超高性能混凝土梁受剪性能的尺寸效应试验研究

超高性能混凝土梁受剪性能的尺寸效应试验研究

周付乐

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摘要：超高性能混凝土（UHPC）是一种具有高强度、高韧性和高耐久性的新型水泥基复合材料，最早由法国人Richard等在20世纪90年代研制成功。UHPC的材料组分不同于普通混凝土，其通过掺入粒径较小的矿物掺合料，填充水泥及其水化产物间的空隙，以增加基体密实度来提高抗压强度。同时，在相对较低的水胶比与高效减水剂共同作用下，解决了低用水量与和易性之间的矛盾，既保证了一定的流动性，又获得了超高的抗压强度。基于此，本篇文章对超高性能混凝土梁受剪性能的尺寸效应试验进行研究，以供参考。

关键词：超高性能混凝土；梁受剪性能；尺寸效应试验

引言

近年来全国各地建筑在政策推动、市场主导的基本原则下得到了大力发展，完成了《“十三五”建筑建筑行动方案》确定的到2020年达到15%以上的工作目标。结构体系中，企业和高校基于国内外已有的研究成果进行了大量的科研研究和技术创新。但目前建筑实施过程中仍然会出现多重施工技术难点问题，特别是后浇混凝土量过大以及钢筋连接部位较密集，导致现场建筑施工质量差以及工人和建筑从业人员对建筑建造方式持一种怀疑态度，如何解决这种局面将是目前技术创新和研究的热点。《“十四五”建筑业发展规划》指出大力发展建筑，完善适用不同建筑类型建筑混凝土建筑结构体系，加大高性能混凝土技术研究。超高性能混凝土简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)是一种新型纤维增强水泥基复合材料，因具有高强、高韧和极好的耐久性优势，在土木工程特别是桥梁及加固领域有大量的项目应用和发展。中国混凝土与水泥制品协会UHPC分会在近几年报告中指出建议基于UHPC的建筑领域发展相应设计、预制生产、结构连接、安装以及相应标准规范等构成的技术体系。

1UHPC的定义

自UHPC研发以来，国内外学者对UHPC的定义一直有着不同的理解，目前还没有统一认定的定义。在近现代的建筑史中，混凝土是一种应用非常广泛的材料，它大致有以下的发展历程：低强度混凝土→普通混凝土→高性能混凝土→超高性能混凝土（UHPC）。在20世纪20-70年代，低强度混凝土和普通混凝土被广泛应用。在1994年，Larrard等在高性能混凝土（HPC）的基础上首次提出了超高性能混凝土（UHPC）这个概念，2005年和2008年，在卡塞尔大学举办了两次UHPC国际会议，会议内容主要讨论了如何制备UHPC、UHPC的微观结构和标准等。超高性能混凝土（UHPC）是指具有高密实度、高机械强度、高耐久性的一类混凝土。它不是普通混凝土某一类性能的优化，而是利用颗粒最紧密堆积等理论建立新的水泥基材料模型，在UHPC基体中添加纤维可以获得具有高延性和高韧性的超高能纤维增强混凝土。我国最早介绍UHPC的是覃维祖教授，他将RPC称为UHPC。此后，UHPC的研究及应用受到国内众多学者的重视。重庆大学王冲教授采用常规原材料，通过传统混凝土制备技术，获得了抗压强度大于150MPa的超高强混凝土，并提出了特超强高性能混凝土的概念。我国GB/T31387—2015《活性粉末混凝土》中定义RPC为水泥、矿物掺合料等活性粉末材料、细骨料、外加剂、高强度微细钢纤维或有机合成纤维、水等原材料生产的超高强增韧混凝土；地方或团体标准T/CBMF37—2018/T/CCPA7—2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法》、T/CBMF96—2020/T/CCPA20—2020《超高性能混凝土预混料》将UHPC定义为兼具超高抗渗性能和超高力学性能的纤维增强水泥基复合材料；T/CECS864—2021《超高性能混凝土试验方法标准》定义UHPC为由水泥、矿物掺合料、骨料、纤维、外加剂、水等原材料制备成的具有超高力学性能、超高抗渗性能的高韧性水泥基复合材料。综上可知，UHPC为以水泥为基础，与硅灰、粉煤灰等掺合料复合而成多元胶凝体系，通过纤维增强韧性，具备超高力学性能、抗渗性能、韧性及耐性能的高性能混凝土。本综述包括UHPC的制备方法、UHPC的养护制度和UHPC的性能及其影响因素几个主要章节。本文旨在总结UHPC的研究进展，为今后的研究提供一些经验和建议，以促进UHPC的应用。

2力学性能指标

（1）抗压强度。在调查市场后发现，市场上UHPC的抗压强度最低为100MPa，最高为160MPa。大部分处在120～150MPa。装饰类UHPC使用的是合成纤维，在力学性能方面有所减弱，一般保持在100～120MPa。从这一角度来说，装配式结构类的UHPC抗压强度应超过120MPa。实际上，120MPa的抗压强度符合有关标准，强度过低会出现力学性能降低，强度过高会增加成本。装配式用装饰类UHPC的抗压强度宜超过100MPa，并保证其可以使用各类型的纤维。（2）弹性模量。UHPC的弹性模量为40～55GPa。结构类UHPC为45～55GPa，装饰类UHPC为40～50GPa。（3）抗弯强度。UHPC的抗弯强度具有显著差异，具体差异约15MPa。结构类UHPC的抗弯强度应＞14MPa。装饰类UHPC通常会使用工程纤维，抗弯强度一般＜15MPa，所以，建议抗弯强度＞10MPa。（4）抗拉性能。UHPC具有较高的抗拉性能，这也是其和高强水泥基材料具有较大区别的原因之一。抗拉性能包括抗拉强度、抗弯强度、弹性极限及抗拉应变指标。

