钢纤维对UHPC拉伸性能及其拔出行为的影响

赵一鹤, 孙振平, 穆帆远, 庞 敏, 李 飞,3

(1.同济大学 材料科学与工程学院, 上海 201804; 2.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室, 上海 201804; 3.上海城建物资有限公司, 上海 200063)

超高性能混凝土(UHPC)中胶凝材料用量较高,水胶比极低,且常掺加随机分布的短纤维以提高其强度和韧性[1-3].2002年法国颁布了UHPC设计指南[4],根据拉伸全应力-应变曲线,将UHPC分为高应变强化、低应变强化和应变软化3类,这是当前世界普遍认同的UHPC分类方法.对于高应变强化与低应变强化类型的UHPC,其曲线分为应力随应变呈线性增长的弹性段,应力非线性增长至极限拉伸强度的强化段,和应力逐渐下降的软化段,极限拉伸强度所对应的极限拉伸应变越大,则其应变强化程度越高.对于应变软化类型的UHPC,其曲线只存在弹性段和软化段,不存在强化段[5].

UHPC基体和纤维之间良好的协同作用使UHPC拥有优越的拉伸性能.与平直型纤维相比,在UHPC中掺加异型纤维能获得更好的极限拉伸强度[6],掺加较高长径比的纤维亦可提升其应变强化程度,但建议纤维的长径比不超过80或长度不超过30mm[7].由于纤维-基体间的黏结力和纤维桥接作用承担基体开裂后的主要载荷,故纤维的拔出行为成了国内外的研究重点.然而部分文献仅关注了纤维单因素对UHPC宏观拉伸性能的影响,并未从微观角度探讨纤维各因素对其拔出行为的影响机理[8-13].为弥补现有研究的不足,考虑到钢纤维常用于UHPC增强增韧,且效果优于其他材质纤维,故本文选用长度不超过20mm的钢纤维,研究其形状、长度与直径等对UHPC拉伸性能的影响,以及在受拉情况下钢纤维从基体中的拔出行为,以期为UHPC中钢纤维的选择和应用提供参考数据.

1 试验

1.1 UHPC基体原材料及配合比

UHPC基体的原材料包括：52.5级普通硅酸盐水泥;颗粒平均直径为1.5μm的粉煤灰;S95矿渣粉;920硅灰;粒径范围分别为直径270～550μm和150～212μm的石英砂,试验时以最紧密堆积方案配合;聚羧酸系减水剂PC200(粉状),减水率(质量分数)>25%;符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的混凝土拌和用水.UHPC基体的配合比(质量比)见表1.

表1 UHPC基体配合比

1.2 钢纤维

采用平直型和端钩型2种形状的市售钢纤维,分为3组：P组为同直径不同长度的平直型钢纤维,DA组为同直径不同长度的端钩型钢纤维,DB为同长度不同直径的端钩型钢纤维.其规格如表2所示.本试验中钢纤维的体积分数均为2.5%.

表2 钢纤维规格

1.3 试验方法

1.3.1单轴拉伸试验

按表1称取UHPC基体的原材料,将原材料(不包括水)置于搅拌锅中,干混90s后将水缓慢倒入搅拌锅中,继续搅拌5min直至充分拌和.再投入钢纤维,继续搅拌6min后停机出料，每组成型3根“骨头型”试件,靠拌和物自重填充模具,1d后拆模并置于(20±1)℃水中养护至规定龄期.试件编号形式为“钢纤维编号-UHPC”.

UHPC的单轴拉伸试验在30t电子伺服万能试验机上进行,采用王俊颜等[14]设计的一套特殊夹具.试件由上下2个夹具固定,中部拉伸段固定有2个矩形金属架,这2个金属架之间距离即为试件的测试标距L(本试验取150mm).金属架四角置4个精度为0.0001mm的线性可变位移计(LVDT),LVDT所测位移的平均值与L的比值即为试件轴拉应变,与计算机自动采集的轴拉应力绘成拉伸全应力-应变曲线.设定试验加载速率为0.2mm/min,持续加载直至试件拉应力小于峰值应力的2/3.

1.3.2单丝拉拔试验

参照CECS13：2009《纤维混凝土试验方法标准》中钢纤维与水泥砂浆黏结强度试验方法,进行28d单丝拉拔试验.试验所用“8”字形金属模具符合GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》中的规定,在试件中部最小截面处放置厚度为1.0mm的塑料隔板,隔板上开有5个等距一字排开的孔用于放置钢纤维.单丝拉拔试验结果在无钢纤维断裂的情况下取5根钢纤维的平均值,每组3个试件.拉拔载荷与位移均由30t电子伺服万能试验机实时测量得出,试验加载速率为0.2mm/min,持续加载直至试件拉应力为零,此时钢纤维完全拔出或拉断.

黏结强度τf按式(1)计算：

(1)

式中：Pm为钢纤维拔出时最大载荷,N;df为钢纤维直径,mm;lf为埋入深度,mm.

