uhcc受彎性能試驗(yàn)研究

uhcc受彎性能試驗(yàn)研究

試驗(yàn)材料的選擇近年來，以三峽大水庫和南平水庫為代表的大型節(jié)水項(xiàng)目、以杭州灣大橋和青島跨海大橋?yàn)榇淼拇笠?guī)模橋梁項(xiàng)目。以上述海上深水港為代表的港口工程，以及以沈陽地鐵為代表的全國地鐵熱，以及不同高度和高度的不斷出現(xiàn)的高原和丘陵，表明中國的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)進(jìn)入了新的建設(shè)春天。在這其中,混凝土由于具有原料來源廣、工藝簡便、生產(chǎn)成本低、耐久、防火、適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),自然成為當(dāng)前我國乃至世界范圍內(nèi)使用最多的建筑材料。但混凝土材料本身所固有的抗拉強(qiáng)度低、韌性差、易開裂且裂后裂縫寬度難以控制的突出缺點(diǎn)使得混凝土結(jié)構(gòu)在早期容易出現(xiàn)收縮開裂,工業(yè)地坪在使用過程中可能因重物墜落撞擊而破碎,鋼/混凝土混雜結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及錨桿體系錨固端可能因應(yīng)力集中而產(chǎn)生災(zāi)難性的突然破壞,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在遭受地震荷載時(shí)受壓區(qū)混凝土易過早崩裂等問題。為提高混凝土材料的抗拉強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性能,控制混凝土的早期收縮開裂,近年來鋼纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土等得到了廣泛的使用,并取得了不錯(cuò)的效果。而這些材料因?yàn)閼?yīng)變軟化特性沒有改變,所以其耗能能力較素混凝土提高幅度有限。需要特別注意的是我國屬于多震國家,僅2000年以來,四川、云南、新疆、青海、甘肅、河北等地就頻發(fā)地震,其中僅四川汶川大地震就造成數(shù)以萬計(jì)的建筑倒塌、數(shù)萬人死傷、上百萬人無家可歸、經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上千億。未來一些大型關(guān)鍵項(xiàng)目的陸續(xù)上馬,為確保其具有足夠的安全性和可靠性,除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上繼續(xù)下功夫外,也必然對(duì)混凝土等材料的耗能能力提出新的更高的要求。超高韌性水泥基復(fù)合材料(UltraHighToughnessCementitiousComposite,簡稱UHTCC)無疑將是未來重點(diǎn)工程關(guān)鍵構(gòu)件或關(guān)鍵部位的理想選擇之一,因?yàn)樗粌H可以有效地限制早期收縮裂縫,而且在硬化后還能有效地將受力裂縫控制在0.1mm以內(nèi),甚至是0.05mm以內(nèi)(可視為工程無害裂縫)。它明顯不同于常規(guī)纖維混凝土的應(yīng)變軟化特性,具有顯著的應(yīng)變硬化性能(典型直接拉伸試驗(yàn)曲線如圖1所示),是利用斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)系統(tǒng)地發(fā)展而來的。它的極限拉應(yīng)變能力在3%以上,是混凝土和纖維混凝土的幾百倍,這意味著該材料必將具備非常高的耗能能力。關(guān)于纖維混凝土耗能能力的測定,四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可以很好地模擬很多工程實(shí)際構(gòu)件的受力情況且操作簡單易行,因此是當(dāng)前用來測定纖維混凝土耗能能力最流行的試驗(yàn)方法。彎曲韌性是衡量纖維混凝土耗能能力的重要指標(biāo),目前,許多國家都已推出了各自的纖維混凝土韌性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,如美國的ASTM-C1018方法、日本的JSCE-SF4方法等。對(duì)材料韌性的評(píng)價(jià)指標(biāo)有絕對(duì)的能量吸收、與耗能能力相關(guān)的無量綱韌性指數(shù)、等效抗彎強(qiáng)度等,這些指標(biāo)能夠很好地描述纖維混凝土的韌性水平。