超高性能混凝土直接拉伸试验装置的研究

修义军， 何湘峰， 李芳园， 刘琼伟， 邵旭东

(1.广东省路桥建设发展有限公司，广东 广州 510635； 2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082)

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete，简称UHPC)是指抗压强度超过150 MPa，并具有超高韧性、超长耐久性的纤维增强水泥基复合材料的统称。与普通混凝土相比，UHPC具有优异的力学性能与耐久性能，因此目前UHPC已逐渐开始应用于桥梁工程中，涉及范围包含主梁、华夫板、拱圈、桥梁接缝及旧桥加固等多方面[1]。

抗拉性能对混凝土的承载能力与耐久性能有重要影响，在进行普通混凝土结构设计时一般不需要考虑其较低的抗拉强度，而UHPC由于具有较高的抗拉强度，故其受拉本构关系在进行UHPC结构设计的过程中扮演着重要的角色。直接拉伸试验是获得UHPC材料受拉本构最直接准确的方式，由于目前尚未形成统一的UHPC直接拉伸试验装置标准，故直接拉伸试验所采用的试验装置已成为一大主要研究方向。杜任远[2]等学者对4种不同纤维体积掺量(0%、1%、2%及3%)下的UHPC试件进行了直接拉伸试验，狗骨头形试件尺寸为50 mm×100 mm×150 mm，试验装置采用端部提拉式装卡方式，结果表明该直接拉伸试验存在一定的失败率(可达25%)。学者Wille[3]等总结了UHPC直接拉伸试验装置的端部条件一般有允许转动和端部固定两种形式，而端部条件形式的变化对UHPC直接拉伸本构曲线具有较显著的影响。此外，部分学者指出端部粘结式方案尽管可较准确地测试UHPC试件初裂前的弹性性能，但测试应变硬化性能还不够精确，而且该试验装置容易由于端部粘结区域附近较低的基体抗拉强度而引起端部粘结失效[4-5]。

目前，直接拉伸试验主要包括外夹式、内埋式及粘贴式3种拉伸装置，而理想的直接拉伸试验装置应满足试件受力均匀、对中效果良好、试件制作与夹持方便等特点[6]。为此，针对以上3种直接拉伸试验装置中存在的不足，本文首先针对加大试件端部提拉的外夹式方案Ⅰ、夹紧试件端部夹拉的外夹式方案Ⅱ、端部预埋栓钉的内埋式方案及粘贴式方案展开了相关试验研究，然后结合这4种装置设计出一种简单适用新型直接拉伸试验装置，以期为获得UHPC材料真实的受拉性能提供相应的参考。

1 4种拉伸装置下的可行性研究

1.1 外夹式方案Ⅰ

根据《纤维混凝土试验方法标准》[7]，对总长为600 mm、中间截面尺寸为100 mm×100 mm的狗骨头形试件进行了相关的试研究性试验，其中，受拉荷载与受拉应力间的转换采用计算公式(1)，为使引伸计与应变片这两种变形测量装置能相互核对，将引伸计读数按照公式(2)换算成相应的应变值(以下拉伸方案同此)。

(1)

(2)

式中：σ为受拉试件的应力值，MPa;F为受拉试件荷载值，kN；A为受拉试件的截面面积,mm2；ε为换算后的微应变；l0为引伸计的标距,mm；Δl为标距范围内的变形量,mm。

应变片及引伸计结果均定量地说明该方案下的对中效果较好，图1中试件的断裂位置及破坏形态亦可定性地说明该方案中的对中要求基本可以得到满足。不过，从图1可发现，试验结束之后的夹具本身变形较大，这是由于UHPC试件的直接拉伸峰值强度较大(可达到11 MPa左右)，故后续试验的安全性及对中性是否满足要求不得而知，因此本文最终放弃了该试验方案，并在后续试验中应考虑具有较高刚度的夹具。

图1 端部提拉的外夹式方案Ⅰ

1.2 外夹式方案Ⅱ

根据文献[5]，本次研究试验采用总长为860 mm的狗骨头形试件，其中间截面尺寸为80 mm×80 mm，试件侧面夹持处垫上薄薄的铜片以防止局部应力集中。如图2所示，试验过程中采用引伸计与应变片共同来测定试件的变形，试验结果表明：两个引伸计间的数值相差较大，前后左右应变片的数值相差也较大，引伸计换算后的应变值也难以与应变片测试值相符，说明此方式下的试件偏心率较大，试件对中性有待提高。同时，由于该试件体积较大，试件对中性调整的难度因此也加大，故此方法并未被纳入最终的可选方案内。

