水工结构与材料

钢纤维特征参数及成型方式对UHPC轴拉性能的影响

  • 邓宗才 , 1 ,
  • 王梦新 1 ,
  • 王宏君 2 ,
  • 陈相宇 2
展开
  • 1 北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室,北京 100124
  • 2 致泰科技新材料(江苏)有限公司,江苏 苏州 215000

邓宗才(1961-),男,陕西扶风人,教授,博士,主要从事纤维混凝土和加固技术研究。E-mail:

Office editor: 占学军

收稿日期: 2024-03-06

  修回日期: 2024-05-07

  网络出版日期: 2024-12-27

Influence of Steel Fiber Characteristic Parameters and Forming Methods on Tensile Performance of Ultra-high Performance Concrete

  • DENG Zong-cai , 1 ,
  • WANG Meng-xin 1 ,
  • WANG Hong-jun 2 ,
  • CHEN Xiang-yu 2
Expand
  • 1 Key Laboratory of Urban and Engineering Safety and Disaster Reduction of Ministry of Education,Beijing;University of Technology, Beijing 100124,China
  • 2 Zhitai Technology New Materials (Jiangsu) Co., Ltd.,Suzhou 215000,China

Received date: 2024-03-06

  Revised date: 2024-05-07

  Online published: 2024-12-27

摘要

为探究超高性能混凝土(UHPC)在不同钢纤维下的单轴拉伸力学性能,设计了10组狗骨头型试件单轴拉伸试验,研究了钢纤维长径比(37、50、64、65)、掺率(2%、3%、4%)、形状(端钩型和弧型)和成型方式(搅拌法和渗浆法)对UHPC轴拉强度、应力-应变曲线、拉伸韧性和破坏过程的影响。结果表明:端钩型钢纤维长径比增加,UHPC轴拉强度提高6.54%~9.37%,软化段残余强度比值提高5.00%~38.30%;端钩型钢纤维体积掺率从2%增至3%、4%,UHPC抗拉强度、峰值应变和软化段残余强度比值均有所提高,拉伸韧性增加;端钩型钢纤维渗浆法成型试件相比搅拌法试件,强度变化不大,但峰值应变提高53.61%~91.96%;弧型钢纤维UHPC拉应力-应变曲线具有应变硬化特性,破坏过程呈多裂缝开展;与同长径比端钩型钢纤维试件相比,弧型钢纤维UHPC峰值拉应变提高了19.41~19.96倍,软化段残余强度比值提高18.00%~70.03%,弧型钢纤维增韧效果优于端钩型钢纤维。采用硬化指数和软化段残余强度比值方法可以全面评价UHPC轴拉峰前应变硬化特征和峰后的轴拉韧性。

本文引用格式

邓宗才 , 王梦新 , 王宏君 , 陈相宇 . 钢纤维特征参数及成型方式对UHPC轴拉性能的影响[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(4) : 177 -182 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240214

Abstract

To explore the mechanical properties of ultra-high performance concrete (UHPC) with different steel fibers under uniaxial tension, we designed ten sets of uniaxial tensile tests on dog-bone-shaped UHPC specimens. We investigated how the aspect ratio (37, 50, 64, 65), dosage (2%, 3%, 4%), shape (end-hooked and curved), and forming methods(mixing and slurry) of steel fibers affect the tensile strength, stress-strain curves, tensile toughness, and failure process of UHPC. Results reveal that as the aspect ratio of hooked steel fiber rises, the tensile strength of UHPC increases by 6.54%-9.37%, and the residual strength ratio in the strain-softening segment grows by 5.00%-38.30%. When the volumetric dosage of end-hooked steel fiber increases from 2% to 3% and 4%, the tensile strength, peak strain, and residual strength ratio in the strain-softening segment of UHPC increase, along with an enhancement in tensile toughness. Compared with specimens formed by the mixing method, those formed by the slurry method with end-hooked steel fibers show no significant change in strength, but the peak strain increases by 53.61%-91.96%. The stress-strain curve of UHPC with curved steel fibers demonstrates strain-hardening characteristics, and its failure process involves the propagation of multiple cracks. In comparison to specimens with end-hooked steel fibers of the same aspect ratio, UHPC with curved steel fibers exhibits a 19.41-19.96-fold increase in peak tensile strain and an 18.00%-70.03% increase in the residual strength ratio in strain-softening segment. This indicates that the toughening effect of curved steel fibers is superior to that of end-hooked steel fibers. By using the hardening index and the residual strength ratio in the strain-softening segment, we can comprehensively evaluate the strain-hardening characteristics before peak axial-tensile strain and the axial-tensile toughness after peak in UHPC.

