UHPC的軸拉性能與裂縫寬度控制能力研究

王俊顏，耿莉萍，郭君淵，劉 超，劉國平

(1.先進土木工程材料教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 201804; 2.同濟大學 土木工程學院，上海 200092; 3.上海羅洋新材料科技有限公司，上海 200092)

UHPC的軸拉性能與裂縫寬度控制能力研究

王俊顏1，耿莉萍1，郭君淵2，劉 超2，劉國平3

(1.先進土木工程材料教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 201804; 2.同濟大學 土木工程學院，上海 200092; 3.上海羅洋新材料科技有限公司，上海 200092)

為研究3種類型超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，簡稱UHPC)的軸拉應力-應變曲線及其裂縫寬度控制能力，包括高應變強化UHPC、低應變強化UHPC和應變軟化UHPC.采用軸拉試驗方法測試狗骨頭形試件，得到UHPC的軸拉應力-應變曲線和縫寬-應變曲線.試驗結果表明：高應變強化UHPC和低應變強化UHPC的軸拉應力-應變曲線均包括彈性段、應變強化段和應變軟化段，應變軟化UHPC只有彈性段和應變軟化段；UHPC應變強化段和應變軟化段的轉折點是裂縫緩慢擴展和迅速擴展的臨界點；提高UHPC的極限拉伸應變，即延長其應變強化段，有助于提高其裂縫寬度控制能力；高應變強化UHPC拉伸應變在0.42%之前，其裂縫寬度均小于0.05 mm.對比C50混凝土(極限應變、極限強度分別為0.012%、2.3 MPa)，高應變強化UHPC優異的裂縫寬度控制能力避免了結構設計中受正常使用狀態裂縫寬度驗算限制的影響，同時可在鋼筋屈服前與其全程協同工作，這使得鋼筋增強高應變強化UHPC在某些需要對裂縫寬度進行嚴格控制的結構類型中具有很高的應用價值.

超高性能混凝土；軸拉應力-應變曲線；應變強化；應變軟化；裂縫寬度控制

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，簡稱UHPC)是一種具備高強度、高韌性、低孔隙率、高耐久性的纖維增強水泥基材料，被公認為未來極具發展前景和應用價值的一種新型結構材料[1].UHPC 20世紀70年代起源于丹麥，八九十年代在歐洲進行了比較系統深入的研究，并開始在小型工程和制品上應用[2].最初丹麥Aalborg Portland公司將其UHPC配方產品注冊為Densit商標，之后法國眾多公司研發出了自己的UHPC產品，如Ductal、BSI、Ceracem、CEMTEC等，并涌現出了眾多應用案例.UHPC結構憑借其輕巧美觀、高耐久、低碳排放等特性，越來越受到各國的重視.

UHPC基體中大量均布的鋼纖維(圖1)使UHPC在基體受拉開裂后仍具備高抗拉強度，甚至超過基體強度而實現類似金屬的拉伸應變強化特性，這是UHPC區別于高性能混凝土或者普通纖維混凝土的最大特征.作為新型結構材料，UHPC在結構上應用的基礎是相應的設計規范或指南.2002年法國土木工程協會(AFGC)與土木結構設計管理局(SETRA)率先頒布法英雙語版本的UHPC設計指南[3]，成為最早的UHPC結構設計的依據，2013年發布該指南修訂版[4].2016年瑞士洛桑聯邦理工大學的MCS-EPFL機構頒布了最新的UHPC設計指南.這些設計指南中無一例外都把UHPC材料的軸拉力學性能作為其結構設計中最重要的一項指標，例如法國規范2013版把UHPC分為高應變強化UHPC、低應變強化UHPC和應變軟化UHPC 3個等級，而瑞士2016規范同樣規定了UO(應變軟化)/UA(強化極限應變大于1 500微應變)/UB(強化極限應變大于2 000微應變)3種等級.

目前國內對UHPC的軸拉應力-應變曲線的試驗研究相對較少，對于不同軸拉應力-應變曲線的UHPC的裂縫寬度控制能力的認識和探索還不充分，這制約了UHPC在國內的結構應用.本文根據法國規范研究了UHPC的3種軸拉應力-應變曲線及其裂縫寬度控制能力，目標是為在我國制定UHPC設計規范提供基礎.

