试样尺寸对超高性能混凝土断裂性能影响的试验研究

裴蓓蓓 ，孙明清 ，2，王应军

（1.新材料力学理论与应用湖北省重点实验室，武汉理工大学，湖北 武汉 430070；2.恒润集团有限公司，河北 衡水 053100）

0 引言

超高性能混凝土（UHPC）具有超高的耐久性和力学性能。它在传统混凝土的基础上通过添加高效减水剂，去除粗骨料，降低水胶比，添加纤维等方法提高混凝土的力学性能。加入活性粉末（硅灰等）替代部分水泥，使混凝土更加均匀，提高耐久性[1-2]。随着UHPC在结构工程上的广泛应用，就不得不考虑材料中不可避免的缺陷和裂纹会让工程结构发生低应力断裂事故。因此，UHPC的断裂性能研究显得尤为重要。国内外对此展开了大量的研究，发现纤维的掺量和种类、骨料粒径等因素均会影响UHPC的断裂性能。断裂性能还与基体性能和开裂处应力传递有关，而基体性能由材料组分决定，影响开裂处应力传递的因素除了纤维本身的桥接能力外，还与试样尺寸有关。如Talboys等[3]的研究表明，纤维增强混凝土的断裂模数（MOR）随着试样尺寸增大而下降。

UHPC属于纤维增强混凝土的范畴，但典型的UHPC材料具有受拉应变硬化和多元开裂的特性[4-5]。目前，关于尺寸效应对UHPC断裂性能影响的研究较少。本文利用单轴拉伸试验[6]确定延性较高以及应变硬化特性较好的钢纤维体积掺量。采用3种不同尺寸的试样，模拟张开型裂纹（低应力断裂事故发生的主要原因）利用数字图像相关法[2，7]研究尺寸效应对UHPC断裂性能的影响。数字图像相关法是一种光测方法，它是根据试样表面数字化后的随机散斑信息跟踪点的运动获得物体的变形信息，可用于测量固体表面的全场位移。

1 试验

1.1 原材料

水泥：华润水泥投资有限公司生产的东莞华润润丰牌P·Ⅱ52.5R水泥，密度 3.0 g/cm3，比表面积386 m2/kg；粉煤灰：武汉阳逻电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，密度2.6 g/cm3，比表面积1760 m2/kg；硅灰：成都东南星科技发展有限公司生产，密度2.2 g/cm3，比表面积4610 m2/kg，水泥、粉煤灰、硅灰的主要化学成分见表1。

表1 水泥、粉煤灰、硅灰的主要化学成分 %

砂：粒径分别为0～0.6 mm和0.6～1.25 mm的天然河砂，按照7∶2的质量比配合使用。

减水剂：PC-100R聚羧酸高效减水剂，固含量20%，减水率约为38%。

钢纤维：采用贝卡尔特集团生产的佳密克丝钢纤维，表面镀铜，长度13 mm，直径0.20 mm，拉伸强度2000 MPa。

1.2 试样制备

UHPC 的配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（硅灰）∶m（0～0.6 mm 河砂）∶m（0.6～1.25 mm 河砂）∶m（水）∶m（减水剂）=750∶250∶144∶770∶220∶190∶33，钢纤维掺量分别为 0、40、80、120、160 kg/m3，对应体积掺量分别为 0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。

首先将水泥、粉煤灰、硅灰和砂干搅90 s后，加入1/2的水，继续慢搅30 s，然后将剩余的水和高效减水剂混合为减水剂溶液加入混合物中，慢搅成为浆体后继续慢搅120 s，停60 s后快搅120 s，此时在浆体中加入钢纤维。将浆体浇注于试模内，24 h后脱模，置于标准养护箱中养护28 d。

拉伸试样根据土木工程师协会推荐的尺寸制作[8]，如图1所示，每种钢纤维体积掺量的试样分别制作3个。用于断裂试验的试样尺寸分别为40 mm×40 mm×160 mm、75 mm×75 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm，在试样正中间预制缺口，缺口宽度为2 mm，深度为试样高度的1/5，钢纤维体积掺量为2%，每种尺寸对应的试样分别制作3个。

图1 拉伸试样示意

1.3 测试方法

1.3.1 单轴拉伸测试

单轴拉伸试验采用加载设备为Instron5882的万能试验机，试样被固定在夹具上，利用LVDT测试拉伸应变，加载速率为0.4 mm/min。

1.3.2 三点弯曲测试

三点弯曲装置采用位移控制模式加载，40 mm×40 mm×160mm试样的加载速率为0.1 mm/min，75 mm×75 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm试样的加载速率为0.4 mm/min。3种尺寸的试样跨距分别为120、230、300 mm。将带缺口试样采用非接触变形测量系统（美国CSI）测试缺口张开宽度。测试前，在试件表面制作散斑。测试时采用工业摄像机采集散斑图像，图像采集帧率为1 fps。

