超高性能混凝土构件直接拉伸试验研究

王庆彦 袁长东 刘国强

（1.兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730207；2.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

0 引言

超高性能混凝土（简称UHPC），也称活性粉末混凝土，是一种具有超高的力学性能、高韧性、超高的耐久性和优良的耐磨性能及抗爆性能的水泥基混凝土材料。UHPC通过选用高活性的微细材料，基于最大堆积密度理论和纤维增强技术配制而成[1]。

为了提高已有混凝土楼板的承重能力，增强其防水性能，往往使用UHPC 作为楼板防水层和加厚材料。在现有楼板构件的修补及加固中使用薄层的UHPC，UHPC的变形受到现有构件的约束就会产生拉伸应力，拉伸应力有可能导致UHPC 开裂。为了掌握以用于既设混凝土楼板的以修补及加固为主要目的而研发的UHPC的拉伸特性，可以进行直接拉伸试验。本文试验使用的是通过生成钙钛矿使砂浆基质致密化的钙钛矿生成系UHPC，砂浆基质致密化是对制备材料进行最密集填充实现的。本文对超高性能混凝土构件直接拉伸试验进行研究。

1 试件设计与制作

1.1 试件配比设计

利用UHPC 材料通过现浇的方式对现有混凝土楼板顶面进行增厚，需要进行新的UHPC 配比设计，并使用该配比设计制得的UHPC 进行试验，配比设计的详细情况见表1。

表1 UHPC配比设计类型

（1）配比设计1：该种类型构件设计的最大特点在于采用高温蒸汽养护。砂浆基体的构成材料主要包括水、铁矾石生成预混粘结剂，细骨料（dmax＜2.5mm）、减缩剂、高性能减水剂，钢纤维（抗拉强度ff＝2000N/mm2以上，直径dfV＝0.2mm，纤维长度＝15mm 和22mm，f=1.75%混入）。

（2）配比设计2：在配比设计1 的基础上增加了纤维量和调整了细集料种类。与配比设计1 砂浆基质构成材料的单位量相同，钢纤维的直径dfV＝0.2mm，纤维长度＝15mm，f=3.0%混入，细骨料用5号硅砂。

（3）配比设计3：配比设计2 为细骨料碎砂（dmax＜2.5mm），在配比设计2的基础上掺入5%的硅灰石。硅灰石掺入是为了降低现有混凝土构件约束产生的拉伸应力，以避免裂缝发生。由于硅灰石是与细集料进行体积置换，故细集料调整为846kg/m3。钢纤维的量在配比设计2的基础上有所增加。

1.2 试件的规格

试件的形状为哑铃型，全长400mm，两端60mm 范围内的截面为100mm×100mm，中间100mm 范围内的截面为100mm×40mm，目的是为了诱导试件中间部分的发生破坏。中间部分和两端部分之间设置了长度为90mm的变截面区间。试件形状如图1所示。

图1 直接拉伸试验的哑铃型试件（单位：mm）

1.3 试件的制作

试件测试的目标截面厚度约为混入纤维长度的2倍，使纤维的三维定向成为可能。用于制作试件的UHPC 在气温为20℃，相对湿度为60%的恒温恒湿室中使用水平双轴式强制搅拌机（容量为100L，转速为45r/min）制造。

配比设计1和配比设计2的试件在20℃下进行24h养护，再在85℃下进行24h的高温蒸气养护。配比设计3的试件在20℃下进行28h的高温蒸气密封养护1d。

2 直接拉伸试验方法

2.1 直接拉伸试验原理

与弯曲试验和裂解拉伸试验相比，直接拉伸试验对于拉伸负荷的均匀加载和试件牢固性不容易把控，因此在对混凝土材料拉伸特性的研究中应用较少。在直接拉伸试验中，试件的所有断面都产生了相同大小的拉伸应力，在四点弯曲试验中，在弯矩最大范围的断面上产生了最大的拉伸应力；在三点弯曲试验和裂解拉伸试验中，只有一个断面上产生了最大的拉伸应力。如果试件任意位置的抗拉强度相同，则试件的破坏发生在拉伸应力最大的截面上，在实际试验中，抗拉强度在局部地方是不同的，如果根据最弱连杆的考虑，在抗拉强度最低的截面上会发生破坏。

