摘要
为探明钢纤维对超高性能混凝土(UHPC)在高持久应力作用下的损伤与失效的影响,采用28天龄期的UHPC与普通混凝土试件开展了徐变损伤与失效试验。测试了各个试件加载全过程的轴向与环向应力应变,分析了其破坏模式、残余应变、徐变应变与名义泊松比。结合超声波无损检测与扫描电子显微镜手段,分析了UHPC内部微裂缝扩展与钢纤维与水泥基体的黏结损伤。结果表明:高持久应力的作用会导致UHPC与普通混凝土试件内部微裂缝扩展,引发构件横向膨胀,并最终导致构件破坏。UHPC中钢纤维的桥接约束效应可以很好地控制内部微裂缝扩展,从而限制了构件的横向膨胀。在持荷加载前,UHPC与普通混凝土具有类似的泊松比(0.18~0.19);在持荷破坏时,UHPC的最大泊松比为0.28,而普通混凝土的最大泊松比达到0.6。当持久应力水平超过0.70 fc时,徐变损伤开始出现,具体表现为循环加载的强度与弹性模量下降。随着持久应力水平的提升,钢纤维与水泥基体的黏结出现损伤,钢纤维无法约束试件内部微裂缝的扩展,从而进一步加剧了试件损伤,甚至导致了试件的破坏。
超高性能混凝土(UHPC)作为一种力学性能与耐久性能更为优异的新型水泥基复合材料,与普通混凝土相比可以增加结构的跨度并减小结构的横截面,因此,基于UHPC有望研发出更经济、更环保、更坚固、更耐久的高性能结构。此外,UHPC具有早龄期强度高、强度增长速度快等特点,可显著加快施工的进度、减少工期。随着双碳战略的实施,UHPC在大跨度预应力混凝土桥梁方面越来越受到关
徐变是水泥基材料的固有属性,是大跨度桥梁结构长期行为的重要影响因素。根据持久应力水平的不同,混凝土存在线性徐变、收敛型非线性徐变与发散型非线性徐变这3种徐变行为。针对线性徐变行为的研究,可以建立工程用的混凝土徐变模型,用于混凝土结构长期行为预测。针对收敛型非线性徐变的研究,可以获得非线性徐变阈值与持久状况下混凝土的准永久应力限
对于普通混凝土,国内外学者研究了其在短期高应力作用下的徐变破坏行为并给出了徐变阈值和长期荷载作用下的抗压强度。Mazzotti
为了探明超高性能混凝土(UHPC)在持续高水平压应力下的损伤与失效机理以及钢纤维的影响,对28天龄期的UHPC与普通混凝土试件开展了高应力短期持续作用下损伤与失效试验,分析了UHPC与普通混凝土在短期高应力持续作用下的损伤模式。通过徐变系数、名义泊松比、超声波无损检测与扫描电子显微镜(SEM)等手段研究了钢纤维的加入对UHPC短期高应力持续作用下损伤与失效的影响,给出了短期高应力持续作用下UHPC损伤与失效机理。
试验使用的超高性能混凝土(UHPC)采用满足《公路超高性能混凝土(UHPC)桥梁技术规程
超高性能混凝土材料配合比如
质量/(kg· | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
水泥 | 硅灰 | 石英砂 | 钢纤维 | 水 | 超塑化剂 | 减水剂 |
680 | 170 | 1 150 | 100 | 156 | 180 | 14 |
试验使用的普通混凝土由水泥、机制砂、石子、粉煤灰、矿渣与减水剂等组成,其配合比如
质量/(kg· | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
水泥 | 机制砂 | 石子 | 水 | 减水剂 | 粉煤灰 | 矿渣 |
448 | 626 | 1 022 | 174.7 | 2 | 56 | 56 |
在制作试件时,按配合比称取相应的材料后倒入搅拌锅内,干拌2min使混合料混合均匀。然后将水与减水剂混合后加入搅拌锅内,拌合4min。拌合完毕后将材料浇入试模制成试件。浇铸成型后,用塑料膜密封试件,24h后对试件脱模。试件脱模后在温度为20±2℃、相对湿度为95%的标准养护室中覆膜养护。
在高应力短期持荷试验前,对28d龄期的标准养护试件进行了力学性能测试,确定了材料的抗压强度与弹性模量。测试的试件为直径100mm、高度200mm的圆柱体试件。UHPC与普通混凝土28d龄期的抗压强度与弹性模量如
材料 | 抗压强度/MPa | 弹性模量/GPa |
---|---|---|
UHPC | 97.5 | 41.6 |
普通混凝土 | 74.6 | 34.5 |
混凝土高应力短期持续作用下损伤与失效试验共设计有4类14组52个试件。其中第1类为对照组,试件将单调加载直至破坏。这些试件被命名为XM,其中:X表示材料类型(U:UHPC或N:普通混凝土),M表示单调加载。例如:“UM”表示UHPC试件在28d龄期单调加载至破坏。
第2类为不持荷循环加卸载组,包括加载、卸载和再加载3个步骤。这些试件被命名为UCXXC0,其中:第1个C代表持力荷载;XX是指初始荷载中的初始应力大小(0.60 fc、0.70 fc或0.80 fc);第2个C表示徐变,0表示无徐变阶段。例如:“UC70C0”表示UHPC试件在28天龄期时加载到0.7,然后立即卸载,再单调加载直至试件破坏。
第3类为高应力短期持续作用下损伤试验组,包括加载、持荷、卸载和再加载4个步骤。这些试件被命名为UCXXCYY,其中:第1个C代表持力荷载水平;第2个C代表持载徐变。XX是指初始荷载中的初始应力大小(0.60 fc、0.70 fc或0.80 fc);YY是指经持载徐变之后卸载时总应变与对应单调加载试件破坏时的峰值应变()的比值(0.70、0.80、0.90或0.95 )。例如:“UC90C95”表示在28天龄期时加载至0.90的UHPC试件,保持荷载直到总应变等于峰值应变的95%后卸载,最后再单调加载直至破坏。
第4类为高应力短期持续作用下失效试验组,包括加载、持荷2个步骤,这些试件被命名为XYY。其中:X表示材料类型(U:UHPC或N:普通混凝土),YY表示初始荷载中的初始应力大小(0.85 fc或0.95 fc)。例如:“U85”表示UHPC试件在28d龄期被加载到0.85 fc的荷载水平并持荷直至失效。
编号 | 试件 | 持荷应力 | 持载后卸载应变 | 材料 |
---|---|---|---|---|
1 | UM | - | - | UHPC |
2 | NM | - | - | 普通混凝土 |
3 | UC70C0 | - | - | UHPC |
4 | UC80C0 | - | - | |
5 | UC90C0 | - | - | |
6 | UC60C70 | 0.60 fc | 0.70 | UHPC |
7 | UC60C80 | 0.60 fc | 0.80 | |
8 | UC70C80 | 0.70 fc | 0.8 | |
9 | UC70C90 | 0.70 fc | 0.90 | |
10 | UC80C90 | 0.80 fc | 0.90 | |
11 | UC90C95 | 0.90 fc | 0.95 | |
12 | U85 | 0.85 fc | - | UHPC |
13 | U95 | 0.95 fc | - | |
14 | N95 | 0.95 fc | - | 普通混凝土 |
试验采用3 000kN万能试验机进行加载,加载速率为0.8MPa·