3实验

3.1原材料

用于制备超高性能混凝土的原材料有：盾石牌P·O52.5普通硅酸盐水泥；黄白相间石英砂，粒径范围0.3～1.0mm；300目白色石英粉；圆直镀铜钢纤维，直径0.22mm，长度13mm，抗拉强度2800MPa；北京邦德印合成材料研究所生产的超高性能混凝土专用硅灰；聚羧酸高效减水剂及自来水。

3.2骨料级配与配合比设计

UHPC通常采用0.16～0.63mm或0.16～1.25mm连续级配骨料，因此采用人工调配的方式，选用细砂与特细砂进行混合配制成0.16～0.63mm连续级配石英砂;中砂与特细砂进行混合配制成0.16～1.25mm连续级配石英砂。对于每种掺配方式，选择特细砂的掺量为20%、40%、60%、80%四种水平，以研究不同粒径区间的石英砂所能达到的最大堆积密度。

3.3试样制备

首先将水泥、硅灰、石英砂、石英粉倒入搅拌锅中，干拌3min，然后钢纤维用细筛分次筛入，每次筛入约500g后搅拌30s，减水剂与水的混合液分两次倒入搅拌锅，第1次倒入混合液的80%搅拌6min，第2次倒入20%搅拌5min。将拌合完成的钢纤维超高性能混凝土倒入35cm×20cm×14mm规格的有机玻璃试模中，并将试模放在高频振动台(振动频率为50Hz)振动3min成型。试模内超高性能混凝土在标准养护室养护24h后拆模，试样拆模后立即放入热水箱中加热养护，水温以5℃/h的速率升温至90℃后保持恒定，并在90℃养护72h后拉闸断电，待热水箱水温自然冷却到室温后取出试块。三轴试验前1周，完成试样的钻、切和磨的工作，形成直径为5cm，高约11cm的圆柱体试件，试件加工精度及试验过程满足《岩石物理力学性质试验规程》(DZ/T0276.1—2015)相关要求。

4试验结果与分析

4.1裂缝发展

在试验中发现，所有试件初始开裂均出现在梁底，且随着加载，梁底裂缝逐渐增多变宽，延伸至梁的侧面。与普通钢筋混凝土梁试件相比，梁底填充一部分UHPC和全UHPC试件初始开裂时裂缝更细小，表明梁底UHPC材料对抑制初始开裂有利。在所有构件的纯弯段，裂缝主要表现为竖向发展的受弯裂缝;而对于支座与加载点之间的区域，在弯剪耦合作用下，裂缝形式包括弯曲裂缝和斜向发展的剪切裂缝。与普通混凝土梁试件相比，UHPC试件裂缝数量明显增多，同等荷载级别下，裂缝宽度更小，且纵筋配筋率提高对裂缝形态影响不大。对于UHPC－NC复合梁，除了观察到弯曲裂缝和斜向剪切裂缝外，还能在距离梁底1/4高处发现若干水平裂缝，对应于UHPC和普通混凝土的分界线，这是由于两者之间发生滑移而导致的，随着纵筋配筋率的增加，滑移现象更明显。

4.2跨中截面应变分布

在加载过程中，受到梁底混凝土开裂的影响，距梁底1/3高度范围内的混凝土应变片很快破坏，该范围内的应变值为底部纵筋(适筋梁)或底部第1排纵筋(超筋梁)水平应变。试件的跨中截面应变分布基本符合平截面假定。对于按现行混凝土规范超筋梁设计的超高性能混凝土试件L－UHPC－b，在荷载为400kN时，底部第一排纵筋的应变值约为3000微应变，当达到峰值荷载时，纵筋应变值发展至4100微应变，破坏时钢筋为屈服状态。

5试验现象

在加载初期，混凝土承担大部分剪力，梁表面未出现裂缝。继续加载，加载点处截面弯矩增大，混凝土应变到达极限，故梁底观察到初始竖向裂缝。加载至10%Vu时，竖向裂缝数量不断新增并向梁顶延伸，裂缝位置由最初的加载处梁底向梁端发展。加载至25%Vu时，梁侧面竖向裂缝数量达到峰值，同时梁高中部混凝土承受的剪应力增大，支座处形成第一条斜裂缝。继续加载至80%Vu，梁侧面布满斜裂缝，随后基本不再新增，裂缝宽度增长速率大幅提高。加载至90%Vu时，梁侧面出现主斜裂缝，并伴有钢纤维撕裂“滋滋”声和混凝土的脱落。继续加载，梁最终被剪断，且破坏过程较为缓慢，有明显预兆。试验梁均呈剪压破坏，且具有明显的剪压区。各梁加载点处混凝土翼缘均被压坏，主斜裂缝宽度在剪压复合应力的作用下迅速增大导致梁最终被剪坏。说明试验梁尺寸的缩放对梁最终的失效模式无影响。

结束语

本文介绍了基于UHPC材料的新型建筑结构体系以及建筑设计的应用，解决了多年建筑设计从业经验遇到的问题。主要得到以下几点结论：（1）预制UHPC建筑轻型构件可大幅降低预制构件重量、提高耐久性及达到免装饰效果。（2）UHPC节点连接中，梁柱钢筋锚固长度可大幅降低，搭接钢筋长度为15d，直锚长度为10d。（3）提出了基于UHPC节点浇筑连接的NC全预制板、预制梁、预制柱等高装配率的新型建筑结构体系解决方案，该体系可大量减少了现场湿作业量，推动了建筑工业化发展。（4）分析了UHPC材料在建筑中的应用，为UHPC材料在建筑行业中的研究提出了方向。

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