2024, Vol. 56
2. 先进土木工程材料教育部重点实验室(同济大学), 上海 201804
2. Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials (Tongji University), Ministry of Education, Shanghai 201804, China
超高性能混凝土(ultra high performance concrete，UHPC)[1-3]是依据颗粒紧密堆积、低水胶比和纤维增强等原则设计，具备超高强度、超高韧性和超高耐久的水泥基材料[4-5]。高应变强化UHPC能够在开裂后仍具备高抗拉性能，即具有较高的抗拉强度与拉伸应变强化的类金属特性[6]，形成多处分布的微裂纹，从而具备优秀的裂缝控制能力[7-8]，提供建造长寿命桥梁与海工结构的可能性。轻质砂原料为膨化珍珠岩，能贮存水分进行内养护[9]，对水化产物的形成有积极作用[10]，有利于提高UHPC中钢纤维与基体的黏结性能，提升轴心极限抗拉强度，增强常温养护型UHPC的应变强化效果。目前有关膨胀珍珠岩的应用研究主要集中于改善水泥基复合材料的导热性能[11-12]以及制备高强轻质混凝土[13-15]。本文研究了不同轻质砂体积率和不同试件尺寸对UHPC拉伸应变强化性能的影响，并同步进行声发射探伤测试，分析UHPC试件内部损伤的演化机制。
1 试验 1.1 试验原材料及配合比本研究采用的UHPC的水胶比为0.17，纤维体积掺量为2.0%，其中预混料主要成分见表 1。水泥采用江南-小野田水泥厂生产的P·II 52.5硅酸盐水泥；硅灰选用埃肯公司生产的微硅粉，比表面积为22 000 m2/kg，SiO2质量分数为94.48%；微珠为从粉煤灰提取的超细沉珠，主要成分为SiO2和Al2O3，质量分数分别为50%~55%和20%~25%；减水剂采用粉末状聚羧酸系高效减水剂；消泡剂为粉状的聚醚类消泡剂；所使用砂包括普通黄砂与轻质砂两种，普通黄砂为河砂，粒径为0.3~0.6 mm，真密度为2 650 kg/m3；轻质砂原料为精选膨化珍珠岩，并进行憎水处理，如图 1(a)所示，最大粒径≤1.0 mm，堆积密度为231 kg/m3。
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表 1 预混料配合比 Tab. 1 Mixture proportions of premix |
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图 1 钢纤维和轻质砂 Fig. 1 Fibre and lightweight sand |
将轻质砂按总体积的一定比例等体积取代黄砂，共设计6组配合比，如表 2所示。轻质砂使用前需要将0.3 mm粒径以下的颗粒筛除，纤维采用平直形镀铜钢纤维，相关性能参数见表 3。
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表 2 UHPC配合比 Tab. 2 Mixture proportions of UHPC |
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表 3 钢纤维力学性能 Tab. 3 Mechanical properties of fibre |
图 2为掺轻质砂UHPC的部分制作细节，制备采用如下步骤：启动搅拌机→投入粉料→干拌2 min→加水→搅拌3~5 min(物料达到流态)→依次加入轻质砂、黄砂，搅拌1~2 min→投入纤维→继续搅拌2 min以上→浇筑试件，将UHPC拌合物沿着试件长度方向来回倒料4~5次，将搅拌物浇筑在钢模中，经抹面后加盖塑料膜，以防止水分的快速散失，室温下静置24 h后拆模。脱模后的试件进行标准养护，温度为(20±3)℃，相对湿度90%以上，28 d龄期时进行轴拉性能测试。
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图 2 轴拉试件成型过程 Fig. 2 Uniaxial tension specimen forming process |
试件分为两部分。第1部分共6组，分别掺加了不同取代比例的轻质砂，每组试件包含3个狗骨头拉伸试件，试件厚度均为30 mm；第2部分共3组，采用相同配合比，但试件厚度分别为30、50、100 mm的3组试件，每组试件同样包含3个狗骨头拉伸试件，详见图 3。两部分试验均还需要根据GB/T 17671—1999成型40 mm×40 mm×160 mm的棱柱试件测试7 d强度，并在测试强度前用排水法测试试件的硬化密度。
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图 3 狗骨头轴拉试件 Fig. 3 Dog-bone shape uniaxial tensile loading specimen |
