吳禮程 ， 王 哲 ， 劉 迪 ， 朱昊輝， 路 遠 ， 林 露

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044； 2.鄭州市公共租賃住房運營中心有限公司，河南 鄭州 450000； 3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司， 安徽 合肥 230088)

活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)最早于20世紀(jì)90年代由法國學(xué)者Richard等[1]研發(fā)，是一種低水膠比、高密實度，同時具有良好力學(xué)性能和優(yōu)異耐久性的新型水泥基復(fù)合材料，而且在RPC中摻加鋼纖維后可以更有效地改善其抗拉性能[2].在經(jīng)受相同承載力的情況下，相較于普通混凝土，RPC可以做到更小的截面面積，在體積、質(zhì)量上更有優(yōu)勢，因此在某些特殊領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.現(xiàn)今，RPC已應(yīng)用于蓋板、電線桿、外墻裝飾材料以及人行橋、冷卻塔、下水道系統(tǒng)工程等.

目前國內(nèi)針對RPC的常規(guī)三軸試驗研究尚不多見，其中，閆光杰[3]、余自若等[4]僅研究了單一鋼纖維摻量(體積分?jǐn)?shù)，下同)RPC試樣在不同圍壓下的破壞形態(tài)和力學(xué)性能.對于含不同鋼纖維摻量RPC的研究則多見于單軸情況，閆光杰[5]分析了含5種鋼纖維摻量RPC棱柱體試件的單軸受壓力學(xué)性能；鞠彥忠等[6]對不同鋼纖維摻量的RPC立方體試塊進行了單軸試驗；王曉飛等[7]研究了含4種鋼纖維摻量的RPC圓柱體試樣(φ50×100mm)的單軸力學(xué)特性.國外Farnam等[8]研究了含4種鋼纖維摻量(0%，2%，5%，10%)的砂漿浸潤鋼纖維混凝土試樣(φ75×150mm)分別在4種圍壓(0，5，15，21.5MPa)下的力學(xué)特性，其中，含不同鋼纖維摻量的混凝土試樣所對應(yīng)的單軸抗壓強度分別為76MPa (0%)，87MPa(2%)，146MPa(5%)和171MPa (10%)；另外，這種材料中的砂漿成分與RPC類似，成型方法則有所不同：每澆筑一層砂漿，就投放一層30mm長鋼纖維(鋼纖維在水平方向上隨機分布)，隨后再予以柔性振動，確保鋼纖維被砂漿覆蓋，直至澆筑完成.

本文所有試樣均從澆筑成型的RPC大塊中鉆取，且所有鉆取試樣與RPC大塊側(cè)面的距離均超過12mm(單根鋼纖維的長度)，以消除模具邊界效應(yīng)的影響；另外，所有試樣的齡期均超過2a，以減小試驗周期對RPC抗壓強度的影響.對含5種鋼纖維摻量的RPC圓柱體試樣分別在5檔圍壓下進行常規(guī)三軸試驗，通過所繪應(yīng)力-應(yīng)變曲線，綜合分析了圍壓和鋼纖維摻量對試樣峰值應(yīng)力、峰值點軸向應(yīng)變以及破壞形態(tài)的影響.由此可以更好地把握RPC材料的力學(xué)性質(zhì).

1 試驗概況

1.1 試驗材料及試樣制備

用于制備RPC的原材料主要有：冀東水泥廠盾石牌P·O 52.5水泥；河北振勝礦業(yè)產(chǎn)石英砂；福建彰德產(chǎn)海砂；北京開碧源貿(mào)易有限責(zé)任公司產(chǎn)石英粉；?？蠂H貿(mào)易(上海)有限公司產(chǎn)微硅粉；鞍山科比特有限公司產(chǎn)直徑為0.18～0.23mm，長12mm的高強鋼纖維；減水劑為西卡公司生產(chǎn)的3301L型聚羧酸減水劑；北京建筑工程研究院產(chǎn)FAQ型消泡劑；自來水.

表1為活性粉末混凝土配合比；選取的鋼纖維摻量(φF)分別為0%，0.3%，1.0%，1.7%和2.4%.