圖1 UHPC軸拉試件斷面圖

1 試驗概況

1.1 UHPC原材料

UHPC主要包括超高強水泥基體材料以及纖維，相同的基體通過不同的纖維增強方案(纖維長度、直徑、種類、表面構造、異型化、摻量)可以實現拉伸高應變強化、低應變強化或者軟化，而相同纖維增強方案在不同基體中也可能呈現拉伸應變強化或應變軟化.

本文重點在于研究不同軸拉應力-應變曲線特性的UHPC的裂縫寬度控制能力，因此直接采用了上海羅洋新材料科技有限公司提供的常溫養護型超高性能混凝土預混粉料產品(商品名為TENACAL?，泰耐克)，然后通過不同的纖維摻量制備出3種典型UHPC，即高應變強化UHPC、低應變強化UHPC、應變軟化UHPC，其中UHPC基體配合比見表1，鋼纖維的體積摻量分別為2.5%、2.0%、1.5%，參數見表2.

表1 UHPC基體配合比

表2 鋼纖維特征參數

1.2 軸拉試件制備

UHPC的攪拌程序為：啟動攪拌機→投入粉料→加水和減水劑→攪拌3～5 min(物料達到流化狀態→投入纖維、繼續攪拌2 min以上)→出料.攪拌完成后，將攪拌物澆筑在骨頭形鋼模中，試樣尺寸如圖2所示.骨頭型試件中間段截面尺寸為50 mm×100 mm，均大于纖維長度的三倍值，有助于纖維在試件中的三維均勻分布，降低纖維取向分布的影響.試驗每組UHPC類型成型9根試件，室溫下靜置24 h后拆模，采用標準養護至28 d齡期后進行直接拉伸試驗.同時根據GB/T 31387—2015 《活性粉末混凝土》[5]測試了3種類型UHPC材料的28 d抗壓強度(100 mm立方體抗壓試件)和彈性模量(100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件)，測試結果如表3所示.

圖2 UHPC軸拉試件尺寸

Tab.3 Three types of UHPC 28 days compressive strength and elastic modulus

3種類型UHPC28d抗壓強度/MPa彈性模量/GPa高應變強化UHPC155.448.9低應變強化UHPC137.648.5 應變軟化UHPC125.747.4

1.3 軸拉應力-應變曲線、縫寬-應變曲線測試方法

圖3 UHPC軸拉試驗裝置

2 試驗結果分析

2.1 軸拉應力-應變曲線的離散性

本文采用的軸拉試驗裝置有效避免了軸拉試驗過程中的偏心失穩問題，以高應變強化UHPC的試件為例，每根試件的原始試驗數據采用插值法篩選出3 000個點，應變的取值范圍為0～1%，然后繪制9根高應變強化UHPC的軸拉應力-應變曲線，如圖4(a)所示.采用繪圖軟件Origin9.0對9根應力-應變曲線進行平均和離散性處理，如圖4(b)所示.結合圖4(a)、(b)可知，9根高應變強化UHPC軸拉應力-應變曲線在0%～0.25%的軸拉應變范圍內離散性很小，超過0.25%應變之后離散性變大，原因是由于接近峰值應力時，多點分布微裂紋中開始要出現局部開展的單條裂紋而進入應變軟化段，其不穩定性導致曲線出現了一定的離散.

圖4 高應變強化UHPC曲線

2.2 3種類型UHPC的軸拉應力-應變曲線及其裂縫寬度-應變曲線

圖6為典型的高應變強化UHPC、低應變強化UHPC、應變軟化UHPC的應力-應變曲線和縫寬-應變曲線.

