玄武岩纤维对活性粉末混凝土受压破坏的影响

杨立云， 林长宇， 张 飞， 谢焕真， 汪自扬

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

Richard 在1993 年研发的活性粉末混凝土（RPC）具有高强度、高耐久性、高韧性等优点，被广泛应用于隧道衬砌、超高层建筑、大跨度桥梁、水利工程和军事防御工程［1‑3］.目前，很多学者在RPC 基本力学性能方面做了大量研究：Wang 等［4］研究了玄武岩纤维（BF）和聚丙烯混杂纤维RPC 的力学性能，结果表明随着纤维掺量的增加，RPC 立方体抗压强度略有增强；Chen 等［5］研究发现纤维的掺入有助于提高RPC 韧性、延性和抗弯性能；安明喆等［6］发现钢纤维体积分数大于1.75%时，RPC 静态抗压强度和峰值应变显著提高.也有学者研究了不同养护制度和特殊工作环境对RPC 基本力学性能的影响：Yazici等［7‑8］研究发现，与标准养护制度相比，高温养护制度能够显著提高RPC 单轴抗压强度和抗弯强度；Li等［9］研究发现玄武岩纤维-活性粉末混凝土（BF‑RPC）具有较高的抗盐耐腐蚀性，BF 对RPC 抗冻融性能的改善效果显著；Raza 等［10］研究发现体积分数为3.00%的钢-玻璃混杂纤维可以防止高温条件下RPC 的爆炸性剥落.

国内外在静态加载过程中纤维掺量对混凝土破坏特征的影响方面研究较少.本文借助三维数字图像 相 关 方 法（3D‑DIC），对 不 同BF 体 积 分 数 的BF‑RPC 进行单轴静态压缩破坏过程研究，分析BF体积分数φBF对BF‑RPC 在静态受压破坏过程中的裂纹扩展过程、损伤和破坏形式的影响，以期为实际工程中RPC 的应用设计提供参考.

1 试验

1.1 原材料

水泥（C）为北京金隅公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；硅粉（SF）为甘肃三远材料有限公司生产的RPC 专用硅粉，二氧化硅含量1）文中涉及的含量、水胶比等除特殊说明外均为质量分数或质量比.在90.0%以上，平均粒径为0.10～0.30 μm，比表面积为25 m2/g；石英砂（QS）为巩义市蓝之润净水材料销售有限公司销售的石英砂，二氧化硅含量为99.2%，粒径为0.16～1.25 mm；BF 为桐乡市蓝石复合材料有限公司生产的短切玄武岩纤维，单丝直径为15 μm，长度为12 mm，密度为2 580 kg/m3；减水剂（WR）为湖南中岩建材科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水效率为35%；拌和水（W）为自来水.

1.2 配合比

为得到强度高、流动性较好的BF‑RPC［11‑12］，设定其水胶比和胶砂比分别为0.20、0.61.BF‑RPC 的配合比见表1.

表1 BF-RPC 的配合比Table 1 Mix proportions of BF-PRC

1.3 试验方法

采用MTS 电伺服控制压力机，加载速率为0.2 mm/min.为减小BF‑RPC 试件端面与加载台之间的摩擦阻力，在φ50×100 mm 的圆柱体试件两端涂抹适量的凡士林.

3D‑DIC 系 统 主 要 由2 台CCD 相 机、2 台LED灯和计算机组成.试验前先调整相机支架的平整度及其与试件加载区的相对位置，接着调整相机焦距以保证试件表面散斑的清晰度，再利用校正板在试件加载区域内确定空间坐标.调整好3D‑DIC 系统后，要保持相机位置不变直到试验结束.试验过程中调整LED 灯亮度以及相机光圈大小，保证拍摄可靠的灰度值图像，相机采样频率为3 fps.需要注意的是MTS 加载系统与3D‑DIC 拍摄系统需要同时开始.

2 破坏过程及损伤分析

2.1 应力-应变曲线

体应变εv是轴向应变εa、横向应变εl和径向应变εr之和.考虑BF‑RPC 试件是圆柱体以及加载方式为上下对称加载，因此εl和εr相等［13］，而εa和εl可通过在试件表面应变场中设置虚拟引伸计求得［14］.

体应变εv主要由BF‑RPC 内部原生裂纹闭合和加载过程中新裂纹张开扩展所引起的体积变化εvc以及相同应力水平下所引起的弹性体应变εve2 个部分组成.εve计算式为：

式中：E、v分别为根据轴向应力σ-轴向应变εa曲线中弹性阶段所求得的弹性模量、泊松比.

