uhcc受弯性能试验研究

uhcc受弯性能试验研究

试验材料的选择近年来，以三峡大水库和南平水库为代表的大型节水项目、以杭州湾大桥和青岛跨海大桥为代表的大规模桥梁项目。以上述海上深水港为代表的港口工程，以及以沈阳地铁为代表的全国地铁热，以及不同高度和高度的不断出现的高原和丘陵，表明中国的基础设施已经进入了新的建设春天。在这其中,混凝土由于具有原料来源广、工艺简便、生产成本低、耐久、防火、适应性强等诸多优点,自然成为当前我国乃至世界范围内使用最多的建筑材料。但混凝土材料本身所固有的抗拉强度低、韧性差、易开裂且裂后裂缝宽度难以控制的突出缺点使得混凝土结构在早期容易出现收缩开裂,工业地坪在使用过程中可能因重物坠落撞击而破碎,钢/混凝土混杂结构节点及锚杆体系锚固端可能因应力集中而产生灾难性的突然破坏,钢筋混凝土结构在遭受地震荷载时受压区混凝土易过早崩裂等问题。为提高混凝土材料的抗拉强度、韧性和抗疲劳性能,控制混凝土的早期收缩开裂,近年来钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土等得到了广泛的使用,并取得了不错的效果。而这些材料因为应变软化特性没有改变,所以其耗能能力较素混凝土提高幅度有限。需要特别注意的是我国属于多震国家,仅2000年以来,四川、云南、新疆、青海、甘肃、河北等地就频发地震,其中仅四川汶川大地震就造成数以万计的建筑倒塌、数万人死伤、上百万人无家可归、经济损失高达上千亿。未来一些大型关键项目的陆续上马,为确保其具有足够的安全性和可靠性,除了在结构设计上继续下功夫外,也必然对混凝土等材料的耗能能力提出新的更高的要求。超高韧性水泥基复合材料(UltraHighToughnessCementitiousComposite,简称UHTCC)无疑将是未来重点工程关键构件或关键部位的理想选择之一,因为它不仅可以有效地限制早期收缩裂缝,而且在硬化后还能有效地将受力裂缝控制在0.1mm以内,甚至是0.05mm以内(可视为工程无害裂缝)。它明显不同于常规纤维混凝土的应变软化特性,具有显著的应变硬化性能(典型直接拉伸试验曲线如图1所示),是利用断裂力学和微观力学系统地发展而来的。它的极限拉应变能力在3%以上,是混凝土和纤维混凝土的几百倍,这意味着该材料必将具备非常高的耗能能力。关于纤维混凝土耗能能力的测定,四点弯曲试验可以很好地模拟很多工程实际构件的受力情况且操作简单易行,因此是当前用来测定纤维混凝土耗能能力最流行的试验方法。弯曲韧性是衡量纤维混凝土耗能能力的重要指标,目前,许多国家都已推出了各自的纤维混凝土韧性标准试验方法,如美国的ASTM-C1018方法、日本的JSCE-SF4方法等。对材料韧性的评价指标有绝对的能量吸收、与耗能能力相关的无量纲韧性指数、等效抗弯强度等,这些指标能够很好地描述纤维混凝土的韧性水平。对于超高韧性水泥基复合材料,由于具有显著的变形硬化特性,其受弯变形能力和耗能能力远超过普通纤维混凝土,且对应试件在受力过程中将产生多条细密裂缝,因此,若沿用现有规范中的一些参数来描述该材料的弯曲性能,必然存在如下几个问题:1)对其耗能能力的过份低估;2)无法直接有效地描述该材料变形硬化特征;3)无法描述材料对裂缝的无害化分散能力。此外,当前纤维混凝土规范在试验方法中对加载速率的规定明显偏慢,用于超高韧性水泥基复合材料的测试必然将导致试验耗时过长。本文首先利用薄板四点弯曲试验对超高韧性水泥基复合材料可以与金属相比拟的变形能力进行了生动的再现,其后利用四点弯曲试验对超高韧性水泥基复合材料梁式试件进行了测定,并根据得到的试验结果对材料的弯曲性能,尤其是弯曲韧性进行了合理的表征,为使该试验方法及性能评价指标成为我国未来的行业标准做准备。