拔出能W按式(2)计算：

(2)

式中：P为载荷,N;x为拔出位移,mm.

拔出能用单丝拉拔试验得到的拉拔载荷-位移曲线面积进行计算.

1.3.3扫描电子显微镜(SEM)观察

利用扫描电子显微镜(SEM)观察单丝拉拔试验中各样品钢纤维表面形貌与钢纤维-基体界面.由于钢纤维长度对单丝拉拔性能的影响机制难以用微观形貌表征,故只选取了同长度不同直径的3种端钩型钢纤维(DB组)的单丝拉拔试验样品,观察拔出的钢纤维表面.另选取了D5020钢纤维的单丝拉拔试验样品,对钢纤维-基体界面进行喷金处理后观察.

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能

2.1.1钢纤维形状对UHPC拉伸性能的影响

掺有同直径不同长度平直型和端钩型钢纤维的UHPC拉伸全应力-应变曲线如图1所示.由图1可见：所有曲线弹性段、强化段和软化段区别明显;掺DA组钢纤维的UHPC在弹性段和强化段之间存在类似钢筋拉伸时的“屈服段”,表现为拉伸强度基本保持不变而拉伸应变持续增长;而掺P组钢纤维的UHPC在弹性段结束后直接进入强化段.这是因为弹性段UHPC基体破坏后,P组钢纤维拔出过程中仅需克服钢纤维本身与基体的摩擦阻力以及化学胶结力,而DA组钢纤维还需要克服端钩部分与基体间的锚固力,使其拥有更高的极限拉伸强度和极限拉伸应变,同时也是其“屈服段”的来源.

图1 掺有同直径不同长度平直型和端钩型钢纤维的UHPC拉伸全应力-应变曲线Fig.1 Tensile stress-strain curves of UHPC with steel fibers of the same diameter and different lengths(P and DA)

2.1.2钢纤维长度对UHPC拉伸性能的影响

由图1还可见：无论平直型还是端钩型钢纤维,当其直径相同时,UHPC均在钢纤维长度为16mm时获得了最大的初裂强度.P2218-UHPC极限拉伸应变为2534μm/m,分别为P2213-UHPC(954μm/m)的2.6倍和P2216-UHPC(2365μm/m)的1.1倍,D2218-UHPC获得了最大极限拉伸强度(12.7MPa)与极限拉伸应变(4232μm/m),可见相同直径下钢纤维越长,对UHPC的应变强化效果越明显.根据曲线形态,P2213-UHPC为低应变强化UHPC,P2216-UHPC和P2218-UHPC为高应变强化UHPC,掺DA组钢纤维的UHPC则全部为高应变强化UHPC.其中D2216-UHPC的曲线在强化段出现回转,主要是因为在单轴拉伸试验过程中,主裂缝出现在标距外,导致应力松弛,标距内的试件应变减小.

2.1.3钢纤维直径对UHPC拉伸性能的影响

图2是掺有同长度不同直径端钩型钢纤维的UHPC拉伸全应力-应变曲线.由图2可见：当钢纤维直径在0.30mm以上时,端钩型钢纤维的应变强化作用明显减弱,仅D3020-UHPC可以实现一定程度的应变强化,D3520-UHPC表现为应变软化,而D5020-UHPC表现为脆性断裂.钢纤维直径越大,掺DB组钢纤维的UHPC初裂强度与初裂应变越小.当掺入D5020时,UHPC单位体积内的钢纤维根数降低,减弱了钢纤维在UHPC拉伸过程中的增韧效果.观察D5020-UHPC断面可见，大量钢纤维沉积在试件底部,试件中部和上部仅有少数钢纤维分布,因此若选用直径较大的钢纤维,应调整UHPC基体的黏聚性,避免钢纤维沉积.

图2 掺有同长度不同直径端钩型钢纤维的UHPC拉伸全应力-应变曲线Fig.2 Tensile stress-strain curves of UHPC with end-hooked steel fibers of the same length and different diameters

2.2 拔出行为及其机理

2.2.1钢纤维形状对UHPC中钢纤维拔出行为的影响

根据式(1)、(2)计算得到3组钢纤维的黏结强度及拔出能，结果如表3所示.由表3可见：当钢纤维直径相同时,DA组的整体表现优于P组；钢纤维长度为16mm时,P组和DA组的黏结强度和拔出能均为最优,D2216的黏结强度和拔出能分别是P2216组的4.2倍和2.3倍；当钢纤维长度相同时,随着纤维直径的增加,DB组钢纤维的黏结强度和拔出能均下降,从而影响对应UHPC的拉伸性能.

表3 钢纤维的黏结强度及拔出能

图3为同直径不同长度的平直型和端钩型钢纤维的拉拔载荷-位移曲线.由图3可见，由于平直型钢纤维无弯曲,故不存在锚固力对拉拔载荷的贡献[15],因此导致了P组与DA组拉拔载荷-位移曲线形态的不同,且使P组获得了更小的拉拔载荷,从而降低了掺P组钢纤维UHPC的极限拉伸强度和应力强化程度.

