活性粉末混凝土力學特性及疲勞壽命研究

姚志雄

(1.福建工程學院 土木學院，福建 福州 350118；2.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室，福建 福州 350118)

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活性粉末混凝土力學特性及疲勞壽命研究

姚志雄1,2

(1.福建工程學院 土木學院，福建 福州 350118；2.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室，福建 福州 350118)

根據活性粉末混凝土密實配合比設計原理，結合福建當地材料制備3個系列混凝土試件，研究不同纖維品種、摻量對RPC基本力學性能的影響規律，并采用Instron電液伺服式疲勞試驗得到纖維增強RPC疲勞壽命發展情況及分布規律。摻入聚丙烯纖維對RPC抗壓強度、劈裂強度、彎折強度及延性具有一定程度提升，但效果不明顯。鋼纖維摻量對RPC強度具有較明顯增強效果，抗壓強度隨摻量呈拋物線增長規律；劈裂、彎折強度隨鋼纖維摻量呈線性及指數增長趨勢。RPC平均疲勞壽命隨聚丙烯纖維摻量呈拋物線增長規律，隨鋼纖維摻量呈明顯遞增趨勢。分析給出各力學指標隨2種纖維摻量的回歸關系式。統計分析各系列試件的疲勞試驗數據，RPC彎曲疲勞壽命與對應的概率函數線性相關顯著，服從兩參數威布爾分布，計算給出存活率-疲勞壽命曲線。

活性粉末混凝土；纖維增強；基本力學性能；彎曲疲勞壽命；威布爾分布

活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete，簡稱RPC)是一種新型建筑材料,它是在20世紀90年代初由法國最大營造公司之一的布尹格(Bouygues)公司以PierreRichard為首的研究小組率先研制成功的[1]。它是繼無宏觀缺陷水泥、超細粒聚密水泥、化學結合陶瓷以及高性能混凝土之后的一種高性能材料,其突出性能優勢根源在于低孔隙率、高度致密的微觀結構[2-3]。由于該材料具有高抵抗力，低滲透性等優異耐久性，可大大延長結構壽命，所以正逐步應用于土木、地下人防、核電和軍工等工程領域。由于RPC存在制備技術難、脆性大、成本高等缺點，仍在一定程度上限制其在工程中的大量應用[4]。為此，國內外學者對RPC的配合比設計、養護制度、力學性能以及材料選取等方面開展了大量的研究，也取得一定成果。高燕[5]進行摻固硫灰活性粉末混凝土配合比的正交設計試驗,研究了養護制度對摻固硫灰RPC強度和收縮性能的影響以及固硫灰對RPC收縮性能的影響。葛濤等[6]為研究新型遮彈材料鋼纖維活性粉末混凝土的抗沖擊性能,利用自行研制的纖維增強RPC試件進行多組侵徹與接觸爆炸試驗，并得到壓縮爆炸系數。鞠彥忠[7]通過試驗研究了粉煤灰摻量和養護條件對活性粉末混凝土力學性能的影響。呂雪源等[8]對活性粉末混凝土立方體抗壓強度尺寸效應、軸心抗壓強度、軸心抗拉強度、彈性模量、峰值壓應變和極限壓應變等基本力學性能指標進行分析，獲得了活性粉末混凝土相關力學性能指標之間的換算關系。劉娟紅[9]研究了大摻量礦物細粉活性粉末混凝土高溫爆裂性能和高溫后的抗壓強度。羅華[10]和柯開展等[11-12]眾多學者也對活性粉末混凝土的力學性能及強度影響機理進行了有益探索。可見作為一種新型的建筑材料，關于RPC宏細觀力學性能等方面，仍有許多問題值得深入研究。本文主要結合福建當地材料，根據RPC密實設計原理，制作無纖維、聚丙烯纖維和鋼纖維共3個系列8組試件，通過室內試驗研究不同纖維品種、摻量等對活性粉末混凝土基本力學性能、延性及破壞特征等的影響規律，并利用Instron電液伺服式疲勞試驗機對其施加循環荷載，研究纖維摻量對RPC疲勞壽命的影響情況，并對試件疲勞壽命的雙參數威布爾分布進行檢驗。

1　試驗概況

1.1原材料

水泥:采用“煉石”牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

硅灰:采用青海西寧鐵合金有限責任公司的產品。SiO2含量大于90%，平均粒徑0.1μm。該材料具有良好的球形，且活性高，可起到很好潤滑作用，改善混合物流動性，并可發生二次反應，生成物填充孔隙，提高強度。