1超高耐水泥材料的四个弯曲试验1.1uhtcc直接拉伸性能试验制作UHTCC试件,所采用的胶凝材料有P.O.42.5R水泥(大连小野田水泥厂生产)和I级粉煤灰等活性矿物细掺料,骨料为精细沙,外加剂为大连西卡公司生产的聚羧酸盐类高效减水剂,拌和水为饮用自来水,使用的纤维为日本Kuraray公司生产的KURALONK-IIREC15PVA纤维(有关性能参数见表1),所采用的纤维体积掺率为2%。本文使用的UHTCC,其56d龄期抗压强度利用70.7×70.7×70.7mm立方体试件测定为56.7MPa,其56d龄期直接拉伸性能利用350×50×15mm薄板试件进行测试的极限拉应变为4.04%,极限抗拉强度为5.08MPa,具体性能如表2所示,直接拉伸应力应变曲线如图1所示。在四点弯曲梁试验中,使用C40混凝土和纤维体积掺率为1%的CF40钢纤维混凝土作对比试件。1.2试件与试件的制备首先将胶凝材料(包括水泥和活性矿物细掺料)和精细沙投入HobartD340型搅拌机中,干拌1分钟,而后加水搅拌3分钟,加入减水剂再搅拌4分钟,此时的砂浆基体具有良好的流动性和适宜的粘聚性,最后人工加入PVA纤维搅拌5分钟,用手触摸搅拌好的UHTCC材料,未发现纤维结团现象。薄板试件(400×100×15mm)一次浇注足够厚度,梁试件(400×100×100mm)分两层浇注,每层在振动台上振捣大约1分钟,所有试件浇注完成经抹面后加盖塑料膜,以防止水分的快速散失,试验所用模具全部为钢模。24小时后拆模,放入湿度90%以上、温度20±3℃的养护室中进行标准养护,28d龄期时取出,放在室内环境下养护至90天龄期时进行试验。1.3准备和测试加载程序1.3.1加载试验方法当试件养护至89d时使用砂轮配合游标卡尺对试件浇注面进行磨平处理,试件不同位置上的厚度偏差控制在±0.02mm以内。试验在100kNMTS试验机上进行,测试跨度为300mm,加载点为跨度三分点位置,按位移控制加载,试验全过程保持加载速率恒定为0.3mm/min。试验使用两个布置在板跨中对称位置的LVDT测量板跨中挠度,使用试验机自带的荷载传感器测量荷载变化,加载示意图如图2所示,数据采集使用IMC动态采集系统。1.3.2试验加载和数据采集试验在100kNMTS试验机上进行,测试跨度为300mm,三分点位置加载,按位移控制,全过程保持加载速率恒定为0.2mm/min。试验使用布置在跨中对称位置的两个LVDT测量跨中点挠度,使用试验机自带的荷载传感器测量荷载变化,加载示意图如图3所示,数据采集使用IMC动态采集系统,采样频率为20Hz。在试验中注意观察混凝土、钢纤维混凝土和UHTCC三种不同材料在弯曲荷载作用下的裂缝开展模式。2试验结果2.1磁性表座的位置摆放UHTCC薄板在弯曲荷载作用下表现出了显著的变形硬化特性,试验曲线如图4所示,其中试件1由于磁性表座的位置摆放不当而不得不人为地提前结束试验,因而未测到下降段。在初裂至荷载达到峰值的过程中,试件上出现了大量的细密裂缝,试验测得的极限抗弯强度为13.1MPa,荷载达到峰值时跨中点对应的挠度为29mm,接近跨度的1/10,这表明UHTCC具有可与金属相比拟的弯曲变形能力。2.2astmc118及uhtcc-sf3的弯曲韧性混凝土、钢纤维混凝土和UHTCC开裂荷载的确定如图5所示,开裂点后曲线开始明显脱离初始弹性段。试验测得的荷载-挠度曲线如图6～图8所示,钢纤维混凝土和UHTCC受弯破坏典型裂缝模式分别如图9和图10所示,测试到的初裂抗弯强度和极限抗弯强度列于表3。