摘要
考虑粗骨料掺量、钢纤维掺量及长径比等因素，研究了含粗骨料超高性能混凝土（UHPC‑CA）的单轴受拉力学性能，揭示了纤维增强的机理和粗骨料的作用机制.结果表明：随着粗骨料掺量的增加，UHPC‑CA的单轴抗拉强度与变形性能均下降；钢纤维掺量增加、长径比增大对UHPC‑CA的受拉力学性能有较大的提升作用；钢纤维与基体间具有良好的握裹力，在基体内出现裂缝后，主要依靠握裹作用承受拉应力；粗骨料的掺入削弱了钢纤维空间分布的均匀性，同时引入了薄弱的粗骨料-基体界面过渡区，对UHPC‑CA的受拉性能产生了不利的影响.
超高性能混凝土（UHPC）具有优异的力学性能和耐久性，可以满足重大工程在极端环境下安全服役的需
UHPC的单轴抗压强度与变形是其最基本的力学性能之一.它既是研究UHPC破坏机理和强度理论的主要依据，又直接影响UHPC构件的开裂、变形及耐久性.迄今，国内外学者考虑纤维掺
本文考虑粗骨料掺量和钢纤维特征参数等因素，通过单轴受拉试验研究了UHPC‑CA的单轴抗拉强度与变形，探讨了钢纤维增强的机理和粗骨料的作用机制，阐明了UHPC‑CA单轴受拉破坏的机理，研究成果可以为其工程应用提供一定的支撑.
原材料包括：P·O 52.5水泥、高炉矿粉、硅粉、粒径0.212~0.425 mm的石英砂、5.0~10.0 mm的玄武岩、聚羧酸系减水剂（减水率（质量分数）>35%）、镀铜平直钢纤维（抗拉强度2 750 MPa，直径0.2 mm，长度分别为6、12、16 mm）.
根据文献［
| Specimen | Mix proportion/(kg· | φ(steel fiber)/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cement | Silica fume | Slag powder | Quartz sand | Water | Admixture | Basalt | ||
| A00S0 | 829 | 104 | 104 | 1 265 | 166 | 33 | 0 | 0 |
| A00S2R60 | 813 | 102 | 102 | 1 239 | 163 | 32 | 0 | 2 |
| A10S2R60 | 730 | 91 | 91 | 1 113 | 146 | 29 | 265 | 2 |
| A20S2R60 | 647 | 81 | 81 | 986 | 129 | 26 | 530 | 2 |
| A30S2R60 | 564 | 70 | 70 | 860 | 113 | 23 | 795 | 2 |
| A20S0 | 663 | 83 | 83 | 1 012 | 133 | 27 | 530 | 0 |
| A20S1R60 | 655 | 82 | 82 | 999 | 131 | 26 | 530 | 1 |
| A20S3R60 | 638 | 80 | 80 | 974 | 128 | 26 | 530 | 3 |
| A20S2R30 | 647 | 81 | 81 | 986 | 129 | 26 | 530 | 2 |
| A20S2R80 | 647 | 81 | 81 | 986 | 129 | 26 | 530 | 2 |
UHPC‑CA受拉试验在MTS‑311.41加载系统上进行，夹具由钢承台、钢环、连接套筒和球铰组成（见
图1 夹具设计
Fig.1 Fixture design（size： mm）
图2 UHPC‑CA试件的破坏形态
Fig.2 Failure patterns of UHPC‑CA specimens
图3 UHPC‑CA试件的破坏断面
Fig.3 Failure surfaces of UHPC‑CA specimens
（1）不掺钢纤维试件A20S0的破坏断面平整均匀；掺入钢纤维后，试件破坏断面的平整度较差，断面上有混凝土剥落的痕迹.这表明钢纤维有效抑制了宏观主裂缝的扩展，改变了其扩展方向，当纤维发生界面破坏而逐渐脱黏时，连带部分混凝土一同脱落.
（2）过高的粗骨料掺量会对钢纤维的空间分布产生不利影响.当粗骨料掺量为30%时，试件破坏断面有大量裸露的钢纤维，且钢纤维的分布不均匀，边缘区域出现了钢纤维结团现象（
图4 UHPC‑CA试件的单轴受拉应力-应变曲线
Fig.4 Uniaxial tensile stress‑strain curves of UHPC‑CA specimen
（1）当粗骨料掺量从0%增加到30%时，试件的初裂强度、峰值强度、裂后残余强度和变形能力均有所下降，峰后应力突降幅度增大，这表明掺入粗骨料会增大UHPC的脆性.UHPC‑CA试件在发生应力突降后仍具有较高的残余强度，可以继续受力.当粗骨料掺量达到30%时，试件的应力突降幅度超过50%.在曲线形态上，粗骨料掺量越小，曲线的应变硬化阶段形状越饱满，应变硬化阶段持续时间越长，这进一步证明粗骨料会削弱UHPC的延性.
（2）钢纤维对UHPC‑CA试件单轴受拉应力-应变曲线的影响显著.未掺入钢纤维试件的单轴受拉应力-应变曲线在经过线弹性段后发生断裂破坏，应力陡降为0.而掺入钢纤维后，试件会在初裂点后保持非线性上升，表现出应变硬化行为.UHPC‑CA的初裂强度、峰值强度、裂后残余强度和变形能力均随着钢纤维掺量的增加而提升，应力突降值则逐渐减少.从曲线形态来看，随着纤维掺量的增加，UHPC‑CA试件的单轴受拉应力-应变曲线在峰值强度前更为饱满，上升更平滑，应变硬化阶段更长，所包围的面积更大.以上分析表明钢纤维的增韧阻裂作用对UHPC‑CA受拉力学性能的增益效果显著.
