钢纤维类型及数量对UHPC拉伸性能影响研究

张宝东，赵冰洁，邓永刚

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

为克服普通混凝土低抗拉强度、低延展性和低耐久性等缺点，并最大限度地提高水泥基复合材料的机械性能，法国工程师在20世纪90年代中期开发了一种活性粉末混凝土，其为超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)的初始产品[1]，目前在多个国家广泛应用。

为进一步改善UHPC的拉伸性能，学者们进行了较多研究。文献[2]基于堆积密度理论和蒸汽加热固化工艺，制备得到具有致密微观结构和较高基体强度的UHPC。文献[3]通过掺入大量高强度钢纤维，使混凝土获得极好的开裂后拉伸性能，发生应变硬化响应，解决普通混凝土拉伸强度和延展性较差的问题。文献[4]采用直线型钢纤维(直径0.8mm，长度30mm)增强UHPC，该纤维具有大于2000MPa的高抗拉强度，但在拔出荷载下，嵌入超高性能混凝土中的直线型钢纤维的最大拉伸应力为981MPa，约为其极限拉伸强度的40%，说明该纤维在UHPC基质中作为增强材料的使用效率较低。为更有效利用钢纤维并提高其增强效率，文献[5]研究了纤维取向对拉伸性能的影响，结果表明当纤维取向为45°时，拉伸性能最好。文献[6]使用端勾型钢纤维增强UHPC，并通过实验验证了其在改善UHPC拉伸和弯曲性能的有效性。尽管嵌入UHPC的端勾型钢纤维表现出比直线型钢纤维大得多的拔出阻力，但与直线型钢纤维和波纹型钢纤维相比，采用端勾型钢纤维增强UHPC梁的抵抗弯曲破坏能力较差，原因是其纤维分散性较差，并在倾斜纤维的末端勾附近形成过早的基体开裂。文献[7]的研究发现，半钩形钢纤维在平均粘结强度和拔出能量上优于其他高度变形的钢纤维(如端勾型和波纹型等)。文献[8]研究结果表明，变形纤维可以提供更大的加载速率敏感性，与直线型钢纤维相比，变形纤维在取向为45°时其有效性最大化。

目前对于纤维拉拔的研究，大多学者采用镀铜微丝(直线型)纤维，关于纤维自身形状对拉伸性能及破坏形式影响的研究则较少。由于不同类型纤维与纤维增强UHPC基体的粘结程度不同，纤维类型及数量对UHPC拉伸性能均有明显影响。本文采用直线型、端勾型和波纹型三种钢纤维增强UHPC，考察不同纤维数量下的拉伸性能，分析其微观机理，并采用Abaqus软件对拉伸过程进行模拟分析。

1 试验材料及配合比设计

1.1 UHPC基体原材料及配合比

UHPC基体的原材料包括：P·O 52.5普通硅酸盐水泥，沈阳冀东水泥有限公司；I级粉煤灰，沈海热电厂；硅灰，沈阳市海沃德化工厂；普通河砂(比重2.6g/cm3)；聚羧酸减水剂，减水率大于25%(质量分数)，上海臣启化工科技有限公司；符合JGJ63-2006《混凝土用水标准》的混凝土拌和水。

基于最紧密堆积密度理论对UHPC进行配合比设计[9]，UHPC基体的配合比及抗压强度如表1所示，胶凝材料化学组分如表2所示。

表1 UHPC基体的配合比及抗压强度

表2 胶凝材料化学组分 wt%

1.2 钢纤维类型及参数

采用直线型、端勾型和波纹型三种形状的钢纤维，钢纤维参数如表3所示，纤维形状如图1所示。

为保证断裂面纤维数量，采用纤维交叉排列方式，保证UHPC试件断裂面中钢纤维数量分别为4根、8根和16根。

表3 纤维参数及抗拉强度

图1 钢纤维形状

1.3 试件尺寸及加载装置

拉伸试件尺寸如图2所示(单位：mm)。拉伸试验采用WDW-300G微机控制电子万能试验机(济南科盛试验机设备有限公司)，拉伸载荷最大容量为300kN，加载速率为0.5mm/min。加载装置如图3所示。