1)3種類型UHPC軸拉試驗現象

由圖6知，高應變強化UHPC應力-應變曲線的彈性階段近似于直線.隨著應力的增加，應力-應變曲線達到彈性段極限后曲線斜率發生明顯偏移而形成雙折線，這時說明UHPC基體發生初裂，初裂拉伸應變在0.025%(250微應變)左右.隨后曲線進入應變強化平臺段，這是由于纖維對微裂紋進行橋接，因此維持了UHPC拉伸應力的持續增長.應變強化期間有多條微裂紋產生，然而這些裂紋均為肉眼不可見狀態，裂縫寬度均小于0.05 mm(見圖5)且增速緩慢(UHPC結構中裂縫寬度W小于0.05 mm的裂縫對結構耐久性的影響很小[6-7]).應變強化段延續到0.42%時，這時某個微裂紋開始擴展成為主裂縫，且縫寬隨試件變形的增大而迅速增大.低應變強化UHPC軸拉之后隨即進入應變軟化段，伴隨嗞嗞嗞的纖維被拉出的撕裂過程類似于高應變強化UHPC，初裂拉伸應變和極限拉伸應變分別為0.02%、0.11% .應變軟化UHPC，應力達到峰值時基體發生初裂，初裂應變即為極限應變，曲線隨即進入應變軟化階段，試件只有一條裂縫而不像應變強化型抗拉試件有多條微裂紋，因此試件拉伸變形的增長可能大部分轉化為裂縫寬度的增長.

圖5 0.05 mm裂縫寬度示意

由圖6的縫寬-應變曲線知，高應變強化UHPC裂紋寬度擴展顯著低于低應變強化UHPC以及應變軟化UHPC.

2)3種類型UHPC的軸拉力學性能參數及其裂縫寬度控制能力

表4為由圖6計算的典型3種類型UHPC軸拉曲線的特征參數(根據文獻[8]，將線彈性段和應變強化段的曲線分別擬合成直線，所得交點的橫坐標即為彈性極限應變 ，對應的應力為彈性極限強度 ，將峰值應力定義為極限強度 ，所對應的應變為極限應變 ).由表知，高應變強化UHPC、低應變強化UHPC、應變軟化UHPC的彈性極限強度分別為10.3、9.1、8.0 MPa；彈性極限應變分別是0.025%、0.020%、0.018%(250微應變、200微應變、180微應變)；極限強度分別為12.2、9.8、8.0 MPa；極限應變分別為0.42%、0.11%和0.018%.

本文在3種類型UHPC的縫寬-應變曲線上取A點和B點進行對比.其中A點表示裂縫寬度W為0.05 mm，B點表示應變為0.2%(鋼筋屈服應變)，并將其對應的參數值列于表4中.

當裂縫寬度為0.05 mm時，高應變強化UHPC和低應變強化UHPC的應變值(分別為0.4%和0.1%)十分接近極限應變值(分別為0.42%和0.11%)，這說明應變強化和應變軟化的轉折點是裂縫緩慢擴展和迅速擴展的臨界點.由此可見，提高UHPC的極限拉伸應變，即延長其應變強化段，有助于提高其裂縫寬度控制能力.與兩種應變強化型UHPC相比，應變軟化UHPC的極限拉伸應變即為其彈性極限應變(0.018%)，其裂縫寬度擴展到0.05 mm時的應變僅為0.04%，并且其裂縫寬度-應變曲線近似于線性，說明其拉伸試件的變形增長大部分轉化為裂縫寬度的增長.

另一方面，當軸拉應變達到0.2%(鋼筋屈服應變)時，高應變強化UHPC、低應變強化UHPC和應變軟化UHPC的裂縫寬度分別為0.02、0.1和0.5 mm，這從另一個側面反映出UHPC的裂縫寬度控制能力取決于其極限拉伸應變值的大小，實現應變強化乃至高應變強化有助于提高UHPC的裂縫寬度控制能力，這對于UHPC在負荷大變形條件下的耐久性及其重要.

圖6 3種類型UHPC應力-應變曲線，縫寬-應變曲線

UHPC類型fct,el/MPaεct,el/%fpc/MPaεpc/%A(W=0.05mm)B(ε=0.2%)σ/MPaε/%σ/MPaW/mm高應變強化UHPC10.30.02512.20.4212.20.411.00.02低應變強化UHPC9.10.0209.80.119.60.18.90.1 應變軟化UHPC8.00.0188.00.0187.80.047.10.5

注：εct,el-線彈性極限應變;fct,el-彈性極限強度;εpc-極限應變;fpc-極限強度;W-裂縫寬.

