摘要
为研究钢-聚丙烯混杂纤维超高性能混凝土(HF‑UHPC)的力学性能尺寸效应规律,考虑纤维参数的影响,对不同尺寸HF‑UHPC试件开展立方体抗压强度和轴心受压力学性能试验.结果表明:随着钢纤维掺量和钢纤维长径比的增加,试件立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心受压峰值应变的尺寸效应更加显著;随着聚丙烯纤维掺量的增加,试件立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心受压峰值应变的尺寸效应变化幅度较小,呈现先减后增趋势;试件弹性模量的尺寸效应受混杂纤维参数影响很小,可忽略不计.此外,基于试验结果揭示了试件抗压强度尺寸效应产生机理,并建立了试件抗压强度尺寸效应律参数的计算公式,可用于不同尺寸试件的抗压强度计算.
混杂纤维超高性能混凝土(HF‑UHPC)是一种新型高性能水泥基复合材料,其力学性能不仅与材料组分有
目前,学者们针对超高性能混凝土(UHPC)力学性能的尺寸效应进行了研究.如陈宝春
上述研究成果主要考虑了混凝土强度等级及钢纤维参数(掺量和长径比)对UHPC抗压强度尺寸效应的影响,并未考虑钢-聚丙烯混杂纤维的共同作用,且对于HF‑UHPC单轴受压下的应力-应变曲线、峰值强度、峰值应变和弹性模量等力学性能尺寸效应的研究相对缺乏. 因此,本文通过改变纤维参数(钢纤维掺量(体积分数)、钢纤维长径比和聚丙烯纤维掺量(体积分数)),考察了HF‑UHPC力学性能尺寸效应的变化规律,并揭示了HF‑UHPC抗压强度尺寸效应机理;同时在无切口修正的Bažant断裂力学尺寸效应理论基础上,建立了可应用于不同纤维参数的HF‑UHPC抗压强度尺寸效应律参数计算公式,为UHPC强度预测及工程设计提供参考.
水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥;石英砂,粒径为0.4~0.6 mm;硅灰,活性指数130%;S95级矿渣粉,活性指数105%;减水剂为聚羧酸减水剂,减水率大于35%(质量分数);拌和水为自来水. 此外,2种纤维分别为:镀铜平直型钢纤维(SF),直径为0.200 mm,抗拉强度大于2 500 MPa,钢纤维长径比(lsf /dsf)为30、60、80;聚丙烯纤维(PF),直径为0.048 mm,抗拉强度大于358 MPa,聚丙烯纤维长径比(lpf /dpf)为167. 结合课题组前期研究成
以钢纤维掺量、钢纤维长径比和聚丙烯纤维掺量为变化因素,聚丙烯纤维长径比固定为167,设计8种配合比HF‑UHPC试件,其纤维参数如
Note: φsf is volume fraction of SF;φpf is volume fraction of PF.
试件制备步骤如下:(1)依次称取各组分材料;(2)将水泥、矿渣粉、硅灰及石英砂加入搅拌机,搅拌5 min;(3)将水、减水剂及聚丙烯纤维混合均匀,分2次加入搅拌机,搅拌5 min;(4)均匀撒入钢纤维,搅拌5 min,以保证混合均匀;(5)搅拌结束后,将混凝土倒入模具中振捣1 min,模具表面覆盖保鲜膜;(6)常温养护24 h脱模,放入45 ℃的养护室内蒸汽养护28 d.
依据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》进行试验加载,其中A、B、E、F组试件采用2 500 kN的MTS压力试验机,其余组别试件采用30 000 kN电液伺服压力试验机. 立方体抗压强度试验采用荷载控制,加载速率为1.2 MPa/s;轴压力学性能试验采用位移控制,加载速率为0.002 mm/s,通过位移计和压力传感器测量试件的载荷-位移曲线.