在弯曲试验和裂解拉伸试验中，产生最大拉伸应力的截面和抗拉强度最低的截面不一定一致。在直接拉伸试验中，产生最大拉伸应力的截面中一定包含抗拉强度最低的截面，如果合理实施直接拉伸试验，就不会过大评价抗拉强度。由于UHPC 的抗拉强度比普通混凝土高，当含有一定量特种纤维时，会在拉伸负荷下表现出应变硬化特性。因此，可以通过直接拉伸试验来掌握UHPC的拉伸特性[2]。

2.2 试验装置

各配比设计的UHPC 试件均制作了5个，使用新开发的装置进行直接拉伸试验。该装置包含3 种安装构件（见图2 所示），安装构件2 在变截面处抓住试件，在安装构件2 上（下）端部用高强度螺栓连接的安装构件1 用直径23mm 的预应力钢棒安装在试验机上。试件支撑为一端固定，另一端为铰链的连接形式。安装构件3是为了保持试件的位置固定，在安装构件2的两侧用带有六角孔的螺栓连接并安装。

图2 直接拉伸试验装置

2.3 测量与加载方法

在试件中间部分100mm范围的两个侧面通过铝制金属零件设置位移计，测量试件的变形量。用测量长度为100mm 的2 个位移计测量的变形量的平均值作为试件的变形量，负荷是通过设置在500kN 的万能试验机内的测力传感器进行测量的。直接拉伸试验过程通过增大位移的方式进行控制，从试验开始到峰值负荷的位移加载速度为0.02mm/min。

3 直接拉伸试验结果及分析

3.1 试验结果

各种配比设计的构件拉伸试验的数据结果如表2所示。其中，fUe为裂纹产生强度，fUt为拉伸强度，εUt为拉伸应变率。

表2 直接拉伸试验结果

3.2 应力应变曲线

将3 种配比设计的构件分别通过5 次直接拉伸试验，各得到5个应力-应变曲线，各配比设计选择一条代表曲线（以下称为代表曲线）进行分析（图3～图5）。代表曲线的选择方法有2种，一种是从多个应力-应变曲线中抽取任意一条曲线，另一种是作成平均曲线的方法。在本研究中，配比设计2和配比设计3的应力-应变曲线存在偏差，选择特定的一条曲线作为代表曲线是很困难的，因此作成平均曲线作为代表曲线。在平均曲线的制作中，配比设计2在1次试验中，配比设计3在2次试验中，由于在位移计的测量范围外发生了试件的破坏，所以只使用在测量范围内破坏的试验结果。

3.3 试验结果分析

通过对各种配比设计类型的代表曲线进行分析可知，代表曲线中12.5N/mm2附近发现应变的增加率相对于应力的增加略有变化，拉伸负荷下的UHPC 的行为可以分为以下3 个区域来考虑：第一个区域是从加载开始到开裂之前的应变弹性区域；第二个区域是裂纹产生到发生多个细微裂纹直至达到抗拉强度的应变硬化区域；第三个区域是局部变形较大，出现较大的裂纹，纤维逐渐拔出的应变软化区域。通过这3 个区域的分析，可以比较直接拉伸试验的结果。