结合试验过程和试验结果可以发现:1)混凝土在发生初裂瞬间便开始裂缝的局部扩展,扩展过程很短,试件很快断裂,试验中很难采集到完整的下降段;2)钢纤维混凝土在开裂初期,由于钢纤维的桥联作用,裂缝宽度在短时间内能够维持在较细的水平上,当跨中挠度发展到约为跨长的1/517后裂缝宽度便开始呈锥形快速扩展,发生最终破坏时试件上一般有一条或几条宽裂缝,但裂缝的路径要比素混凝土曲折得多;3)UHTCC显示出优异的裂缝无害化分散能力,第一条裂缝出现后其裂缝宽度很快稳定在一个很细的水平上(几十个微米量级),此后,随着荷载的增加,在跨中及其两侧一定长度范围内逐渐产生大量近似均匀分布的扁平裂缝(如图11所示),其裂缝宽度大体与初始裂缝相同,在整个梁高度方向上也大体相同,不同梁高位置的变形协调通过裂缝数量的变化来实现(如图10所示)。当到达峰值荷载时,试件上的某一条裂缝(可以是第一条、最后一条或者是两者之间的任一条裂缝)开始局部化扩展,而随着荷载的不断降低,其他裂缝则逐渐回缩,但不会完全闭合。关于SFRC和UHTCC的弯曲韧性,利用当前国际上较为流行的ASTMC1018标准和JSCE-SF4方法进行评定。使用ASTMC1018标准进行韧性指数I5、I10、I20、I30、I40、I50、I60的计算,结果列于表4。JSCE-SF4方法将挠度为l/150时荷载-挠度曲线下的面积定义为韧性Tb,将由加载开始到挠度为l/150过程的平均强度值定义为韧性因子ˉσσ¯(利用式(1)计算),限定单一的计算挠度l/150存在两个突出的问题:1)在许多工程应用中该值都明显大于正常使用容许挠度;2)鉴于UHTCC在较大变形条件下仍能够保持结构良好的完整性和承载能力,该材料在抗震结构中将具备光明应用前景,在遭受地震荷载作用以及偶然过载情况下,结构产生的变形可能大于l/150,这时JSCE的挠度限定值就显得偏小。基于以上两点,本文对JSCE-SF4方法的计算挠度限定值作了拓展,拓展后的韧性因子按式(2)计算,相应计算结果列于表5。ˉσ=Τbl/(bh2δtb)(1)σ¯=Tbl/(bh2δtb)(1)式中,δtb为给定的计算挠度l/150(mm),b为梁宽(mm),h为梁高(mm)。ˉσn=Τbnl/(bh2δn)(2)σ¯n=Tbnl/(bh2δn)(2)式中,ˉσn为挠度为l/n时对应的韧性因子(MPa),Tbn是挠度为l/n时对应荷载-挠度曲线下的面积(kN·mm),δn为给定的计算挠度(mm)l/n,其中n=3000,2000,1000,600,500,400,300,200,150,100。UHTCC试件产生初始裂缝后,在很大的变形范围内,承载力不仅不会下降反而会经历一个很长的稳定上升段,将不同挠度下材料的抗弯强度与初裂强度的比定义为变形硬化系数DHI(DeflectionHardeningIndices),使用限定的一系列挠度(如表6所示)下的抗弯强度和变形硬化系数表征UHTCC的弯曲韧性,并将该方法定义为“变形硬化系数法”,那么相应的韧性指标由表6可见。3讨论3.1试验构件的选择及加载速率国内在混凝土及纤维混凝土四点弯曲梁试验中,为消除支座位移的影响,位移计固定架通常是安装在支座上方带有螺杆的金属块上,而金属块通常使用环氧树脂固定,这种做法有两个明显的缺点:1)环氧树脂固化需要一定的时间,这明显增长了试验的准备过程;2)试验完成后,为了能够循环利用这些金属块,试验人员通常使用砂轮机磨或电炉烤的办法去除粘结在上面的环氧树脂,在这过程中有刺鼻气味的有害气体释放,对人体有害。因此本文参照文献采用了如图3所示的装置,仅使用U型卡和螺栓便可以固定位移计固定架,免去了环氧树脂的使用。关于加载速率,本文采用0.2mm/min的情况下,从压头开始接触试件表面开始计时,到荷载达到峰值,纤维体积率为1%的钢纤维混凝土需要10分钟左右,UHTCC则用了30分钟;至荷载降到峰值的80%,SFRC需要15分钟,UHTCC需32分钟;至荷载降到峰值的30%,SFRC需要26分钟,UHTCC需要32分钟。