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        超高性能混凝土(UHPC)動態損傷機理綜述

        超高性能混凝土(UHPC)動態損傷機理綜述

        打印 0條評論來源:中國混凝土與水泥制品協會 (id:zghntsnzp)

        摘   要:總結分析了超高性能混凝土(UHPC)現有研究成果,綜述了其超高性能機理、單調拉伸和循環荷載下的本構關系、低周期疲勞狀態下的損傷過程及微觀損傷機理等,并對未來的研究方向提出了建議。


        關鍵詞:超高性能混凝土;協同效應;本構關系;微觀機理


        0   前言


        普通混凝土脆性大、抗拉強度低,尤其是在動態荷載下抗裂性能差,難以滿足當今建筑對安全性及耐久性的要求。而超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,以下簡稱UHPC)則能較好地解決這一難題。UHPC通過更改原材料種類和配合比,尤其是采用纖維增強增韌和混雜纖維協同阻裂的方法,推動了水泥基材料的發展。


        相比于普通混凝土,UHPC具有抗壓強度高(可達200 MPa)、抗拉強度高(可達15 MPa)、塑性好、耐久性優異等優點。目前,國內針對UHPC的研究較多,但多集中于材料配合比和靜態荷載下的力學性能研究,而針對UHPC循環荷載下的本構關系和微觀損傷機理研究等相對較少。本文從UHPC的超高性能機理、本構關系、動態損傷機理三方面進行綜述,以期為循環荷載下UHPC力學性能及損傷機理的進一步研究提供參考。


        1   超高性能機理


        1.1   鋼纖維增強增韌作用


        當未摻入鋼纖維時,UHPC構件在受壓時會在內部積累大量能量,并最終呈現爆炸性破壞,表現出比普通混凝土更大的脆性。而摻入一定量的細鋼纖維能改善基體間的黏結滑移性能,并且控制裂縫的擴展方向。目前,針對纖維的增強增韌機理已開展了大量的研究,由于起主要作用的是鋼纖維,故下面主要從鋼纖維的摻量、分布方向和物理形態三方面進行分析。


        (1)當保證鋼纖維均勻分布時,這種增強作用與鋼纖維的摻量成正相關,但為保證經濟性且鋼纖維不因流動性過差而聚集成團,鋼纖維摻量多控制在3%以內。當鋼纖維均勻分布時,即使鋼纖維摻量低于1%,也能獲得較好的力學性能。當鋼纖維摻量從1%增加到2%時,最大抗拉強度增加22.70%;從2%增加到3%時,最大抗拉強度增加9.91%。有文獻認為,鋼纖維體積摻量為1.5%的試件抗壓強度最高,體積摻量為1.75%的試件劈裂抗拉強度最高。受拉破壞時,在開裂口附近由于鋼纖維的橋接作用,破壞形式并非普通混凝土的拉斷破壞,而呈現出鋼纖維拔出破壞。有文獻認為,摻入質量分數為3%的鋼纖維,UHPC的抗壓強度、彈性模量、收縮性能和界面性能最好。摻入鋼纖維能顯著提高UHPC的韌性,斷裂能可超過18 kJ/m2,比素UHPC高出一倍以上,且隨鋼纖維摻量增加,增韌效果隨之顯著增加,且彈性模量隨鋼纖維摻量的增加也略有增加。


        (2)鋼纖維不同的分布方向對UHPC斷裂性能有較大影響。有文獻研究了鋼纖維沿不同的受力方向分布時對UHPC斷裂性能的影響。當鋼纖維分布與受力方向角度為0 °時,構件平均應變最大,且角度在60 °以內平均應變減小,60 °以上則增大;軸拉構件在45 °以內呈現延性破壞,60 °以上則呈脆性破壞,45 °~60 °處于過渡狀態,UHPC的偽應變強化效應受鋼纖維的分布影響較大,但鋼纖維的分布方向對抗壓強度的影響較小。


        (3)鋼纖維的物理形態對UHPC的黏結性能影響較大。鍍銅直纖維與變形纖維(彎勾纖維和扭轉纖維)相比,摻變形纖維的UHPC黏結強度可以達到47 MPa,是摻直纖維的5倍,這主要是由于UHPC與變形纖維的摩擦因數更大,且變形纖維的耗能能力也遠超直纖維,在摻量均控制為2%時,變形纖維耗能比直纖維高11%。


        1.2   混雜纖維協同效應


        摻入較多的鋼纖維并不經濟,也不便于施工,但降低摻量后其增強增韌作用又有限。因此,工程上大多采用摻入多種混雜纖維的方式。將不同彈性模量、強度、表面特征、延伸率和長度的纖維混摻,可實現UHPC在宏觀和微觀層面上各個受力階段的增強增韌。目前,針對混雜纖維的協同效應也已開展了大量研究,主要是鋼纖維和其他類型纖維雙摻,三種以上混摻還相對較少。