在300 kN电子伺服万能试验机上进行UHPC的单轴拉伸试验，试验机准确度为±0.5%，夹具经过特殊设计以避免加载偏心。狗骨头试件由上下夹具固定，中间段固定的两个矩形金属架之间的距离即为试件的测试标距L，定为200 mm。两个金属架用来安装精度为0.000 1 mm的两个线性可变位移计，以测量轴向拉伸变形，并转化为试件的应变值ε，最终与电脑采集的拉伸应力值形成拉伸应力-应变曲线。试验预加载速度设为1 mm/min，当荷载达到0.5 kN，按照0.3 mm/min的加载速率进行正式加载，UHPC的直接拉伸加载在拉伸应力小于峰值应力的80%时结束试验。
UHPC的直接拉伸实验装置与声发射探伤定位试验装置如图 4(a)所示，试件传感器的布置如图 4(b)所示，在试件正反面各布置4个传感器，利用凡士林通过热熔胶枪将传感器固定于试件表面，传感器与AE采集系统相连。断铅试验后，对UHPC进行单轴拉伸试验及AE同步探伤试验，首先进行预加载试验，加载速度设为1 mm/min，当荷载达到0.5 kN后，按照0.3 mm/min的加载速率进行正式加载，声发射采集系统开始工作，直至试件发生破坏，声发射采集系统与轴拉试验同步停止。
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图 4 声发射实验装置 Fig. 4 Setup of acoustic emission test device |
图 5为含不同体积率轻质砂UHPC的轴拉应力-应变曲线，均呈现受拉应变强化特征。为定量比较轻质砂体积率对UHPC力学性能的影响，将每组配合比中3根试件的轴拉曲线特征参数取均值，包括弹性段极限点对应应力fUte、弹性段极限点对应应变εUte、极限抗拉强度fUtu、极限应变εUtu。同时测出棱柱试件的硬化密度、7 d抗压强度并取均值，将各轴拉曲线中弹性段部分进行拟合，把斜率作为弹性模量EU参考值记录并取均值，具体结果见表 4。
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图 5 不同轻质砂体积率UHPC的拉伸应力-应变曲线 Fig. 5 Tensile stress-strain curves of UHPC with different lightweight sand volume rate |
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表 4 不同轻质砂体积率UHPC的力学性能 Tab. 4 Mechanical properties of UHPC with different lightweight sand volume rate |
为了便于比较，将轴拉曲线特征参数的均值绘制成柱状-折线图，如图 6所示。可以看出：随着轻质砂体积率的增加，试件的硬化密度减小，7 d抗压强度降低，这是由于轻质砂本身强度较低，增加了内部基体的不连续性，对于UHPC的硬化密度和7 d强度均存在不利影响；轻质砂体积率对试件弹性段的轴拉力学性能参数及弹性模量影响不大，UHPC试件的弹性段极限点对应应力为8~10 MPa，弹性点对应应变为0.02%~0.03%；对于应变强化段，轻质砂体积率的增加使得UHPC的极限应变、极限抗拉强度及其与弹性段极限点对应应力的比值fUtu/fUte均有明显的增加，极限抗拉强度为10.5~20.0 MPa，极限拉伸应变为(2.3~4.4)×10-3。出现抗压强度降低而弹性段极限点对应应力和极限抗拉强度上升的原因在于：轻质砂在受压与受拉过程中起到的作用并不相同；受压过程中由于轻质砂自身强度较低容易被粉碎，降低了UHPC的密实度，这一削弱作用要强于其内养护对各相之间黏结性的改善作用；而在受拉过程中，轻质砂起到的内养护作用促进了水泥水化，提高了轻质砂与基体的黏结性以及基体与纤维之间的黏结性，对于抗拉强度的有利作用更大。
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图 6 不同轻质砂体积率UHPC的轴拉性能 Fig. 6 Uniaxial tension properties of UHPC with different lightweight sand volume rate |
通过对UT-0、UT-15、UT-30 3组UHPC在轴向拉伸过程中同步进行的声发射无损探伤定位试验，得到3组UHPC在不同应变处的损伤点分布图，如图 7所示。
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图 7 不同轻质砂体积率UHPC内部损伤点分布 Fig. 7 Distribution of internal damage point at different lightweight sand volume rate UHPC |
