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  同济大学学报(自然科学版)  2017, Vol. 45 Issue (9): 1352-1358.  DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2017.09.014
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引用本文  

王俊颜, 李钢, 郭君渊, 刘超, 刘国平. 常温养护型超高性能混凝土的弯曲性能表征方法[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2017, 45(9): 1352-1358. DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2017.09.014.
WANG Junyan, LI Gang, GUO Junyuan, LIU Chao, LIU Guoping. Characterization of Flexural Performance of Ultra-high Performance Concrete Without Thermal Curing[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2017, 45(9): 1352-1358. DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2017.09.014

基金项目

国家自然科学基金青年项目(51609172);上海浦江人才计划(16PJ1409900)

第一作者

王俊颜(1982—),男,特聘研究员,博士生导师,工学博士,主要研究方向为超高性能水泥基材料与结构研究.E-mail: 14529@tongji.edu.cn

文章历史

收稿日期:2016-10-10
常温养护型超高性能混凝土的弯曲性能表征方法
王俊颜 1, 李钢 1, 郭君渊 2, 刘超 2, 刘国平 3     
1. 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室,上海 201804;
2. 同济大学 土木工程学院,上海 200092;
3. 上海罗洋新材料科技有限公司,上海 200092
摘要:采用4点弯曲试验方法对常温养护超高性能混凝土的弯曲性能进行了试验研究,并在试验结果的基础上讨论了适于超高性能混凝土UHPC弯曲性能的评价方法.试验结果表明,UHPC没有明显的初裂点,但有明显的“挠度硬化”行为.结合不同钢纤维掺量下UHPC荷载挠度关系曲线,分析总结了三种国外常用的弯曲性能评价方法(ASTM C1018法、JSCE SF4法和ASTM C1609法)的优点和不足.通过比较分析,ASTM C1609规定的不同挠度及其对应的弯曲强度给予了UHPC结构设计更为准确的指标,能满足UHPC结构设计的多种需求.
关键词超高性能混凝土    钢纤维    4点弯曲    弯曲性能    ASTM C1609    
Characterization of Flexural Performance of Ultra-high Performance Concrete Without Thermal Curing
WANG Junyan 1, LI Gang 1, GUO Junyuan 2, LIU Chao 2, LIU Guoping 3     
1. Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China;
2. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;
3. Shanghai Luoyang New Material Technology Co. Ltd., Shanghai 200092, China
Abstract: An experimental study on the flexural performance of ultra-high performance concrete (UHPC) without thermal curing was carried out via four-point bending tests. Based on the test results, discussions on how to effectively evaluate the flexural performance of UHPC were presented. The four-point bending test results indicated that first cracking point of UHPC was hard to be determined, while significant "deflection hardening" behavior was noticed. Combined with the load-deflection curves of UHPC with different steel fiber dosage, both advantages and disadvantages of three evaluation methods of ASTM C1018, JSCE SF4 and ASTM C1609 commonly used were discussed. The results show that the flexural strength related to different mid-span deflections given by ASTM C1609 can be regarded as more meaningful parameters for UHPC structure design, which can meet the various needs of the UHPC structural design.
Key words: ultra-high performance concrete    steel fiber    four-point bending tests    flexural performance    ASTM C1609    

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,简称UHPC)不同于传统的高强混凝土和钢纤维混凝土,也不是传统意义“高性能混凝土”的高强化,而是性能指标明确的新品种水泥基结构工程材料[1].UHPC的真正价值体现在能够充分发挥与利用均布于UHPC内部的钢纤维的抗拉强度,从而实现高抗拉强度、高韧性和应变硬化行为.同时由于UHPC自身的高致密度、大变形状态下的多点微裂纹[2]以及裂纹自修复性能[3],可保证UHPC具有优异的抗渗性能和耐久性能.UHPC最初被广泛传播的名称为活性粉末混凝土(reactive powder concrete,简称RPC),是由法国学者RICHARD[4]首先于1994年成功研发并取得专利.同年,法国学者De LARRARD和SEDRAN发表的论文[5],将这种新型混凝土称作UHPC.相较于“RPC”, “UHPC”的名称能更好地表达这种水泥基材料或混凝土在全面性能上的跨越式进步,故逐步被广泛接受和采用.过去二十年间,UHPC在国外已经被广泛应用于人行桥、公路桥梁、海工结构、隧道衬砌、防爆结构等领域,可实现结构的轻巧美观和高使用寿命,被证实是节能、节材、低碳的“21世纪工程材料”.