對(duì)于超高韌性水泥基復(fù)合材料,由于具有顯著的變形硬化特性,其受彎變形能力和耗能能力遠(yuǎn)超過普通纖維混凝土,且對(duì)應(yīng)試件在受力過程中將產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫,因此,若沿用現(xiàn)有規(guī)范中的一些參數(shù)來描述該材料的彎曲性能,必然存在如下幾個(gè)問題:1)對(duì)其耗能能力的過份低估;2)無法直接有效地描述該材料變形硬化特征;3)無法描述材料對(duì)裂縫的無害化分散能力。此外,當(dāng)前纖維混凝土規(guī)范在試驗(yàn)方法中對(duì)加載速率的規(guī)定明顯偏慢,用于超高韌性水泥基復(fù)合材料的測試必然將導(dǎo)致試驗(yàn)耗時(shí)過長。本文首先利用薄板四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)超高韌性水泥基復(fù)合材料可以與金屬相比擬的變形能力進(jìn)行了生動(dòng)的再現(xiàn),其后利用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)超高韌性水泥基復(fù)合材料梁式試件進(jìn)行了測定,并根據(jù)得到的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)材料的彎曲性能,尤其是彎曲韌性進(jìn)行了合理的表征,為使該試驗(yàn)方法及性能評(píng)價(jià)指標(biāo)成為我國未來的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)做準(zhǔn)備。1超高耐水泥材料的四個(gè)彎曲試驗(yàn)1.1uhtcc直接拉伸性能試驗(yàn)制作UHTCC試件,所采用的膠凝材料有P.O.42.5R水泥(大連小野田水泥廠生產(chǎn))和I級(jí)粉煤灰等活性礦物細(xì)摻料,骨料為精細(xì)沙,外加劑為大連西卡公司生產(chǎn)的聚羧酸鹽類高效減水劑,拌和水為飲用自來水,使用的纖維為日本Kuraray公司生產(chǎn)的KURALONK-IIREC15PVA纖維(有關(guān)性能參數(shù)見表1),所采用的纖維體積摻率為2%。本文使用的UHTCC,其56d齡期抗壓強(qiáng)度利用70.7×70.7×70.7mm立方體試件測定為56.7MPa,其56d齡期直接拉伸性能利用350×50×15mm薄板試件進(jìn)行測試的極限拉應(yīng)變?yōu)?.04%,極限抗拉強(qiáng)度為5.08MPa,具體性能如表2所示,直接拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。在四點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)中,使用C40混凝土和纖維體積摻率為1%的CF40鋼纖維混凝土作對(duì)比試件。1.2試件與試件的制備首先將膠凝材料(包括水泥和活性礦物細(xì)摻料)和精細(xì)沙投入HobartD340型攪拌機(jī)中,干拌1分鐘,而后加水?dāng)嚢?分鐘,加入減水劑再攪拌4分鐘,此時(shí)的砂漿基體具有良好的流動(dòng)性和適宜的粘聚性,最后人工加入PVA纖維攪拌5分鐘,用手觸摸攪拌好的UHTCC材料,未發(fā)現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。薄板試件(400×100×15mm)一次澆注足夠厚度,梁試件(400×100×100mm)分兩層澆注,每層在振動(dòng)臺(tái)上振搗大約1分鐘,所有試件澆注完成經(jīng)抹面后加蓋塑料膜,以防止水分的快速散失,試驗(yàn)所用模具全部為鋼模。24小時(shí)后拆模,放入濕度90%以上、溫度20±3℃的養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),28d齡期時(shí)取出,放在室內(nèi)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至90天齡期時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。1.3準(zhǔn)備和測試加載程序1.3.1加載試驗(yàn)方法當(dāng)試件養(yǎng)護(hù)至89d時(shí)使用砂輪配合游標(biāo)卡尺對(duì)試件澆注面進(jìn)行磨平處理,試件不同位置上的厚度偏差控制在±0.02mm以內(nèi)。