图 7中点A、B、C、D分别取自轴拉应力-应变曲线的弹性段(0.01×10-2)、弹性极限点、抗拉极限点、软化段(0.6×10-2)，损伤点分布图中的数字表示损伤点总数量，同时将过程中的损伤点数量随应变(0~0.6×10-2)变化趋势绘制成图 8。
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图 8 不同轻质砂体积率UHPC的内部损伤点数量 Fig. 8 Number of internal damage point at with different light weight sand volume rate UHPC |
由图 7可知，3组UHPC在B点开始出现零星的损伤点，说明直到初裂点后，试件中才开始出现不可逆损伤，抗拉极限点处，UT-0、UT-15、UT-30组UHPC分别产生了56、79和119个损伤点，这表明拉伸应变强化程度越大的UHPC在应变强化段会产生更多的微裂纹。随着加载的继续进行，UT-0中的损伤点逐渐呈“块状”聚集在试件高度220~270 mm内，这与试件最后主裂缝出现的位置一致。
从图 8可以看出：UT-0的损伤点快速发展区间位于(0.02~0.10)×10-2，占强化阶段形成损伤点总数的75%，UT-15和UT-30的损伤点快速发展区间均为(0.08~0.16)×10-2，占比则分别为42%和43%，这表明损伤点在应变强化阶段的前期增长速率更快；对比UT-15和UT-30可以看出，应变强化程度更高的UT-30在0~0.4×10-2内产生损伤点的速率均高于UT-15，印证了前文应变强化程度更大对应产生了更多微裂纹的结论。
将试件沿高度划分为8等分，D点各等分区损伤点占比绘成柱状图，结果见图 9。可以看出：UT-0中，7个区域出现损伤点，但71.6%的损伤点集中出现在210~280 mm高度内；UT-15中，8个区域都有损伤点，其中，140~210 mm高度内出现的损伤点最多，占25.5%；UT-30中，损伤点遍布8个区域，分布较UT-15更为均匀，损伤出现最多的高度为210~280 mm，占比为23.1%。从上述数据可知，应变强化程度越高的UHPC，在轴拉荷载下内部产生的损伤点越多，分布范围更广且更均匀。由于内部损伤点的产生及分布代表微裂纹的产生和分布情况，这也印证了应变强化型UHPC往往伴随着多缝开裂现象。初裂点以后，试件变形以微裂纹的形式均布展开，变形一定时，产生的微裂纹数量越多，越能分散变形量。由于UHPC初裂后促使现有裂缝继续发展所需的能量一般大于产生新裂缝所需的能量，应变强化型UHPC中均匀分布的微裂纹有利于新微裂缝的稳定发展。
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图 9 不同轻质砂体积率UHPC声发射损伤点分布 Fig. 9 Distribution of AE damage points of UHPC with different lightweight sand volume rate |
图 10为采用与UT-15相同配合比，但厚度分别为30、50、100 mm的UHPC轴拉应力-应变全曲线，分别编号为UH-30、UH-50、UH-100。可以看出：UH-30的应变强化现象最为显著，应变强化段曲线斜率最大；随着试件厚度的增加，应力-应变曲线趋于平缓，UH-100的非弹性段曲线几乎与X轴平行；厚度越薄的试件在软化阶段的强度衰减速率越快。
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图 10 不同试件厚度UHPC的拉伸应力-应变曲线 Fig. 10 Tensile stress-strain curve of UHPC with different specimen thickness |
表 5为3组不同厚度UHPC轴拉应力-应变曲线的特征参数，为了方便对比，同样将轴拉曲线的特征参数单独绘制成图 11，可以看出：UH-30、UH-50、UH-100的平均弹性极限点对应应力fUte分别为8.6、9.1、8.5 MPa，相应的平均弹性极限点对应应变εUte分别为0.027%、0.022%、0.018%；UH-30、UH-50、UH-100的平均极限抗拉强度fUtu分别为13.7、12.1、10.7 MPa，对应的平均强化极限应变εUtu分别为0.472%、0.437%、0.299%。对比3种厚度UHPC的拉伸力学性能可知，三者的弹性极限点对应应力相差较小，而UH-30的极限抗拉强度分别为UH-50和UH-100的1.13倍和1.28倍，fUte/fUtu同样随着厚度的增加而减小，UH-30的强化极限应变则分别为UH-50和UH-100的1.08倍和1.58倍。上述数据说明对于应变强化型UHPC，试件厚度的增加使得试件极限抗拉强度与极限应变降低，强化段刚度减小，应变强化的特性减弱，但软化阶段的强度衰减速率有所下降。