图1 加载与测量装置(单位:mm)
Fig. 1 Loading and measurement configurations(unit:mm)
第1组(UM与NM)试件与第4组(U85、U95与N95)试件分别采用单调瞬时加载方式与高应力持荷加载方式导致构件破坏,

图2 超高性能混凝土与普通混凝土试件破坏模式
Fig. 2 Failure modes of UHPC and normal concrete specimens
对比2种加载方式,可以明显发现,UHPC试件与普通混凝土试件在高应力持荷加载下均发生了明显的横向膨胀。这表明,在高应力的持续作用下,试件内部产生了微裂缝且持续发展,从而引发了横向膨胀;当横向膨胀达到一定程度时,试件发生破坏。
对比UHPC与普通混凝土试件,UHPC试件相对完整,没有明显的混凝土块剥落现象。这是因为UHPC内部的钢纤维具有桥接效应,可以限制试件内部的微裂缝扩展,从而也约束了UHPC的横向膨胀。
为了更好地对比不同材料试件的应力-应变曲线,可以以单调加载试件的强度与峰值应变为基准,对试验应力-应变曲线进行标准化,如
, | (1) |
式中:和分别为标准化后量纲为一应变和量纲为一应力;和分别为试件的测试应力与测试应变。
试件 | 单调加载应变/1 | 徐变应变/1 | 卸载前应变/1 | 残余应变/1 | 相对残余应变/% |
---|---|---|---|---|---|
UC70C0 | 1 782 | - | 1 792 | 75 | 4.19 |
UC80C0 | 1 991 | - | 2 000 | 92 | 4.60 |
UC90C0 | 2 299 | - | 2 303 | 108 | 4.69 |
UC60C70 | 1 434 | 291 | 1 728 | 267 | 15.45 |
UC60C80 | 1 400 | 604 | 2 005 | 563 | 28.08 |
UC70C80 | 1 732 | 268 | 2 003 | 243 | 12.13 |
UC70C90 | 1 740 | 518 | 2 256 | 478 | 21.19 |
UC80C90 | 1 988 | 247 | 2 237 | 200 | 8.94 |
UC90C95 | 2 200 | 200 | 2 399 | 166 | 6.92 |
U85 | 2 012 | 240 | - | - | - |
U95 | 2 012 | 172 | - | - | - |
N95 | 2 144 | 569 | - | - | - |