由此可见:1)采用0.2mm/min的加载速率而不是很多规范规定的0.05～0.1mm/min来测定UHTCC的极限抗弯强度及峰值荷载前的有关性能参数是适宜的,否则试验将耗时过长;2)试验中,钢纤维混凝土的下降段明显较UHTCC缓,这是由于钢纤维较长(35mm),且多为拔出破坏,而UHTCC中PVA纤维较短(12mm),且纤维断裂破坏的比例也较钢纤维高些;3)在测得UHTCC下降段的关键试验中,当荷载过了峰值后,应降低加载速度,如降至0.05～0.1mm/min,以保证测试到更加稳定的软化段。3.2uhtcc的特性由表3可以看出,UHTCC的初裂强度低于混凝土和钢纤维混凝土,但其极限抗弯强度却明显高于二者,分别为混凝土的2.5倍和钢纤维混凝土的1.6倍;UHTCC具有卓越的变形能力,峰值荷载对应的跨中点挠度是混凝土的201倍,钢纤维混凝土的9倍;从初裂到发生裂缝的局部化破坏,混凝土耗时7s,钢纤维混凝土耗时137s,而UHTCC耗时则高达1613s。综上可以看出,UHTCC若应用于实际工程必将有潜力大幅提高结构的抗震性能,有助于保证相关人员在突发事故中有更充足的时间组织撤离。由图6～图8可以看出,在弯曲荷载作用下,无论是混凝土、钢纤维混凝土还是UHTCC,都表现出了一定的变形硬化性能,这也再次证明了弯曲试验并不能作为验证材料是否具有应变硬化特性的直接试验方法。在试验中还可以发现:从发生初始裂缝至荷载达到峰值的整个变形硬化过程中,UHTCC试件所有裂缝几乎始终以扁平形式存在和扩展,除缝端外,裂缝宽度在整个梁深都始终保持在非常细的水平(几十个微米量级)上,这表明UHTCC材料具有优异的裂缝无害化分散能力。关于初始抗弯刚度,由图11可以看出,钢纤维混凝土的略低于同强度等级的混凝土,这是纤维掺入过程中向基体内引入了一定量气泡的缘故,而UHTCC明显低于此二者主要是由于基体内不使用粗骨料。UHTCC在薄板弯曲试验中测试到的抗弯强度为13.1MPa,在梁弯曲试验中测试到的强度为14.2MPa,前者低于后者,说明薄板试件成型过程中可能存在轻微的过振。3.3变形硬化系数法配合改进的jh-sf4方法的结构设计由于UHTCC的基体为砂浆,SFRC的基体为混凝土,前者在荷载-挠度曲线的初始线性段消耗的能量仅为后者的一半左右,这解释了为何UHTCC的韧性指数I5～I60均明显大于钢纤维混凝土,但对应实际消耗的能量UHTCC却都低于SFRC的现象。显然,在使用UHTCC替代混凝土和纤维混凝土以提高结构延性或耗能能力时,使用ASTMC1018方法评价UHTCC将对结构设计产生不必要的误导。使用改进的JSEC-SF4方法,即计算挠度扩展后的JSCE-SF4方法能够有效地描述UHTCC在不同变形条件下的耗能能力,克服了原始定义中限定单一计算挠度的缺点,但与此同时,该方法中的韧性因子毕竟是平均强度,无法直接说明材料承载能力的变化情况。在当前的结构设计中多使用强度设计准则,变形硬化系数法由于给出了不同限定挠度下的抗弯强度,因此更适合结构设计要求。此外,在设备允许的条件下,还可以测量并给出不同挠度下试件裂缝宽度的开展情况;在无裂缝观测设备的情况下,可以首先利用类似文献提供的反分析方法,确定100×100×400mm标准四点弯曲梁试件跨中挠度与中跨受拉区边缘UHTCC拉应变之间的关系,然后在试验结束后数取跨中100mm长度范围内受拉区边缘的裂缝条数,进而给出平均极限裂缝宽度。综上,变形硬化系数法结合改进后的JSCE-SF4方法中的韧性Tbn能够全面评价UHTCC材料的弯曲韧性,可以较全面地为工程设计提供必要的性能参数。若能进一步提供UHTCC从受弯开裂至荷载达到峰值全过程的裂缝宽度扩展情况,则可以很