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0 引言

超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)因其基体致密和低水胶比,具有超高强度、高韧性、高耐久性能[1-4],在工程中逐渐被广泛应用,被公认为是一种极具发展前景的新型水泥基复合材料。UHPC在基体受拉开裂后仍具备较高抗拉强度,因此,UHPC结构设计中非常关注其轴拉力学性能指标[5]。法国《UHPC设计指南》[6]根据UHPC轴拉应力-应变曲线的不同,将其分为应变软化、低应变硬化和高应变硬化三类。应变硬化材料开裂后承载能力会继续提高;而应变软化是指材料开裂之后,承载能力会下降。
水工混凝土朝着高性能和长寿命方向发展,UHPC的抗裂性能和耐久性远超常规水工混凝土,将其运用于水电站的溢洪道、消力池及导流洞等抗冲刷冲磨部位,可以减轻砂石、高速水流对混凝土的冲刷而导致的气蚀破坏。钢纤维具有高弹性模量和高抗拉强度,是目前UHPC中使用最多的纤维。故国内外学者针对钢纤维尺寸、钢纤维形状及钢纤维体积掺率等对UHPC轴拉性能的影响进行了较多的研究。Lee等[7]发现掺加较高长径比的钢纤维可提升UHPC抗拉性能;Zhang等[8]研究了平直型与端钩型两种类型钢纤维下UHPC的轴拉性能,研究表明:与平直型纤维相比,端钩型纤维可以显著改善裂缝间的桥接性能。王俊颜等[5]研究了钢纤维掺率为1.5%、2.0%、2.5%时UHPC的轴拉性能与裂缝宽度控制能力,结果表明:钢纤维掺率的增加可显著提高UHPC的应变硬化能力。此外,试件成型方式的差异可能会导致纤维分布不均且纤维取向垂直于加载方向,则UHPC抗拉性能的改善效果将降低。邓宗才[9]研究了成型方式对高掺率钢纤维混凝土力学性能的影响,结果表明:渗浆法成型试件的抗压强度和劈裂抗拉强度都高于搅拌成型试件,渗浆法有利于更好地实现纤维方向与加载方向的一致。
与平直型钢纤维相比,端钩型和弧型钢纤维对UHPC具有更优的增强增韧效果[10],特别是弧型钢纤维圆弧弯曲部分的摩擦阻力改善了纤维在基体中的界面黏结强度和韧性[11]。但是目前尚未见到关于弧型钢纤维UHPC轴拉性能的研究报道。因此,研究弧型和端钩型钢纤维以及试件成型方式对UHPC轴拉性能的影响规律具有重要工程应用价值。
本文优选2种弧型钢纤维和4种端钩型钢纤维,设计了10组单轴拉伸试验,研究了钢纤维特征参数(纤维掺率和长径比)以及试件成型方式对UHPC轴拉性能的影响,采用初裂抗拉强度和应变、抗拉弹性模量、抗拉强度、峰值应变和硬化指数等参数评估UHPC的轴拉性能,试验结果可为UHPC工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验选用大连小野田水泥有限公司生产的P·II 52.5R硅酸盐水泥;细骨料采用粒径范围为(380 ~830 μm)和(212 ~380 μm)的河砂;减水剂采用高效聚羧酸减水剂;硅灰采用埃肯国际贸易有限公司生产的Elkem951级硅微粉,其二氧化硅含量≥95%,950 ℃烧失量≤1%;矿粉采用S95级粒化高炉矿渣粉。试验水胶比为0.195,UHPC基体配合比见表1
表1 UHPC基体配合比