（3）当纤维长径比为30时，UHPC‑CA试件仍能表现出不同于未掺钢纤维试件的延性破坏特征.随着钢纤维长径比的增大，UHPC‑CA试件的初裂强度、峰值强度、裂后残余强度和变形能力均有所提升.这是由于钢纤维长径比越大，纤维脱黏和拔出过程越长，纤维的增韧作用越显著.
图5 UHPC‑CA试件的初裂强度
Fig.5 Initial crack strength of UHPC‑CA specimen
图6 UHPC‑CA试件的峰值强度
Fig.6 Peak strength of UHPC‑CA specimen
（1）与不掺粗骨料的试件相比，当粗骨料掺量从10%增加到30%时，UHPC‑CA试件的初裂强度分别减小了8.0%、9.4%、20.0%，峰值强度分别减小了13.0%、21.3%、28.4%.这表明粗骨料掺量对峰值强度的影响大于对初裂强度的影响，当粗骨料掺量大于20%时，UHPC‑CA试件的初裂强度减小显著.
（2）当钢纤维掺量由0%提高到3%时，UHPC‑CA试件的初裂强度分别提高了12.6%、23.2%、25.9%，峰值强度分别提高了51.0%、60.5%、76.8%.通过对比可以发现，钢纤维对UHPC‑CA强度的影响程度大于粗骨料，且对峰值强度的增益效果明显高于对初裂强度的增益效果.当钢纤维掺量由2%增加到3%时，UHPC‑CA试件的强度增大不显著，这表明掺量过高反而不利于纤维充分发挥其增强作用.因此，UHPC‑CA中钢纤维的最优掺量在2%左右.
（3）UHPC‑CA试件的初裂强度和峰值强度均随着钢纤维长径比的增大而提高.当长径比由30增大至60、80时，UHPC‑CA试件的初裂强度分别提高了23.6%、29.7%，峰值强度分别提高了15.7%、21.5%.与纤维掺量相比，长径比对UHPC‑CA强度的影响较小.
为了探讨钢纤维增强的机理和粗骨料的作用机制，采用场发射扫描电子显微镜（SEM）观测未加载试件切面和破坏试件断裂面的微观形貌. 观测前，试样在60 ℃恒温环境下干燥48 h并进行喷金处理，以增强其导电性.
图7 UHPC‑CA的SEM照片
Fig.7 SEM images of UHPC‑CA
（1）UHPC基体的孔洞较少，无明显缺陷，基体与钢纤维接触紧密，这表明基体与钢纤维间的握裹作用良好（
（2）钢纤维表面包裹着一层混凝土薄层（
（3）2根相邻纵向分布钢纤维拔出后留下的孔道内有许多混凝土脱落体和微裂纹（
（4）纤维拔出后的孔道放大后可以看到孔道内布满了划痕和微裂纹（
为研究粗骨料与钢纤维的相互作用机制，对粗骨料掺量为0%和30%的立方体试件进行切割、打磨、抛光，获得试件断面中钢纤维的分布情况，结果见
图8 粗骨料对钢纤维分布的影响
Fig.8 Effect of coarse aggregates on distribution of steel fibers
从
粗骨料形状不规则，表面粗糙，且有微小孔洞，其与胶凝材料间的黏结性能相对较差，与基体间形成了薄弱的界面过渡区.随着粗骨料掺量的增加，薄弱区域增多.此外，粗骨料具有较强的吸水性，在搅拌过程中会吸附周围拌和物的部分自由水，导致此处水胶比的减小，造成粗骨料周围基体水化不充分，形成薄弱区.
综合考虑试验现象及微观形貌观测结果，总结UHPC‑CA单轴受拉破坏的机理如下：当荷载较小时，粗骨料、钢纤维和基体共同受力，应力和应变较小，钢纤维的桥接作用尚不明显，为内部缺陷发展阶段.随着拉应力的增加，粗骨料附近过渡区的微裂纹开始扩展，由于粗骨料附近聚集的钢纤维方向通常与粗骨料表面平行，也与薄弱区微裂纹的发展方向平行，此处的钢纤维无法抑制裂纹的发展.当裂纹进入基体以后，开裂部位的应力开始由钢纤维承担，随着变形的增大，裂纹越来越宽，形成了宏观主裂缝，由于钢纤维的弹性模量远高于基体，其阻裂作用也表现得愈加明
（1）随着粗骨料掺量的增加，UHPC‑CA的单轴受拉力学性能退化，初裂强度、峰值强度、裂后残余强度和变形能力下降.当粗骨料掺量大于20%时，UHPC‑CA试件的抗拉强度和变形能力退化显著.
（2）钢纤维掺量的增加对UHPC‑CA抗拉强度有较大的提升作用，其中对峰值强度的提升效果明显高于初裂强度.钢纤维的掺入显著提高了UHPC‑CA的受拉韧性，应力-应变曲线的饱满程度提高、峰后应力突降值减少、应变硬化阶段延长.当钢纤维掺量从2%增加到3%时，UHPC‑CA强度、变形的提升幅度明显下降.钢纤维长径比对UHPC‑CA的影响小于钢纤维掺量，其中长径比为60的钢纤维对UHPC‑CA强度、变形的提升幅度最为显著.
（3）钢纤维与UHPC基体间具有良好的握裹力，其在基体中可以被视为“次增强筋”，在UHPC‑CA基体内出现裂缝后，主要依靠与基体间的握裹作用承受拉应力.粗骨料的掺入削弱了纤维空间分布的均匀性、减小了其有效长度，并在基体内引入了薄弱面，导致基体内部的缺陷增多，削弱了UHPC‑CA的受拉力学性能.
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