图3 同直径不同长度平直型和端钩型钢纤维的拉拔载荷-位移曲线Fig.3 Pullout curves of steel fibers of the same diameter and different lengths(P and DA)

2.2.2钢纤维长度对UHPC中钢纤维拔出行为的影响

由图3可见：P2216具有最大的拉拔载荷,其纤维脱黏阶段可见3个能量耗散峰,对应5根纤维中的3根陆续达到完全脱黏.3种纤维的黏结强度和拔出能也与其对应的P2216-UHPC极限拉伸强度大小关系保持一致,证明对于平直型钢纤维,钢纤维-基体界面的化学胶结力在UHPC发生初裂后起到了主要的抗拉作用[16],且导致UHPC产生了不同程度的应力强化.

D2213、D2216与D2218均在位移为1.3mm左右时达到最大拉拔载荷,分别为50.1、82.3、57.7 N,分别为同直径同长度平直型钢纤维的9.6、4.2、5.8倍.达到最大拉拔载荷后端钩型钢纤维发生形变,其端钩逐渐被拉开,曲线“平台期”(位移在2.0～3.0mm 之间)钢纤维不再形变[17],而是在化学胶结力和锚固力的共同作用下屈服,载荷由未被完全拉直的端钩锚固力提供[18-19],是UHPC拉伸全应力- 应变曲线中“屈服段”的来源.

2.2.3钢纤维直径对UHPC中钢纤维拔出行为的影响

图4为同长度不同直径DB组端钩型钢纤维的拉拔载荷-位移曲线.由图4可见：D3020,D3520和D5020的最大拉拔载荷分别为155.8、136.7、132.3 N;其中D3520在平台期后出现第2个峰,这是因为其端钩与基体咬合较紧密,锚固力使得拉拔载荷再次上升,出现多个峰段[6],因此在对应的D3520-UHPC拉伸全应力-应变曲线“屈服段”后会有明显的拉伸强度增长而非直接进入软化段(见图2);D5020的拉拔载荷-位移曲线在2.7mm进入平台期,早于D3520(3.3mm)和D3020(3.6mm),即钢纤维直径越大,拉拔载荷-位移曲线越早进入平台期,反映在单轴拉伸试验中则越早结束弹性段,初裂强度也越小,这与Laranjeira等[20]得出的结论一致.

图4 同长度不同直径DB组端钩型钢纤维的拉拔载荷-位移曲线Fig.4 Pullout curves of DB group end-hooked steel fibers of the same length and different diameters

2.2.4微观形貌分析

为进一步解释钢纤维直径对其拔出行为的影响,观察单丝拉拔试验后DB组钢纤维的表面形貌,其SEM图见图5.由图5可见：D3020钢纤维表面有大量呈团簇状的UHPC水化产物残留,且基体在纤维拔出过程中留下了明显的竖向划痕,钢纤维表面由于基体胶结,表层大量呈条状剥落,这表明钢纤维和基体结合紧密;D3520钢纤维表面可见少量颗粒状水化产物残留和竖向拔出划痕,部分表层呈鳞片状剥落;D5020钢纤维表面水化产物残留极少,有明显竖向拔出划痕,但表层未见剥落,证明纤维和基体结合不够紧密,化学胶结力在纤维拔出过程中贡献不大.在一定范围内,随着端钩型钢纤维的直径增大,纤维与基体的胶结逐渐由紧密变疏松,因此造成了UHPC单丝拉拔和拉伸性能的逐级递减.

图5 单丝拉拔试验后DB组钢纤维表面形貌SEM图Fig.5 SEM micrographs of DB group fiber surface after pullout test

图6 埋有D5020纤维和拔出D5020纤维后的UHPC基体SEM图Fig.6 SEM micrographs of UHPC matrix with D5020 and after D5020 pullout

3 结论

(1)UHPC的拉伸性能与钢纤维本身的单丝拉拔性能有关.钢纤维直径为0.22mm,长度为13～18mm时,端钩型钢纤维在拔出过程中提供了同直径同长度平直型钢纤维不具备的锚固力,导致前者的单丝拉拔性能优于后者,掺有端钩型钢纤维的UHPC也因此具有更高的极限拉伸强度和极限拉伸应变.无论平直型还是端钩型钢纤维,均在钢纤维长度为16mm时取得最佳的纤维-基体界面黏结强度,而UHPC的应变强化程度随钢纤维长度增加而增强.

(2)当钢纤维长度为20mm,直径为0.30～0.50mm时,随着钢纤维直径的增加,钢纤维本身的单丝拉拔性能和UHPC的拉伸性能均变差,这与钢纤维-基体界面泌水所致结构疏松有关.钢纤维直径过大时导致的沉降也是影响UHPC拉伸性能的原因.