图2 纤维拉伸试件几何形状

图3 拉伸试件加载装置

2 试验结果分析与讨论

2.1 直接拉伸行为分析

纤维类型及数量对拉伸应力响应的影响如图4所示。

图4 纤维类型及数量对拉伸应力响应的影响

由图4可以看出，纤维增强UHPC的应力在基体初始开裂前不受钢纤维类型的影响，但在基体开裂后，其应力受纤维类型的影响比较明显。基体破坏前，各类型纤维试件应力基本呈线性增长，破坏后不同类型纤维试件应力下降趋势相差较大。波纹型钢纤维试件表现出最高的开裂后强度，其次是直线型和端勾型钢纤维试件。当纤维数量为16根时，端勾型钢纤维试件最大拔出应力最小。端勾型钢纤维试件开裂后强度较低的原因可能是应力集中，导致基体瞬间拉断破坏。

当纤维数量相同时，纤维增强复合材料拉伸性能高低的排序为：波纹型钢纤维>直线型钢纤维>端勾型钢纤维。波纹型钢纤维滑移最小，拔出所需能量更大。端勾型钢纤维拉伸能力较弱的主要原因是纤维自身形状变化较大，更易在基体内部形成较高的应力集中，使得纤维增强UHPC基体过早破坏[10]。

随着纤维数量增加，直线型和波纹型钢纤维试件的最大拔出应力增加，而端勾型钢纤维试件的最大拔出应力变化规律不明显。

不同类型纤维试件拉伸过程中裂纹形状如图5所示。

图5 不同类型纤维试件拉伸过程中裂纹形状

由图5可见，在拉伸过程中，纤维增强UHPC首先会产生几条微小裂纹，其中直线型和波纹型钢纤维试件各裂纹平直且近似平行，而端勾型钢纤维试件各裂纹形状各异，大多存在尖端。随着拉伸应力的持续增大，其中一条裂纹逐渐增大，最终贯穿为主裂纹，说明拉伸应力相对于超过基体开裂点的应变连续增加。

不同类型纤维及基体变形情况如图6所示。

图6 不同类型纤维及基体变形情况

由图6a可见，直线型钢纤维在拔出时纤维表面有明显的划痕，这是由于纤维与基体脱黏时纤维取向与拉伸荷载方向不一致产生挤压造成的；由图6b可见，端勾型纤维在拉伸拔出过程中存在纤维被拉变形和被拉直的现象，由于端勾部位产生的弯矩较大，在弯勾部位会产生较大的应力集中，故纤维增强UHPC基体的破坏不仅有拉伸破坏，同时还存在剪切破坏；由图6c可见，波纹型钢纤维在拔出过程中，少部分纤维被拉直，由于基体过早开裂，纤维增强UHPC基体中纤维的抗拔力未被完全发挥出来，即使在完成拉伸试验后，大部分纤维未被拉直。

波纹型钢纤维试件在拉伸时整体性能更好，脆性表现较为明显，破坏面也较为平整；直线型钢纤维试件在拉伸时表现为纤维的拔出状态，破坏面相对平整；端勾型钢纤维试件在拉伸过程中由于应力集中因子较大，造成纤维增强UHPC破坏面呈剪切破坏。

2.2 纤维类型及数量对拉伸性能参数的影响

不同纤维类型及数量对拉伸性能参数的影响如表4所示。

表4 不同纤维类型及数量对拉伸性能参数的影响

由表4可以看出，纤维数量相同时，波纹型和直线型钢纤维试件的极限拉伸应力大于端勾型钢纤维试件，这是由于端勾型钢纤维试件基体过早破坏，未达到最大拉伸应力，在拉伸之后只能观察到被拉直纤维数量较少。

直线型和波纹型钢纤维试件由于持续的荷载作用，导致纤维拔出及试件拉断需要较高破坏吸收能，而端勾型试件基体开裂较早，导致加载时间较短，因此破坏吸收能较低。

随着纤维数量增加，直线型和波纹型钢纤维试件的极限拉伸应力和应变均逐渐增加，而端勾型钢纤维试件的极限拉伸应力先增大后减小，应变则逐渐减小。

对于端勾型钢纤维，由于端勾的存在，纤维数量增多，纤维之间距离减小，相互作用增强，应力集中因子增大，纤维增强UHPC基体对纤维提供的摩擦和机械锚固作用较小，试件脆性较强。故端勾型钢纤维试件的应变随着纤维数量增多而逐渐减小。