国内关于UHPC起步相对较早.1999年,覃维祖教授最早介绍了UHPC[6].随后清华大学、北京交通大学、东南大学等等先后开展了UHPC材料与性能的研究及工程应用[7].东南大学孙伟院士曾研究不同养护制度下超高性能混凝土力学性能的发展规律,认为相同配合比,常温养护获得的强度低[8],所以目前国内研究的UHPC材料主要还是采用高温蒸养(温度大于70°的恒温、相对湿度大于95%的恒湿条件环境中养护72 h)[9]来实现其超高性能,这使得大部分UHPC工程应用局限在了预制构件领域.湖南大学邵旭东教授把现浇RPC材料用于钢桥面形成轻型桥面组合结构,大幅提高了钢桥面的疲劳寿命[10],但其采用的蒸汽高温养护将是一道关键的工序,需要专门的蒸汽养护设备.

同济大学与上海罗洋新材料科技有限公司合作研发了常温养护UHPC产品,商品名为TENACAL®,在常温常压条件下实现了200 MPa以上的抗压强度(40 mm×40 mm×160 mm试件),并兼备700 mm以上的坍落扩展度,具备在薄层空腔的压力灌注性能.2015—2016年已将TENACAL®应用于上海数座桥梁的加固工程,包括G1501同济路高架EN匝道钢桥面加固(采用钢-UHPC轻型组合桥面结构技术)、外环线北翟路立交桥火灾后加固(采用5 cm厚UHPC层外包加固技术)、G15高速龚家河桥铰缝维修等,沪嘉高速(S5) 蕴藻浜桥及新槎浦桥的加固工程(5 cm厚UHPC层外包加固技术,UHPC总用量超过1 000 m3).在厚度仅为3~8 cm的条件下,常温养护UHPC加固层实现了桥梁自重增加和承载力提升之间的完美平衡,自身的高致密性可以大幅提升原结构耐久性,并且仅需支模灌注,适用于各种复杂外形结构,因此常温养护UHPC薄层加固法在桥梁加固工程领域具有广阔的应用前景.

2015年,我国颁布了GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》国家标准[9],其中RPC的弯曲性能仅有抗折强度这一项指标进行表征.由于UHPC在初裂后有明显的“挠度硬化”行为(或称为类金属变形性能)这一特点,当UHPC材料达到极限抗折强度时,其对应的最大裂缝宽度相对于初裂时已明显增大,有可能无法满足某些结构的正常使用极限状态的设计要求;另一方面,不同等级的UHPC材料在达到极限抗折强度时的最大裂缝宽度也不尽相同,故仅抗折强度这一项指标并不能对UHPC的弯曲性能进行完整的表征.本文借鉴美国ASTM C1018[11]和C1609标准[12],日本的JSCE SF4标准[13]中对材料弯曲性能的评价指标,选择适用于常温养护UHPC弯曲性能指标的评价方法,以进一步拓展UHPC材料的施工方式和应用领域.

1 试验概况 1.1 试验材料

UHPC配合比见表 1,其中水泥为52.5普通硅酸盐水泥,硅灰采用埃肯公司生产的微硅粉, 比表面积为22 000 m2·kg-1,SiO2质量分数为94.48%,填料为400目磨细石英粉,密度为2.65 g·cm-3,细骨料为0.2~0.6 mm石英砂,外加剂为聚羧酸盐类高效减水剂,拌和水为饮用自来水,使用的纤维为钢纤维(有关性能参数见表 2),所采用的纤维体积掺量为2.0%,2.5%,3.0%和3.5%.

下载CSV 表 1 试验配合比 Tab.1 Mix proportions of UHPC matrix
下载CSV 表 2 钢纤维性能指标 Tab.2 Properties of steel fiber
1.2 试件成型和养护

首先将胶凝材料和细骨料投入搅拌机中,干拌3 min,而后加水搅拌3 min,加入减水剂再搅拌4 min,等基体搅拌均匀后加入钢纤维继续搅拌3 min,用手触摸搅拌好的UHPC材料,未发现纤维结团现象,此时按照GB2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[14]测得当纤维体积掺量为2.0%,2.5%,3.0%和3.5%时,UHPC的流动度分别为27.9,26.8,24.8和22.4 cm,证明具有良好的流动性.所有试件浇注完成经抹面后加盖塑料膜,以防止水分的快速散失,试验所用模具全部为钢模.24 h后拆模,放入养护室中的水池中进行常温养护,温度恒定为20℃,28 d龄期时取出,进行试验.