图2 端部夹拉的外夹式方案Ⅱ

1.3 内埋式方案

之前的内埋式方法中大多采用预埋钢筋的方式，但此方法下钢筋的埋置深度不好掌握，埋深过长易引起钢筋自身下挠而影响对中，埋深过短易引起钢筋与UHPC之间脱黏失效。因此，本文采用预埋栓钉与钢板，并充分利用球铰可转动性的优点，其中栓钉分为等长栓钉与不等长栓钉两种方案，等长栓钉的尺寸均为M16×50 mm，不等长栓钉的尺寸范围为M16×34 mm～M16×104 mm，与栓钉焊接在一起的钢板厚20 mm，浇筑后的试件均为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体(含钢板厚度)。如图3所示，试验结果表明：当应力达到7.5 MPa左右时，试件从等长栓钉端部位置断裂；当应力达到9.5 MPa左右时，裂缝从不等长栓钉端部位置贯通。可见，不同的栓钉设计会引起强度测试值的差异，且栓钉端部的局部削弱作用会诱导UHPC试件开裂，故该方法会引起强度和开裂位置的误判，不可纳入直接拉伸试验的可选范围。

(a)预埋等长栓钉

1.4 粘贴式方案

如图4所示，本文采用两种粘贴式的方法：其一是只将试件端部粗糙化处理后，用环氧树脂胶将试件与端部钢板粘结在一起；其二是将试件端部与局部侧面粗糙化处理后，先用环氧树脂胶将试件与端部钢板粘结在一起，再将粘结钢板与试件侧面用钢片进行粘结加固。粘结完成后的棱柱体试件尺寸均为100 mm×100 mm×440 mm(含粘结钢板厚度)，其中两端粘结钢板分别厚20 cm，为加速环氧胶的硬化过程，所有试件均置于温度为60 ℃～70 ℃的环境中固化6 h左右。双钢板并带双向球铰的试验装置使该方法下的直接拉伸试验对中效果良好，但端部与局部侧面均粘结处理后的试件在应力达到7.5 MPa左右时便出现侧面钢片脱黏的现象，而只对端部进行粘结处理试件发生端部钢板脱黏时的应力则更低(仅约6 MPa)，两种情况下的脱黏应力均不是试件最终的破坏应力。因此，粘贴式方法仍无法用于直接拉伸试验中。

(a)端部粘结

2 基于前述拉伸装置下的改进性研究

2.1 改进装置试验设计

以上4种拉伸装置均具有各自的局限性，主要包括对中困难与粘结失效两大方面，为此，本文主要从这两方面的难点入手以寻求简单合适的直接拉伸试验装置。

其一，文献[5]中提到双向球铰可提高拉伸试件的对中效果，现将狗骨头形试件端部夹拉的外夹式方案Ⅱ(无双向球铰)与棱柱体形试件的粘贴式方案(有双向球铰)下的部分应力-应变曲线绘于图5中，并由图5可知：在无双向球铰方案中，虽然各个表面上的应变随应力的增加基本呈线性增加，但在同一应力下的各应变值相差较大，且应变差值随应力的增大而增大，图中试件的前后偏心率与左右偏心率最大分别可达48%与30%；而带双向球铰方案中尽管应变差值也随应力的增大而增大，但图中前后偏心率与左右偏心率最大仅为7%与12%。因此，本文决定将双向球铰用于最终的直接拉伸试验方案中。

图5 有、无双向球铰方案间的应力-应变曲线对比

其二，为防止拉伸过程中试验装置与试件间发生粘结失效的情况，本文采用加大试件端部提拉的方法，试件由上下两个特制夹具固定住，并在试验机夹头装置与试件端部钢板之间设置双向球铰。瑞士UHPC设计指南[8]建议直接拉伸试验采用截面尺寸为50 mm×30 mm的狗骨头形试件，而为减小纤维取向对UHPC直接拉伸性能的影响，本文最终按照文献[9]采用50 mm×100 mm截面的狗骨头形试件，具体的直接拉伸试件尺寸与试验装置详见图6。

图6 改进后的直接拉伸试验方案

在最终的直接拉伸试验中，采用应变片与电子千分表双重测试的方法来验证试件的对中性，其中应变片粘贴在试件4个侧面对应的正中处，千分表架设在试件的前后两面，且千分表的标距为200 mm。试件装置装配好后首先将试件上端的拉力杆固定在60 t电子伺服万能试验机的上夹头内，然后缓慢上升试验机的横梁，直至另一端的拉力杆深入横梁的夹头内，最后夹紧夹头。由于本文直接拉伸试验装置的研究重点为夹具，而夹具本身具有一定的尺寸，故应确保试验机能夹紧夹具，且其行程应满足要求。正式试验前，在材料弹性范围内进行预加载，微调试件或夹具使其偏心率不大于15%。