由此可得，静态加载过程中反映裂纹闭合和张开的裂纹体应变εvc为［15］：

BF‑RPC 试件的轴向应力-轴向（横向）应变（σ‑εa（εl））曲线、弹性（裂纹）体应变-轴向应变（εve（εvc）‑εa）曲线见图1、2.图2 中：体应变上升段表示体积减小，下降段表示体积增大；裂纹应变上升段表示裂纹闭合，下降段表示裂纹扩展.由图1、2 可见，不同BF 体积分数的BF‑RPC 在单轴压缩过程中，其轴向应力-轴向（横向）应变曲线、弹性（裂纹）应变-轴向应变曲线的形状和与特征相似.

图1 BF‑RPC 试件的轴向应力-轴向（横向）应变曲线Fig.1 σ‑εa（εl）curves of BF‑RPC specimens

图2 BF‑RPC 试件的弹性（裂纹）应变-轴向应变曲线Fig.2 εve（εvc）‑εa curves of BF‑RPC specimens

按曲线之间的相互联系，可以将BF‑RPC 的单轴压缩破坏过程分为以下4 个阶段.

第Ⅰ阶段 原生裂纹闭合阶段.此阶段体应变和裂纹应变均随着轴向应变的增加而增大，试件体积收缩，原始裂纹闭合，裂纹应变上升至水平段标志着原生裂纹闭合阶段结束.

第Ⅱ阶段 弹性变形阶段.此阶段开始的轴向应力和轴向应变称为弹性应力σce和弹性应变εce，体应变εv与弹性体应变εve增量保持一致，裂纹应变保持定值，也就是BF‑RPC 试件体积的改变只与弹性体应变有关，裂纹应变开始下降标志着弹性变形阶段的结束.

第Ⅲ阶段 裂纹稳定扩展阶段.此阶段开始的轴向应力和轴向应变称为起裂应力σci和起裂应变εci，是轴向裂纹形成的标志；在裂纹稳定扩展阶段，体应变增量中包括裂纹扩展引起的体积增量，因此体应变增量小于弹性体应变增量，裂纹应变表现为缓慢下降状态，体应变开始下降标志着裂纹稳定扩展阶段的结束.

第Ⅳ阶段 裂纹加速扩展阶段.此阶段开始的轴向应力和轴向应变称为扩容应力σcd和扩容应变εcd，是裂纹不稳定扩展的标志，结束时的轴向应力和轴向应变称为峰值应力σf和峰值应变εf；裂纹加速扩展导致裂纹应变加速下降，体应变开始下降导致试件总体积变大，横向应变加速增长.

由图1 中的峰值应力σf可以看出：BF 能够有效提高BF‑RPC 的峰值应力，且随着BF 体积分数的增大，BF‑RPC 的峰值应力先增大后减小；当φBF=0.5%时，BF‑RPC 的σf达到最大值，此时BF 的增强效果最为显著，σf的增值幅度为13%；当φBF＞0.5%时，BF‑RPC 峰值应力降低的主要原因在于纤维体积分数过大而导致的结团现象，增加了其内部孔隙和薄弱面.

2.2 BF 对破坏阶段的影响

为了更好地探究不同BF 体积分数对BF‑RPC破坏阶段的影响，采用破坏阶段占比Q进行分析，破坏阶段占比用该阶段轴向应变变化量占峰值应变的百分比来表征.BF‑RPC 试件的破坏阶段占比见图3.由图3可见，随着BF体积分数的增大：BF‑RPC原生裂纹闭合阶段的破坏阶段占比呈震荡式变化，当φBF=0.5%时，BF‑RPC 原生裂纹闭合阶段的破坏阶段占比最小，而当φBF＞0.5%时，BF‑RPC 原生裂纹闭合阶段的破坏阶段占比大于φBF=0.5%的BF‑RPC，这说明BF 的掺入可以改变BF‑RPC 的内部孔隙和原始缺陷，但是过量BF 的掺入会增加BF‑RPC 基体内的原始缺陷；BF‑RPC 弹性变形阶段的破坏阶段占比也呈现出震荡式变化，当φBF=0.5%时，BF‑RPC 弹性变形阶段的破坏阶段占比最大；BF‑RPC 裂纹稳定扩展阶段的破坏阶段占比逐渐减小，裂纹加速扩展阶段的破坏阶段占比逐渐增大，当φBF=1.5%时，BF‑RPC 裂纹稳定扩展阶段的破坏阶段占比最小，而裂纹加速扩展阶段的破坏阶段占比最大，这主要是因为过多BF 的掺入增加了BF‑RPC 的内部孔隙和薄弱面，在薄弱面处裂纹更容易张开和扩展，减小了裂纹稳定扩展阶段的破坏阶段占比，但是BF 掺入较多，其加筋拉结效果最为显著，导致裂纹加速扩展阶段的破坏阶段占比最大.

图3 BF‑RPC 试件的破坏阶段占比Fig.3 Q of BF‑RPC specimens

2.3 BF 对试件损伤的影响

应变场的标准差可以表征试件表面应变场非均匀演化（局部化）过程，试件内部裂纹扩展与表面应变场演化有关，可以通过表面应变场的标准差来表征试件损伤演化过程［16］.定义某一时刻水平应变场标准差S为：

式中：Xk为应变场中任意点k的应变值为Xk的平均值.