1.3 试验前的准备和试验加载程序

采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件用于4点弯曲试验,每组4个试件.当试件养护至28 d时,使用砂轮配合游标卡尺对试件浇筑面进行打磨抛光,提高平整度,试件不同位置上的厚度偏差控制在±0.02 mm以内.

4点弯曲加载试验在电伺服压力机上进行,跨度设置为300 mm,采用等位移加载控制(装置如图 1所示).在载荷小于0.5 kN时,设置预加载阶段,速度为1 mm·min-1,当载荷到达0.5 kN时,进入正常试验加载阶段,速度为0.3 mm·min-1.试验使用布置在试件跨中两侧对称位置的两个LVDT测量跨中点的挠度值,荷载值的变化可用试验机自带的荷载传感器测量并记录,在试验中观察UHPC试件在弯曲荷载作用下的裂缝开展情况.

图 1 4点弯曲试验加载图 Fig.1 Setup of four-point bending test
2 试验结果与分析

在弯曲性能试验的同时,根据《活性粉末混凝土》国家标准[9]进行了4种纤维掺量下UHPC的100 mm立方体试件的28d龄期抗压强度试验,试验测得当纤维体积掺量为2.0%,2.5%,3.0%和3.5%时,UHPC的28 d抗压强度分别为140.2,149.1,160和173.5 MPa.

2.1 四点弯曲试验结果 2.1.1 曲线离散性及处理方法

为了确保本试验弯曲应力-跨中位移曲线的可靠性,通过Origin9.0软件的AMC功能对每组试件的4根曲线进行处理,如图 2所示(以纤维体积掺量2.5%为例).图 2a是当纤维体积掺量为2.5%时,该配比4个试件的荷载-挠度曲线;图 2b是使用Origin9.0软件对图 2a平均和离散性处理,图中的阴影部分代表曲线的离散性.后续分析仅采用平均曲线.

图 2 曲线的离散性证明由Origin 9.0软件处理获得 Fig.2 Demonstration of four curves concatenated by software Origin 9.0
2.1.2 荷载挠度曲线

将测得的每组4个试件的试验数据经平均处理后,绘制出不同掺量钢纤维UHPC的荷载挠度关系曲线如图 3.从图 3可以看出,不同掺量钢纤维UHPC曲线走势基本相同,可以分为3个阶段:第1阶段称为弹性阶段,对应于曲线上初裂点之前.此阶段钢纤维与基体共同承担荷载,荷载挠度关系曲线表现为线性;第2阶段是裂缝开展阶段,对应于曲线上初裂点与峰值点之间.随着荷载的增大,弯曲变形达到UHPC初裂应变,材料基体出现裂缝,跨越裂缝的纤维开始起到桥联作用,通过与基体接触的界面传递应力,在应力传递作用范围外逐渐产生多条微裂缝,在荷载挠度关系曲线上表现为明显的挠度硬化阶段,这也是UHPC高韧性的主要原因;第3阶段称为裂后阶段,对应于曲线上峰值点之后.随变形增加,裂缝密度饱和后,试件某裂缝面上纤维桥联作用形成的基体-纤维粘结面拉应力传递条件不再满足,试件上的某一条裂缝(可以是第一条、最后一条或者是两者之间的任一条裂缝)开始局部化扩展,并形成主裂缝,曲线开始缓慢下降.

图 3 不同掺量钢纤维UHPC的荷载-挠度关系曲线 Fig.3 Load-deflection curves of UHPC of the four mixtures

不同纤维掺量的影响表现在,从2%增加到3%时,UHPC的弯曲性能有显著的提高.然而从3%增加到3.5%,UHPC的弯曲性能大幅下降,原因在于3.5%的钢纤维不能有效分散,导致弯曲性能下降.

2.2 弯曲性能评价方法 2.2.1 ASTM C1018法

美国材料与试验协会利用理想弹塑性材料的韧性评价方法作为参考,制定了混凝土弯曲韧性的测试和评价方法:ASTM C1018,如图 4和式(1) 所示[11].该方法是利用初裂点对应挠度δ的3.0,5.5和10.5倍时,荷载挠度曲线下的面积T3T5.5T10.5与初裂点所对应的荷载挠度曲线下的面积T1的比值:I5I10I20作为韧性指数,来衡量混凝土的弯曲性能.