按照瑞士UHPC设计指南[8]的相关规定：在达到拉伸峰值荷载前，直接拉伸试验采用0.2 mm/min的夹头位移加载速率来控制加载，之后该夹头位移速率可提升至0.4 mm/min；当试件残余强度等于峰值强度的20%时，或试件测量段长度的平均伸长量大于所用纤维最大长度的50%时,便可结束加载。在拉伸过程中，当试件发生可视裂缝后，采用精度为0.01 mm的裂缝宽度观测仪测量试件的裂缝宽度，且用钢尺测量试验过程中的裂缝长度，并记录下相应的裂缝宽度、裂缝长度及荷载值。

2.2 改进方法试验结果

图7所示为采用改进试验方案后的一组直接拉伸试件破坏形态。该组UHPC试件均采用蒸汽养护的形式，并均掺有体积掺量为2%的端钩型纤维，其中，纤维长度与纤维直径分别为13 mm与0.2 mm。圣维南原理中提出，改变边界面上等效面力的作用方式，试件的内力分布在远离作用点处往往不发生改变，即直接拉伸应力在试件中部基本呈均匀分布[10]。由图7可知，所有试件均未出现应力集中现象，且各主裂缝位置大致均处于试件中部，各主裂缝平面也大致与试件受力方向垂直，故改进后的拉伸试验方案基本符合理想的直接拉伸试验方案中的试件受力均匀条件。

图7 直接拉伸试件破坏形态

图8所示为以上3个直接拉伸试件的应力-应变全曲线，其中应变值为两个引伸计分别采用公式(2)换算后的平均应变，并由该图可知，3条应力-应变全曲线大致吻合，说明这该组试件结果离散性较小，具有较高的可靠性。

图8 直接拉伸应力-应变全曲线

此外，以第一个试件(即试件编号为N1)为例，由于试件开裂后应变片测量结果便不再准确，故仅将试件开裂前(即线性偏离点前)的应变片与引伸计测量结果绘于图9中，并由该图可知，两种变形测量装置的结果基本一致，在同一拉伸应力下，4个侧面上的应变片实测值与前后两面的引伸计换算应变值之间的差值均较小，说明该测量装置的可靠性亦可得到满足。

图9 应变片与引伸计测量结果对比

为了定量地描述直接拉伸试验改进方案中的试件对中效果，将各应变片的读数采用公式(3)来计算试件的偏心率。事实上，试件一旦发生开裂后便可能发生偏拉，即试件拉伸至破坏的过程中不可能一直保证对中良好，《纤维混凝土试验方法标准》[6]中也仅要求试件预拉过程中的偏心率满足要求，故表1仅展示直接拉伸应力-应变曲线上线性偏离点处试件上的各应变片读数及偏心率。

(3)

式中：eε为受拉试件的偏心率；ε1与ε2分别为受拉试件两侧的微应变。

表1 直接拉伸试件的偏心率Table1 Eccentricityofdirecttensilespecimens试件编号应变片读数前表面应变/με后表面应变/με左表面应变/με右表面应变/με前后表面偏心率/%左右表面偏心率/%N11752011561836.98.0N21742031651977.78.8N31711901981635.39.7平均————6.68.8 注:试件编号的命名中,N1、N2及N3分别代表该组试件中的第1个、第2个及第3个试件。

由表1可知，在直接拉伸试验过程中，尽管没法使试件完全对中，但试件前后表面及左右表面的偏心率均能控制在10%以内，说明试件开裂前能满足偏心率不大于15%的要求[6]，即采用该套试验装置后能得到较好的对中效果。

3 结论

a.对于加大试件端部提拉的外夹式方案Ⅰ，试验夹具在较高的UHPC拉伸峰值强度下易发生变形；而对于夹紧试件端部夹拉的外夹式方案Ⅱ，较大体积的试件加大了对中性调整的难度，故两种外夹式方案均不适用。

b.对于端部预埋等长栓钉和不等长栓钉的内埋式方案，试件主裂缝均从栓钉端部位置处贯通，同时两种内埋式方案下实测的UHPC峰值强度相差可达2 MPa，故该方案并不可靠。

c.粘贴式方案中的粘贴钢板(钢片)易与UHPC试件发生脱黏现象，但该方案中的球铰使得直接拉伸试件具有较好的对中效果。

d.改进方案中将双向球铰与刚度较大的外夹式装置结合在一起，试验表明该改进方案对中效果较好，同时操作过程较简单，可获得UHPC真实的拉伸性能。