Table 1 Mix proportions of UHPC matrix kg/m3

水泥 硅灰 矿粉 河砂 减水剂
212 ~380 μm 380 ~830 μm
650 225 200 650 425 210 4.3
钢纤维有端钩型和弧型2种不同形状,如图1所示,长径比在37~65之间,长度对比如图2所示,密度为7 800 kg/m3。其中,H3由江西赣州大业金属纤维有限公司提供,其余型号皆为河北好爱喜钢纤维有限公司提供。钢纤维参数列于表2
图1 钢纤维形状

Fig.1 Shapes of steel fibers

图2 钢纤维长度对比

Fig.2 Comparison of steel fiber length

表2 钢纤维参数

Table 2 Parameters of steel fibers used in this test

外形 编号 长度/
mm
直径/
mm
弧长/
mm
曲率半径/
mm
长径
抗拉强度/
MPa
端钩型 H1 13 0.2 65 2 800
H2 20 0.4 50 1 500
H3 13 0.35 37 2 850
H4 35 0.55 64 1 250
弧型 C1 35 0.55 30 15 64 1 250
C2 35 0.55 30 23 64 1 250

1.2 试验方案

共制作10组不同类型的轴拉试件(每组浇筑3个平行试件),以钢纤维长径比、体积掺率、形状以及试件成型方式为变量,试件设计参数列于表3。试件编号命名中“T”代表轴向拉伸;“A”代表试件成型方式为搅拌法,“B”代表渗浆法;“Hx”和“Cx”代表钢纤维型号;末尾数字代表钢纤维体积掺率。
表3 单轴拉伸试件设计参数

Table 3 Design parameters of specimens for uniaxial tensile test

试件编号 成型方式 钢纤维类型 掺率/% 长径比
TA-H1-2 搅拌法 H1 2 65
TA-H2-2 搅拌法 H2 2 50
TA-H3-2 搅拌法 H3 2 37
TA-H1-3 搅拌法 H1 3 65
TA-H1-4 搅拌法 H1 4 65
TB-H1-2 渗浆法 H1 2 65
TB-H1-3 渗浆法 H1 3 65
TA-H4-2 搅拌法 H4 2 64
TA-C1-2 搅拌法 C1 2 64
TA-C2-2 搅拌法 C2 2 64
例如TA-H1-2代表搅拌成型、钢纤维型号为H1、体积掺率为2%的轴向拉伸试件。轴拉试验一般采用狗骨型试件[12],本文采用课题组自行设计的钢制模具,具体尺寸如图3所示。
图3 轴拉试件

Fig.3 Specimens for axial tensile tests

1.3 试件成型及试验方法

1.3.1 试件成型

试件的成型方式分为2种:一种是渗浆法浆料渗入纤维混凝土(Slurry Infiltrated Fiber Concrete, SIFCON)方法[13],先将钢纤维均匀铺入模具内,然后将其置于振动台,在振动作用下将搅拌好的UHPC浆体注入模具。另一种方法是搅拌法,将水泥、硅微粉、矿粉和河砂用强制式搅拌机干拌3 min,后加入水和减水剂的混合溶液,继续搅拌5 min,使拌合物达到流化状态,再加入钢纤维,搅拌均匀后注模。所有试件成型后在室内静置24 h,然后脱模自然养护28 d。

1.3.2 试验方法

单轴拉伸试验采用MTS电液伺服微机控制试验机,试验装置如图4所示,试件中部布置2个混凝土应变片测量试件开裂前的应变,安装2个顶针式线性位移传感器(Linear Variable Displacement Transducer,LVDT),LVDT的标距L为150 mm,正式试验前,在材料弹性范围内进行预加载,微调试件或夹具使其尽可能对中,对中调整好后以0.2 mm/min加载速率进行加载,应力下降到20%峰值拉应力时停止加载。2个LVDT所测位移平均值与L的比值为试件的轴拉应变。
图4 UHPC轴拉试验装置

Fig.4 Axial tensile test device for UHPC

2 试验结果与分析

2.1 轴拉变形曲线特征与轴拉性能评价方法

典型的UHPC轴拉变形曲线如图5所示。应力-应变曲线上升段线性关系的转折点可作为UHPC初始开裂的判别准则,故将曲线上升段线性偏离点定义为初裂点,该点对应的应力和应变分别称为初裂抗拉强度σc与初裂应变εc,将曲线应力上升段与应力下降段的转折点定义为峰值点,该点对应的应力和应变分别称为抗拉强度σp与峰值应变εp。通过轴拉应力-应变曲线的线弹性上升段的斜率得到抗拉弹性模量Et
图5 UHPC轴拉应力-应变曲线特征

