超高性能輕質混凝土的循環拉伸力學性能

王俊顏，劉菲凡，郭君淵

(先進土木工程材料教育部重點實驗室(同濟大學)，上海 201804)

超高性能輕質混凝土(ultra-high performance lightweight concrete，UHPLC)[1-2]是利用超高性能混凝土(UHPC)的低水膠比、纖維增強、無粗骨料等原理制備[3]，并添加輕質細骨料制備而成的新型結構材料，其輕質細骨料被低水膠比漿體充分包裹而具備高抗滲性能[4]，通過纖維增強可實現拉伸應變強化和多點分布微裂紋，從而具備優異的裂紋寬度控制能力[5-6]。極限拉伸應變大于2.0×10-3[7-8]的配筋UHPLC結構在正常使用極限狀態設計時無需考慮最大裂紋寬度的影響，因此可以充分利用鋼筋強度，從而實現充分的優化設計，有望在材料低密度化的基礎上進一步制備更輕量化的預制結構，比如大尺寸外掛墻板、輕量化預制樓梯、預制梁、浮島式平臺等。由于UHPLC需要與鋼筋在高應力狀態下協同工作(譬如鋼筋達到200 MPa時，應變約為1.0×10-3)[9]，所以需要對UHPLC與鋼筋的協同受拉力學性能進行研究。目前關于配筋UHPC拉伸試驗不多[10-11]，關于循環加載的更少。本文針對UHPLC在4種加載條件下(循環應變分別是2.0×10-4、5.0×10-4、1.0×10-3、1.5×10-3)的力學性能開展系統研究，并深入分析其殘余應變、加載卸載剛度等力學性能參數隨循環加載次數的影響，并分析其剛度退化機理和模型，目標是為輕量化的配筋UHPLC結構設計提供基礎理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料及配合比

本文中采用的UHPLC的設計密度為1 800 kg/m3，水膠比為0.23，纖維摻量為2.25%。配合比見表1，其中水泥采用江南-小野田水泥廠生產的P·Ⅱ 52.5 硅酸鹽水泥，28 d抗壓強度為60.1 MPa；硅灰采用埃肯公司生產的微硅粉，平均粒徑為0.10～0.15 μm，比表面積為22 000 m2/kg，SiO2質量分數為94.48%；輕質填料用粒徑范圍在0.15～0.3 mm和0.3～1 mm的兩種輕質材料進行復配，堆積密度為200 kg/m3；減水劑采用粉末狀聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%；引氣劑為粉狀的茶皂素基引氣劑；纖維采用平直形鍍銅鋼纖維，相關性能參數見表2。

表1 UHPLC配合比Tab.1 Mix proportion of UHPLC kg/m3

表2 纖維的力學性能Tab.2 Mechanical properties of fibre

1.2 試件制備及養護方法

UHPLC采用如下攪拌程序：啟動攪拌機→投入粉料(含外加劑)→干拌3 min→加水→攪拌3～5 min(物料達到流態)→投入纖維→繼續攪拌2 min以上→出料成型試件。將攪拌物澆筑在鋼模中，經抹面后加蓋塑料膜，以防止水分的快速散失，室溫下靜置24 h后拆模。脫模后的試件進行標準養護，溫度為20±3 ℃，相對濕度90%以上。

試件分為5組，均為相同配合比，包括1組單調拉伸加載試件以及4組不同等幅變形循環拉伸加載試件(循環應變分別是2.0×10-4、5.0×10-4、1.0×10-3、1.5×10-3)。每組試件均包含3個狗骨頭拉伸試件(圖1)。同時根據GB/T 17671—1999成型40 mm×40 mm×160 mm的棱柱試件測試28 d強度，測試強度前用排水法測試試件的硬化密度。

圖1 狗骨頭拉伸試件(mm)Fig.1 Dog-bone-shaped tensile specimen (mm)