图1 HF‑UHPC试件的立方体抗压强度
Fig.1 Cube compressive strength of HF‑UHPC specimens
通过对不同尺寸、不同纤维参数的HF‑UHPC棱柱体试件进行轴压力学性能试验,发现其应力-应变(σ‑ε)曲线变化过程基本相同,均包含弹性阶段、裂缝稳定发展阶段、裂缝失稳扩展阶段和破坏阶段.以配合比为SC2PA10的不同尺寸棱柱体试件为例进行分析,其应力-应变曲线如

图2 HF‑UHPC棱柱体试件的应力-应变曲线
Fig.2 Stress‑strain curves of HF‑UHPC prism specimens
(1)弹性阶段(σ≤70% fc (峰值强度))
该阶段,各HF‑UHPC试件的应力-应变关系均呈线性增长趋势,且应力-应变关系曲线斜率(即弹性模量)基本相同,与试件尺寸无关.该阶段混凝土的变形主要为试件本身受压后的弹性变形,未产生微裂纹和裂缝.
(2)裂缝稳定发展阶段(70%fc<σ≤fc)
该阶段,各HF‑UHPC试件的应力-应变全曲线呈现较为明显的非线性特征,尺寸效应逐渐显现.具体表现为:小尺寸HF‑UHPC试件的切线刚度高于大尺寸试件,且随着试件尺寸的增大,切线刚度的差异性逐渐增加;HF‑UHPC试件的峰值强度随着试件尺寸的增大呈现规律性降低,峰值应变随着试件尺寸增大呈现规律性升高.
(3)裂缝失稳扩展阶段(fc>σ≥40%fc)
该阶段,各HF‑UHPC试件的应力-应变曲线向下弯曲,试件出现贯通裂缝,裂缝间的聚丙烯纤维逐渐被拉断,钢纤维逐渐被拔出;此阶段受压试件尺寸越大,峰后应力-应变曲线下降越快,原因在于裂缝扩展速率与试件尺寸有关,且在很大程度上随着试件结构尺寸的平方而增
(4)破坏阶段(40%fc>σ)
该阶段,试件的贯通裂缝在剪应力作用下不断发展加宽,钢纤维继续被拔出,聚丙烯纤维继续被拔断,试件整体失去结构意义.从HF‑UHPC试件的应力-应变曲线所围面积可以看出,HF‑UHPC试件尺寸越小,韧性越大,试件破坏吸收的能量值就越高.

图3 HF‑UHPC棱柱体试件的关键力学性能指标
Fig.3 Key mechanical performance indexes of HF‑UHPC prism specimens
引入尺寸效应
(1) |
(2) |
(3) |
式中:fcu,70.7、 fcu,x 分别为边长为70.7 mm和x mm试件的立方体抗压强度,MPa;fc,70.7、 fc,x分别为70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm和x mm×x mm×3x mm棱柱体试件的峰值强度,MPa;ε70.7、εx分别为70.7 mm×70.7 mm×212.1 mm和x mm×x mm×3x mm棱柱体试件的峰值应变;表示试件的长度,分别取为100、150、200 mm.

图4 HF‑UHPC试件的力学性能尺寸效应度
Fig.4 Size effect parameter for mechanical property of HF‑UHPC specimens
由
裂缝产生过程中能量释放率和能量吸收率间的不匹配是混凝土存在尺寸效应的根源,且能量释放率很大一部分随着试件尺寸平方的增加而增大,能量吸收率则随试件尺寸线性增

图5 HF‑UHPC抗压强度尺寸效应产生机理
Fig.5 Mechanism of size effect on compressive strength of HF‑UHPC
Bažan
(4) |
式中:为受压破坏时的名义强度;D为立方体边长或棱柱体高度.
将试验得到的HF‑UHPC立方体抗压强度及棱柱体峰值强度实测值代入
Note: f、Db1、R represents the infinite nominal strength, the effective crack thickness of the boundary layer and the correlation coefficient of cube,respectively;f、Db2、R represents the infinite nominal strength, the effective crack thickness of the boundary layer and the correlation coefficient of prism,respectively.
, | (5) |
, | (6) |
, |
(7) |
, | (8) |
式中:、分别为标准试件的立方体抗压强度和轴心抗压强度;;.
通过上述关系式可以定量分析纤维参数对HF‑UHPC抗压强度尺寸效应的影响程度,即不同纤维参数下HF‑UHPC抗压强度随尺寸变化的规律. 利用式(