        相比于單摻2%鋼纖維的試件,當加入0.1%體積摻量的聚丙烯纖維后,UHPC試件的抗壓強度有1%~9%的提高,劈裂抗拉強度有3%~6%的提高,且抗壓、抗折強度分別達到 138.13 MPa、37.19 MPa,壓折比較低,表明此時試件韌性強。但當聚丙烯纖維摻量少于0.05%或多于0.15%時,UHPC的抗壓強度和劈裂抗拉強度都有所減小,這表明混摻時聚丙烯纖維的適宜摻量在(0.10±0.05)%。


        為了探究混雜纖維對UHPC構件韌性的影響,鄧宗才在UHPC試件中分別摻入長鋼纖維、短鋼纖維、粗聚烯烴纖維和聚乙烯醇纖維(即PVA,表面有羥基,與基體黏結性能好,對阻止微細裂縫擴展有顯著效果)進行探究,發現在其他材料相同時,摻入同體積的長鋼纖維比短鋼纖維更能保證試件的裂后剩余承載力,這主要因為長鋼纖維能更好地提高材料的韌性。兩種鋼纖維混摻時,摻入較多長鋼纖維的UHPC性能更好。當摻入1%鋼纖維時,粗聚烯烴纖維和PVA纖維混摻比單摻某合成纖維能獲得更好的增韌效果;而當分別單摻時,鋼纖維和粗聚烯烴纖維混雜效果更好。


          徐禮華等研究了鋼纖維和聚丙烯纖維摻量對UHPC黏結強度的影響規律,發現同體積摻量時,混摻兩種纖維的試件黏結強度比單摻或不摻時有26%~57%的提高?;鞊綍r,若控制聚丙烯纖維摻量為0.15%,鋼纖維體積摻量為1.5%時的黏結強度提高了21%。然而,當控制鋼纖維摻量后,聚丙烯纖維摻量變化未能使黏結強度發生明顯改變。由此可知,鋼纖維對黏結強度的提高貢獻更大,鋼纖維和聚丙烯纖維混摻時存在正混雜效應,進而抑制裂縫的產生和擴展,能有效提高混凝土的黏結強度,從而保證在地震等動態荷載作用下構件的承載力和剛度。


        2   UHPC本構關系


        2.1   單軸拉伸下的本構關系


        UHPC通過加入適宜種類和摻量的纖維能夠有效地提高抗拉強度。通常將纖維增強材料分為應變軟化和應變硬化兩類。一般纖維混凝土屬于應變軟化類,UHPC由于摻入鋼纖維,使其符合應變硬化材料的性質。由于存在高強鋼纖維,當UHPC出現裂縫之后,鋼纖維就會逐漸替代基體承受拉力。由于鋼纖維本身良好的抗拉特性,提高了UHPC的延性和抗拉強度。


        UHPC的單軸拉伸應力-應變曲線主要分三個階段,見圖1。



        階段Ⅰ:應力隨應變線性增加階段,此過程中材料內部不出現裂紋,不含塑性變形。


        階段Ⅱ:應變硬化階段,在階段Ⅰ末期,會出現應力-應變曲線線性轉折點,此后應力增速下降。此過程中,裂紋不斷擴展,鋼纖維承擔更多應力,在此之前UHPC試件的伸長可視為沿拉應力方向均勻變化的過程。


        階段Ⅲ:荷載繼續增大,局部裂紋不再發展,應力達到一個峰值后下降,呈現應變軟化現象。此時,主裂縫的寬度進一步發展,UHPC試件的伸長變為裂縫寬度。


        2.2   循環荷載下的本構關系


        與單軸拉伸相似,循環荷載下UHPC應力-應變曲線可以分為五個階段,見圖2。



        階段Ⅰ:應力隨應變線性增加階段,與單軸拉伸相同。


        階段Ⅱ:應變硬化階段,應力隨應變非線性增加,直到應力達到最大應力極限,與單軸拉伸相同,此時,基體逐漸開裂并由鋼纖維連接微裂紋。


        階段Ⅲ:消退階段,應力隨應變非線性減小,直至到達卸載點。


        階段Ⅳ:卸載階段,軸向應變減小,應力也隨之非線性減小至接近于0,卸載完成后試件內仍有殘余應力。


        階段Ⅴ:再加載階段,重復上述過程。


        水泥基材料在循環荷載作用下的性能對建筑結構單元在地震等荷載下的循環響應有較大的影響。但目前依然缺少循環加載下對UHPC性能的研究,關于循環荷載下的本構模型研究也相對較少。