表1 活性粉末混凝土配合比

將上述各種材料置于臥式攪拌機攪拌均勻后，澆筑至350mm×200mm×140mm表面有塑膠層的木制模具中.澆筑完成后，表面覆蓋保鮮膜并移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護48h，拆模后再移入養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護，28d后移出養(yǎng)護室，室內(nèi)放置790d后取芯，再將芯樣加工成φ43.6×130mm，長徑比約為3的圓柱體試樣.

1.2 加載方法

為保證試樣的一致性，加載試驗中視為相同的試樣都取自于同一批次攪拌澆筑的RPC大塊.

試驗在北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院XTR-01型電液伺服巖石三軸試驗機上完成.該試驗機所配三軸室具有自平衡功能.三軸室內(nèi)試樣的實際受力由液壓油施加的圍壓p和柱塞施加的應(yīng)力差q疊加形成.記荷載傳感器測得的荷載為F，試樣的截面積為A，則應(yīng)力差q=F/A.將試樣受到的軸向壓應(yīng)力和2個側(cè)向壓應(yīng)力分別記為σ1，σ2和σ3，則有σ1=p+q，σ2=σ3=p，σ1≥σ2=σ3.試樣與上、下壓頭直接接觸.上壓頭(帶球鉸)直徑為50mm， 下壓頭直徑為53mm.試樣的變形分別用軸向及徑向引伸計(試驗機配套YSY60-6/2引伸計)測量，見圖1(a).軸向引伸計的下端固定在下壓頭上，上端固定在上壓頭上，上下固定位置的間距為180mm，這也是引伸計的測量標(biāo)距.軸向引伸計所測變形包括試樣變形和標(biāo)距內(nèi)的壓頭變形.徑向引伸計測量的是在2個互相垂直的直徑方向上熱縮管外側(cè)相對位移的平均值，由于徑向引伸計固定在包裹試樣的熱縮管上，故其測量的變形包含試樣的變形和熱縮管的變形，但熱縮管的變形主要受圍壓影響，在圍壓恒定的情況下，可以認(rèn)為所測徑向變形即為試樣的徑向變形；徑向變形測量點所在截面位于試樣高度的一半處.試驗過程中的加載路徑如圖1(b)所示.

圖1 引伸計的裝配及三軸試驗加載路徑Fig.1 Prepared sample with extensometer and the loading path for triaxial test

試驗過程可分為5個階段：

(1)對試樣施加預(yù)壓階段.手動控制作動器的抬升，對三軸室內(nèi)試樣施加一個1.34MPa左右的預(yù)壓荷載，以調(diào)整上壓頭與柱塞之間的角度.

(2)僅增加圍壓階段.以0.1MPa/s的速度將圍壓p升至設(shè)計值.

(3)保持圍壓和軸向壓力不變，直至變形穩(wěn)定.此階段目的是釋放掉熱縮管和試樣的黏塑性變形，以免將此變形歸入后面的測量結(jié)果中.

(4)保持圍壓恒定，單調(diào)施加軸向位移.加載位移速率為0.002～0.004mm/s，數(shù)據(jù)采樣頻率為3Hz.

(5)當(dāng)試驗峰后曲線出現(xiàn)一段水平段后，開始卸載過程.先保持圍壓不變，以一定位移速率卸載，直至荷載為0，再以一定的速率卸掉圍壓，使圍壓降為0.

試驗中，圍壓p的設(shè)計值分別為0，10，20，40和70MPa.每種路徑下的不同配比試樣，均以2塊同配比試樣的試驗數(shù)據(jù)作為正式數(shù)據(jù).由于相同鋼纖維摻量的試樣均鉆取于同一制備條件下的RPC大塊，不同圍壓條件下的試樣則隨機選取，故可排除鉆取位置的影響；加之試樣加工控制嚴(yán)格，試驗結(jié)果離散度較小，故可以認(rèn)為2塊試樣具有一定代表性.同種配比的RPC試樣采用相同的路徑加載時，峰值應(yīng)力的波動范圍均小于平均值的6.5%.當(dāng)試驗過程中出現(xiàn)有滲漏油現(xiàn)象或是由其他原因造成數(shù)據(jù)不理想時，再增加試樣塊數(shù).