石英粉:采用廈門花王公司生產的產品，其平均粒徑為10μm，SiO2含量大于99%。

減水劑:采用廈門花王公司生產的高效減水劑，棕褐色液體，減水率達30%以上。

細砂:采用該砂場的閩江河砂進行篩分，除去砂中大于630μm的顆粒，該砂含泥量少。

聚丙烯纖維:為束狀單絲纖維，長度為14-15mm，直徑5-100μm，斷裂強度≥ 450MPa，初始模量≥3.5GPa，熔點165～173 ℃，比重0.91。

鋼纖維:采用贛州大業金屬纖維有限公司冷拉鋼絲鋼纖維，纖維直徑是0.2～0.25mm，纖維長度是13mm(長度偏差δ≤5%)，長徑比l/d=65(長徑比偏差δ≤15%)，抗拉強度≥2 500MPa。摻加的2種纖維如圖1所示。

(a)抗壓強度;(b)劈裂強度;(c)拉壓比;(d)抗折強度圖1　試驗用纖維Fig.2 Fibers used in test

1.2試驗方法及試驗裝置

基本的力學性能試驗均在2 000kN的萬能試驗機上進行。由于混凝土中無粗骨料，同砂漿，故制作邊長為70.7mm的立方體試件進行抗壓、劈裂試驗。進行抗折和疲勞試驗時，采用英國Instron國際有限公司生產的電液伺服式疲勞試驗機，能保證混凝土準脆性材料破壞試驗的穩定進行。根據伺服加載設備特點，制作的試件尺寸為40×40×160mm，分為無纖維、聚丙烯纖維和鋼纖維3個系列共8組RPC試件，每組試件6個。RPC拌合物黏聚性及保水性較好，但由于RPC水膠比低，纖維的插銷作用一定程度上阻止了膠凝材料的流動，故拌合物流動性一般，測的坍落度為80～100mm，試件制作過程中需要加強振搗。施加循環荷載波型為正弦波，加載頻率為5Hz。對于素RPC，最大應力水平Smax=0.8，對于鋼纖維RPC，最大應力水平取Smax=0.85。為防止高速加卸載過程中試件發生彈跳和錯位，每個試件上保持最小的疲勞荷載Pmin=1.0MPa。加載波形如圖2所示。

表1　RPC配合比參數

注：C代表素RPC；P代表聚丙烯纖維增強RPC；S代表鋼纖維增強RPC。

1.3配合比

各材料的配合比參數如表1所示。

(a)抗壓強度;(b)劈裂強度;(c)拉壓比;(d)抗折強度圖2　試驗用纖維Fig.2 Fibers used in test

2　基本力學性能試驗

2.1強度分析

從結果可看出，隨聚丙烯纖維摻量的增加，劈裂強度和抗壓強度呈現同樣的規律，即先提高后降低，呈拋物線趨勢，在摻量為0.15%時達到最大值，劈裂強度和抗壓強度分別提高1.68%和1.5%，提高效果不明顯。其余摻量下強度甚至不如素混凝土，可見加入聚丙烯纖維對提高混凝土強度意義不大。通過回歸分析發現，抗壓強度、劈裂強度和聚丙烯纖維體積摻量之間存在較好的三次函數關系，具體詳見圖3(a)和(b)。

不同于聚丙烯纖維，鋼纖維加入對混凝土抗壓強度及劈裂強度都有不同程度的提高。從結果可看出，混凝土抗壓強度隨鋼纖維體積摻量的增加先增大，后減小，呈拋物線分布規律，本方案得到的最優摻量為1%，此時強度提高48.9%。而RPC劈裂強度隨鋼纖維體積摻量的增加而增加，呈線性增長規律，摻量3%時提升368%，增長幅度大。通過回歸分析，可知混凝土抗壓強度、劈裂強度和鋼纖維體積摻量之間存在較好的三次函數及線性函數關系，具體如圖4(a)和(b)所示。

(a)抗壓強度；(b)劈裂強度；(c)拉壓比；(d)抗折強度圖3　聚丙烯纖維對RPC基本力學性能指標的影響Fig.3 Influence of polypropylene fiber on basic mechanics performance of RPC

在抗折試驗中，摻入聚丙烯纖維后，RPC的抗折強度較素RPC有所提升，然而提升微小，結果顯示，P1組增幅為4.6%，P2組增幅為3.0%，而P3組增幅僅為2.3%。通過回歸分析，抗折強度和聚丙烯纖維摻量之間存在較好的二次函數關系，具體詳見圖3(d)。結果表明，加入鋼纖維對RPC抗折強度提高明顯。S0組RPC抗折強度為素RPC的1.28倍，隨著體積摻量的增加，抗折強度也一直在增長，S1組的抗折強度增加了29.2%，S2組的抗折強度增加了59.6%，而S3組RPC的抗折強度更是達到了28.31MPa，是素RPC的2.3倍。見圖4(d)。