        目前循環荷載的加載方式大致可以分三類:完全加卸載循環、完全加載梯度卸載循環、梯度加載完全卸載循環,已有的研究多采用位移控制完全加卸載循環的方式。SPYRIDON等通過修正前人關于普通混凝土本構關系模型,同時考慮彈性模量和強度隨循環荷載的變化,得出了相應的本構模型,并結合實際試驗結果加以驗證,使之能較好地適用于不同纖維摻量的UHPC和循環加載的方式中。有文獻設置了三組鋼纖維摻量分別為1%、2%、3%的UHPC試件,在相同的循環拉伸方式下,采用位移控制,初始拉伸應變較小時,(再)加載段和卸載段均近似為直線;隨著應變累積,卸載曲線下凸,但再加載段仍近似直線,對應斜率即彈性模量也不斷降低。在第一個循環荷載加載周期后,彈性模量顯著降低,大約降至初始值的1/4;隨著加載周期數增加,彈性模量繼續降低。造成這一結果的主要原因是第一個加載周期過程中應力達到了一個峰值,已經形成了裂紋。同時,卸載和再加載曲線圍成的面積即耗能能力也越來越大,這時主要是鋼纖維在起作用。本構關系曲線在彈性階段不受鋼纖維體積摻量的影響,而在應變硬化階段,拉伸強度與纖維摻量呈正相關。PABLO等通過對比是否摻入鋼纖維證明了鋼纖維對開裂前UHPC彈性模量和開裂強度有小幅增強作用,在應變硬化階段,會出現一個宏觀裂紋,進而進入應變軟化階段,此階段摻入鋼纖維的UHPC韌性遠好于素UHPC。


        3   UHPC動態損傷機理


        3.1   宏觀損傷機理


        當循環荷載長期低于靜載強度時,UHPC逐漸產生變形累積,當這種累積量達到一定程度后,使UHPC內部結構發生變化,從而導致材料的劣化甚至失效,該過程即為UHPC的疲勞損傷過程。因為UHPC中摻有混雜纖維,可以有效遏制UHPC在開裂之后的裂縫發展,從而使其仍然能承受一段時間的循環荷載而不是立即失效。在循環荷載下,試件發生宏觀損傷破壞前存在一個漸進的破壞過程,可分為三個階段:裂紋萌生階段、穩定裂紋擴展階段、不穩定裂紋擴展階段。金文進一步通過試驗對三個階段進行了研究。在第一階段,當制備的UHPC試件無明顯可見裂縫等缺陷時,在相同應力水平下,試件循環荷載開始時未監測到裂縫。隨著循環次數的增加,變形也不斷累積增大,接近疲勞壽命時,UHPC試件中部某薄弱區突然發生開裂,形成一條寬度較窄、路徑曲折的裂縫。在第二階段,鋼纖維的抗拉強度大,在鋼纖維的作用下試件不會馬上失效而是繼續承受一定的循環荷載。同時UHPC內鋼纖維的無規則分布使得裂縫的發展偏離原來的路徑而變得更加不規則。隨著循環次數繼續增加,裂縫繼續按著曲折的路徑發展,在這一過程中,鋼纖維在循環荷載的作用下吸收能量并不斷被拔出。此過程所需時間與鋼纖維的摻量和疲勞應力的大小有關。在第三階段,隨著鋼纖維不斷被拔出,用于承受循環荷載的鋼纖維數量不斷減少至試件不能承受荷載時,裂縫快速擴展并形成貫穿裂縫,試件失效破壞。此過程中裂縫由一條寬度大的主裂縫發展出多條細的分支裂縫,且呈現出帶狀分布。帶狀的分支裂縫是由于在接近失效破壞時,鋼纖維被拔出的速度加快,裂縫來不及按照原來的路徑發展從而形成細的分支裂縫來消耗能量。


        相同應力水平的循環荷載作用下,由于單摻鋼纖維的UHPC構件比混摻纖維的UHPC構件有更多的鋼纖維,在開裂之后能承受更多次的循環荷載,故抗疲勞性能更好。由于較多的鋼纖維在承受循環荷載作用時被緩慢拔出,使單摻鋼纖維的UHPC裂縫處損傷程度比混摻時大,裂縫在小區域的曲折程度也更大。導致以上差別的原因是鋼纖維主要用于阻止宏觀裂縫的擴展,而聚丙烯纖維主要用于阻止微裂縫和細觀裂縫的擴展,為保證UHPC的抗疲勞損傷性能,宜同時摻入鋼纖維和聚丙烯纖維。