試驗(yàn)在100kNMTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,測試跨度為300mm,加載點(diǎn)為跨度三分點(diǎn)位置,按位移控制加載,試驗(yàn)全過程保持加載速率恒定為0.3mm/min。試驗(yàn)使用兩個(gè)布置在板跨中對(duì)稱位置的LVDT測量板跨中撓度,使用試驗(yàn)機(jī)自帶的荷載傳感器測量荷載變化,加載示意圖如圖2所示,數(shù)據(jù)采集使用IMC動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)。1.3.2試驗(yàn)加載和數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)在100kNMTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,測試跨度為300mm,三分點(diǎn)位置加載,按位移控制,全過程保持加載速率恒定為0.2mm/min。試驗(yàn)使用布置在跨中對(duì)稱位置的兩個(gè)LVDT測量跨中點(diǎn)撓度,使用試驗(yàn)機(jī)自帶的荷載傳感器測量荷載變化,加載示意圖如圖3所示,數(shù)據(jù)采集使用IMC動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng),采樣頻率為20Hz。在試驗(yàn)中注意觀察混凝土、鋼纖維混凝土和UHTCC三種不同材料在彎曲荷載作用下的裂縫開展模式。2試驗(yàn)結(jié)果2.1磁性表座的位置擺放UHTCC薄板在彎曲荷載作用下表現(xiàn)出了顯著的變形硬化特性,試驗(yàn)曲線如圖4所示,其中試件1由于磁性表座的位置擺放不當(dāng)而不得不人為地提前結(jié)束試驗(yàn),因而未測到下降段。在初裂至荷載達(dá)到峰值的過程中,試件上出現(xiàn)了大量的細(xì)密裂縫,試驗(yàn)測得的極限抗彎強(qiáng)度為13.1MPa,荷載達(dá)到峰值時(shí)跨中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的撓度為29mm,接近跨度的1/10,這表明UHTCC具有可與金屬相比擬的彎曲變形能力。2.2astmc118及uhtcc-sf3的彎曲韌性混凝土、鋼纖維混凝土和UHTCC開裂荷載的確定如圖5所示,開裂點(diǎn)后曲線開始明顯脫離初始彈性段。試驗(yàn)測得的荷載-撓度曲線如圖6～圖8所示,鋼纖維混凝土和UHTCC受彎破壞典型裂縫模式分別如圖9和圖10所示,測試到的初裂抗彎強(qiáng)度和極限抗彎強(qiáng)度列于表3。結(jié)合試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):1)混凝土在發(fā)生初裂瞬間便開始裂縫的局部擴(kuò)展,擴(kuò)展過程很短,試件很快斷裂,試驗(yàn)中很難采集到完整的下降段;2)鋼纖維混凝土在開裂初期,由于鋼纖維的橋聯(lián)作用,裂縫寬度在短時(shí)間內(nèi)能夠維持在較細(xì)的水平上,當(dāng)跨中撓度發(fā)展到約為跨長的1/517后裂縫寬度便開始呈錐形快速擴(kuò)展,發(fā)生最終破壞時(shí)試件上一般有一條或幾條寬裂縫,但裂縫的路徑要比素混凝土曲折得多;3)UHTCC顯示出優(yōu)異的裂縫無害化分散能力,第一條裂縫出現(xiàn)后其裂縫寬度很快穩(wěn)定在一個(gè)很細(xì)的水平上(幾十個(gè)微米量級(jí)),此后,隨著荷載的增加,在跨中及其兩側(cè)一定長度范圍內(nèi)逐漸產(chǎn)生大量近似均勻分布的扁平裂縫(如圖11所示),其裂縫寬度大體與初始裂縫相同,在整個(gè)梁高度方向上也大體相同,不同梁高位置的變形協(xié)調(diào)通過裂縫數(shù)量的變化來實(shí)現(xiàn)(如圖10所示)。當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值荷載時(shí),試件上的某一條裂縫(可以是第一條、最后一條或者是兩者之間的任一條裂縫)開始局部化擴(kuò)展,而隨著荷載的不斷降低,其他裂縫則逐漸回縮,但不會(huì)完全閉合。關(guān)于SFRC和UHTCC的彎曲韌性,利用當(dāng)前國際上較為流行的ASTMC1018標(biāo)準(zhǔn)和JSCE-SF4方法進(jìn)行評(píng)定。使用ASTMC1018標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行韌性指數(shù)I5、I10、I20、I30、I40、I50、I60的計(jì)算,結(jié)果列于表4。