3 高應變強化UHPC與C50混凝土對比

為研究高應變強化UHPC與普通C50混凝土軸拉應力-應變關系的差異，本文成型3根C50混凝土軸拉試件，采用相同的試驗方法測定了其軸拉應力-應變曲線，與高應變強化UHPC的結果對比見圖7和表5.

由圖7和表5可知，高應變強化UHPC的極限強度和極限應變分別為C50的5.3倍、35.5倍，該“類金屬”的變形性能確保UHPC結構中高應變強化UHPC在鋼材屈服前能與之協同工作(鋼筋屈服應變0.2%)，即在進行結構抗彎極限承載力計算時，可考慮受拉區UHPC的抗拉貢獻，這與普通混凝土在0.012%(120微應變)后開裂即完全退出工作的受力性能產生巨大差異，傳統的鋼筋混凝土結構設計理論將不再適用鋼筋增強UHPC結構.

結合圖6應力-應變、縫寬-應變曲線說明，高強應變強化UHPC在達到極限拉伸應變前，有著更優異的裂縫寬度控制能力.根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[9]、JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[10]中正常使用極限狀態下對構件最大裂縫寬度限值的規定，對允許出現裂縫的構件，其最大裂縫寬度限值的最小值均為0.1 mm(分別是二a環境下三級裂縫控制等級的預應力混凝土和Ⅰ類和Ⅱ類環境下采用鋼絲或鋼絞線的預應力混凝土構件)，而高應變強化UHPC在鋼筋達到屈服應變0.2%時，裂縫寬度僅0.02 mm，在整個應變強化段內裂縫寬度則始終小于0.05 mm.因此高應變強化UHPC與鋼筋配合使用可避免正常使用狀態裂縫寬度驗算限制所帶來的影響，也使得鋼筋增強高應變強化UHPC結構在某些需要對裂縫寬度進行嚴格控制的結構類型中具有很高的應用價值.

圖7 高應變強化UHPC、C50混凝土應力-應變曲線

Fig.7 The stress-strain curve of high strain-hardening UHPC and C50 concrete

表5高應變強化UHPC與C50性能差異

Tab.5 The performance difference of high strain-hardening UHPC and C50

材料特性高應變強化UHPCC50比值極限應變/%0.420.01235.5極限強度/MPa12.22.35.3

4 結 論

1)本文采用的試驗方法可以很好測試UHPC的軸拉應力-應變曲線，其曲線離散性較低.

2)高應變強化UHPC和低應變強化UHPC的軸拉應力-應變曲線均包括彈性段、應變強化段和應變軟化段，在應變強化段之前的裂縫寬度均小于0.05 mm，進入軟化段之后裂縫寬度迅速擴展.應變軟化UHPC只有彈性段和軟化段，并且拉伸過程中至始至終只有一條裂縫.

3)本文研究采用的高應變強化UHPC、低應變強化UHPC、應變軟化UHPC的彈性極限強度分別為10.3、9.1、8.0 MPa；彈性極限應變分別是0.025%、0.020%、0.018%；極限強度分別為12.2、9.8、8.0 MPa；極限應變分別為0.42%、0.11%和0.018%.

4)應變強化和應變軟化的轉折點是裂縫緩慢擴展和迅速擴展的臨界點.提高UHPC的極限拉伸應變，即延長其應變強化段，有助于提高其裂縫寬度控制能力.

5)對比C50混凝土(極限應變、極限強度分別為0.012%、2.3 MPa)，高應變強化UHPC優異的裂縫寬度控制能力避免了結構設計中受正常使用狀態裂縫寬度驗算限制的影響，同時可在鋼筋屈服前與其全程協同工作，這使得鋼筋增強高應變強化UHPC結構在某些需要對裂縫寬度進行嚴格控制的結構類型中具有很高的應用價值.

[1] 閻培渝.超高性能混凝土(UHPC)的發展與現狀[J].混凝土世界，2010(9):36-41.

YAN Peiyu. Research and development in UHPC [J]. China Concrete 2010(9):36-41. DOI: 10.3969/j.issn.1674-7011.2010.09.009.