        3.2   微觀損傷機理


        為了提高加載過程中對損傷過程的監測精度,可采用數字圖像相關系統(Digital Image Correlation,以下簡稱DIC)。DIC系統能夠對試件進行非接觸式全場光學測量,可以在斷裂帶內進行應變和裂紋間距的測量,從而更好地觀察裂紋的擴展。UHPC微觀損傷機理有很多種,主要包括微孔洞、微裂紋、滑移帶、晶界滑移等。目前,針對前兩者的研究相對較多。


        3.2.1   微孔洞效應


        UHPC構件在微觀尺度下的孔洞現象比較明顯,其微孔洞的大小和數量與UHPC制作、養護過程中的密實度密切相關。在150~200 ℃養護條件下存在硅源時,UHPC會發生火山灰反應并最終生成托貝莫來石結晶相,繼續升高溫度將進一步生成硬硅鈣石等結晶相,這些水化產物將有效地填入孔隙中,提高密實度;在高溫蒸壓養護條件下,摻入適量硅灰會引發二次水化反應生成水化硅酸鈣凝膠填充毛細孔,但不宜過量摻入,以防增大UHPC的自收縮;偏高嶺土含量增大,高密度C-S-H凝膠含量也增大,孔徑得到細化,纖維分散更均勻,基體同鋼纖維之間的黏結力提高;雙摻納米碳酸鈣和納米二氧化硅時,納米碳酸鈣具有增強和晶核填充作用,納米二氧化硅可以加快早期水泥水化,與水化產物氫氧化鈣反應產生高密度水化硅酸鈣凝膠,起到填充作用,可減小孔徑、降低孔隙率,并使界面過渡區得到強化,使微觀結構更加均勻致密。


        當UHPC試件在荷載逐漸增加直至試件失效破壞的過程中,構件中微孔洞也不斷擴大。楊永鄭借助DIC系統通過試驗驗證了UHPC宏觀拉應變與微觀孔隙比的關系??紫侗仍隽颗c應變之間呈非線性正相關。當構件處于彈性階段時,孔隙比隨應變增速較慢;進入彈塑性階段后,孔隙比隨應變增速逐漸加快。


        3.2.2   微裂紋效應


        在電子掃描顯微鏡下可以觀察到混凝土骨料-水泥漿體界面的微觀結構,見圖3。骨料的表面形貌呈現光滑致密狀,且無明顯裂紋或孔隙;而水泥漿體相則呈現暗灰色,有著明顯的裂紋和孔隙;在界面過渡區微裂紋異常豐富。此外,對摻入纖維的UHPC,在纖維與基體之間也存在許多孔隙和微裂縫。在金屬纖維-水泥漿體體系中存在滑脫弱化效應,此效應將會引起基體材料的損傷,也會降低界面過渡區的致密度,增大微裂縫及微孔洞。在低于最大拉應力的循環荷載作用下,構件產生一個漸進的失效過程,收縮微裂縫會伴隨剛度退化而逐漸發展,直至最終形成一個宏觀的斷裂表面。



        微孔洞和微裂紋效應并非對立,在UHPC微觀損傷過程中,兩者往往共同作用。為提高UHPC的力學性能,減緩微觀界面的損傷,應當從提高UHPC密實度和強化界面過渡區兩方面考慮。


        4   結語


        (1)目前,UHPC的超高性能機理主要有鋼纖維的增強增韌作用和混雜纖維的協同效應。鋼纖維增強增韌效果主要取決于鋼纖維的摻量、分布方向和物理形態,這一方面的研究相對較多,但目前關于混雜纖維協同效應的研究還主要還停留在試驗探索階段,作用機理的理論研究還不夠充分,三種以上纖維混雜的研究也仍需開展。


        (2)UHPC單軸拉伸和循環荷載的本構關系具有高度相似性,都存在應變硬化和應變軟化的過程。對循環荷載作用時的拉伸試驗,從本構關系圖中能看出彈性模量降低的過程,也能通過滯回曲線圍成的面積看出耗能能力的變化過程。由于循環加載方式的多樣性,本構關系曲線也會呈現一定差異,相關對比研究還不夠充分。


        (3)從宏觀和微觀兩個角度分析UHPC動態損傷過程,通過對低周疲勞損傷過程的研究可以在宏觀上探究UHPC的損傷機理。UHPC微觀損傷機理有很多,主要包括微孔洞、微裂紋、滑移帶、晶界滑移等。為提高UHPC的力學性能,減緩微觀界面的損傷,應當從提高UHPC密實度和強化界面過渡區兩方面考慮。目前針對微觀損傷機理的研究主要是從試件養護完成后的微觀結構展開。


           

           

           (編輯:奚雅青)

           

           

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        [責任編輯:Susan]

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