JSCE-SF4方法將撓度為l/150時(shí)荷載-撓度曲線下的面積定義為韌性Tb,將由加載開始到撓度為l/150過程的平均強(qiáng)度值定義為韌性因子ˉσσˉ(利用式(1)計(jì)算),限定單一的計(jì)算撓度l/150存在兩個(gè)突出的問題:1)在許多工程應(yīng)用中該值都明顯大于正常使用容許撓度;2)鑒于UHTCC在較大變形條件下仍能夠保持結(jié)構(gòu)良好的完整性和承載能力,該材料在抗震結(jié)構(gòu)中將具備光明應(yīng)用前景,在遭受地震荷載作用以及偶然過載情況下,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形可能大于l/150,這時(shí)JSCE的撓度限定值就顯得偏小。基于以上兩點(diǎn),本文對(duì)JSCE-SF4方法的計(jì)算撓度限定值作了拓展,拓展后的韌性因子按式(2)計(jì)算,相應(yīng)計(jì)算結(jié)果列于表5?！ウ?Τbl/(bh2δtb)(1)σˉ=Tbl/(bh2δtb)(1)式中,δtb為給定的計(jì)算撓度l/150(mm),b為梁寬(mm),h為梁高(mm)?！ウ襫=Τbnl/(bh2δn)(2)σˉn=Tbnl/(bh2δn)(2)式中,ˉσn為撓度為l/n時(shí)對(duì)應(yīng)的韌性因子(MPa),Tbn是撓度為l/n時(shí)對(duì)應(yīng)荷載-撓度曲線下的面積(kN·mm),δn為給定的計(jì)算撓度(mm)l/n,其中n=3000,2000,1000,600,500,400,300,200,150,100。UHTCC試件產(chǎn)生初始裂縫后,在很大的變形范圍內(nèi),承載力不僅不會(huì)下降反而會(huì)經(jīng)歷一個(gè)很長的穩(wěn)定上升段,將不同撓度下材料的抗彎強(qiáng)度與初裂強(qiáng)度的比定義為變形硬化系數(shù)DHI(DeflectionHardeningIndices),使用限定的一系列撓度(如表6所示)下的抗彎強(qiáng)度和變形硬化系數(shù)表征UHTCC的彎曲韌性,并將該方法定義為“變形硬化系數(shù)法”,那么相應(yīng)的韌性指標(biāo)由表6可見。3討論3.1試驗(yàn)構(gòu)件的選擇及加載速率國內(nèi)在混凝土及纖維混凝土四點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)中,為消除支座位移的影響,位移計(jì)固定架通常是安裝在支座上方帶有螺桿的金屬塊上,而金屬塊通常使用環(huán)氧樹脂固定,這種做法有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn):1)環(huán)氧樹脂固化需要一定的時(shí)間,這明顯增長了試驗(yàn)的準(zhǔn)備過程;2)試驗(yàn)完成后,為了能夠循環(huán)利用這些金屬塊,試驗(yàn)人員通常使用砂輪機(jī)磨或電爐烤的辦法去除粘結(jié)在上面的環(huán)氧樹脂,在這過程中有刺鼻氣味的有害氣體釋放,對(duì)人體有害。因此本文參照文獻(xiàn)采用了如圖3所示的裝置,僅使用U型卡和螺栓便可以固定位移計(jì)固定架,免去了環(huán)氧樹脂的使用。關(guān)于加載速率,本文采用0.2mm/min的情況下,從壓頭開始接觸試件表面開始計(jì)時(shí),到荷載達(dá)到峰值,纖維體積率為1%的鋼纖維混凝土需要10分鐘左右,UHTCC則用了30分鐘;至荷載降到峰值的80%,SFRC需要15分鐘,UHTCC需32分鐘;至荷載降到峰值的30%,SFRC需要26分鐘,UHTCC需要32分鐘。由此可見:1)采用0.2mm/min的加載速率而不是很多規(guī)范規(guī)定的0.05～0.1mm/min來測定UHTCC的極限抗彎強(qiáng)度及峰值荷載前的有關(guān)性能參數(shù)是適宜的,否則試驗(yàn)將耗時(shí)過長;2)試驗(yàn)中,鋼纖維混凝土的下降段明顯較UHTCC緩,這是由于鋼纖維較長(35mm),且多為拔出破壞,而UHTCC中PVA纖維較短(12mm),且纖維斷裂破壞的比例也較鋼纖維高些;3)在測得UHTCC下降段的關(guān)鍵試驗(yàn)中,當(dāng)荷載過了峰值后,應(yīng)降低加載速度,如降至0.05～0.1mm/min,以保證測試到更加穩(wěn)定的軟化段。