2 試驗分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

盡管軸向引伸計測得的變形包括試樣的軸向變形和標(biāo)距內(nèi)的壓頭軸向變形，但是壓頭的軸向變形小于引伸計測量變形量的5.5%，因此在后面處理數(shù)據(jù)時，直接使用軸向引伸計測量到的變形來替代試樣的軸向變形.估算壓頭軸向變形量時，試樣選用鋼纖維摻量為0%的RPC材料，圍壓取為10，70MPa，上、下壓頭直徑均取為50mm，壓頭材料的彈性模量取為206GPa.

圖2給出了RPC試樣在不同圍壓條件下的q-ε1曲線、q-εr曲線以及試驗曲線分段示意.各分圖中的曲線均基于實際采集數(shù)據(jù)所繪制.由于試驗機剛度偏低，10，20和40MPa圍壓下的曲線峰后段并不能真實反映試樣的破壞過程.故除圍壓為70MPa外，對10，20和40MPa圍壓下的曲線峰后段均進行了處理.

對于圖2中試驗曲線的分段作如下說明：曲線AB段為穩(wěn)定上升段，B點為峰值點；BC段為快速下降段，BC段對應(yīng)的過程幾乎在瞬間完成，伴隨著非常大的響聲，由于數(shù)據(jù)采樣頻率為3Hz，實際過程經(jīng)歷的時間要比采樣間隔時間短，因此B點與C點之間沒有采集到數(shù)據(jù)點；由于CD-DE段是由試驗機剛度不足造成的，并不是RPC試樣本身的材料特性，故在此不作討論；EF段為殘余抗壓強度階段.如果試驗機的剛度足夠大，峰后曲線應(yīng)為A-B-E-F.為了表達簡潔，圖2(b)～(f)中的曲線只取A-B-E-F段.

圖3中列出了鋼纖維摻量φF不同的RPC試樣在單軸加載條件下的試驗曲線.

圖2 各鋼纖維摻量下RPC試樣的q-εr，q-ε1曲線及試驗曲線分段示意Fig.2 q-εr and q-ε1 curves of RPC with five steel fiber volume contents and test curve segmentation

2.2 力學(xué)性能

2.2.1峰值應(yīng)力

圖3 不同鋼纖維摻量下RPC試樣在單軸加載條件下的q -εr，q -ε1關(guān)系曲線Fig.3 q -εr and q -ε1 curves of RPC with different steel fiber volume contents under uniaxial loading

圖4 不同鋼纖維摻量下RPC試樣的qmax-p關(guān)系及不同圍壓條件下關(guān)系Fig.4 qmax-p and relationships of RPC with different steel fiber volume contents and confining pressures

分析得出：圍壓的變化會顯著影響RPC試樣的軸向抗壓強度；鋼纖維摻量變化對RPC試樣抗壓強度的影響只在單軸加載條件下有所體現(xiàn)，在有圍壓條件下并不明顯.

2.2.2峰值點軸向應(yīng)變

圖5(a)為鋼纖維摻量不同的RPC試樣在曲線峰值點的軸向應(yīng)變εp1與圍壓p的關(guān)系.由圖5(a)可見，峰值點軸向應(yīng)變與圍壓有較好的線性關(guān)系.

2.3 破壞形態(tài)

2.3.1圍壓的影響

這里僅以鋼纖維摻量為0%和2.4%的RPC試樣為例，來說明圍壓變化對RPC試樣破壞形態(tài)的影響(見圖6).由圖6可見，在單軸受壓時，素RPC試樣的破壞類似于劈裂破壞，破壞后有多條近似豎向的宏觀裂縫，形成多個破碎塊；鋼纖維摻量為2.4%的RPC試樣則由于鋼纖維的拉伸約束作用，最后破壞時呈現(xiàn)出裂而不散的剪切破壞.在經(jīng)歷圍壓分別為10，20，40，70MPa下的三軸加載后，鋼纖維摻量分別為0%，2.4%的RPC試樣均表現(xiàn)為剪切破壞.

圖5 不同鋼纖維摻量下RPC試樣的εp1-p關(guān)系及不同圍壓條件下關(guān)系Fig.5 εp1-p and relationships of RPC with different steel fiber volume contents and confining pressures

圖6 鋼纖維摻量為0%，2.4%時RPC試樣的破壞形態(tài)Fig.6 Failure patterns of RPC with 0% and 2.4% steel fiber volume contents

素RPC試樣在圍壓較低時，破壞后除1條主裂紋外，還伴隨多條次裂紋；隨圍壓增加，次裂紋數(shù)目減少.鋼纖維摻量為2.4%的RPC試樣破壞形態(tài)與圍壓有關(guān)，隨著圍壓的增加，裂紋由Y形或V形逐漸轉(zhuǎn)為1條斜裂紋.