Fig.5 Characteristic tensile stress-strain curves of UHPC

图5(a)可知,具有应变硬化行为的UHPC试件,其轴拉应力-应变曲线包含3个阶段:第1阶段为拉应力σ线性增至初裂抗拉强度σc的线弹性上升段,第2阶段为多条微细裂缝发展的应变硬化段,第3阶段为局部临界裂缝扩展而拉应力σ下降的应力软化段。
图5(b)可知,具有应变软化行为的UHPC试件,其轴拉应力-应变曲线同样包含3个阶段,第1阶段为拉应力σ线性增至初裂强度σc的线弹性上升段,第2阶段为假性硬化段,即轴拉应力-应变曲线斜率变小,应力稍有增加即达峰值应力σp,第3阶段为随着拉应变的增长,应力明显下降的应力软化段。
对轴拉应力-应变曲线出现明显应变硬化段的试件采用硬化指数Ih评价试件从初裂到峰值应力阶段轴拉应力继续增加的硬化特征,其增强效应的计算式为
I h = σ p σ c    
式中:σc为初裂抗拉强度;σp为峰值抗拉强度。
采用残余强度比值法评价试件应力软化段的韧性,残余强度Kn定义为试件在应变n×10-3(n为整数)下的残余强度σn与抗拉强度σp的比值,其计算式为
K n = σ n σ p  
根据各组试件轴拉应力-应变曲线,对发生应变软化的试件,分别取n=2、3、4和5计算各组试件的残余强度比值K2K3K4K5。对发生应变硬化的试件,由于峰值拉应变较大,为计算峰值后软化阶段残余强度比值,分别取n=5、6、7和8计算各组试件的残余强度比值K5K6K7K8
硬化指数和残余强度比值的优点是:能全面评价UHPC轴拉试件峰前应变硬化特征和峰后的轴拉韧性;采用硬化指数和残余强度比值,具有量纲为一的形式,不受试件尺寸和加载方式的影响;物理意义明确,Ih越大,应变硬化越明显,残余强度比值Kn越大,说明试件应力软化段残余承载力越高,承载力下降越缓慢,轴拉韧性越好。

2.2 轴拉应力-应变实测曲线

UHPC试件轴拉应力-应变实测曲线如图6所示。
图6 UHPC轴拉应力-应变曲线

Fig.6 Tensile stress-strain curves of UHPC

图6中的(a)、(b)、(c)所示,掺加端钩型钢纤维的试件在加载初期时,应力-应变曲线处于线弹性阶段,应力和应变近似呈线性关系,此阶段无微裂缝产生;出现首条微裂缝后,裂缝间钢纤维桥接作用限制裂缝的进一步扩展,应力-应变曲线发生非线性偏离,应力-应变曲线斜率变小;当试件主裂缝形成后,应力-应变曲线随即进入下降段,其中纤维掺率较高或采用渗浆法浇筑时,承载力下降缓慢,但是纤维掺率为2%时,承载力下降比较快,原因是当该类试件开裂时,裂缝间的纤维不能提供足够的桥接作用。
掺加弧型钢纤维的试件应力-应变曲线如图6(d)所示,加载初期,应力-应变曲线特征与端钩型钢纤维试件类似,近似呈线性关系,无微裂缝产生;当应变增加至200×10-6时,试件出现首条微裂缝,应力-应变曲线出现明显的应变硬化平台,即应力随应变的增长而上下波动但总体趋势为不断上升,直至应变增加到6×10-3左右时,试件达到峰值应力。随后应力开始缓慢下降且应变持续增大,当应变增加至12×10-3时,弧型钢纤维TA-C1-2、TA-C2-2应力分别下降至峰值应力的20%和40%。可见,掺加弧型钢纤维的UHPC破坏过程中应变硬化效应明显,变形能力更强。由于弧型钢纤维间存在因相互勾连产生的机械咬合力,且仅需要2根纤维便可以形成封闭约束区域,因此弧型钢纤维桥接作用更加显著,可以有效控制裂缝的发展。

