

为保证试件安装空间，同时考虑到RPC 试件制作时可能会产生尺寸误差，在夹头与试件接触面之间设计了1 mm 的缝隙。但试件就位后，由于安装缝隙的存在，会使夹头和试件不能完全密贴，受力面出现应力集中，导致试件易在端部过早破坏。为解决这一问题，实验中采用变厚度铜片填充这一缝隙(见图3)。利用铜片刚度高、延展性好的特点，实现了夹头与试件接触面上的应力均匀分布。试件受力后铜片受压变形与球铰转动相结合能够进一步调整对中，结果统计表明，本实验试件开裂前偏心率均小于15%，个别试件甚至达到了1%以内，92%的试件在测量标距内断裂，表明试验装置效果良好。

图2 夹具构造图Fig.2 Constructional of clamping fixture

图3 过渡面粘贴变厚度铜片Fig.3 Variable thickness of copper pasting on the blending surface

1.4 试验步骤

试验采用按应力控制加载的方式，加载速率设定为0.2 MPa/min。数据采集使用DH3816 静态应变测试系统，采样间隔为5 s。试验步骤如下:

①几何对中:利用辅助钢杆及水平尺对中安装上下夹头，卸去钢杆调整位置后装卡试件;

②数据采集:将数据采集箱与试件各侧面测量标距范围的电阻应变计、位移传感器连通，以采集所需数据;

③物理对中:正式测试前预加载3 次，每次加载完毕即卸载。预拉荷载在试件弹性范围内，约为15%～20%的破坏荷载。预拉时通过测试应变调整偏心率不大于15%;

④正式测试:预拉完毕后，采用荷载控制的自动加载方式。先按设定速率匀速加载，观察到试件开裂后在临近最大荷载时减小加载速度，直至试件拉断或破坏。

2 试验结果及破坏形态

2.1 试验结果

RPC 轴拉试验得到的主要结果见表2。试验中，由于Vf=2%组中有一个试件因断裂面在测量标距之外而失效，数据舍去。由表2 可知，当Vf=0%、1%、2%时，峰值割线模量Et，0与初始弹性模量Et，p比值的平均值分别为1.11、1.21、1.27，表明RPC 受拉达到最大应力时，其应力—应变曲线偏离直线的程度随钢纤维掺量增加而增大，RPC 拉伸变形能力随之增强。

表2 RPC 轴拉主要试验结果Tab.2 Main results of RPC's axial tensile test

2.2 RPC 受拉应力—应变曲线

图4 ～图6 为各组试件的受拉应力—应变曲线，其中Vf=2%组中因有1 个试件失效，只有3 条曲线。

图4 RPC 轴拉应力—应变测试曲线(Vf=0%)Fig.4 Axial tensile stress-strain curve of RPC(Vf=0%)

图5 RPC 轴拉应力—应变曲线(Vf=1%)Fig.5 Axial tensile stress-strain curve of RPC(Vf=1%)

图6 RPC 轴拉应力—应变曲线(Vf=2%)Fig.6 Axial tensile stress-strain curve of RPC(Vf=2%)

2.3 RPC 受拉破坏形态

试验中观测到，三组试件都是横向单缝破坏，其受拉破坏形态见图7。从图7 中可以看出，当Vf=0%时，RPC 破坏形态类似普通混凝土，在试件开裂后裂缝很快扩展，表现为一裂即断，断口清晰平整，如图7(a);当Vf=1%时，RPC 接近峰值荷载时先后出现多道细微裂纹，其中一条发展为主裂缝逐渐张大，最后导致破坏，裂缝断口截面拔出的钢纤维参差交错，如图7(b);当Vf=2%时，RPC 主裂缝出现分叉，试件表现出很好的裂后延性，残余承载力在最大承载力的10%以上，破坏后裂而不断，如图7(c)。

图7 RPC 典型破坏形态Fig.7 Typical tensile failure mode

3 RPC 受拉应力—应变曲线特征

当Vf=0%时，RPC 受拉应力—应变曲线上升段近似为弹性，当达到最大承载力时，由于材料脆性较大试件横向断裂，曲线在峰值后中断，如图4。

当Vf=1%和Vf=2%时，RPC 受拉应力—应变曲线特征相似，均表现出纤维增强后的峰值特性，如图5、图6。现以Vf=2%为例进行分析。

图8 为Vf=2%时RPC 轴拉应力—应变平均曲线。由图8 可见，曲线可以分为4 个阶段，即OA(上升段)、AB(峰值后应力骤降段)、BC(应力稳定段)和CD(下降段)。各阶段特征如下:

①OA(上升段):近似线性段。这一阶段类似普通混凝土轴拉试验，从试件开始受力到最大荷载，应变随应力近似按弹性增长;

②AB(峰值后应力骤降段):曲线到达峰值点A 后，试件表面出现裂缝，应变增大，应力骤然下降，曲线降到B 点;过峰值点后，试件表面主裂纹发展，与受拉方向垂直;

③BC(应力稳定段):曲线接近水平，应力变动不大而应变大幅度增长，原因为RPC 基体内钢纤维乱向分布，开裂后裂缝截面钢纤维拔出时吸能所致。这一阶段出现更多细纹，同时主裂纹横向扩展贯通;

④CD(下降段):曲线近似线形下降。试件主裂纹横向贯通后宽度逐渐增大，钢纤维继续拔出，承载力逐渐降低直至试件破坏。

图8 RPC 轴拉应力—应变平均曲线(Vf=2%)Fig.8 Average axial tensile stress-strain curve of RPC(Vf=2%)

与其他混凝土相比［11-12，17］，峰值后应力稳定段是钢纤维增强RPC 受拉应力—应变曲线的特点，其主要原因是开裂后跨越裂缝的短细钢纤维逐批被拔出需要吸收大量能量。RPC 的受拉峰值应变与其他混凝土相比无较大提高，表明其工程应用仍应结合配筋，利用钢筋和RPC 的共同作用来发挥其裂后延性高的优势。

4 结 论

①在普通万能试验机上能够测出Vf=1%及Vf=2%时的受拉应力—应变全曲线，表现出掺加钢纤维后RPC 优异的抗拉延性;

②随钢纤维掺量的增加，RPC 的抗拉强度、峰值应变、弹性模量增大，其受拉拉破坏形式从脆性转变为延性;

③钢纤维增强的RPC 受拉应力—应变全曲线可分为四个阶段:上升段、峰值后应力骤降段、应力稳定段和下降段。

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