$ {I_5} = \frac{{{T_3}}}{{{T_1}}};{I_{10}} = \frac{{{T_{5.5}}}}{{{T_1}}};{I_{20}} = \frac{{{T_{10.5}}}}{{{T_1}}} $ (1)
图 4 ASTM C1018弯曲性能评价方法示意图 Fig.4 Definition of flexural toughness indexes

式中:T1T3T5.5T10.5分别为图 4中区域OAB、OACD、OAEF和OAGH的面积(kN·mm);I5I10I20为荷载挠度曲线不同阶段的韧性指数.

初裂点的高低是反映钢纤维对混凝土受力后阻裂能力的重要标志,按照我国CECS13:89钢纤维混凝土实验方法[15]中的规定确定初裂点A,即:将直尺与实测的弯曲荷载挠度关系曲线的线性部分重叠放置来确定.由图 3可见,UHPC在初裂后并无明显的初裂点,因此利用Origin软件对弯曲荷载-挠度关系曲线的直线段作切线,找出曲线与切线发生偏离的点为初裂点,图 5为以纤维掺量2.5%的UHPC试件为例确定初裂点.根据该方法得出的各试件组的韧性指标结果见表 3.

图 5 UHPC初裂点的确定(以纤维掺量2.5%为例) Fig.5 Determination of first crack points of UHPC
下载CSV 表 3 ASTM C1018法计算的韧性指标计算结果 Tab.3 Flexural parameters (according to ASTM C1018)

根据韧度指数的定义,理想弹塑性材料的荷载-挠度关系曲线的韧度指数分别为I5=5,I10=10和I20=20.表 3的计算数据表明:UHPC材料按照式(1) 计算得到的I5I10I20均十分接近于理想弹塑性材料的相应值,但这些数据并不能直接反应出UHPC达到不同挠度时抗弯性能(例如残余抗弯强度),特别是从3.5%和2.5%两组数据的对比可以看出,虽然2.5%的整条曲线均高于3.5%,然而根据ASTM C1018计算的韧性指数却正好相反.这个原因在于ASTM C1018方法得出的结果是弯曲性能的相对值,不是绝对值,并不适用于结构承载力的计算.

另一方面ASTM C1018要求确定初裂点对应的载荷和跨中挠度值,然而由于UHPC的荷载-挠度关系曲线的上升段不是严格的线性,这两个参数通常很难准确测量,说明现行的ASTM C1018韧性评价方法的初裂点选取对于UHPC并不适用,而初裂点的位置又决定了面积T1和后续的韧性指数I5等的计算结果,这影响了该种方法的准确性.

2.2.2 JSCE SF4方法

JSCE-SF4方法是日本土木工程协会制定的混凝土弯曲性能评价方法[13].该方法规定试件挠度变形至δ(规定为跨距的1/150倍)时,由荷载-挠度关系曲线下的面积、试件尺寸等参数通过式(2) 计算出的平均强度值定义为弯曲韧性因子σ,其值的大小可以衡量混凝土的弯曲性能.

$ \sigma = TL/(b{h^2}\delta ) $ (2)

式中:T是挠度为L/150时对应荷载挠度曲线下的面积(J);δ为给定的计算挠度L/150(mm); b为试件宽(mm); h为试件高(mm).

表 4为采用该方法计算所得到的各试件组的韧性指标及弯曲韧性因子.从表 4可以看出,UHPC的弯曲韧性因子σ150在纤维掺量不大于3%时随着纤维掺量的增加而不断增大,变化趋势与表 3基本一致.此外弯曲韧性因子σ150具有强度的量纲,因此可用于结构承载力设计.与ASTM C1018方法相比,该方法的优点是计算过程简单,避开了初裂点对计算结果的影响,结果更为稳定.

下载CSV 表 4 JSCE SF4法计算的韧性指标计算结果 Tab.4 Flexural parameters (according to JSCE SF4)

然而,该方法也有不足之处:① 跨中计算挠度取L/150没有充分理论依据,多数工程应用中,正常使用状态的容许挠度均小于L/150,无法满足实际工程需要;② 用平均的方法求强度不能较好地反映试件在不同挠度处的抗弯性能,例如两个荷载挠度关系曲线有很大差异的试件,可能求得弯曲韧性因子相同.

2.2.3 ASTM C1609法

考虑到ASTM C1018和JSCE SF4方法的不足,美国材料与试验协会在2005年提出了ASTM C1609弯曲性能评价方法[12].该评价方法既克服了ASTM C1018方法初裂点准确确定的困难,也改善了JSCE SF4方法弯曲性能指标单一的问题(在标准的基础上补充计算了跨中计算挠度为L/600和峰值强度时的参数).与JSCE SF4方法相近,ASTM C1609也是计算弯曲强度等性能的绝对值.