1.3 加載裝置及試驗方法

在10 t的電子伺服萬能試驗機上進行UHPLC的拉伸試驗，試驗機的試驗力和變形的示值準確度均為±0.5%。本文為避免拉伸加載偏心，使用了一套專用夾具，見圖2。

圖2 拉伸試驗裝置Fig.2 Tensile test setup

狗骨頭拉伸試件由上下夾具固定，中間純拉段固定有兩個矩形金屬架，兩者之間距離即為試件的測試標距L，本文定為150 mm。兩個金屬架用來安裝精度為0.000 1 mm的兩個線性可變位移計， 以測量軸向拉伸變形，并轉化為試件的應變值ε(ε=(Δl1+Δl2)/2L×100%， Δl1和Δl2為兩個位移計變形值)，最終與電腦采集的拉伸應力值形成拉伸應力-應變曲線。試驗加載速度設置為0.3 mm/min(試驗機橫梁加載速度)。

UHPLC的單調拉伸加載在拉伸應力小于峰值應力的80%時結束試驗。UHPLC循環拉伸試驗的每次循環由預加載、正式加載和卸載三部分組成，試驗全程采用等位移加載控制，預加載的速度為1 mm/min，正式加載及卸載的速度均為0.3 mm/min。當荷載超過0.5 kN時，試驗進入正式加載階段；當加載至目標拉伸應變時，試驗進入卸載階段；當荷載降至0.5 kN時，單次循環加載結束。

2 結果與分析

2.1 UHPLC的拉伸應力-應變曲線

UHPLC的40 mm×40 mm×160 mm棱柱試件抗壓強度為63.1 MPa，硬化密度為1 789 kg/m3，相對傳統UHPC的密度降低了28%。圖3給出了3根UHPLC的拉伸應力-應變曲線，UHPLC的拉伸應力-應變曲線呈現出明顯的3個階段，即彈性段、應變強化段和應變軟化段。UHPLC的彈性極限強度較低，約為3～4 MPa，隨后迅速轉入應變強化段(轉折點不明顯，大約在應變為1.6×10-4處發生轉折)，極限拉伸應變約為2.4×10-3～2.8×10-3，極限抗拉強度約為6.9～7.8 MPa， 與彈性極限強度的比值范圍是1.8～2。試驗過程中發現，在應變強化階段，UHPLC展示出很強的裂紋寬度控制能力，裂紋寬度不可見或小于0.05 mm。UHPLC展示出較低的彈性極限強度、較高的應變強化性能和裂紋控制能力，這是由于UHPLC采用了粒徑比水泥粗并且強度較低的輕質填料，降低了UHPLC基體的斷裂韌性，但纖維仍保持與UHPLC基體較高的黏結強度，從而實現不可見的多點分布微裂紋開展模式。這種特性可讓UHPLC與普通鋼筋(如HRB400)在鋼筋屈服之前保持良好的協同受拉作用，以及配筋UHPLC結構優異的裂紋寬度控制能力。

圖3 UHPLC的拉伸應力-應變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of UHPLC

2.2 循環拉伸加載條件下UHPLC的應力-應變曲線

4組拉伸試件的循環加載次數為8～11次不等，并且一般在第四次循環之后，加載卸載曲線會趨于穩定。為方便分析，本文取了8次循環曲線進行深入分析，見圖4。

圖4 不同循環加載條件下UHPLC的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of UHPLC under different cyclic loading conditions

由圖4可見：1)等幅加載變形越小，循環曲線越密集，殘余應變也越小，反之，循環曲線越分散，殘余應變也越大；2)4組循環加載曲線的外包絡線與圖3所示的全曲線基本吻合，特別是加載變形為1.5×10-3時，其循環曲線的包絡線在應變為2.6×10-3處進入應變軟化段，較明顯地呈現出UHPLC拉伸曲線的3個階段；3)由于在塑性段時UHPLC基體已經斷裂，主要由纖維橋接貢獻承載力，因此循環加載曲線的殘余應變、加載剛度、卸載剛度均間接反映了橋接裂紋處纖維的黏結和脫黏狀態。可以預見，對于小的等幅變形循環加載條件(如應變分別是2.0×10-4和5.0×10-4)，纖維脫黏長度較短，參與拉伸變形的有效長度較小，拉伸試件在單位變形條件下的纖維變形量高，所以纖維拉伸應力較高，表現出的拉伸試件剛度更高。對于大的等幅變形循環加載條件(如應變分別是1.0×10-3和1.5×10-3)，纖維脫黏長度增大，參與拉伸變形的有效長度較大，拉伸試件在單位變形條件下的纖維變形量低，因此纖維拉伸應力不高，表現出的拉伸試件剛度變低。