拉壓比是體現材料延性的一個比較重要的參數。從試驗結果可以看出，聚丙烯纖維體積摻量為0.15%時拉壓比最大值為7.20%，鋼纖維體積摻量為3.0%時拉壓比值最大，為7.73%，相對體現較好的延性，但增幅效果都不是很大，而其他摻量下拉壓比的值甚至出現了不同程度的降低。如圖3(c)和圖4(c)所示。可見，纖維對RPC抗壓強度和劈裂強度的增強效果不一，導致其拉壓比不同程度的降低。這是由于纖維的加入在提高混凝土強度的同時，也在混凝土中引入新的薄弱界面，存在正面效應和負面效應的疊加，這就需要最優摻量，而每個強度指標體現出綜合的正面效應對應的纖維摻量是不同的。

(a)抗壓強度；(b)劈裂強度；(c)拉壓比；(d)抗折強度圖4　鋼纖維對RPC基本力學性能指標的影響Fig.4 Influence of steel fiber on basic mechanics performance of RPC

2.2破壞現象

從破壞現象分析，素RPC立方體抗壓試件破壞前，表面都無可見裂縫，表現出突然的、爆炸式的破壞，并發出巨大的清脆的爆裂聲，試件瞬間破壞為碎塊，材料脆性很大。聚丙烯纖維增強的破壞時發沉相對低沉的爆裂聲，試件破壞為幾個性對較大的碎塊，完整性稍好，延性有所提升。鋼纖維增強的，其破壞形式發生了根本的改變。試件受壓加載過程中，試塊四周先出現表層剝落現象，隨加載進行試塊側面出現45度斜向剪切面，而后逐漸發展成為橫向腫脹的韌性破壞模式，即使達到極限荷載，試件裂而不碎，還保持完整的形狀，表現出極高的延性。如圖5所示。

(a)素RPC；(b)鋼纖維增強RPC圖5　試件破壞現象Fig.5 Typical damage phenomenon of specimens

3　疲勞壽命分析

3.1疲勞試驗結果

建立在8組RPC試件疲勞試驗的基礎上，對其疲勞壽命進行分析(對于出現異常結果，給予剔除)。結果表明，無纖維RPC及聚丙烯纖維RPC試件破壞呈現明顯的脆性，破壞無征兆，通過目測無法觀察到試件開裂、裂縫發展過程，試件的破壞時瞬間的。實驗中對試件跨中撓度數據以50個/s的速率進行實時采集，素RPC試件破壞前跨中撓度都很小，不到0.1mm，而聚丙烯纖維的也僅約為0.1mm。表明疲勞加載過程中，裂縫一旦產生便迅速擴展到全截面，試件即告破壞。而對于鋼纖維RPC，其破壞表現出明顯的塑性。當鋼纖維摻量增至1%時，即使出現裂縫后，試件還能帶裂縫繼續工作；摻量為2%時，裂縫擴展至20～25mm高度時，試件能帶裂縫繼續承受疲勞荷載。試件加載過程中發出明顯的嘎吱嘎吱的聲音，這是鋼纖維被拔出的聲音。這是由于鋼纖維具有插銷抗拉拔作用，纖維的閉合開口裂縫的作用拔出破壞機理完全改變了試件的破壞形式，如圖6所示。

(a)裂縫產生；(b)裂縫擴展圖6　鋼纖維RPC塑性破壞過程Fig.6 Plastic failure process of steel fiber RPC

與普通RPC相比，聚丙烯纖維摻量0.1%的RPC彎曲疲勞壽命有明顯提高，平均疲勞壽命約為素RPC的2.61倍；繼續增大摻量到0.15%時疲勞壽命有所下降，但仍比素RPC有所提高；當摻量提高到0.2%時，疲勞壽命出現顯著下降，甚至低于素RPC。可見適量的聚丙烯纖維有利于RPC疲勞壽命的提升，過量反而產生負面效應。對于鋼纖維增強RPC，隨摻量的增加，其最大疲勞荷載及疲勞壽命均保持上升的總體勢頭，摻量為0.5%，平均壽命小幅度提升，摻量為1%時提升效果顯著，為素RPC的8.79倍，摻量為2%時為素RPC的9.48倍，摻量為3%時為素RPC的11.35倍。可見摻量從0.5%增加到1%時RPC疲勞壽命提升效果最明顯。由于鋼纖維的阻裂效應，裂縫的擴展過程延長，鋼纖維起到了延緩宏觀裂縫失穩擴展的作用。實際工程中應綜合考慮技術、經濟方面因素，選取合適的摻量。本試驗認為聚丙烯纖維摻量為0.1%，鋼纖維摻量1%是合適的，該摻量下RPC疲勞壽命提升效果好。各系列試件的疲勞壽命如圖7所示。