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表 5 不同试件厚度UHPC的力学性能 Tab. 5 Mechanical properties of UHPC with different specimen thickness |
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图 11 不同试件厚度UHPC的轴拉性能 Fig. 11 Uniaxial tensile properties of UHPC with different specimen thickness |
通过声发射无损探伤定位试验得到了UH-30、UH-50、UH-100的损伤点分布，如图 12所示。与2.2节中情况类似，3种厚度的UHPC在A点没有出现损伤点，到B点处有零星损伤点产生，C点时3组UHPC中均产生了大量损伤点，直到D点，试件UH-30、UH-50、UH-100中产生的损伤点数分别为103、143、191个，换算至50 mm×30 mm截面积后，三者损伤点数分别为103、86、57个。以上数据可知在相同应变下，试件厚度的增加减少了等横截面体积内的平均损伤点数量。
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图 12 不同厚度UHPC内部损伤点分布 Fig. 12 Distribution of internal damage point at different thicknesses UHPC |
采用2.2节中的损伤点区域分类方法绘制出图 13，可以看出：损伤点的分散度随着试件厚度的增加而变差，局部损伤点分布的密度增大；UH-50损伤点最集中的区域为350~420 mm，占比为39.4%，试件UH-100损伤点最集中的区域为280~350 mm，占比高达54.2%，试件UH-30中损伤点最集中的占比仅为25.4%，说明越厚的试件在轴拉荷载下能量耗散能力越弱，损伤更容易发生局部集聚。
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图 13 不同试件厚度UHPC声发射损伤点分布 Fig. 13 Distribution of AE damage points of UHPC with different specimen thickness |
这3组试件仅有厚度上的差别，且受拉时弹性段内只发生基体层面的开裂，在断裂韧性和弹性极限点对应应力上无较大差异。由于强化段时基体内出现微裂缝，荷载通过纤维的桥接作用从基体传递到连接微裂缝两端的纤维上，UHPC应变强化段的拉伸特性主要取决于嵌入纤维，当UHPC中的纤维取向与受拉方向越一致时，纤维的利用率越高，UHPC浆体浇筑进模具时，流速会因壁面的摩擦力而依据距离壁面的远近呈抛物线函数状，并产生扭矩导致纤维沿平行于流动方向排列[16]，随着试件厚度的增加，扭矩的大小会因流速剖面的增大而减小，从而导致纤维取向系数和单位面积内的纤维数量均随试件尺寸的增加而减小，因此, UHPC强化阶段的应变能力逐步减弱。
厚试件与薄试件在几何形状上的不同使得薄试件比厚试件更容易产生贯穿性裂纹，在软化阶段，试件中的微裂缝密度已经接近饱和的情况下，薄试件中的主裂缝比厚试件发展得更快，抗拉能力下降更显著。
3 结论1) 轻质砂等体积取代原黄砂时，取代量的增加显著提升了UHPC的应变强化效果，对强化段刚度、极限抗拉强度、极限应变及fUtu/fUte的提高存在有利影响。轻质砂体积率由0增加到35%时，UHPC的极限抗拉强度和极限应变分别由10.6 MPa和2.35×10-3提高到了19.4 MPa和4.3×10-3。
2) 声发射探损试验结果表明，在试件尺寸一致的情况下，UHPC损伤点在强化段前期发展得更快，且应变强化程度越高，其内部产生的损伤点数量越多，分布更均匀，因此，在等量变形下能形成更多均布微裂纹，使得应变强化UHPC表现出良好的裂缝控制能力。
3) 在强化阶段，UHPC试件的厚度对纤维在试件中的取向有重要影响，薄试件中纤维更容易与轴拉荷载成同方向排列，因此，薄试件的应变强化效果要优于厚试件；在软化阶段，由于微裂缝密度接近饱和，且薄试件比厚试件更容易产生贯穿裂缝，薄试件的主裂缝发展更快，软化速率更快。
4) UHPC试件厚度的增加使得材料内部的局部损伤点分布密度增大，更容易发生损伤点局部聚集，降低UHPC的极限抗拉强度和强化极限应变，从而应力-应变曲线趋于平缓，应变强化效果不明显。
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