图3 短期高应力持荷试验试件的应力应变关系
Fig. 3 Strain-stress relationship of specimens at short-term high sustained stress loading
图
图
图

图4 高持续应力短期作用下普通混凝土试件与超高性能混凝土试件的徐变应变
Fig. 4 Creep strains of UHPC and normal concrete specimens at short-term high sustained stress loading
在单向轴力的作用下,介质除发生轴向变形外,还会发生横向变形,即泊松效应,其中横向变形与轴向变形的比值称为泊松比。对于混凝土而言,在轴向压力作用下,除泊松效应导致的横向膨胀外,还可能因为内部微裂缝扩展而引发横向变形,因此混凝土的横向应变与轴向应变的比值可以定义为名义泊松比,并用于表征混凝土的损伤和微裂缝扩
(2) |
式中与分别为圆柱体试件的径向应变与轴向应变。圆柱体的径向应变很难测量,但根据
(3) |
则圆柱体混凝土的名义泊松比可由环向应变与轴向应变的负比值来表示,即
(4) |

图5 持荷前后试件的名义泊松比
Fig. 5 Nominal Poisson's ratio of specimens before and after sustained loading
试件 | 持荷时间/s | 名义泊松比 | 名义泊松比变化/% | |
---|---|---|---|---|
持荷前 | 持荷后 | |||
UC60C70 | 1 670 | 0.19 | 0.21 | 9.1 |
UC60C80 | 8 553 | 0.19 | 0.22 | 14.7 |
UC70C80 | 1 395 | 0.19 | 0.24 | 22.7 |
UC70C90 | 6 442 | 0.19 | 0.25 | 26.5 |
UC80C90 | 290 | 0.19 | 0.26 | 36.0 |
UC90C95 | 207 | 0.19 | 0.27 | 40.4 |
U85 | 1 132 | 0.18 | 0.25 | 38.9 |
U95 | 352 | 0.19 | 0.28 | 47.4 |
N95 | 95 | 0.19 | 0.60 | 215.8 |
超声波检测是一种评价混凝土材料内部损伤的常用无损检测方法。当混凝土内部产生微裂缝后,由于超声波在混凝土和空气中的传播速率不同,因此可以通过超声波传播时间的变化来间接评估混凝土内部的开裂损
研究选取了5个循环加载损伤试件(UC90C0、UC60C70、UC70C80、UC80C90与UC90C95)进行超声波无损检测。如
(5) |
式中:为短期高应力持荷后的超声波传播时间变化率;与为加载前与卸载后测区k测得的超声波传播时间。

图6 超声波无损检测及测点布置
Fig. 6 Measuring point layout of ultrasonic testing

图7 试件循环加载前后超声波传播时间变化率
Fig. 7 Rate of change in ultrasonic travel time of specimen before and after a loading cycle
为了进一步分析短期高应力持荷对钢纤维与混凝土基体之间黏结的影响,对相同应力水平作用下的不持荷循环加卸载试件(UC90C0)与持荷循环加卸载试件(UC90C95)进行了SEM分析。这2组试件循环加卸载后,典型的纤维-水泥基体微观结构如

图8 未持荷试件与持荷试件的纤维-混凝土基体界面黏结情况
Fig. 8 Bonding details of fiber-matrix interface without and with sustained loading
由
设计并开展了14组52个UHPC与普通混凝土试件的徐变损伤与失效试验,包括:2组单调加载试件、3组无持荷循环加卸载试件、6组持荷循环加卸载试件与4组持荷破坏试件。通过对破坏形态、应力-应变关系、徐变应变、名义泊松比、超声波无损检测与纤维微观形态等分析,得出以下结论:
(1)高持续应力的短期作用会导致UHPC与普通混凝土试件内部微裂缝扩展,引发构件横向膨胀,并最终导致构件破坏。
(2)UHPC中钢纤维的桥接约束效应可以很好地控制内部微裂缝扩展,从而限制了构件的横向膨胀。在持荷加载前,UHPC与普通混凝土具有类似的泊松比(0.18~0.19);在持荷破坏时,UHPC的最大泊松比为0.28,而普通混凝土的最大泊松比达到0.6。
(3)当持久应力水平超过0.70 fc时,徐变损伤开始出现,具体表现为循环加载的强度与弹性模量下降。随着持久应力水平的提升,钢纤维与水泥基体的黏结出现损伤,钢纤维无法约束试件内部微裂缝的扩展,从而进一步加剧了试件损伤,甚至导致了试件的破坏。
作者贡献声明
徐腾飞:提供思路、研究支持与论文撰写。
张子飏:实验方案设计、数据分析与论文修订。
卞香港:实验开展与论文修订。
刘志峰:工程设计与应用指导。
参考文献
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