表 5为采用该方法计算所得的本次试验各试件组的参数.从表 5可以看出,峰值荷载PP、峰值强度fP、挠度是L/600时的强度f600100、挠度是L/150时的强度f150100在纤维掺量不大于3%时均随着纤维掺量的增加而不断增大,结果与表 3表 4一致.

下载CSV 表 5 ASTM C1609法计算的韧性指标计算结果 Tab.5 Flexural parameters (according to ASTM C1609)

不同于ASTM C1018和JSCE SF4,ASTM C1609提供了3个挠度处对应的残余弯曲强度,分别为L/600时的残余强度f600100L/150时的残余强度f150100以及峰值强度fP.这三种不同挠度处的弯曲性能具有不同的特定意义:L/600时的残余强度f600100代表了UHPC材料在小弯曲变形状态下的弯曲强度,某些情况下UHPC甚至还未达到峰值强度,此时的裂缝宽度一般也较小;L/150时的残余强度f150100代表了UHPC材料在大弯曲变形状态下的弯曲强度,此时的裂缝宽度一般较大,很可能已超过正常使用极限状态(即峰值对应的挠度小于2 mm);峰值强度fP代表了UHPC材料的极限抗弯强度,其对应的峰值挠度δP代表了UHPC的峰值变形能力.

表中:P1为初裂荷载;PP为峰值荷载;δ1为初裂挠度;δP为峰值挠度;f1为初裂强度;fP为峰值强度;P600100为挠度是L/600时的荷载;f600100为挠度是L/600时的强度;P150100为挠度是L/150时的荷载;f150100为挠度是L/150时的强度.

为了更好地描述UHPC在不同弯曲变形时的性能,本文在图 6图 7中分别绘制了f600100f150100随纤维掺量变化的曲线图和峰值挠度随纤维掺量变化的曲线图.每个空心点代表 1个试件的实验结果,每种纤维掺量下重复实验4个试件,实心点表示同种钢纤维掺量下所有试件结果的平均值,阴影区域表示所有试件结果的范围.分析结果如下:UHPC弯曲性能具有一定的离散性,例如图 6a中,2%钢纤维掺量的UHPC的f600100的标准偏差达到了2.62 MPa,原因是受纤维分散情况的影响;不同挠度处对应的弯曲强度给予了结构设计更为准确的指标,例如不同纤维掺量在不同挠度时的残余弯曲强度;图 7中给出的峰值挠度值代表了UHPC挠度强化的范围,可作为UHPC弯曲延性的指标;3%钢纤维掺量时,UHPC不仅在不同挠度处均具有较高的残余抗弯强度,并且具有最大的峰值挠度平均值1.05 mm,说明其全面的抗弯性能均为最佳.

图 6 f600100f150100随纤维掺量变化的曲线 Fig.6 f600100 and f150100 with the fiber content curves
图 7 弯曲变形时峰值挠度随纤维掺量变化的曲线 Fig.7 Net deflection at peak load with fiber content curves

综上分析,ASTM C1609法能够较全面的描述UHPC的弯曲性能,满足结构设计地多种需求.

3 结论

通过上述分析得到以下主要结论:

(1) 研究中的常温养护UHPC在开裂后有明显的挠度硬化行为,表现为优异的抗弯性能.

(2) ASTM C1018评价方法用于评价UHPC弯曲性能有明显的不足之处.初裂点判定的准确与否对韧性指数的计算结果会产生较大影响.由于UHPC的荷载挠度关系曲线的上升段不是严格的线性,导致现行的ASTM C1018评价方法的初裂点选取对于UHPC并不适用,影响了该方法的准确性.

(3) JSCE SF4评价方法虽然较ASTM C1018标准计算更简单、且不受初裂点位置影响,可以直观地反映材料弯曲性能.但是,该方法在跨中计算挠度只取L/150过于单一,不能真实反映特定挠度下的UHPC弯曲性能水平.因此,该方法也不是UHPC弯曲性能表征的理想选择.

(4) ASTM C1609评价方法弥补了ASTM C1018和JSCE SF4方法的缺点,分别提供了在L/600时的残余强度f600100L/150时的残余强度f150100以及峰值强度fP 3个参数,不同挠度处的弯曲性能表征方法有利于满足UHPC在结构设计的多种需求.

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