2.3 轴拉性能影响因素分析

2.3.1 钢纤维长径比

各组试件的轴拉测试结果平均值见表4,硬化指数和残余强度比值见表5
表4 UHPC轴拉测试结果平均值

Table 4 Mean values of axial tensile test results for UHPC

编号 初裂抗拉
强度σc/
MPa
初裂应变
εc/
10-6
峰值抗拉
强度σp/
MPa
峰值应变
εp/10-6
抗拉弹性
模量Et/
GPa
TA-H1-2 4.85 102.58 5.02 140.00 44.63
TA-H2-2 4.59 105.90 4.89 129.13 42.19
TA-H3-2 4.41 101.29 4.59 115.93 37.80
TA-H1-3 5.40 106.51 5.49 210.00 51.57
TA-H1-4 5.51 112.24 5.63 495.27 50.46
TB-H1-2 5.22 85.86 5.32 215.05 58.77
TB-H1-3 5.61 91.14 5.71 403.12 60.68
TA-H4-2 4.44 158.30 4.52 216.17 44.23
TA-C1-2 2.99 91.84 3.31 4 412.05 59.37
TA-C2-2 3.63 112.00 4.55 4 530.41 49.90
表5 硬化指数和残余强度比值

Table 5 Hardening index and residual strength ratios

编号 破坏类型 Ih K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8
TA-H1-2 应变软化 0.73 0.65 0.55 0.45
TA-H2-2 应变软化 0.69 0.54 0.42
TA-H3-2 应变软化 0.63 0.47 0.40 0.35
TA-H1-3 应变软化 0.78 0.67 0.61 0.55
TA-H1-4 应变软化 0.79 0.70 0.64 0.56
TB-H1-2 应变软化 0.74 0.65 0.56 0.52
TB-H1-3 应变软化 0.83 0.69 0.62 0.57
TA-H4-2 应变软化 0.75 0.56 0.50 0.41
TA-C1-2 应变硬化 1.11 0.95 0.97 0.59 0.52
TA-C2-2 应变硬化 1.25 1.00 0.91 0.75 0.70
图6表4表5可知,对搅拌法成型试件,端钩型钢纤维掺率为2%时,UHPC轴拉应力-应变曲线均为应变软化型,但不同长径比钢纤维增强增韧效果存在差异。相较钢纤维长径比为37的试件TA-H3-2,长径比为50的试件TA-H2-2初裂抗拉强度、初裂应变分别提高4.00%和4.55%,抗拉强度、峰值应变分别提高6.54%和11.39%,残余强度比值K2K3K4约提高5.00%~14.89%;长径比为65的试件TA-H1-2初裂抗拉强度、初裂应变较钢纤维长径比为37的试件TA-H3-2分别提高9.98%和1.27%,抗拉强度、峰值应变分别提高9.37%和20.76%,残余强度比值K2K3K4K5约提高15.87%~38.30%。
由此可见,端钩钢纤维长径比增大,UHPC试件峰后韧性提升显著。钢纤维长径比为65时,UHPC轴拉性能最佳,原因是钢纤维H1的直径最小,掺加根数最多,纤维间距最小,能有效改善UHPC轴拉性能。

2.3.2 钢纤维掺率

图6表4表5可知,对搅拌法成型试件,端钩型钢纤维掺率由2%增至3%、4%,UHPC轴拉应力-应变曲线的整体形状发生变化。纤维掺率为2%时,试件开裂后应力迅速到达峰值,峰值后下降较快,曲线为应变软化型;纤维掺率增至3%、4%时,试件开裂后应力仍有一定程度增加,峰值后下降缓慢,试件韧性明显增加,具备一定的塑性变形能力,但曲线仍为应变软化型。相较TA-H1-2,TA-H1-3的初裂抗拉强度、初裂应变分别提高11.34%和3.83%,抗拉强度、峰值应变分别提高9.36%和50%,残余强度比值K2K3K4K5约提高3.08%~22.22%;TA-H1-4的初裂抗拉强度、初裂应变较TA-H1-2分别提高13.61%和9.42%,抗拉强度、峰值应变分别提高12.15%和253.76%,残余强度比值K2K3K4K5约提高7.69%~24.44%。
钢纤维掺率的提高使得试件应力-应变曲线有向应变硬化型发展的趋势,UHPC的抗拉强度、峰值应变和残余强度比值提高幅度较大。