BF‑RPC 试件的水平应变场标准差演化曲线见图4.由图4 可见，BF 的掺入改变了BF‑RPC 试件的损伤演化过程：在扩容应变εcd之前，试件损伤较小且增长较为平缓；在扩容应变εcd之后，试件损伤急剧增加且在峰值破坏之前均有明显的突跳；峰值破坏时对应的损伤随着BF 体积分数的增大而增大，主要是因为BF‑RPC 在单轴受压状态下，内部BF 对外力有传导和分散作用，在BF 对外力进行传导和分散过程中，BF 拉结的混凝土就会产生微裂纹.纤维的断裂和微裂纹的扩展导致了混凝土内部损伤产生，且随着BF 体积分数的增大这种作用趋于明显，BF‑RPC内部产生的损伤也将增大.

图4 BF‑RPC 试件的水平应变场标准差演化曲线Fig.4 Evolution curves of S of BF‑RPC specimens

3 破坏模式分析

为分析BF‑RPC 在单轴压缩过程中的破坏模式（剪切破坏、拉伸破坏、复合型破坏），在主裂纹两侧附近布置4 对标志点E（0，1）、F（2，3）、G（4，5）、H（6，7）（见图5），在试件表面位移场中提取这4 对标志点的垂直位移和水平位移，并将其分解至裂纹的切向方向和法向方向.通过分析裂纹两侧标志点的切向位移T和法向位移N随时间的演化曲线，可以探究裂纹扩展机制.BF‑RPC 受压主裂纹两侧标志点的切向位移和法向位移全程演化曲线见图6，图中T0、N0 分别为点0 在切向、法向的位移，其他类推.

图5 裂纹两侧标志点位置Fig.5 Location of marks on both sides of cracks

由图6 可见：试件S0 中，4 对标志点的切向位移均没有分离趋势，而法向位移在加载的不同阶段均出现了分离现象，这说明未掺加BF 的RPC 试件破坏模式为拉伸破坏；试件S0.5 中，4 对标志点分别在加载到峰值应变的71%、34%、17%、94%时，法向位移开始出现分离，F（2，3）、G（4，5）、H（6，7）标志点分别在加载到峰值应变的63%、25%、25%时，切向位移开始出现分离，这说明当φBF=0.5%时，BF‑RPC 破坏是由拉伸和剪切破坏共同作用造成的；试件S1.0 中，4 对标志点的切向位移和法向位移均在不同时刻出现了分离现象，这说明当φBF=1.0% 时，BF‑RPC 的 破 坏 是 由 拉 伸 和 剪切破坏共同作用造成的；试件S1.5 中，E（0，1）在加载至峰值应变的30%左右时，切向位移开始出现分离，法向位移在加载开始就保持着0.001 mm的位移差直到破坏，可认为其法向位移没有出现分离，F（2，3）、G（4，5）、H（6，7）标志点在加载至峰值应变的30% 左右时，切向位移开始出现分离，法向位移基本未分离，这说明当φBF=1.5%时，BF‑RPC 的破坏模式为剪切破坏.由此可见，BF 的加入改变了BF‑RPC 在单轴受压状态下的破坏模式：未掺加BF 的RPC 主裂破坏模式为拉伸 破 坏；随 着BF 体 积 分 数 的 增 大，BF‑RPC 的 破坏模式逐渐从拉剪破坏过渡到剪切破坏.

图6 BF‑RPC 受压主裂纹两侧标志点的切向位移和法向位移全程演化曲线Fig.6 Full range evolution curves of T and N of mark points on both sides of BF‑RPC compression main cracks

4 结论

（1）玄武岩纤维（BF）-活性粉末混凝土（BF‑RPC）的单轴压缩破坏过程可以分为4 个阶段：原生裂纹闭合阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹加速扩展阶段.当BF 体积分数为0.5% 时，BF‑RPC 原生裂纹闭合阶段的破坏阶段占比最小，弹性变形阶段的破坏阶段占比最大.

（2）不同BF 体积分数的BF‑RPC 试件在达到扩容应变前损伤较小且增长较平缓，在达到扩容应变后试件损伤迅速增长，峰值破坏时BF‑RPC 的损伤随着BF 体积分数的增大而增大.

（3）BF 的掺入改变了BF‑RPC 单轴压缩过程中的破坏模式：未掺入BF 的活性粉末混凝土的破坏模式为拉伸破坏；BF 体积分数为0.5% 和1.0% 的BF‑RPC 破坏模式均为拉剪破坏；BF 体积分数为1.5%的BF‑RPC 破坏模式为剪切破坏.了解静压破坏模式对BF‑RPC 的工程应用有着重要的指导意义.