除素RPC試樣外，其余鋼纖維摻量的RPC試樣于不同圍壓下破壞時，在宏觀破壞面上都可看到大量脫黏拔出的鋼纖維.

2.3.2鋼纖維摻量的影響

圖7給出了10MPa圍壓下不同鋼纖維摻量的RPC試樣破壞形態(tài).由圖7可見：(1)鋼纖維摻量為0%的RPC試樣破壞后，除主裂紋外，還伴隨出現(xiàn)了多條肉眼可見的次裂紋；(2)鋼纖維摻量為0.3%，1.0%及1.7%的RPC試樣破壞后均出現(xiàn)1條貫穿試樣的主裂紋，次裂紋較0%鋼纖維摻量的試樣少；(3)鋼纖維摻量為2.4%的試樣破壞后出現(xiàn)了Y形或V形裂紋(如果V形裂紋繼續(xù)擴展，就會楔裂成Y形裂紋)，這與其余鋼纖維摻量的試樣明顯不同.

圖7 10MPa圍壓下不同鋼纖維摻量的RPC試樣破壞形態(tài)Fig.7 Failure patterns of RPC with different steel fiber volume contents under 10MPa confining pressure

Ren等[9]認(rèn)為添加鋼纖維可以有效改變低圍壓狀態(tài)下超高性能水泥基復(fù)合材料(UHPCC)的破壞狀態(tài)，而在高圍壓條件下鋼纖維的增強作用將會減弱，這與本文所得結(jié)果一致.

2.4 抗壓強度準(zhǔn)則

分別采用Mohr-Coulomb抗壓強度準(zhǔn)則和Willam-Warnke抗壓強度模型來描述RPC試樣的抗壓強度規(guī)律.

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可以表示為：

(1)

Willam-Warnke模型的公式為：

(2)

表2 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則擬合結(jié)果

(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]1/2；σ1，σ2和σ3分別為3個主應(yīng)力，α0，α1和α2為Willam-Warnke模型的參數(shù).

表3給出了用公式(2)擬合試驗數(shù)據(jù)后的結(jié)果.由表3可見，其中的R2普遍高于0.99，表明Willam-Warnke 模型更適用于描述RPC試樣的抗壓強度發(fā)展規(guī)律.

表3 Willam-Warnke模型擬合結(jié)果

圖8(a)，(b)分別列出了對應(yīng)于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Willam-Warnke模型的變化量之間的關(guān)系，且均列出了素RPC試樣強度數(shù)據(jù)的擬合曲線.

圖8 三軸抗壓強度比與圍壓比的關(guān)系以及平均剪應(yīng)力比與平均正應(yīng)力比的關(guān)系Fig.8 Relationship between triaxial strength ratio and confining pressure ratio and the relationship between mean shear stress ratio and mean normal stress ratio

3 結(jié)論

(1)在常規(guī)三軸受壓條件下，鋼纖維摻量分別為0%，0.3%，1.0%，1.7%和2.4%且圍壓分別為10，20，40和70MPa時，圍壓是影響RPC試樣抗壓強度和變形能力的主要因素.

(2)RPC試樣的峰值點軸向應(yīng)變隨圍壓的升高而升高，二者近似呈線性關(guān)系.

(3)在單軸加載條件下，鋼纖維對RPC試樣的抗壓強度和破壞形態(tài)都有著明顯的影響；在圍壓為10～70MPa且鋼纖維摻量為0%～2.4%的條件下，鋼纖維僅對RPC試樣的破壞形態(tài)有影響，對其抗壓強度的影響并不明顯.

(4)比較Mohr-Coulomb準(zhǔn)則與Willam-Warnke模型對RPC試樣單軸、三軸抗壓強度數(shù)據(jù)的擬合效果可知，Willam-Warnke模型更適用于描述RPC試樣的抗壓強度發(fā)展規(guī)律.

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