2 试验结果与分析

2.1 单轴拉伸试验结果分析

单轴拉伸试验中，不同钢纤维体积掺量UHPC的拉伸应力-应变曲线如图2所示，小图为未掺钢纤维试样的应力-应变曲线。

图2 不同钢纤维体积掺量UHPC的拉伸应力-应变曲线

从图2可以看出，弹性阶段UHPC的初始刚度受钢纤维体积掺量的影响较小，而峰值应力随着钢纤维体积掺量增加而增大，峰值应力后UHPC均呈现明显的软化阶段。

当钢纤维体积掺量从0增至2.0%时，UHPC的韧性大幅提高，初裂应力从5.58 MPa增至7.40 MPa，提高了32.6%，对应的初裂应变从1.99×10-4增至3.95×10-4，提高了98.5%。从图2还可以看出，当钢纤维体积掺量高于1.0%时，UHPC初裂后开始出现应变硬化多元开裂的特性，钢纤维体积掺量从1.0%增至2.0%时，初裂应力相差不大，但峰值应力由8.50 MPa增至12.92 MPa，提高了52.0%，峰值应力对应的应变从3.77×10-3增至4.55×10-3，提高了20.7%，且钢纤维体积掺量为2.0%时呈现明显的应变硬化多元开裂特性，破坏形态如图3所示。

图3 钢纤维体积掺量为2%时UHPC拉伸破坏试样

2.2 不同尺寸试样的断裂试验结果分析

在DIC中对裂纹扩展附近的散斑点的相对运动（选取8个点）进行重点评估以减小分析误差，如图4所示。

图4 DIC分析示意

根据DIC分析结果可以得到3种试样受弯断裂的荷载-裂纹张开宽度关系，如图5所示。

从图5可以看出，基体初裂以后荷载没有明显的突然下降反而继续增长，这是由于UHPC基体初裂以后，基体内部的钢纤维桥接作用，之后钢纤维被缓慢拔出，荷载开始下降。

图5 3种尺寸UHPC受弯断裂的荷载和裂纹张开宽度的关系

根据基体初裂荷载和极限载荷求解对应的比例极限（LOP）和断裂模数（MOR）。对于带缺口的试样，根据Yoo等[9]对UHPC断裂性能的研究，计算LOP和MOR对应的应力，采用如下公式：

式中：P——荷载，kN；

L——试样的跨距，mm；

b、h——分别为试样的宽度和高度，mm；

a0——缺口的长度，mm。

将图5中求解LOP和MOR所需的特征参数荷载P，对应的张开宽度CMOD列于表2。

从表2可以看出，3种尺寸试样的LOP均值分别为10.32、9.28、9.19 MPa，随试样尺寸增大而平缓下降，这是因为LOP主要受UHPC基体性能影响，与试样尺寸关系不大；MOR均值分别为26.68、16.44、13.01 MPa，随试样尺寸增大明显减小，初裂和极限荷载对应的裂纹张开宽度随试样尺寸增大逐渐增大。

表2 UHPC初裂和极限状态对应的参数

2.3 机理分析

通过试验发现，同样配比和钢纤维掺量的UHPC会因为试样尺寸大小导致MOR不一致，也就是尺寸效应影响了纤维的分布，从而导致MOR随着尺寸的增大而减小，试样尺寸对纤维分布的影响需要进一步讨论。Yoo等[10]对UHPC弯曲性能的研究中通过对纤维分散性的分析以及分散系数的计算发现，具有良好流动性的UHPC纤维分散不受样品尺寸的影响。从而排除了纤维的分散性的影响，相比之下，纤维的取向差异受试样尺寸影响较大。通常，具有良好流动性且可自固化的纤维增强混凝土梁在成型过程中由于浆体与模具壁的摩擦产生抛物线型的流速。

本文研究对象UHPC也具有此种特性，正是因为这种特性的存在，导致纤维取向差异。这种抛物线性流速梯度会产生扭矩，从而使纤维在平行于流动的方向上对齐。然而，随着模具壁之间距离的增加，即模具宽度的增大，流速的梯度变得平缓，扭矩减小，导致拖曳力减小，纤维取向变得随机，导致整体纤维取向乱向，MOR下降。如果将钢纤维定向分布在试样中，则断裂性能将不再受尺寸效应的影响，这与田稳苓等[11]在钢纤维分布对混凝土强度影响研究中表达的定向钢纤维试样强度几乎不受试样尺寸影响的观点相一致。对于非定向分布的钢纤维试样，MOR会随着试样尺寸的增大而减小。

3 结语

（1）随着钢纤维体积掺量从0增大至2.0%，UHPC的抗拉强度随之提高。钢纤维掺量高于1.0%时，UHPC在拉伸过程中出现应变硬化现象，且在钢纤维体积掺量为2.0%时，应变硬化效果最为明显。

（2）UHPC的LOP和MOR随着试样尺寸的增大而减小，但LOP下降趋势比MOR平缓。这是因为初裂时断裂性能受基体初裂性能影响较大，所以LOP下降平缓。而MOR则和UHPC中纤维的分布有关，试样尺寸越大，纤维分布取向越是随机乱向，导致MOR急剧下降，MOR有较强的尺寸依赖性。

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