3.2uhtcc的特性由表3可以看出,UHTCC的初裂強(qiáng)度低于混凝土和鋼纖維混凝土,但其極限抗彎強(qiáng)度卻明顯高于二者,分別為混凝土的2.5倍和鋼纖維混凝土的1.6倍;UHTCC具有卓越的變形能力,峰值荷載對(duì)應(yīng)的跨中點(diǎn)撓度是混凝土的201倍,鋼纖維混凝土的9倍;從初裂到發(fā)生裂縫的局部化破壞,混凝土耗時(shí)7s,鋼纖維混凝土耗時(shí)137s,而UHTCC耗時(shí)則高達(dá)1613s。綜上可以看出,UHTCC若應(yīng)用于實(shí)際工程必將有潛力大幅提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,有助于保證相關(guān)人員在突發(fā)事故中有更充足的時(shí)間組織撤離。由圖6～圖8可以看出,在彎曲荷載作用下,無論是混凝土、鋼纖維混凝土還是UHTCC,都表現(xiàn)出了一定的變形硬化性能,這也再次證明了彎曲試驗(yàn)并不能作為驗(yàn)證材料是否具有應(yīng)變硬化特性的直接試驗(yàn)方法。在試驗(yàn)中還可以發(fā)現(xiàn):從發(fā)生初始裂縫至荷載達(dá)到峰值的整個(gè)變形硬化過程中,UHTCC試件所有裂縫幾乎始終以扁平形式存在和擴(kuò)展,除縫端外,裂縫寬度在整個(gè)梁深都始終保持在非常細(xì)的水平(幾十個(gè)微米量級(jí))上,這表明UHTCC材料具有優(yōu)異的裂縫無害化分散能力。關(guān)于初始抗彎剛度,由圖11可以看出,鋼纖維混凝土的略低于同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,這是纖維摻入過程中向基體內(nèi)引入了一定量氣泡的緣故,而UHTCC明顯低于此二者主要是由于基體內(nèi)不使用粗骨料。UHTCC在薄板彎曲試驗(yàn)中測試到的抗彎強(qiáng)度為13.1MPa,在梁彎曲試驗(yàn)中測試到的強(qiáng)度為14.2MPa,前者低于后者,說明薄板試件成型過程中可能存在輕微的過振。3.3變形硬化系數(shù)法配合改進(jìn)的jh-sf4方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于UHTCC的基體為砂漿,SFRC的基體為混凝土,前者在荷載-撓度曲線的初始線性段消耗的能量僅為后者的一半左右,這解釋了為何UHTCC的韌性指數(shù)I5～I(xiàn)60均明顯大于鋼纖維混凝土,但對(duì)應(yīng)實(shí)際消耗的能量UHTCC卻都低于SFRC的現(xiàn)象。顯然,在使用UHTCC替代混凝土和纖維混凝土以提高結(jié)構(gòu)延性或耗能能力時(shí),使用ASTMC1018方法評(píng)價(jià)UHTCC將對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生不必要的誤導(dǎo)。使用改進(jìn)的JSEC-SF4方法,即計(jì)算撓度擴(kuò)展后的JSCE-SF4方法能夠有效地描述UHTCC在不同變形條件下的耗能能力,克服了原始定義中限定單一計(jì)算撓度的缺點(diǎn),但與此同時(shí),該方法中的韌性因子畢竟是平均強(qiáng)度,無法直接說明材料承載能力的變化情況。在當(dāng)前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中多使用強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,變形硬化系數(shù)法由于給出了不同限定撓度下的抗彎強(qiáng)度,因此更適合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。此外,在設(shè)備允許的條件下,還可以測量并給出不同撓度下試件裂縫寬度的開展情況;在無裂縫觀測設(shè)備的情況下,可以首先利用類似文獻(xiàn)提供的反分析方法,確定100×100×400mm標(biāo)準(zhǔn)四點(diǎn)彎曲梁試件跨中撓度與中跨受拉區(qū)邊緣UHTCC拉應(yīng)變之間的關(guān)系,然后在試驗(yàn)結(jié)束后數(shù)取跨中100mm長度范圍內(nèi)受拉區(qū)邊緣的裂縫條數(shù),進(jìn)而給出平均極限裂縫寬度。綜上,變形硬化系數(shù)法結(jié)合改進(jìn)后的JSCE-SF4方法中的韌性Tbn能夠全面評(píng)價(jià)UHTCC材料的彎曲韌性,可以較全面地為工程設(shè)計(jì)提供必要的性能參數(shù)。若能進(jìn)一步提供UHTCC從受彎開裂至荷載達(dá)到峰值全過程的裂縫寬度擴(kuò)展情況,則可以很