4種不同循環加載后的試件見圖5，由圖5可見，加載變形為1.5×10-3的試件進行11次循環后，由于累積應變大于UHPLC的極限應變，已經進入應變軟化段，因此有可見裂紋。其余試件由于累積應變小于UHPLC的極限應變，處于應變強化段，無可見裂紋，試件保持完整。

圖5 循環后的軸拉試件Fig.5 Tensile specimen after cyclic loading

2.3 循環拉伸加載條件下UHPLC的力學性能

循環拉伸加載條件下的UHPLC的力學性能參數定義見圖6。參考文獻[12-13]中曲線剛度的確定方法，本章在每次軸拉循環曲線的加載段和卸載段的0%～40%極限應力段分別擬合直線，其對應斜率即為加載剛度和卸載剛度。圖6中El和Eu分別表示加載剛度和卸載剛度(括號里表示循環次數序號)。由于UHPLC進入應變強化段之后纖維發生了局部脫黏，部分變形無法在卸載后恢復，因此存在殘余應變，并且殘余應變會進行累積。本文定義的殘余應變為每次循環的卸載曲線回到荷載初始值(0.5 kN，對應應力為0.33 MPa)的應變與加載曲線起始應變值的差值。

圖6 循環拉伸加載下UHPLC的力學性能表征Fig.6 Characterization of mechanical properties of UHPLC under cyclic tensile loading

表3列出了不同循環拉伸加載條件下UHPLC的力學性能，并且在圖7～10分別給出了殘余應變、峰值應力、 加載剛度、 卸載剛度隨循環次數的變化規律。

表3 不同循環拉伸加載條件下UHPLC的力學性能Tab.3 Mechanical properties of UHPLC under different cyclic tensile loading conditions

圖7 軸拉循環荷載下UHPLC的殘余應變隨加載次數的變化Fig.7 Effect of the number of tensile cycles on residual strain of UHPLC

2.3.1 殘余應變

由圖7可見，不同循環拉伸加載條件下UHPLC的殘余應變均在第三次循環之后趨于穩定。從微觀角度看，這是由于UHPLC在循環拉伸加載條件下的損傷主要表現為基體的開裂、以及纖維與基體的逐步脫黏，因此宏觀角度表現為卸載后所產生的不可恢復的殘余變形(應變)。對于2.0×10-4、5.0×10-4和1.0×10-3這3種應變加載條件，隨著循環次數增多，UHPLC不可恢復的殘余變形逐漸降至零，說明此時纖維與基體的繼續脫黏現象基本停止，循環加載主要是對已脫黏部分纖維的循環拉伸作用。對于1.5×10-3這種應變加載條件，從第四次循環開始，UHPLC已經進入應變軟化段，此時某截面處的纖維已部分處于拔出狀態，因此后續的殘余應變仍比較高，第八次循環加載后的殘余應變仍高達6.0×10-5。

2.3.2 峰值應力

由圖8可見，4種循環加載條件下的UHPLC在前3次循環中的峰值應力均有小幅提高，但第四次循環之后，在1.5×10-3的應變加載條件下，UHPLC的峰值應力有所降低，而其他3種加載條件下的UHPLC的峰值應力則基本保持一致。這同樣是由于在1.5×10-3的應變加載條件下，UHPLC第四次加載的累積應變已經達到2.6×10-3，UHPLC已進入應變軟化段的原因。

圖8 軸拉循環荷載下UHPLC的峰值應力隨加載次數的變化Fig.8 Effect of the number of tensile cycles on ultimate tensile stress of UHPLC

2.3.3 加載剛度和卸載剛度

由圖9可見，在2.0×10-4的應變加載條件下，UHPLC的加載剛度變化幅度很小，這是由于其加載變形幅度較小，略大于彈性段和應變強化段的轉折點(應變為1.6×10-4)。其余3種循環加載條件下UHPLC的加載剛度均有較大的衰減，并且循環加載變形幅度越大，衰減幅度越大。這是由于循環加載變形幅度的增大會導致UHPLC的纖維脫黏長度增大，即參與拉伸變形的有效長度變長，拉伸試件在單位變形條件下的應力水平更低，表現出的拉伸試件剛度變低。