3.2疲勞壽命分布

眾多實驗表明，鋼纖維混凝土的彎曲疲勞壽命服從威布爾概率分布。在此，我們以兩參數威布爾分布為例驗證RPC的疲勞壽命是否也滿足威布爾概率分布。在同一應力水平下，各RPC試件疲勞壽命N分布規律可用以下威布爾密度函數表示：

(1)

(2)

圖7　RPC試件疲勞壽命對比圖Fig.7 Fatigue life comparison of RPC

由于RPC疲勞實驗的離散性，為安全可靠，在上式中取最小壽命參數N0=0，簡化為兩參數的威布爾分布：

(3)

(4)

兩邊取二次自然對數，得

(5)

圖8　RPC試件疲勞壽命對比圖Fig.8 Fatigue life comparison of RPC

4　結 論

1)聚丙烯纖維對RPC抗壓強度、劈裂強度及抗折強度有所提升，但效果不明顯，可見通過該方式提升強度意義不大。分析得到摻量與強度的三次回歸關系。

2)鋼纖維對RPC強度提升效果明顯，纖維摻量達到較優時抗壓強度提升48.9%，劈裂強度提升368%，抗折強度提升130%，給出纖維摻量與各強度的回歸關系。工程實踐中可根據結構對強度指標要求情況進行合理摻配。

3)鋼纖維具有插銷抗拉拔、閉合裂縫的作用，該作用機理較好體現纖維在材料延性方面的貢獻。觀察試件破壞現象，鋼纖維RPC受壓試件裂而不碎，抗折試塊甚至帶裂縫能持續工作，到完全失效時試件撓度顯著。

4)纖維對RPC疲勞壽命提升明顯，聚丙烯纖維摻量0.1%時，平均疲勞壽命約為素RPC的2.61倍；鋼纖維摻量為3%時，平均疲勞壽命約為素RPC的11.35倍。對疲勞試驗數據進行統計分析，發現各系列RPC疲勞壽命與對應的概率函數線性關系顯著，服從兩參數威布爾分布，分析給出存活率P和疲勞壽命N曲線。

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Study on mechanical properties and fatigue life of reactive powder concrete

YAO Zhixiong1,2

(1.DepartmentofCivilEngineering,FujianUniversityofTechnology,Fuzhou350118,China；2.FujianProvincialKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyandInformatizationinCivilEngineering，Fuzhou350118,China)

AccordingtothedenseproportionprincipleofRPC,threeseriesofconcretespecimenswerepreparedwithFujianlocalmaterials.TheinfluencelawofdifferentfibertypesonbasicmechanicalpropertiesofRPCwasstudied.ThebendingfatiguetestswereperformedusingtheInstronelectro-hydraulicservofatiguetestingmachinetogetthedevelopmentanddistributionlawoffatiguelifeoffiberreinforcedRPC.ResultsshowtheincorporationofpolypropylenefiberforRPChasacertaindegreeofimprovementoncompressivestrength,splittingstrength,bendingstrengthandductility,butthepromotingeffectisnotsoobvious.SteelfibercontenthasobviousenhancementonRPCstrength.Compressivestrengthwiththesteelfibercontentistheparabolagrowthlaw,splittingtensilestrengthandbendingstrengthwiththecontentarelineargrowthandexponentialgrowthtrendrespectively.Theaveragefatiguelifewiththepolypropylenefiberistheparabolalaw,withthesteelfibercontentissignificantlyincreasingtrend.Theregressionrelationsofmechanicalindexeswithtwokindsoffibercontentaregiven。StatisticalanalysisonfatiguetestdataofeachserialsofspecimenindicatesthatbendingfatiguelifeofRPCisinlinearcorrelationwiththecorrespondingprobabilitysignificantly,andobeysthetwo-parameterweibulldistribution.Thesurvival-fatiguelifecurvewasalsogiven.

reactivepowderconcrete；fiberreinforced；basicmechanicalproperties；bendingfatiguelife；weibulldistribution

2015-07-24

國家自然科學基金資助項目(51504070，51508098)；福建省自然科學基金資助項目(2016J01205)；校科研啟動基金資助項目(GY-Z14069)

姚志雄(1978-)，男，福建福州人，高級工程師，博士，從事巖土工程宏細觀力學、建筑材料力學方面的研究；E-mail：3113993@qq.com

TU5

A

1672-7029(2016)07-1275-07