图6 HF‑UHPC抗压强度预测结果和实际结果对比
Fig.6 Comparison between compressive strength predicted results and actual results of HF‑UHPC
(1)HF‑UHPC立方体抗压强度和轴心抗压强度均存在显著的尺寸效应. 该尺寸效应随着钢纤维掺量或钢纤维长径比的增大而增大;随着聚丙烯纤维掺量的增大呈现先减后增趋势,且变化幅度较小.
(2)HF‑UHPC轴心受压峰值应变存在显著的尺寸效应. 该尺寸效应随着钢纤维掺量或钢纤维长径比的增大呈现增大趋势;随着聚丙烯纤维掺量的增大呈现先减后增趋势,且变化幅度较小. HF‑UHPC弹性模量尺寸效应可以忽略不计.
(3)基于无切口修正的Bažant断裂力学尺寸效应理论,建立了尺寸效应律参数和的计算公式,可用于不同尺寸、不同纤维参数HF‑UHPC抗压强度的计算.
参考文献
陈庆, 马瑞, 蒋正武, 等. 基于GA‑BP神经网络的UHPC抗压强度预测与配合比设计[J]. 建筑材料学报, 2020,23(1):176‑183,191. [百度学术]
CHEN Qing, MA Rui, JIANG Zhengwu, et al. Compressive strength prediction and mix proportion design of UHPC based on GA‑BP neural network [J]. Journal of Building Materials, 2020,23(1):176‑183,191.(in Chinese) [百度学术]
DELVISO J R, CAMONA J R, RUIZ G. Shape and size effects on the compressive strength of high‑strength concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2008,38(3):386‑395. [百度学术]
陈宝春, 杨简, 黄卿维, 等. 超高性能混凝土形状与尺寸效应分析[J]. 福州大学学报(自然科学版), 2019,47(3):391‑397. [百度学术]
CHEN Baochun, YANG Jian, HUANG Qingwei, et al. Analysis of shape and size effect of ultra‑high performance concrete[J]. Journal of Fuzhou University (Natural Science), 2019, 47 (3):391‑397. (in Chinese) [百度学术]
罗晨熙. 超高性能混凝土基本力学性能的尺寸效应研究[D]. 长沙:湖南大学, 2018. [百度学术]
LUO Chenxi. Study on size effect of basic mechanical properties of ultra high performance concrete [D]. Changsha:Hunan University, 2018. (in Chinese) [百度学术]
FLÁDR J, BILY P. Specimen size effect on compressive and flexural strength of high‑strength fibre‑reinforced concrete containing coarse aggregate [J]. Composites Part B:Engineering, 2018,138:77‑86. [百度学术]
KAZEMI S, LUBELL A S. Influence of specimen size and fiber content on mechanical properties of ultra‑high‑performance fiber‑reinforced concrete [J]. ACI Materials Journal,2012,109(6):675‑684. [百度学术]
苏捷, 刘伟, 史才军, 等. 超高性能混凝土立方体抗压强度尺寸效应[J]. 硅酸盐学报, 2021,49(2):305‑311. [百度学术]
SU Jie, LIU Wei, SHI Caijun, et al. Scale effect of cube compressive strength of ultra‑high performance concrete [J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2021,49(2):305‑311. (in Chinese) [百度学术]
李力剑, 徐礼华, 池寅, 等. 含粗骨料超高性能混凝土单轴受压疲劳性能[J].建筑材料学报, 2022, 25(4):381‑388. [百度学术]
LI Lijian, XU Lihua, CHI Yin, et al. Fatigue behavior of ultra‑high performance concrete with coarse aggregate under uniaxial cyclic compression [J]. Journal of Building Materials, 2022, 25(4):381‑388. (in Chinese) [百度学术]
高丹盈.钢纤维混凝土轴压应力-应变全曲线的研究[J].水利学报,1991(10):43‑48. [百度学术]
GAO Danying. Study on stress‑strain curve of steel fiber reinforced concrete under axial compression [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1991(10):43‑48. (in Chinese) [百度学术]
BAŽANT Z P. Size effect [J]. International Journal of Solids and Structures, 2000, 37(1/2):69‑80. [百度学术]
WILLIAMS J G. The griffith medal lecture:The fracture mechanics of soft solids [J]. Engineering Fracture Mechanics, 2015,149:192‑198. [百度学术]