[2] 趙筠, 廉慧珍, 金建昌. 鋼-混凝土復合的新模式—超高性能混凝土(UHPC/UHPFRC)之一:鋼-混凝土復合模式的現狀、問題及對策與UHPC發展歷程[J]. 混凝土世界, 2013(10):56-69.

ZHAO Jun, LIANHuizhen, JIN Jianchang. A new model of steel-concrete composite structure-ultra-high performance concrete (UHPC/UHPFRC): the status quo, problems and countermeasures and the development process of UHPC [J]. China Concrete, 2013 (10): 56-69.

[3] Ultra high performance fibre-reinforced concretes: AFGC/SETRA2002[S].France: AFGC/SETRA, 2002.

[4] Ultra high performance fibre-reinforced concretes: AFGC/SETRA 2013 [S].France: AFGC/SETRA, 2013.

[5] 全國混凝土標準化技術委員會. 活性粉末混凝土:GB/T 31387—2015[S].北京:中國標準出版社, 2015.

National standardization technical committee for concrete. reactive powder concrete: GB/T 31387—2015 [S]. Beijing: China Standard Press, 2015.

[6] RAFIEE A. Computer modeling and investigation on the steel corrosion in cracked ultra high performance concrete [D]. Kassel: University of Kassel, 2012.

[7] MAKITA T, BRüHWILER E. Tensile fatigue behaviour of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) [J]. Materials and Structures, 2014, 47(3):475-491.

[8] PARK S H, DONG J K, RYU G S, et al. Tensile behavior of ultra high performance hybrid fiber reinforced concrete [J]. Cement and Concrete Composites, 2012, 34(2):172-184.

[9] 混凝土結構設計規范：GB 50010—2010 [S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2010.

Code for design of concrete structures: GB 50010—2010 [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2010.

[10]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范:JTG D62—2004 [M]. 北京：人民交通出版社, 2004.

Code for design of reinforced concrete andprestressed concrete highway bridges and culverts: JTG D62—2004 [M].Beijing: China Communications Press, 2014.

(編輯趙麗瑩)

Experimentalstudyoncrackwidthcontrolabilityofultra-highperformanceconcrete

WANG Junyan1, GENG Liping1, GUO Junyuan2, LIU Chao2, LIU Guoping3

(1.Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials (Tongji University), Ministry of Education, Shanghai 201804, China; 2. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. Shanghai Royang Innovative Material Technologies Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

The axial tensile stress-strain curves and crack width control ability of three types of ultra-high performance concrete (UHPC) were investigated, including high strain-hardening UHPC, low strain-hardening UHPC and strain-softening UHPC, respectively. The tensile stress-strain curves and crack width-strain curves of the UHPC were attained from tests on dog-bone shape specimens. The results show that the tensile stress-strain curves of high strain-hardening UHPC and low strain-hardening UHPC include three stages (elastic, strain hardening, strain softening), while the strain softening UHPC has only elastic stage and softening stage. The turning point of strain hardening stage and strain-softening stage is the critical point of slow propagation and rapid expansion of the cracks. The ultimate tensile strain improvement of UHPC can improve the crack width control ability. When the tensile strain of high strain-hardening UHPC is below 0.42 %, the crack width is less than 0.05 mm. In comparison with C50 concrete (ultimate strain and ultimate tensile strength are 0.012% and 2.3 MPa, respectively), the impact of the crack width checking in serviceability limit state on high strain-hardening UHPC can be avoided by its excellent crack width control ability, and the high strain-hardening UHPC can work together with steel under tensile loading before steel yield. It is meaningful to use reinforced high strain-hardening UHPC in those structures with high demand of crack width control.

ultra-high performance concrete; tensile stress-strain curve; strain-hardening; strain-softening; crack width control

10.11918/j.issn.0367-6234.201705148

TU528

A

0367-6234(2017)12-0165-05

2017-05-25

國家自然科學基金青年基金(51609172)；上海市浦江人才計劃(16PJ1409900);上海市科委項目(17DZ1204200)

王俊顏(1982—)，男，特聘研究員，博士生導師

王俊顏，14529@tongji.edu.cn