圖9 軸拉循環荷載下UHPLC的加載剛度隨加載次數的變化Fig.9 Effect of the number of tensile cycles on loading stiffness of UHPLC

由圖10可見，UHPLC在不同循環加載條件下的第一次卸載剛度隨加載變形幅度的增大而降低，這同樣是因為循環加載變形幅度的增大導致UHPLC纖維脫黏長度增大的原因。綜合圖9、圖10可見，UHPLC的加載剛度和卸載剛度在第三次加載-卸載后逐漸趨于穩定。結合圖7可發現，UHPLC的加載剛度和卸載剛度隨循環加載次數的變化趨勢與殘余應變的變化趨勢基本一致。這說明UHPLC的加載、卸載剛度與材料的殘余應變相關。

圖10 軸拉循環荷載下UHPLC的卸載剛度隨加載次數的變化Fig.10 Effect of the number of tensile cycles on unloading stiffness of UHPLC

3 循環拉伸加載條件下UHPLC的剛度退化機理

為進一步了解UHPLC在循環荷載下的加載剛度退化率與材料殘余應變之間的關系，圖11繪制了UHPLC的加載剛度退化率(El(n)/El(1))與前一次循環達到的累積殘余應變的關系，退化率越低說明材料剛度退化現象越嚴重。由圖可見，UHPLC的加載剛度退化率隨累積殘余應變的增加而降低， 其衰減規律符合式(1)的冪函數，擬合度為0.99。

圖11 累積殘余應變與加載剛度退化率的關系Fig.11 Effect of cumulated residual strain on degradation rate of loading stiffness

y=6.223x-0.441

(1)

式中y為加載剛度的退化率(El(n)/El(1))，x為累積殘余應變。

圖12描述了應變強化段的纖維-基體相互作用示意圖。由圖12可見，UHPLC基體開裂后，開裂處的荷載由兩端處于錨固狀態的纖維承擔。隨著外荷載的增加，纖維受到的拉應力大于開裂處纖維-基體界面黏結強度，纖維逐漸脫黏，導致參與變形的纖維有效拉伸長度變大，即UHPLC的不可恢復變形增加，其宏觀表現為累積殘余應變的增加。纖維有效拉伸長度的提高，降低了拉伸試件在單位變形條件下的拉伸應力，表現出UHPLC剛度變低。綜上所述，UHPLC在循環拉伸加載條件下的剛度本質上由纖維的有效拉伸長度決定，并且其纖維有效拉伸長度可由累積殘余應變來表征。

4 結 論

1)UHPLC極限抗拉強度約為6.9～7.8 MPa，與彈性極限強度的比值范圍是1.8～2，具有較強的應變強化特性。同時其極限拉伸應變約為2.4×10-3～2.8×10-3，在應變強化段的裂紋寬度不可見或小于0.05 mm，具有較強的變形能力和微裂紋寬度控制能力。

2)不同加載條件的UHPLC的循環拉伸應力-應變曲線的包絡線與單調拉伸應力-應變全曲線具有較高的重合度。

3)循環加載曲線的殘余應變、加載剛度、卸載剛度均間接反映了橋接裂紋處纖維的黏結和脫黏狀態。殘余應變越大，說明纖維的脫黏長度越長，會導致UHPLC的加載、卸載剛度降低。

4)對于2.0×10-4、5.0×10-4、1.0×10-3這3種應變加載條件，隨著循環次數增多，UHPLC的纖維與基體的繼續脫黏現象基本停止，循環加載主要是對已脫黏部分纖維的循環拉伸作用。對于1.5×10-3這種應變加載條件，從第四次循環開始，UHPLC已經進入應變軟化段，此時其纖維已部分處于拔出狀態，因此后續循環的殘余應變仍比較高。

5)UHPLC在循環荷載下加載剛度的退化率與累積殘余應變具有較高的相關性，兩者關系符合冪函數關系，擬合度為0.99。UHPLC的循環拉伸加載剛度本質上由纖維脫黏部分參與受拉的有效長度決定，可由累積殘余應變來表征。