2.3 拉伸性能微观机理分析

采用日立S-3400N型扫描电子显微镜对纤维增强UHPC微观形貌进行观察。纤维与基体粘结微观形貌如图7所示。

图7 纤维与基体粘结微观形貌

由图7a可以看出，端勾型钢纤维由于机械锚固作用，纤维与基体粘结性能较好；由图7b可以看出，由于滑移导致纤维表面产生较多划痕，因此纤维在拔出过程中应力-时间曲线会波动，因纤维尺寸较为均一，在拔出时对混凝土基体破坏较小，故纤维附近UHPC整体性较好；由图7c可以看出，波纹型钢纤维在拉伸时波纹对基体造成破坏；由图7d可见，由于纤维滑移距离较短，纤维表面划痕较少。

直线型钢纤维在拉伸拔出过程中，由于外部荷载作用，导致纤维会产生向外滑移的趋势，在基体内纤维与UHPC基体产生界面黏结作用，导致纤维在受拉时会产生微变形，当外部荷载大于整段纤维黏结作用时，纤维脱黏，从基体中被拔出；端勾型钢纤维在初始拉伸时，其直线部分和直线型钢纤维受力情况一致，其端勾部位产生机械锚固作用，随着纤维数量增多，纤维间距减小，应力集中因子增大，由于剪切作用导致基体过早破坏；波纹型钢纤维在拔出过程中，因其自身比表面积较大，与基体机械锚固作用较强，但由于波纹的存在，导致拉伸时纤维两侧基体产生破坏。

3 拉伸试件应力状态及开裂行为模拟分析

3.1 钢纤维混凝土拉伸试件有限元模型

采用有限元软件Abaqus建立如图2尺寸的试件几何模型。采用三维八节点六面体实体线性完全积分单元(C3D8)进行网格划分，遵从单向拉伸试验中的加载方式，从模型一侧进行位移加载，并约束模型一侧六个方向自由度使之固定[11]。该模型的试件网格形状、边界条件和位移加载方式如图8所示。

图8 试件网格形状、边界条件及加载方式

3.2 Abaqus软件模拟分析

Abaqus软件模拟得到拉伸应力图和试件破坏图如图9和图10所示。

图9 试件拉伸应力图

由图9可见，Abaqus模拟结果与试验结果基本一致，直线型和波纹型钢纤维在拉伸时内部应力较为均匀，端勾型试件出现明显的应力集中现象。由图10可见，直线型和波纹型纤维试件破坏较完全，端勾型钢纤维试件应力集中破坏形态与图6b相同。由于纤维拉伸试件的横截面积较小，导致截面内纤维数量较多，纤维周围基质体积不足以抵抗纤维在拉伸试验中的显著机械锚固。因此，端勾型和波纹型钢纤维在达到其极限黏结强度之前基体被过早破坏，导致拉伸性能比直线型钢纤维试件差，大部分端勾型和波纹型钢纤维未被拉直[12]。

掺入波纹型钢纤维的试件获得最佳的开裂性能，因其具有较高的抗拔强度而产生更多的裂纹，故波纹型钢纤维试件比直线型和端勾型钢纤维试件更有效地将应力传递给周围基体。直线型钢纤维试件的开裂面较为整齐，原因是纤维尺寸较为均一，纤维能够均匀地将应力传递至基体。端勾型钢纤维试件由于端勾部位尺寸过度较大，纤维间距较小，导致应力尖端因子较为集中(图8b)，因此基体过早破坏，纤维过早地从基体中拔出失效。波纹型钢纤维试件由于纤维自身形状特点更容易与基体产生较强机械锚固作用，故波纹型钢纤维试件在拉伸过程中的表现优于直线型和端勾型钢纤维试件。

4 结论

(1)采用三种钢纤维增强UHPC的拉伸性能，效果由大到小依次为：波纹型钢纤维>直线型钢纤维>端勾型钢纤维。由于基体强度原因导致复合材料中的大部分端勾型和波纹型钢纤维在完全从基体中拔出后也未被拉直，限制了拔出阻力的充分发展。

(2)波纹型钢纤维试件的开裂性能最好，其次是直线型钢纤维试件和端勾型钢纤维试件，这是由于端勾型钢纤维试件由于纤维间距较小，容易产生应力集中，使混凝土基体过早开裂。

(3)直线型和端勾型钢纤维在拉伸拔出时对基体破坏较小，波纹型钢纤维因其波纹结构，在拔出时对纤维两侧基体破坏较为明显。直线型和波纹型钢纤维在拉伸时应力传递较为均匀，破坏面较为平整。