3.3.1 应变弹性区域

UHPC 在弹性区域的力学特性，砂浆基质的力学特性占支配地位，其构成材料和微结构的影响很大。作为弹性区域的力学行为，着眼于裂缝发生强度的大小进行比较，配比设计1 和配比设计2 基本相同，碎砂（dmax＜2.5mm）和5 号硅砂这种细集料的差异对开裂发生强度的影响几乎没有。与此相比，配比设计3 的裂纹发生强度比配比设计1 和配比设计2 高约20%。配比设计3 的试件在气温20℃下进行了28 天的封箱养护，与进行了高温蒸气养护的配比设计1 和配比设计2 的试件相比，推测微结构的致密化程度较低。砂浆基体更致密时，可能成为细微裂纹发生基点的空隙少，由此可知裂纹发生强度更高，但致密度相对较低的配比设计3 的裂纹发生强度更高。由此可知，纤维状的硅灰石发挥了同样的强化作用，减小了细微裂缝发生的可能性。即使在推测常温养护下砂浆基质的细微结构的致密度比高温养护下相对较低的情况下，由于硅灰石的混入，常温养护的UHPC 的裂缝发生强度也会变高。

3.3.2 应变硬化区域

一方面，配比设计1 的应力-应变曲线的峰值不明确，应变硬化行为较小，但配比设计2 中发现了显著的应变硬化行为，应变硬化行为受混入的纤维量的影响。由此可以认为，这种差异是由纤维量的多寡引起的。另一方面，相同纤维量的配比设计3 没有像配比设计2 那样表现出显著的应变硬化行为，应变硬化行为在纤维的种类和纤维量相同的情况下，主要依赖于纤维和砂浆基体的平均附着强度。考虑到这一因素，可以推测配比设计2 中纤维和砂浆基质的平均附着强度高于配比设计3，因此配比设计2 的应变硬化率（硬化率=fUt/fUe）与配比设计3 相比，配比设计2 的纤维和砂浆基体的平均附着强度更高。据此可以推测，纤维和砂浆基质的附着特性受过渡带的精细结构的影响，这与弹性区域的研究一样，高温蒸汽养护的配比设计2 的试件与在气温20℃下密封养护28 天的配比设计3 的试件相比，砂浆基体的微结构更致密，纤维和砂浆基体的过渡带也更致密。此外，配比设计2的细骨料用5 号硅砂，而配比设计3 的细骨料比配比设计2 少，但增加了硅灰石，砂浆基质有可能更加致密，这有助于与纤维的附着。

3.3.3 应变软化区域

配比设计1 的抗拉强度比配比设计2 多大约40%，而且在应变软化区域的应力下降更缓慢，具有更大的韧性。这些都是由于22mm 的钢纤维的加入造成的。考虑到纤维引起的裂缝的交联，与15mm 的钢纤维相比，22mm 的钢纤维的固定长度更长，在承担更大的交联应力的同时，也可以对开口宽度更宽的裂缝进行交联。含有22mm 钢纤维的配比设计1 的韧性变得更大，22mm 的钢纤维有助于改善应变硬化区域和应变软化区域。但是考虑到为了赋予应变硬化特性而增加纤维量时，可能导致UHPC 的工作性能恶化以及制造更复杂等因素，建议不将22mm钢纤维用于配方。从配比设计3 的各试验中得到的应力-应变曲线的应变软化区域的部分出现了偏差，其原因是设置在试件表面的位移计的固定用金属配件发生变形，裂纹幅度逐渐增大导致固定用金属配件受到裂纹的影响而变形，影响到了位移计的测量值。

4 结束语

在既设构件的修补和加强中浇筑薄层UHPC 时，UHPC 的变形受到既有构件的约束，在UHPC 构件上产生了拉伸应力。本文设计了不同配比的UHPC 构件，并进行了构件的直接拉伸试验研究。试验结果显示：混入硅灰石的常温养护的UHPC 构件的开裂强度比没有混入硅灰石的高温蒸气养护的构件要高，可以认为砂浆基体的力学特性是支配性的，UHPC的裂纹产生强度即使在推测微结构的致密度相对较低的情况下，由于混入硅灰石，也能得到微观水平的增强。