2.3.3 试件成型方式

图6表4表5可知,端钩型钢纤维H1掺率为2%和3%时,渗浆法成型试件的轴拉性能都优于搅拌法成型试件。其中钢纤维掺率为2%时,相较搅拌法成型试件TA-H1-2,渗浆法成型试件TB-H1-2的初裂抗拉强度提高7.63%,抗拉强度、峰值应变分别提高5.98%和53.61%,抗拉弹性模量提高31.68%,残余强度比值K2K3K4K5约提高1.37%~15.56%。钢纤维掺率为3%时,相较搅拌成型试件TA-H1-3,渗浆法成型试件TB-H1-3的初裂抗拉强度提高了3.89%,初裂应变降低14.43%,抗拉强度、峰值应变分别提高4.01%和91.96%,抗拉弹性模量提高17.67%,残余强度比值K2K3K4K5约提高1.64%~6.41%。
渗浆法成型试件的峰值应变大幅提高,说明渗浆法能显著改善试件的塑性变形能力,原因是采取渗浆法成型时,与受力方向相同的钢纤维根数增加,提高了纤维的桥接阻裂效应和控制裂缝扩展的能力。

2.3.4 钢纤维形状

图6表4表5可知,搅拌法成型试件,当钢纤维长径比和掺率都相同时,端钩型钢纤维试件应力-应变曲线为应变软化型,而弧型钢纤维试件开裂后应力仍有较大增加,出现较长应变硬化段,峰值后应力下降缓慢,为应变硬化型。相较端钩型钢纤维试件TA-H4-2,弧型钢纤维试件TA-C1-2的初裂抗拉强度、初裂应变分别降低32.66%和66.46%,抗拉强度降低26.78%,但峰值应变提高了19.41倍,抗拉弹性模量提高34.23%,残余强度比值提高18.00%~73.21%;弧型钢纤维试件TA-C2-2的初裂抗拉强度、初裂应变较TA-H4-2分别降低了18.24%和2.00%,但峰值应变提高了19.96倍,抗拉弹性模量提高12.82%,残余强度比值分别提高33.33%~70.73%。
弧型钢纤维试件的峰值应变和残余强度比值提高幅度大,是由于弧型钢纤维在拔出过程中其弧弯部分具有拉拔阻力和摩擦阻力,可以提高纤维与UHPC基体黏结强度,而且使纤维相互交叉联锁,产生的互锁力远大于端钩型纤维产生的机械咬合力,使得弧型钢纤维的拉拔阻力远大于端钩型纤维,因此弧型钢纤维桥接作用更加显著,能有效控制裂缝的发展,提高UHPC轴拉韧性。曲率半径为15 mm的弧型钢纤维,其增强和增韧效果不如曲率半径为23 mm的纤维,原因是曲率半径越小,弧弯度大,弧型钢纤维的弯曲变形越大,弧型钢纤维的受力集中在更小区域,导致应力集中,容易引起纤维的拔出和断裂,从而降低增韧效果。

3 结论

(1)相较于端钩型钢纤维,弧型钢纤维UHPC拉应力-应变曲线具有较长的应变硬化段,其峰值拉应变提高了19~20倍,残余强度比值提高了33.33%~70.73%,表明弧型钢纤维具有更强的裂后阻裂能力,使得UHPC变形能力显著增强,峰后残余强度提高。
(2)与搅拌法比较,渗浆法成型的UHPC峰值拉应变提高了53.61%~91.96%,表明渗浆法可改善UHPC拉伸变形能力。其机理是渗浆法成型有利于实现纤维方向与受力方向的一致,提高了纤维的桥接阻裂效果。
(3)端钩型钢纤维增强UHPC轴拉强度和拉伸韧性随纤维长径比的增大而提高。纤维掺率为2%时,试件拉伸开裂后迅速到达峰值,峰值后曲线下降较快;但当掺率增至3%和4%时,试件开裂后应力仍有一定程度的增加,达到峰值后应力下降缓慢,拉伸韧性增加。
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